典型飛行安全評(píng)估方法述評(píng)

劉　嘉，孫　陽，肖楚琬，賈　慧，趙志堅(jiān)

（海軍航空工程學(xué)院接改裝訓(xùn)練大隊(duì)，山東煙臺(tái)264001）

典型飛行安全評(píng)估方法述評(píng)

劉嘉，孫陽，肖楚琬，賈慧，趙志堅(jiān)

（海軍航空工程學(xué)院接改裝訓(xùn)練大隊(duì)，山東煙臺(tái)264001）

為進(jìn)一步從飛行動(dòng)力學(xué)角度解決面向任務(wù)的多耦合因素下飛行安全評(píng)估問題，對(duì)現(xiàn)有飛行安全評(píng)估方法進(jìn)行了梳理，對(duì)各種評(píng)估方法的發(fā)展起源、評(píng)估流程、評(píng)價(jià)指標(biāo)、應(yīng)用不足進(jìn)行了初步探討。研究表明，各種評(píng)估方法在應(yīng)用上各有優(yōu)缺點(diǎn)。從飛行動(dòng)力學(xué)角度而言，層次分析法、故障樹分析法和時(shí)間裕度法對(duì)解決多耦合因素下飛行安全問題，具有較強(qiáng)的借鑒意義。后續(xù)可結(jié)合人因可靠性，飛行安全邊界界定，將層次分析法、故障樹法和時(shí)間裕度法融合，發(fā)展一種新的面向任務(wù)的基于系統(tǒng)安全性和飛行動(dòng)力學(xué)的具有更廣泛意義的飛行安全評(píng)估方法。

飛行安全；飛行動(dòng)力學(xué)；系統(tǒng)安全性；故障樹法；時(shí)間裕度法；飛行包線

隨著我國(guó)航空運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，飛機(jī)成為人們?nèi)粘Ｗ顬槌Ｓ玫某鲂蟹绞街弧？梢灶A(yù)見隨著國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)的下線，我國(guó)航空運(yùn)輸業(yè)必將迎來新的更大發(fā)展。但同時(shí)也應(yīng)看到，近年來飛行事故頻發(fā)，也給我國(guó)航空業(yè)者敲響了警鐘。如何確保飛行安全是航空運(yùn)輸領(lǐng)域的永恒主題。飛行安全研究的目的就是確保飛行安全，找到制約飛行安全的關(guān)鍵因素，并將其加以解決。這其中既包括飛機(jī)的設(shè)計(jì)因素，也包括使用者的操作因素以及環(huán)境因素。可以說飛行安全是一個(gè)相當(dāng)廣泛的話題，學(xué)者們?cè)陲w行安全“人、機(jī)、環(huán)”3個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)開展了大量研究。在人的方面，學(xué)者們開展了人因可靠性與飛行安全研究[1]、人機(jī)工效與飛行安全研究[2]、飛行駕駛技術(shù)與飛行安全研究等等[3]。在飛行器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，學(xué)者們分別在飛行系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及事故預(yù)測(cè)[4]、適航性[5]、飛行品質(zhì)與飛行安全[6]、飛行包線與邊界識(shí)別控制[7]、飛行安全輔助措施[8]等方面展開了研究。在環(huán)境方面，學(xué)者們對(duì)各類自然環(huán)境對(duì)飛行安全影響都進(jìn)行過研究，如降雨與飛行安全[9]、結(jié)冰與飛行安全[10]、風(fēng)切變與飛行安全[11]、前機(jī)尾渦與飛行安全等等[12]。由此也可以看到，飛行安全不是孤立的，而是多耦合因素共同作用下的系統(tǒng)性不確定問題。面對(duì)如此豐富的研究成果，必須理清研究思路，找準(zhǔn)方法步驟，才能為后續(xù)多耦合因素下飛行安全研究奠定基礎(chǔ)。為此，須要搞清什么是飛行安全，它的影響因素是什么，它的內(nèi)涵是什么，以及目前采用了哪些評(píng)價(jià)辦法進(jìn)行飛行安全評(píng)估。這也正是本文研究的目的。

本文首先介紹了飛行安全基本概念和內(nèi)涵；而后對(duì)現(xiàn)有典型飛行安全評(píng)估基本方法進(jìn)行了綜述；最后，對(duì)這些方法總結(jié)，為后續(xù)從飛行視角和動(dòng)力學(xué)角度解決多耦合因素下航空飛行安全問題奠定基礎(chǔ)。

