無人作戰(zhàn)飛機(jī)試飛風(fēng)險評估研究

吳景泰 周文劍

摘要：無人作戰(zhàn)飛機(jī)的試飛工作是必不可缺的重要環(huán)節(jié)?；谄涓唢L(fēng)險性。本文借鑒國內(nèi)外相關(guān)經(jīng)驗(yàn)從無人機(jī)系統(tǒng)本身識別試飛風(fēng)險，通過FMECA方法確立了試飛風(fēng)險的故障模式與影響性分析表，并綜合運(yùn)用多級模糊綜合評判和層次分析法，對無人作戰(zhàn)飛機(jī)試飛風(fēng)險系統(tǒng)各級因素做出評判分析，為降低無人機(jī)的試飛風(fēng)險提供相關(guān)性的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：試飛風(fēng)險；FMECA；模糊綜合評判；層次分析法

引言

無人作戰(zhàn)飛機(jī)（UCAV）是近年來興起的高科技產(chǎn)品，基于是無人駕駛，使其能夠在執(zhí)行任務(wù)時，有效避免人員傷亡，甚至在某些極端環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)。隨著我國無人機(jī)行業(yè)的高飛速發(fā)展，許多安全問題也接踵而至。幾乎每月都會有無人機(jī)失控、墜機(jī)或炸機(jī)等各類事故的報(bào)道。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅2016年6月國內(nèi)就有幾十起起無人機(jī)炸機(jī)事件。而且無人作戰(zhàn)飛機(jī)的研發(fā)經(jīng)費(fèi)十分昂貴，在有限的研發(fā)經(jīng)費(fèi)和時間下，大部分研發(fā)項(xiàng)目在生產(chǎn)定型后，經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重緊張，從而可能導(dǎo)致試飛質(zhì)量和次數(shù)的減少。不像有人機(jī)在發(fā)生故障時，可以通過人為操控的方式，減少事故的嚴(yán)重度。而無人作戰(zhàn)飛機(jī)一旦在試飛過程中出現(xiàn)故障，很可能面臨的是失控，極有可能會波及周圍的事物，輕則返廠調(diào)試，重則機(jī)毀重做。而一架高精度無人作戰(zhàn)飛機(jī)的造價是十分昂貴的，一旦出現(xiàn)嚴(yán)重事故就可能導(dǎo)致資金匱乏或項(xiàng)目的失敗。

不僅國內(nèi)無人機(jī)面臨這樣的風(fēng)險，同樣國外也是如此。例如韓國陸軍偵察無人作戰(zhàn)飛機(jī)墜機(jī)事件。該型無人機(jī)在2015年開始試飛，但墜機(jī)事故接二連三。2015至2018年總計(jì)發(fā)生了約43起事故。由于事故頻發(fā)和項(xiàng)目的延遲，廠商要承擔(dān)支付超過400億韓元的違約金。由此可見分析試飛風(fēng)險，

減少事故的發(fā)生是十分重要的。本文通過整理和歸納現(xiàn)有國內(nèi)外試飛風(fēng)險管理理論、方法與實(shí)踐的最新成果，著重分析了無人機(jī)系統(tǒng)在試飛過程中可能出現(xiàn)的故障，并通過模糊FMECA評價方法判斷其發(fā)生事故的大小及可能性，為無人機(jī)在試飛前提供參考依據(jù)。

1無人作戰(zhàn)飛機(jī)試飛風(fēng)險分析

美國作為世界第一軍事強(qiáng)國和科技大國，在無人作戰(zhàn)飛機(jī)領(lǐng)域率先起步，已經(jīng)積累了許多經(jīng)驗(yàn)。在無人作戰(zhàn)飛機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)方面，美國空軍充分認(rèn)識到無人作戰(zhàn)飛機(jī)的高技術(shù)性性和高風(fēng)險性。美國空軍飛行安全委員會將無人作戰(zhàn)飛機(jī)試飛風(fēng)險系統(tǒng)分解為：飛控系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、地面站/人機(jī)工程、通信系統(tǒng)和其他因素。

