機(jī)場(chǎng)遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)故障模式影響及危害性分析?

徐 斌 潘衛(wèi)軍 羅玉明 韓 帥 鐘林峰

（中國(guó)民航飛行學(xué)院空中交通管理學(xué)院 廣漢 618307）

1 引言

遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)［1～2］是面向無(wú)人值守情況下的機(jī)場(chǎng)以及臨時(shí)起降點(diǎn)的監(jiān)視和管制任務(wù)。其基于網(wǎng)絡(luò)化圖像、語(yǔ)音以及數(shù)據(jù)傳輸，完成遠(yuǎn)程機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視、飛行語(yǔ)音指揮、起降點(diǎn)設(shè)備使用控制。2015年在歐洲瑞典的Sundsvall機(jī)場(chǎng)批準(zhǔn)采用遠(yuǎn)程塔臺(tái)操作，2018年中國(guó)新疆機(jī)場(chǎng)集團(tuán)將富蘊(yùn)、那拉提機(jī)場(chǎng)選為遠(yuǎn)程塔臺(tái)試點(diǎn)建設(shè)機(jī)場(chǎng)并于2020年完成了遠(yuǎn)程塔臺(tái)的建設(shè)。

遠(yuǎn)程塔臺(tái)［3～4］采用遠(yuǎn)程高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、氣象傳感器、音視頻接入和其他相關(guān)設(shè)備實(shí)時(shí)采集機(jī)場(chǎng)和交通運(yùn)行信息，能夠?qū)⑺苤茩C(jī)場(chǎng)場(chǎng)面、氣象、交通等實(shí)時(shí)情況呈現(xiàn)在遠(yuǎn)程塔臺(tái)的屏幕上，從而為機(jī)場(chǎng)提供包括進(jìn)近引導(dǎo)、場(chǎng)面監(jiān)視、放行管理等全面的機(jī)場(chǎng)空中交通管制服務(wù)。遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖1所示，系統(tǒng)首先通過(guò)高分辨率攝像機(jī)得到遠(yuǎn)端機(jī)場(chǎng)的全景視頻，然后通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路傳回遠(yuǎn)程塔臺(tái)中心，管制員則通過(guò)觀看視頻中機(jī)場(chǎng)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)畫(huà)面，來(lái)間接掌控機(jī)場(chǎng)運(yùn)行狀況。根據(jù)獲得的機(jī)場(chǎng)實(shí)時(shí)情況，管制員可以操縱遠(yuǎn)程機(jī)場(chǎng)的傳感器、燈光、告警設(shè)備和其他塔臺(tái)設(shè)備來(lái)為機(jī)場(chǎng)提供全面的空中交通管制服務(wù)。

圖1 遠(yuǎn)程塔臺(tái)運(yùn)行示意圖

針對(duì)這樣一個(gè)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，本文將采用FMCEA方法進(jìn)行可靠性分析，得到遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)［5～6］可能的故障模式并進(jìn)行原因分析，計(jì)算每一種故障模式的危害度，并對(duì)各子系統(tǒng)在不同嚴(yán)酷度類(lèi)別下的危害度進(jìn)行排序。本文還會(huì)針對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)的故障模式提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，為未來(lái)我國(guó)遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)與分析提供參考。

2 遠(yuǎn)程塔臺(tái)故障模式影響及危害性分析

FMECA是通過(guò)分析系統(tǒng)所有可能的故障模式以及可能產(chǎn)生的影響，然后通過(guò)計(jì)算每個(gè)故障模式產(chǎn)生影響的嚴(yán)重程度及其發(fā)生的概率，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠性分析的一種方法。FMECA分析的流程如圖2所示，主要包括了故障模式及影響分析、危害性分析、生成FMECA報(bào)告三個(gè)部分。

圖2 FMECA步驟

2.1 故障模式及影響分析（FMEA）

對(duì)遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行故障模式及影響分析［7～8］，首先需要對(duì)遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的功能層次分級(jí)，制作遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)的功能框圖，再根據(jù)功能框圖制作系統(tǒng)的任務(wù)可靠性框圖。

本文選擇的是新疆機(jī)場(chǎng)集團(tuán)試點(diǎn)應(yīng)用的遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)的基本配置。在制作功能框圖時(shí)對(duì)遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行了全面的考慮和詳細(xì)的功能分級(jí)，此外本文還考慮到遠(yuǎn)程中心的管制員是直接參與到遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)的規(guī)定功能中，因此將遠(yuǎn)程中心的管制員納入到系統(tǒng)功能框圖中。最終得到的遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)的功能框圖如圖3所示。