1　飛行安全的概念與內(nèi)涵

1.1基本概念

1.1.1飛行安全

飛行安全就是指在飛行活動(dòng)中，保證人類能夠順利地離開地面飛向空中并能順利地返回地面，不給乘員、飛行器本身以及地面居民、設(shè)施造成任何損害和威脅[13]。

1.1.2飛行風(fēng)險(xiǎn)

飛行風(fēng)險(xiǎn)是對(duì)危險(xiǎn)、潛在事故可能性及事故后果的綜合度量，是系統(tǒng)安全指標(biāo)之一。風(fēng)險(xiǎn)用于描述尚未發(fā)生的的可能轉(zhuǎn)化為事故的隨機(jī)可能性及事故后果[13]。

1.1.3飛行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

飛行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估就是對(duì)飛行風(fēng)險(xiǎn)大小做出評(píng)估和度量[13]。開展飛行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的最終目的是以實(shí)現(xiàn)飛行系統(tǒng)安全，揭示影響飛行安全的不利因素，分析各影響因素耦合作用及事故機(jī)理，進(jìn)而對(duì)飛行安全開展定性定量分析及評(píng)估，為事故預(yù)測(cè)及事故預(yù)防奠定基礎(chǔ)，最終確保飛行安全，提升經(jīng)濟(jì)效益。

1.2飛行安全影響因素

眾所周知，影響飛行安全的主要因素是“人、機(jī)、環(huán)”。即飛行員或機(jī)組、飛機(jī)以及外界環(huán)境。當(dāng)然也有觀點(diǎn)認(rèn)為，管理也應(yīng)納入飛行安全影響因素。鑒于本文主要為后續(xù)從飛行視角定量分析飛行安全進(jìn)行基礎(chǔ)準(zhǔn)備。同時(shí)，由于管理因素難以與飛行安全的定量因素建立關(guān)聯(lián)，因而暫不將管理因素及維護(hù)保障有關(guān)因素納入影響因素。其中，關(guān)于人的因素，人因可靠性相關(guān)研究可以對(duì)人的各種行為及其影響因素進(jìn)行較為有效的解釋；關(guān)于飛機(jī)本體因素，在飛行器設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，飛機(jī)各系統(tǒng)的安全性、可靠性、飛行品質(zhì)都與飛行安全相關(guān)；在環(huán)境因素中，飛機(jī)的使用環(huán)境也制約著飛行安全。

2　飛行安全評(píng)估方法

飛行安全評(píng)估方法即是對(duì)飛行安全系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)大小做出正確評(píng)價(jià)與度量的方法。目前，學(xué)者們對(duì)飛行安全評(píng)估開展的研究主要集中在以下方面：一是從飛機(jī)設(shè)計(jì)角度以及從飛機(jī)整機(jī)安全性出發(fā)，對(duì)各分系統(tǒng)提出安全性及可靠性指標(biāo)，指導(dǎo)飛機(jī)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)；二是從事故、故障角度出發(fā)，以整個(gè)飛行系統(tǒng)的安全性視角對(duì)飛行安全進(jìn)行研究，其主要目的事前預(yù)測(cè)及事后分析，累計(jì)事故案例并為后續(xù)安全評(píng)估和事故預(yù)防奠定基礎(chǔ)；三是從使用角度，以動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，以飛行員視角對(duì)飛行安全性進(jìn)行分析；四是從飛機(jī)性能角度出發(fā)，進(jìn)行飛行邊界的識(shí)別和控制。這其中典型的方法包括故障樹法、事件樹法、層次分析法、基元事件法、時(shí)間裕度法等；這些研究方法有些是相通的，有些則在思路存在差別，其應(yīng)用方式不盡相同，各有優(yōu)缺點(diǎn)，下面就其中典型方法進(jìn)行介紹與綜述。

2.1故障模式與影響分析法

2.1.1方法起源

故障模式與影響分析法（Failure Mode and EffectsAnalysis，F(xiàn)MEA）是20世紀(jì)50年代美國(guó)為分析飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障而發(fā)展的一種方法，目前廣泛用于安全性評(píng)估和故障分析識(shí)別，我國(guó)也已將這種方法納入國(guó)軍標(biāo)[14]。也有學(xué)者對(duì)這一方法在具體應(yīng)用中進(jìn)行改進(jìn)，取得了較好效果。如文獻(xiàn)[15]采用FMEA方法，結(jié)合模糊綜合評(píng)判理論，對(duì)數(shù)控機(jī)床故障進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[16]結(jié)合三元素法對(duì)飛機(jī)油箱防火性進(jìn)行了分析等。此外，F(xiàn)MEA也是故障分析的基本方法之一。

