基于事故樹的無人機編隊飛行沖突風險研究

朱磊

摘要： 為充分了解當前無人機編隊飛行沖突事故征候的成因，并對其發(fā)生原因進行有重點的預(yù)防和對事件發(fā)生概率的精確預(yù)測，首先對其原因進行分析；總結(jié)導(dǎo)致其發(fā)生的基本事件，計算事故樹模型的最小割集和各個基本事件的結(jié)構(gòu)重要度；其次對無人機編隊飛行沖突事故征候的發(fā)生概率進行取值，得出基本事件的概率重要度，指出基本事件發(fā)生概率對頂事件發(fā)生概率的影響，為以后無人機編隊飛行安全性能的提高提供可靠建議。

Abstract： In order to fully understand the causes of the formation of flight conflict incidents in UAV formation at present and focus on the accurate prediction of the probability of occurrence of the accidents， firstly， this paper analyzes the causes and summarize the basic events leading to them， calculates the minimum cut set of the fault tree model and the structural importance of each basic event； secondly， takes value for the probability of the flight conflict accident of UAV formation to get the probability importance degree of the basic event； points out the impact of occurrence probability of basic event on the occurrence probability the top event， to provide reliable advice for future UAV flight safety improvement.

關(guān)鍵詞： 編隊飛行；安全管理；飛行沖突；事故樹

Key words： formation flight；safety management；flight conflict；fault tree analysis

中圖分類號：X949 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）05-0039-02

0 引言

隨著科技進步和發(fā)展，無人機（Unmanned Aerial Vehicle（UAV））在軍用及民用領(lǐng)域開始嶄露頭角，軍用領(lǐng)域主要體現(xiàn)在中繼通訊、情報搜尋、電子對抗及空中打擊等領(lǐng)域[1]，尤其是協(xié)同多個無人機構(gòu)成無人機編隊（Unmanned Aerial Vehicle Formation）應(yīng)用于戰(zhàn)場環(huán)境，能夠達到較高的作戰(zhàn)效能。效能增加的同時帶來一定的飛行風險，尤其是編隊中無人機之間容易產(chǎn)生飛行沖突甚至相撞，因此為加強無人機編隊飛行過程的安全管理，充分了解當前無人機編隊飛行沖突的成因，對預(yù)防或減小類似安全問題的發(fā)生具有重要作用。本文采用事故樹分析法（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA），對無人機編隊飛行沖突的主要成因進行定性和定量分析，更加明確、客觀地展示出造成此類事故的各種原因的重要度，對于下一步預(yù)防無人機編隊飛行沖突，更好的協(xié)同作戰(zhàn)工作具有一定的導(dǎo)向性。

1 無人機編隊飛行沖突成因分析

1.1 事故樹模型

根據(jù)無人機編隊飛行沖突成因統(tǒng)計，并根據(jù)飛行沖突成因統(tǒng)計結(jié)果建立對應(yīng)的事故樹模型。根據(jù)布爾代數(shù)方法， T可表示為：T=A1+A2=（A3+A4）+（A5+X6）=（X1+X2+X3+ X4+X5）+（X7*X8*X9*A6+X6）=X1+X2+X3+X4+X5+X7*X8*X9*（X10+X11+X12）+X6=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7*X8*X9*X10+ X7*X8*X9*X11+X7*X8*X9*X12（1）

其中A1～A6分別表示人為因素、儀器設(shè)備故障、操作員觀察錯誤、操作員操作失誤、設(shè)備硬件因素和環(huán)境因素導(dǎo)致設(shè)備失靈。X1～X12分別表示操作員遭受環(huán)境干擾、操作員疏忽大意、操作員操作技術(shù)欠缺、操作員疲勞工作、操作員工作心理壓力大、飛行指揮控制系統(tǒng)不完善、設(shè)備疲勞、設(shè)備偶然故障、飛行前檢查維修不到位不及時、地形因素、天氣因素和電磁干擾因素。式（1）中，X1，X2，X3，X4，X5，X6為事件T的一階最小割集，發(fā)生的概率較大，而四階最小割集X7*X8*X9*X10、X7*X8*X9*X11、X7*X8*X9*X12發(fā)生的概率相對較小。