表1和表2為遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)的故障影響定義和遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)的故障模式嚴(yán)酷度定義。

表1 機(jī)場(chǎng)遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)故障影響定義

表2 機(jī)場(chǎng)遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)嚴(yán)酷度類(lèi)別與定義

2.2 危害性分析（CA）

危害性分析［9～10］是通過(guò)綜合考慮每一種故障模式對(duì)于遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)的危害程度及其發(fā)生的概率來(lái)對(duì)遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)中的所有設(shè)備進(jìn)行分類(lèi)。本文采用了危害性矩陣方法來(lái)計(jì)算故障模式的危害度和系統(tǒng)的危害度。

圖3 機(jī)場(chǎng)遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)功能層次與結(jié)構(gòu)層次對(duì)應(yīng)圖

式中：λp表示系統(tǒng)在任務(wù)階段的故障率，t表示系統(tǒng)任務(wù)階段工作時(shí)間，α表示系統(tǒng)的某個(gè)故障模式占其所有故障模式的比率，β表示系統(tǒng)在某故障模式發(fā)生條件下，其最終影響導(dǎo)致“初始約定層次”出現(xiàn)某嚴(yán)酷度等級(jí)的條件概率。Cm(j)代表系統(tǒng)在工作時(shí)間t內(nèi)以某一故障模式發(fā)生第j類(lèi)嚴(yán)酷度的故障次數(shù)。

式中：i=1,2,…,n，n表示系統(tǒng)在第j類(lèi)嚴(yán)酷度下的故障模式總數(shù)，j為嚴(yán)酷度類(lèi)別，Cr()j代表系統(tǒng)在工作時(shí)間t內(nèi)產(chǎn)生的第j類(lèi)嚴(yán)酷度的故障次數(shù)。

3 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)得到的機(jī)場(chǎng)遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)FMECA報(bào)告結(jié)果進(jìn)行處理分析，本文得到了機(jī)場(chǎng)遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)在不同嚴(yán)酷度情況下危害度大小的對(duì)比結(jié)果如圖4～6所示。

圖4 機(jī)場(chǎng)遠(yuǎn)程塔臺(tái)子系統(tǒng)Ⅱ類(lèi)嚴(yán)酷度對(duì)比圖

圖5 機(jī)場(chǎng)遠(yuǎn)程塔臺(tái)子系統(tǒng)Ⅲ類(lèi)嚴(yán)酷度對(duì)比圖

圖6 機(jī)場(chǎng)遠(yuǎn)程塔臺(tái)子系統(tǒng)Ⅳ類(lèi)嚴(yán)酷度對(duì)比圖

圖4、5、6給出了遠(yuǎn)程塔臺(tái)各個(gè)子系統(tǒng)在不同嚴(yán)酷度類(lèi)別下的危害度結(jié)果，各子系統(tǒng)用其代碼表示。按照前面的嚴(yán)酷度定義，Ⅱ類(lèi)嚴(yán)酷度會(huì)引起飛行的事故征候或重大經(jīng)濟(jì)損失或飛行任務(wù)失敗以及系統(tǒng)嚴(yán)重?fù)p壞等嚴(yán)重后果。根據(jù)圖4，代碼19表示的管制員失誤、5表示的MLAT多點(diǎn)定位系統(tǒng)故障、3表示的音視頻處理系統(tǒng)故障以及12表示的管制席位故障是前四個(gè)可能導(dǎo)致遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)產(chǎn)生Ⅱ類(lèi)嚴(yán)酷度的系統(tǒng)故障。為了提高遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)可靠性，針對(duì)管制員失誤，需要在遠(yuǎn)程中心配備多名管制員，合理分工為管制員減少工作壓力，同時(shí)因?yàn)檫h(yuǎn)程塔臺(tái)特殊性，還需要對(duì)管制員進(jìn)行針對(duì)性的培訓(xùn)以及進(jìn)行情景意識(shí)建立等考核。其他三個(gè)子系統(tǒng)都是傳統(tǒng)的機(jī)械電子產(chǎn)品，除了需要采購(gòu)符合相關(guān)規(guī)定可靠性的產(chǎn)品外還需要進(jìn)行定期的維修保養(yǎng)以及備份系統(tǒng)的設(shè)置。III類(lèi)嚴(yán)酷度會(huì)引起中等程度經(jīng)濟(jì)損失或?qū)е嘛w行任務(wù)延誤以及系統(tǒng)中等程度損壞等嚴(yán)重后果。根據(jù)圖5，代碼4表示的A-DSB系統(tǒng)、代碼1表示的全景視頻系統(tǒng)以及代碼11表示的全景拼接顯示系統(tǒng)是前三個(gè)可能導(dǎo)致遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)產(chǎn)生Ⅱ類(lèi)嚴(yán)酷度的系統(tǒng)故障。因?yàn)檫@三類(lèi)系統(tǒng)同樣都是機(jī)械電子類(lèi)產(chǎn)品，有著相對(duì)固定的危害度，因此需要采購(gòu)符合相關(guān)規(guī)定的可靠度的產(chǎn)品同時(shí)每個(gè)系統(tǒng)都需要進(jìn)行備份以及定期的維修保養(yǎng)。IV類(lèi)嚴(yán)酷度會(huì)引起非計(jì)劃性的系統(tǒng)維修或輕度經(jīng)濟(jì)損失或輕度系統(tǒng)損壞等后果。導(dǎo)致這類(lèi)嚴(yán)酷度的系統(tǒng)故障主要是A-DSB系統(tǒng)以及時(shí)鐘子系統(tǒng)，這兩類(lèi)同樣是機(jī)械電子類(lèi)產(chǎn)品，提高其可靠性的方法同上所述。