2.1.2方法原理與步驟

這一方法的基本思路是按照系統(tǒng)、分系統(tǒng)、元素的順序分割研究對(duì)象及故障類型，然后再按元素、子系統(tǒng)、系統(tǒng)的順序研究故障對(duì)飛機(jī)可靠性及飛行安全性的影響，最后根據(jù)影響大小，故障概率等因素評(píng)定故障等級(jí)。其基本步驟包括：調(diào)查系統(tǒng)、確定分析深度、繪制功能框圖、列出故障類型、選取典型及重大故障、開展故障分析。在故障類型及影響分析中，通常采用評(píng)點(diǎn)法，即根據(jù)影響因素計(jì)算故障點(diǎn)數(shù)，故障典型因素包括故障影響大小、影響范圍、發(fā)生頻率、防止故障難易程度、設(shè)計(jì)成熟度等，如表1所示。

表1　故障影響因素Tab.1 Factors of fault effect

按下式計(jì)算元素總的危險(xiǎn)故障點(diǎn)數(shù)：

危險(xiǎn)故障總點(diǎn)數(shù)即表征了該元素的危害程度。最終可以按照這一方法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行安全性分析評(píng)估。

2.1.3評(píng)估結(jié)論

FMEA故障等級(jí)的評(píng)定方法有簡(jiǎn)單劃分法、評(píng)點(diǎn)法和致命度評(píng)點(diǎn)法、風(fēng)險(xiǎn)矩陣法，其典型應(yīng)用是上述評(píng)點(diǎn)法。當(dāng)系統(tǒng)總點(diǎn)數(shù)Cs＞7時(shí)，故障等級(jí)為I級(jí)，為災(zāi)難性故障或事故；當(dāng)總點(diǎn)數(shù)4＜Cs≤7時(shí)，故障等級(jí)為II級(jí)，為致命性故障或事故；當(dāng)總點(diǎn)數(shù)2＜Cs≤4時(shí)，故障等級(jí)為III級(jí)，為嚴(yán)重故障或事故；當(dāng)總點(diǎn)數(shù)Cs≤2時(shí)，故障等級(jí)為IV級(jí)，為輕度故障。

2.2事件樹分析法

2.2.1方法起源

事件樹分析法（Event Tree Analysis，ETA）又稱決策樹分析法。這是安全系統(tǒng)工程的重要分析方法之一。最早源于美國(guó)對(duì)商用核電站的風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估。這種方法從事故的起因事件開始，應(yīng)用歸納推理的方法，分析事件的發(fā)展過程，最終導(dǎo)出所有可能的事故后果。如文獻(xiàn)[17]運(yùn)用事件樹法綜合考慮防撞系統(tǒng)可靠性和飛行員可靠性，對(duì)自由飛行模式下的碰撞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估。針對(duì)具體這一方法存在缺點(diǎn)，學(xué)者們也對(duì)這一方法提出了改進(jìn)。如文獻(xiàn)[18-19]針對(duì)原始方法對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)演化過程描述不足的問題，提出并成功運(yùn)用了動(dòng)態(tài)事件樹法進(jìn)行可靠性分析；文獻(xiàn)[20]利用事件樹和動(dòng)態(tài)故障樹，提出了基于ET-DFT模型的動(dòng)態(tài)概率安全評(píng)價(jià)方法等等。

2.2.2方法原理與步驟

事件樹分析法的實(shí)質(zhì)是利用邏輯推理方法，以可靠性為基礎(chǔ)，研究時(shí)間線上各事件因果關(guān)系，分析事故形成過程。其基本原理是分析事件發(fā)展過程，給出每一事件的可能結(jié)果，并對(duì)這一結(jié)果產(chǎn)生的次級(jí)事件進(jìn)一步分解，直到底層。最終可以分析每一事件的故障后果和影響。

基本步驟包括：

1）開展事件分析，明確起點(diǎn)事件，了解時(shí)間軸上的事件發(fā)展過程，確定各事件因果關(guān)系和發(fā)展走向；

2）從左至右依次編圖，開始事件在左，將成功的分枝畫在上面，失敗的分枝畫在下面；

3）標(biāo)定概率邏輯運(yùn)算，根據(jù)事件、中間事件的基本概率，按照獨(dú)立事件概率計(jì)算原則，即并聯(lián)事件概率相加，串聯(lián)事件概率相乘的原則計(jì)算總概率。

圖1為典型故障案例——起落架放下故障事件樹。其中，P1、P2、P4是起落架故障后飛行員處置成功、安全飛行概率，P3、P5是處置不當(dāng)?shù)氖鹿矢怕省Ｗ罱K根據(jù)各分支概率即可計(jì)算事故概率。