對比國外的無人作戰(zhàn)飛機(jī)故障和飛行事故，無人機(jī)動力系統(tǒng)和機(jī)電系統(tǒng)相對穩(wěn)定，飛控系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、飛行器平臺和任務(wù)系統(tǒng)故障率和美國統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相當(dāng)，數(shù)據(jù)鏈終端故障率偏高。

本文借鑒其經(jīng)驗(yàn)，查閱相關(guān)資料以及詢問相關(guān)專家，總結(jié)出無人戰(zhàn)斗機(jī)的試飛風(fēng)險。

2無人機(jī)試飛風(fēng)險的模糊FMECA模型建立

2.1FMEA分析

FMECA是針對產(chǎn)品所有可能的故障，并根據(jù)對故障模式的分析，確定每種故障模式對產(chǎn)品工作的影響，并按故障模式的嚴(yán)重度及其發(fā)生概率確定其危害性。FMECA包括故障模式及影

響分析（FMEA）和危害性分析（CA）。CA（危害性分析）是對產(chǎn)品每一個故障模式的嚴(yán)重程度及其發(fā)生的概率所產(chǎn)生的綜合影響進(jìn)行分析，進(jìn)而評估產(chǎn)品中所有可能出現(xiàn)的故障模式的影響，包括風(fēng)險優(yōu)先數(shù)（RPN）方法和危害性矩陣方法。本文采用風(fēng)險優(yōu)先數(shù)法進(jìn)行危害性分析。

2.2建立模糊FMECA風(fēng)險決策模型

由于無人機(jī)試飛風(fēng)險系統(tǒng)較龐大，因此需要進(jìn)行多級模糊綜合評判從才能最終確定無人機(jī)的試飛風(fēng)險。首先確定機(jī)電系統(tǒng)的評判。

（1）確定因素集和評價集

因素集為： ={故障發(fā)生頻度（ ），影響嚴(yán)重程度（ ），檢測難易程度（ ）}

評價集： ={經(jīng)常發(fā)生（ ），有時發(fā)生（ ），偶然發(fā)生（ ），很少發(fā)生（ ），極少發(fā)生（ ）}； ={致命的后果（ ），重大功能喪失（ ），功能降低（ ），輕微的影響（ ），幾乎無影響（ ）}； ={完全無法檢測（ ），不經(jīng)測試無法檢（ ），在檢查時可發(fā)現(xiàn)（ ），前期檢查可發(fā)現(xiàn)（ ），可直接發(fā)現(xiàn)（ ）}。

（2）確定模糊評價矩陣

模糊評價矩陣的確立，需要通過專家評判得出。根據(jù)所回收的10份專家調(diào)查表，分別統(tǒng)計(jì)各因素 中各評語出現(xiàn)的次數(shù) ，求出評語關(guān)于該因素出現(xiàn)的概率。公式如下： 以此來確定評語集對因素的評判向量 ，從而得到模糊評價矩陣 。

由此可構(gòu)成評語V對因素U的模糊評判矩陣如下：

（3）確定各因素權(quán)重

為綜合考慮所以因素的影響，本文采取加權(quán)平均型模糊綜合評價模型。在確定各因素的權(quán)重時，本文采用了層次分析法。首先通過詢問試飛專家，對機(jī)電系統(tǒng)各因素進(jìn)行兩兩比較打

對同一級層次因素進(jìn)行歸一化，最后計(jì)算各級風(fēng)險因素的權(quán)重值。機(jī)電系統(tǒng)各風(fēng)險因素權(quán)重值為：管理計(jì)算機(jī)故障：0.2394燃油堵塞：0.0753供電中斷：0.6377液壓氣動故障：0.0476。同理以相同方法確定故障發(fā)生頻度 ，影響嚴(yán)重程度 ，檢測難易程度 的權(quán)重值分別為：0.1085，0.5469，0.3445。