基本事件在事故樹結(jié)構(gòu)上的重要度系數(shù)I？追（i）近似計算公式為[2]：

為了確定事故樹基本事件對頂上事件的影響程度，需要進行結(jié)構(gòu)重要度分析，首先假設(shè)各基本事件發(fā)生概率相等，然后從事故樹結(jié)構(gòu)上分析各基本事件的重要度，最后再按照各基本事件對頂上事件的影響程度進行排序。

其中，K為事故樹包含的最小割集數(shù)，m為包含第i個基本事件的最小割集數(shù)，Rj為包含第i個基本事件的第j個最小割集的基本事件數(shù)。利用公式（2），計算得到基本事件X1～X12的結(jié)構(gòu)重要度分別為0.1111，0.1111，0.1111，

0.1111，0.1111，0.1111，0.0833，0.0833，0.0833，0.0277，0.0277，0.0277。

1.2 基本事件概率

可以得到無人機編隊飛行沖突事件發(fā)生概率Q*：

Q*=1-（1-q1）（1-q2）（1-q3）（1-q4）（1-q5）（1-q6）（1-q7q8q9q10）（1-q7q8q9q11）（1-q7q8q9q12）（3）endprint

qi代表基本事件xi發(fā)生的概率。

通過對無人機編隊飛行沖突事故的統(tǒng)計分析，確定基本事件X1～X12發(fā)生概率分別為0.0004100，0.0006700， 0.0004600，0.0003800， 0.0002100， 0.0008400， 0.0001200，

0.0002200，0.0004100，0.0002300，0.0005300，0.0003600。

事故樹中第i個基本事件的概率重要度IP （i）可定義為[2]：

聯(lián)立（3）、（4）式和基本事件發(fā)生概率，計算得到X1～X12的概率重要度分別為0.99743951，0.99770198，

0.99749237，0.99741254，0.99724294，0.99787173，1.007243*10-10，5.494047*10-11，1.566929*10-11， 1.079189*10-11，

1.079259*10-11，1.079537*10-11。由計算結(jié)果可知，操作員遭受環(huán)境干擾，操作員操作技術(shù)欠缺，飛行指揮控制系統(tǒng)不完善等基本事件概率重要度遠大于其他基本事件，其概率的變化對頂事件影響占有絕對比重，因此，在無人機編隊飛行中應(yīng)主要關(guān)注這幾類因素。

1.3 中間事件概率

結(jié)合上面所得的基本事件發(fā)生概率，計算得到中間事件A1～A6發(fā)生的條件概率分別為0.0021300，0.0084000，

0.0010800，0.0010500，1.21*10-14，0.0011200?？芍啾扔谄渌蛩?，中間事件中“儀器設(shè)備故障，環(huán)境因素導(dǎo)致設(shè)備失靈，人為因素”發(fā)生概率較高，其中“儀器設(shè)備故障”占有最大比重，因此，在無人機編隊飛行工作中要注意這些中間事件的管理。

1.4 頂上事件概率

頂上事件概率Q的計算式為[3]：

2 結(jié)論

本文通過建立事故樹模型，對無人機編隊飛行沖突風險進行了定性和定量研究，具體做到了以下幾點：

①利用事故樹模型進行了最小割集、結(jié)構(gòu)重要度的定性分析，有助于了解下一步無人機編隊飛行防相撞安全工作的重點。

②對引起無人機編隊飛行沖突事件的基本事件發(fā)生概率進行了賦值，并根據(jù)賦值進行了概率重要度的定量分析，同時對無人機編隊飛行管理工作提出了建議。

③根據(jù)事故樹模型，分析并計算出中間事件的條件概率和頂上事件的發(fā)生概率，并與實際編隊飛行實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比，驗證了方法的可行性。

參考文獻：

[1]CHEN Guichun（陳貴春）. Military UAV（軍用無人機）[M].BEIJNG：The People's Liberation Army Press，2008.

[2]XU Lijuan（徐麗娟），LI Aichun（李愛春）. Analysis on Package Failure Accidents Based on Fault Tree[J]. Railway Freight Transport（鐵道貨運），2008，5：35-37.

[3]嵇亮亮.無人機的導(dǎo)引及協(xié)同編隊飛行控制技術(shù)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2008.endprint