圖1　故障案例事件樹Fig.1 Event tree of failure case

2.2.3評(píng)估結(jié)論

ETA方法得到事故評(píng)估指標(biāo)是事故概率。這一方法的使用前提是需要知道各事件分支發(fā)生概率。此外分支分叉走向需要詳細(xì)論證。

2.3故障樹分析法

2.3.1方法起源

故障樹分析法（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）最早由美國(guó)貝爾電話公司的Watson首先提出，于1962年應(yīng)用于民兵式導(dǎo)彈發(fā)射控制系統(tǒng)安全分析，后來美國(guó)波音公司的Heasl等人對(duì)事故樹分析法作了重大改進(jìn)。事實(shí)證明，故障樹分析法非常適合用于研究事故發(fā)生規(guī)律，可以用于事故預(yù)測(cè)、安全評(píng)估及故障診斷，如文獻(xiàn)[21]結(jié)合故障樹和BAM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)嘗試對(duì)故障診斷存在的空間爆炸和訓(xùn)練樣本整理難題進(jìn)行了解決，實(shí)現(xiàn)了故障診斷的快速性和準(zhǔn)確性；文獻(xiàn)[22]運(yùn)用信息熵決策理論進(jìn)行了故障樹不確定性推理，并采用算例證明了方法的有效性等等。下面就該方法原理和典型步驟進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2.3.2方法原理與步驟

故障樹分析法基本步驟：①調(diào)查研究，確立研究對(duì)象；②建立故障樹；③化簡(jiǎn)故障樹和定性分析；④概率計(jì)算；⑤安全性評(píng)估。如圖2～3示出了故障樹基本結(jié)構(gòu)示意圖，其中“+”代表“或”運(yùn)算、“×”代表與運(yùn)算。圖3是圖2故障樹化簡(jiǎn)后的事故致因結(jié)構(gòu)圖，從中可以找到事故發(fā)生的基本原因及其組合。圖2中T是頂上事故事件、A、B、C、D、X1、X2、X3、X4、X5分別是獨(dú)立事件。圖3中K1、K2、K3是T事件發(fā)生的3個(gè)組合事件。最后，在步驟3）基礎(chǔ)上，可以根據(jù)基本事件發(fā)生概率計(jì)算最終事故發(fā)生概率，同時(shí)可根據(jù)基本事件重要度和臨界重要度對(duì)安全性進(jìn)行評(píng)估，并找到事故對(duì)事故影響最大的安全隱患。

圖2　故障樹結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch map of fault tree structure

圖3　故障樹簡(jiǎn)化示意圖Fig.3 Sketch map of fault tree simplify

2.3.3評(píng)估結(jié)論

這一方法得到事故評(píng)估指標(biāo)是事故概率。采用這一方法預(yù)測(cè)事故概率的前提是必須知道各獨(dú)立事件發(fā)生概率，同時(shí)應(yīng)對(duì)各事件之間及其與最終事故的邏輯關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)構(gòu)建。

2.4層次分析法

2.4.1方法起源

層次分析法（The Analytical Hierarchy Process，AHP）最早是由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家A.L.Saaty提出[23]。這種方法將頂層安全目標(biāo)根據(jù)聚類層次進(jìn)行逐級(jí)分解，是一種多因素耦合決策方法，是一種結(jié)合了底層元素分析和頂層安全預(yù)期的綜合化決策方法，其特點(diǎn)在于結(jié)合了專家主觀認(rèn)識(shí)和系統(tǒng)固有屬性，可以為定性和定量分析提供依據(jù)。這種方法不僅在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域得到應(yīng)用[13]，在效能評(píng)估中也取得了良好效果[24]。

2.4.2方法原理與步驟

AHP法的思路是將問題逐級(jí)分解，每個(gè)次級(jí)問題可以和多個(gè)上級(jí)問題存在影響關(guān)系，直至分解至最底層。圖4是飛行安全典型的層次分析結(jié)構(gòu)，其中，3層要素可能和多個(gè)二級(jí)子系統(tǒng)之間存在影響關(guān)系；而后根據(jù)專家評(píng)價(jià)采用某種方法進(jìn)行權(quán)值計(jì)算；最終可以得到底層元素相對(duì)于頂層目前的相對(duì)重要度函數(shù)。由此即實(shí)現(xiàn)了多耦合因素下的目標(biāo)分析。這一方法基本步驟包括以下4步。

1）根據(jù)分析目標(biāo)構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型。典型飛行安全評(píng)估層次結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　典型飛行安全評(píng)估層次結(jié)構(gòu)Fig.4 Hierarchical structure of typical flight safety assessment