（4）綜合評價，進(jìn)行一級評判

采用加權(quán)平均模型的評價模型為： 則評價結(jié)果為：

，

由此，可得出機(jī)電系統(tǒng)的一級評判結(jié)論：

關(guān)于故障發(fā)生頻度，判定其極少發(fā)生的專家占據(jù)80.1%。根據(jù)最大隸屬度原則，可以以80.1%的概率判定機(jī)電系統(tǒng)故障發(fā)生頻度極少發(fā)生。同理影響嚴(yán)重程度和檢測難易程度也可以得出相關(guān)結(jié)論。

（5）二級模糊綜合評判

由一級評判結(jié)果可以得到二級評判矩陣：

又根據(jù)前文可知 的權(quán)重為 ，則機(jī)電系統(tǒng)的二級評判結(jié)果為：

（6）基于模糊綜合評判的CA模型

由前文的一級模糊綜合評價，我們得到 對 的三個評判矩陣，同時我們也可以得到某因素對所有評語集的模糊評判矩陣。例如因素 可得到矩陣

則故障模式 的模糊綜合評判為

同理：

為了確定各個故障因素，對系統(tǒng)的危害程度，計(jì)算故障因素 的綜合危害等級公式為： ，其中 為評價等級， 則各故障因素的綜合危害度等級為： 根據(jù)綜合危害等級可以對機(jī)電系統(tǒng)的各故障因素按危害度等級進(jìn)行排序： > = > 。該結(jié)果表明故障因素的風(fēng)險優(yōu)先順序，即排在前面的故障因素要優(yōu)先考慮，排除故障、優(yōu)化設(shè)計(jì)或?qū)嵤┭a(bǔ)償改進(jìn)措施。

同樣可以計(jì)算出機(jī)電系統(tǒng)的危害度等級為：

3無人機(jī)試飛風(fēng)險系統(tǒng)綜合評價

（1）二級子系統(tǒng)風(fēng)險因素的CA模型

基于前文，我們可以通過相同的方法來求出各個二級子系統(tǒng)中各個影響因素的CA模型，并通過結(jié)果大小排序來確定各個因素的風(fēng)險優(yōu)先順序。這樣有利于使無人機(jī)在起飛前的檢測更加高效。

（2）無人作戰(zhàn)分機(jī)試飛風(fēng)險評價模型

同樣基于前文，我們可以通過二級模糊綜合評判，來確定各個二級子系統(tǒng)的評判結(jié)果 。并計(jì)算出各個二級子系統(tǒng)的危害度等級，以其結(jié)果大小排序，得出無人機(jī)試飛風(fēng)險中各個二級子系統(tǒng)的風(fēng)險度優(yōu)先順序。

在確定無人作戰(zhàn)飛機(jī)試飛風(fēng)險的評價模型時，利用各個二級系統(tǒng)的模糊綜合評價，我們能得到 對 的三個評判矩陣，這里的因素 是無人機(jī)試飛風(fēng)險的各個二級系統(tǒng)。然后通過層次分析法確立各個二級子系統(tǒng)的權(quán)重，通過前文的模型可計(jì)算得出無人作戰(zhàn)飛機(jī)試飛風(fēng)險的評判等級。

4結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的提高，無人機(jī)的發(fā)展呈現(xiàn)井噴式發(fā)展。但高速的發(fā)展往往會忽視許多安全問題，導(dǎo)致事故頻發(fā)。一個好的風(fēng)險評估，能夠有效降低系統(tǒng)運(yùn)行時的風(fēng)險，提高系統(tǒng)的安全。本文著重于無人作戰(zhàn)飛機(jī)試飛風(fēng)險，對其試飛風(fēng)險系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險評價，運(yùn)用模糊FMECA對試飛風(fēng)險系統(tǒng)的各個因素進(jìn)行風(fēng)險度分析，也通過介紹二級和多級模糊綜合評判方法，可得出無人機(jī)試飛風(fēng)險的安全評價。有利于實(shí)現(xiàn)無人作戰(zhàn)飛機(jī)在試飛前進(jìn)行相關(guān)風(fēng)險評估，制定和風(fēng)險管理方案，從而減少無人作戰(zhàn)飛機(jī)試飛事故的發(fā)生。

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（作者單位：沈陽航空航天大學(xué)安全工程學(xué)院）