2）構(gòu)造判斷矩陣。判斷矩陣是每一層元素相對(duì)重要性的權(quán)重指標(biāo)，通常由專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出。假定A層中元素Ak與下一層次中元素B1，B2，…，Bn有聯(lián)系，則構(gòu)造的判斷矩陣如表2所示。其中元素bij表示Bi與Bj相對(duì)于Ak的重要性的比例標(biāo)度。

表2　AHP法判斷矩陣Tab.1 Judgment matrix ofAHP method

3）層次單排序與一致性檢驗(yàn)。層次單排序可以歸結(jié)為計(jì)算判斷矩陣B的最大特征值和相應(yīng)的特征向量問題。

4）層次總排序與一致性檢驗(yàn)。方法與步驟3）類似。

2.4.3評(píng)估結(jié)論

這一方法以底層各因素相對(duì)權(quán)重為計(jì)算結(jié)果，可對(duì)定量和定性的各種因素對(duì)事故目標(biāo)的影響程度進(jìn)行分析，可以結(jié)合各底層因素進(jìn)一步計(jì)算事故概率。

2.5事件鏈分析法

2.5.1方法起源

事件鏈分析法是一種將飛行事故發(fā)生和發(fā)展過程中的有關(guān)事件，按照一定邏輯關(guān)系排成事件鏈，然后逐件分析事件鏈上的事件，從中找出屬于事故原因方法。這種方法是以事件鏈?zhǔn)鹿誓Ｐ屠碚摓榛A(chǔ)的分析方法。20世紀(jì)70年代布爾德根據(jù)多米諾骨牌理論，首次建立了事件鏈分析法，明確提出了事件鏈的概念。他把事故發(fā)生的事件分為“人”、“機(jī)械”、“管理”3大類，每一類都組成一個(gè)環(huán)，每個(gè)事件都可歸為這3類中的一類，每個(gè)事件使“人”、“機(jī)械”、“管理”環(huán)連接，如果發(fā)生了第一個(gè)事件，就使第一環(huán)套上第二環(huán)，發(fā)生第二個(gè)事件，就使第二環(huán)與第三環(huán)套上去，如此下去，最后一環(huán)就是事故發(fā)生。我國(guó)學(xué)者對(duì)這一方法也進(jìn)行了相關(guān)研究和應(yīng)用，如文獻(xiàn)[25]建立了突發(fā)事件的事件鏈概率模型，文獻(xiàn)[26]構(gòu)建了由情景要素屬性狀態(tài)識(shí)別到事件演變描述的概率規(guī)則，進(jìn)而提供了一種預(yù)測(cè)事件發(fā)展態(tài)勢(shì)的方法。

2.5.2方法原理與步驟

此分析方法用于飛行事故原因分析時(shí)，首先在事故調(diào)查過程中，列出調(diào)查中發(fā)現(xiàn)的所有影響飛行安全的因素，從這些因素中找出與事故有關(guān)的事件或情況，并按照事件發(fā)生的時(shí)間順序和因果關(guān)系，一環(huán)套一環(huán)排列成事件鏈，直到事故發(fā)生為止。然后，逐件分析事件鏈中的事件，從中找出屬于事故原因的事件或情況，確定事故發(fā)生的原因。

事件鏈方法更適合于事故分析和調(diào)查，也可以用于事故預(yù)防和預(yù)測(cè)，它在應(yīng)用時(shí)可以按照以下步驟展開。

1）分析起點(diǎn)事件。由于起點(diǎn)事件可能眾多，因此起點(diǎn)事件的確定必須要有豐富的經(jīng)驗(yàn)或可靠的定量分析作為支撐。

2）分析次生事件。分析起點(diǎn)事件可能觸發(fā)的次級(jí)事件，給出各次級(jí)事件發(fā)生概率，這一階段應(yīng)注意起點(diǎn)事件耦合和次生事件概率計(jì)算可能涉及多場(chǎng)景耦合多維概率分問題。

3）關(guān)鍵事件鏈的風(fēng)險(xiǎn)分析。根據(jù)步驟1）～2）在這一階段已基本明確了所以事件鏈和事故流程走向。因此可針對(duì)性開展關(guān)鍵事件鏈風(fēng)險(xiǎn)分析和事故評(píng)判。最后得出分析結(jié)論。

2.5.3評(píng)估結(jié)論

這一方法在事故原因分析時(shí)，可以較好的找到事故起因及其事件鏈。在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和安全評(píng)估時(shí)，其結(jié)論可以以事故概率的形式給出，但其更擅長(zhǎng)于定量給出不同事件鏈危險(xiǎn)程度，進(jìn)而提供安全措施建議，提高安全性。

2.6基元事件法

2.6.1方法起源

在對(duì)己有的事件鏈理論和事件分析方法進(jìn)行研究后，針對(duì)現(xiàn)有方法的不足，我國(guó)民航建立了一種改進(jìn)的歷史事件分析方法——基元事件分析法[27]?；录治龇ň褪腔谑录溊碚?，把發(fā)生的飛行事故或事故征候分解成為最終與事故或事故征候直接相關(guān)的獨(dú)立的基元事件的分析方法。基元事件的定義直接針對(duì)廣義的差錯(cuò)責(zé)任者，將違規(guī)和錯(cuò)誤行為落實(shí)到終端環(huán)節(jié)。其分析范圍包括了“人、機(jī)、環(huán)境、管理”中的各個(gè)方面，是一種系統(tǒng)評(píng)價(jià)飛行安全的方法。同時(shí)，這一方法可以歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開展安全趨勢(shì)研究，提前給出行業(yè)整改建議。其優(yōu)點(diǎn)是建立了規(guī)范化的事件鏈分解機(jī)制，明確了事件成因和預(yù)防對(duì)策。

2.6.2方法原理與步驟

運(yùn)用這一方法進(jìn)行安全評(píng)估的步驟包括：

1）進(jìn)行調(diào)查，運(yùn)用基元事件分析法和層次分析法設(shè)立“人、機(jī)、環(huán)境、管理”子系統(tǒng)分層次的評(píng)估模型，在4個(gè)子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，確定飛行安全評(píng)估的要素和項(xiàng)目；

2）運(yùn)用層次分析法（AHP）進(jìn)行權(quán)重分析和確定；

3）對(duì)待評(píng)對(duì)象或單位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；

4）根據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行安全評(píng)估和計(jì)算。

2.6.3評(píng)估結(jié)論

運(yùn)用這一方法可以對(duì)飛行系統(tǒng)進(jìn)行安全評(píng)估，評(píng)估結(jié)果以設(shè)定的安全指數(shù)或評(píng)分形式給出。其優(yōu)點(diǎn)是可以宏觀的對(duì)飛行系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，便于體系比較和評(píng)價(jià)。

2.7時(shí)間裕度法

2.7.1方法起源

這種方法目前主要應(yīng)用于飛行駕駛領(lǐng)域，俄羅斯學(xué)者和我國(guó)學(xué)者均對(duì)這一方法在飛行安全領(lǐng)域應(yīng)用做出了嘗試[28]。這一方法的好處是將人的操縱能力納入了飛行事故評(píng)判因素。同時(shí)，這一方法將將飛行動(dòng)力學(xué)有關(guān)理論與傳統(tǒng)飛行安全的概率指標(biāo)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)。在這一方法中，其判斷飛行事故的標(biāo)準(zhǔn)是，決定性參數(shù)達(dá)到或超過極限值xji。常見的決定性參數(shù)包括：迎角、過載、高度、表速、馬赫數(shù)等。這一方法的出發(fā)視角是以飛行員的容錯(cuò)能力和主動(dòng)駕馭能力為基本考慮，考察飛行員能否在有限時(shí)間內(nèi)，使飛機(jī)脫離危險(xiǎn)狀態(tài)。

2.7.2方法原理與步驟

這一方法的基本思路是，考察飛行員是否具有足夠的時(shí)間進(jìn)行飛行狀態(tài)“挽救”，即一旦飛機(jī)出現(xiàn)故障或“超限”事件，飛行員能否在飛機(jī)進(jìn)入不可逆狀態(tài)之前，使飛機(jī)重新進(jìn)入可控狀態(tài)。

其基本判斷思路如圖5所示。假設(shè)t=0時(shí)刻飛機(jī)出現(xiàn)異常，如果飛行員不實(shí)施正確的操縱飛機(jī)將進(jìn)入安全邊界以外，飛機(jī)某個(gè)指標(biāo)會(huì)以超限的形式威脅飛行安全，如超過過載極限、低空失速等等，見圖5曲線4。同時(shí)，這一方法定義了一個(gè)時(shí)間裕度tb，即飛行員可以挽救飛機(jī)的最小臨界時(shí)間，一旦飛行員超過了這一時(shí)間仍未進(jìn)行有效的正確的操縱，那么飛機(jī)將沿著圖5曲線3進(jìn)入超限狀態(tài)，如果飛行員剛好在時(shí)間tb內(nèi)進(jìn)行操縱，則飛機(jī)狀態(tài)沿著曲線2進(jìn)入安全臨界狀態(tài)，如果飛行員在時(shí)間裕度tb以內(nèi)施加正確操縱，那么飛機(jī)將沿著曲線1返回飛行安全邊界以內(nèi)。因此飛行安全評(píng)估就轉(zhuǎn)化為計(jì)算飛行員反應(yīng)時(shí)間tp小于時(shí)間裕度tb概率的問題，即P=P0(xt＜xji)=P0(tp＜tb)，其中：xt是t時(shí)刻飛機(jī)狀態(tài)、xji是飛行參數(shù)限制極限值。圖5中，陰影部分表示安全概率。由于tp具有隨機(jī)性，可用概率函數(shù)進(jìn)行描述。確定時(shí)間裕度tb后，通過研究tp分布規(guī)律，即可評(píng)估人-機(jī)系統(tǒng)的飛行安全性。

圖5　時(shí)間裕度判斷法原理圖Fig.5 Schematic diagram of time margin method

這一方法的基本步驟包括：

1）確定故障起點(diǎn)，建立故障后飛機(jī)動(dòng)態(tài)方程；

2）根據(jù)飛機(jī)參數(shù)極限值，求取臨界時(shí)間參數(shù)；

3）根據(jù)飛行員參與滯后時(shí)間，計(jì)算時(shí)間裕度，計(jì)算飛行風(fēng)險(xiǎn)概率。

2.7.3評(píng)估結(jié)論

這一方法計(jì)算得到的是飛行安全風(fēng)險(xiǎn)概率以及過程中的飛機(jī)狀態(tài)參數(shù)及相關(guān)時(shí)間參數(shù)。這一方法有效結(jié)合了飛行動(dòng)力學(xué)和現(xiàn)有安全理論，是一種新的安全評(píng)估方法嘗試。

3　評(píng)估方法述評(píng)與展望

3.1評(píng)估方法述評(píng)

限于篇幅，這里不再對(duì)其他飛行安全評(píng)估辦法進(jìn)行介紹，對(duì)于上述幾種典型飛行安全評(píng)估辦法，可以發(fā)現(xiàn)，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。

故障模式與影響分析法述評(píng)法（FMEA）使用前提是須要知道故障模式及故障原因，以及各部件的故障概率和對(duì)整個(gè)系統(tǒng)影響的權(quán)重。主要缺點(diǎn)是故障影響因素點(diǎn)數(shù)C1～C5大多人為選取，目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)選擇方法，故障危險(xiǎn)評(píng)估還存在一定的主觀性。此外，這一方法基本是以裝備因素為主要考察點(diǎn)，忽略了系統(tǒng)中的人為因素和環(huán)境因素。

事件樹分析法（ETA）的使用前提是須要知道各事件分支發(fā)生概率。同時(shí)，分支的合理性以及前提條件需要詳細(xì)設(shè)定。此外，對(duì)于多因素耦合引發(fā)事故，這一方法無法適用，而且并非所有部件的故障都會(huì)導(dǎo)致事故發(fā)生。

故障樹分析法（FTA）的前提是必須知道各獨(dú)立事件發(fā)生概率。同時(shí)，應(yīng)對(duì)各事件之間及其與最終事故的邏輯關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)構(gòu)建。

層次分析法（AHP）可以對(duì)定量和定性的各種因素對(duì)事故目標(biāo)的影響程度進(jìn)行分析，理論上結(jié)合各底層因素可靠性，可以進(jìn)一步計(jì)算事故概率，進(jìn)行安全評(píng)估和事故預(yù)測(cè)，但尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)文獻(xiàn)。此外，這一方法得到的底層事件相對(duì)權(quán)重仍是以專家意見為基礎(chǔ)，缺少定量計(jì)算基礎(chǔ)。

事件鏈分析法在事故原因分析時(shí)，可以較好地找到事故起因及其事件鏈，其更擅長(zhǎng)于定量給出不同事件鏈危險(xiǎn)程度，進(jìn)而提供安全措施建議，提高安全性。但在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)時(shí)，其缺點(diǎn)在于故障起點(diǎn)眾多，對(duì)所有起點(diǎn)進(jìn)行多因素耦合故障預(yù)測(cè)，場(chǎng)景過多，耦合復(fù)雜，應(yīng)用難度較大。

基元事件法的優(yōu)點(diǎn)是可以宏觀的對(duì)飛行系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，便于體系比較和評(píng)價(jià)，其缺點(diǎn)是沒有與事故現(xiàn)象之間建立直接聯(lián)系，其次這種方法評(píng)估項(xiàng)目權(quán)重來源于AHP法，本質(zhì)上仍以專家的判斷為基礎(chǔ)，定量分析依據(jù)稍顯薄弱。

時(shí)間裕度法結(jié)合了飛行動(dòng)力學(xué)和現(xiàn)有安全理論，是一種新的安全評(píng)估方法嘗試。但這一方法同樣存在一些缺點(diǎn)。如：必須對(duì)飛行狀態(tài)極限值進(jìn)行界定。傳統(tǒng)的飛行包線和飛行邊界，與這一極限值可能并不完全相同，如果以允許邊界為極限值，會(huì)面臨飛機(jī)有時(shí)尚未到達(dá)允許飛行包線也有可能發(fā)生事故的尷尬。此外，某些故障發(fā)生后，飛機(jī)氣動(dòng)特性發(fā)生異常改變，無法采用常規(guī)方法計(jì)算飛機(jī)后續(xù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。如果某些故障如某個(gè)傳感器損壞，可能不能直接產(chǎn)生飛行狀態(tài)的改變，但對(duì)飛行員操縱判斷可能產(chǎn)生影響，也會(huì)影響飛行安全。但即便存在這些不足，這一方法仍是開展定量安全評(píng)估的有益嘗試。

3.2展望

飛行安全影響因素眾多，涉及復(fù)雜且充滿隨機(jī)性的人為因素、裝備因素、環(huán)境因素。同時(shí)，飛行安全與飛行任務(wù)密切相關(guān)。比如，空中對(duì)抗科目訓(xùn)練的飛行安全問題、艦載機(jī)著艦的飛行安全問題、夜間超低空飛行安全問題等等，這些都是典型的面向任務(wù)的多耦合因素下的飛行安全評(píng)估問題，為此找到解決這類問題的統(tǒng)一辦法具有重要意義?？v觀上述典型飛行安全評(píng)估辦法，傳統(tǒng)系統(tǒng)安全性理論的評(píng)估方法與飛行理論定量分析結(jié)合不夠，而以飛行駕駛能力為出發(fā)點(diǎn)的安全理論又缺少系統(tǒng)安全性分析。為此，結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)，探索一種新的飛行安全評(píng)估方法應(yīng)該是解決面向任務(wù)的多耦合因素下飛行安全的途徑之一。綜合考量，現(xiàn)有層次分析法（AHP）、故障樹分析法（FTA）和時(shí)間裕度法具有較強(qiáng)的借鑒意義，結(jié)合這些方法，后續(xù)可從以下方面進(jìn)一步開展深入研究。

1）進(jìn)一步分解任務(wù)約束下的多耦合因素飛行安全需求，明確影響因素量化指標(biāo)，開展基于仿真驗(yàn)證架構(gòu)的AHP及FTA方法研究。

2）進(jìn)一步梳理人因素可靠性研究方法，將任務(wù)環(huán)境的人為因素納入定量分析，建立任務(wù)環(huán)境下的飛行員行為模型。

3）進(jìn)一步對(duì)飛行安全進(jìn)行界定。系統(tǒng)分析使用飛行包線、可用飛行包線、允許飛行包線與飛行安全關(guān)系，以典型任務(wù)為背景，分析飛行包線與飛行員操縱、故障容錯(cuò)及飛行安全關(guān)系。

4）對(duì)多場(chǎng)景多耦合因素權(quán)重計(jì)算方法開展研究，為解決任務(wù)約束下AHP多耦合影響因素定量分析的權(quán)重計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

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Discussion of Typical Flight Safety Evaluation Method

LIU Jia,SUN Yang,XIAO Chuwan,JIA Hui,ZHAO Zhijian
（Training Brigade of Equipment Acceptance and Modification,NAAU,Yantai Shandong 264001,China）

To investigate the mission originated aircraft flight safety in multi-coupling factors in flight dynamics,the flight safety evaluation methods were reviewed.Preliminarily,the methods development,implementation,indexes,merits and de?fects were discussed.It showed each method got its merits and defects in specific application.In flight dynamics,fault tree analysis(FTA)and the time margin method(TMM)were more suitable in flight safety analysis with multi-coupling factors. In following study,a new method of flight safety evaluation would be established which were integrated with human reliabil?ity,flight envelope redefining,FTA and TMM.The new method would have a wider significance in flight safety evaluation.

flight safety;flight dynamics;system safety;fault tree analysis;time margin method;flight envelope

V212.1

A

1673-1522（2016）01-0075-08

10.7682/j.issn.1673-1522.2016.01.014

2015-11-16；

2015-12-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51505493）

劉嘉（1982-），男，講師，博士生。