在完成遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)中所有子系統(tǒng)導(dǎo)致不同嚴(yán)酷度的危害度結(jié)果分析后，本文還根據(jù)前面提出的提高系統(tǒng)可靠性方法，對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的危害度重新進(jìn)行計(jì)算以驗(yàn)證方法的有效性。因?yàn)楣苤茊T的可靠性提高難以進(jìn)行量化，因此這里只考慮所有機(jī)械電子類(lèi)系統(tǒng)。同時(shí)因?yàn)闄C(jī)械電子類(lèi)產(chǎn)品的維修保養(yǎng)帶來(lái)的危害度降低數(shù)據(jù)難以收集，因此本文只考慮產(chǎn)品備份這一種提高系統(tǒng)可靠性的方法。最終得到的系統(tǒng)嚴(yán)酷度結(jié)果如圖7所示。

圖7 采用備份前后各系統(tǒng)在不同嚴(yán)酷度下危害度對(duì)比圖

根據(jù)圖7的計(jì)算結(jié)果可以看出，采用備份方法后，各機(jī)械電子類(lèi)系統(tǒng)在不同嚴(yán)酷度情況下的危害度都有所降低，對(duì)于全景視頻系統(tǒng)、拾音系統(tǒng)等設(shè)備通過(guò)備份危害度可以降低到備份前的50%，對(duì)于A-DSB系統(tǒng)、全景拼接顯示系統(tǒng)這類(lèi)設(shè)備因?yàn)闊o(wú)法做到系統(tǒng)所有單元的備份，危害度可以降低到備份前的60%～70%。

4 結(jié)語(yǔ)

1）遠(yuǎn)程塔臺(tái)各子系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，對(duì)于遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)影響最大的是管制員這一系統(tǒng)，其次是音視頻處理子系統(tǒng)和MLAT多點(diǎn)定位子系統(tǒng)，然后是ADS-B系統(tǒng)，再次是管制席位和全景視頻子系統(tǒng)以及全景拼接顯示系統(tǒng)。以上子系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)可靠性影響比較大，降低這幾個(gè)子系統(tǒng)的故障率，是提高遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。

2）遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)的機(jī)械電子類(lèi)設(shè)備故障主要原因是電源故障、線路連接故障、元器件損壞、電磁干擾等。改進(jìn)的主要措施是對(duì)于這些關(guān)鍵的子系統(tǒng)進(jìn)行備份，定期進(jìn)行維修保養(yǎng)，并針對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的維護(hù)方案。

3）從各個(gè)子系統(tǒng)的危害度看，子系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和輸出的設(shè)備發(fā)生故障時(shí)危害最大，因?yàn)閿?shù)據(jù)采集或輸出的問(wèn)題都會(huì)直接導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行管制服務(wù)，所以應(yīng)該對(duì)這些設(shè)備進(jìn)一步加強(qiáng)維護(hù)。另外，管制員本身是遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)的關(guān)鍵，應(yīng)充分考慮在各種情景意識(shí)下防止管制員發(fā)生錯(cuò)誤的措施。

4）對(duì)于各子系統(tǒng)的技術(shù)維護(hù)人員應(yīng)該進(jìn)行系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)的培訓(xùn)，這樣在發(fā)生故障時(shí)維護(hù)人員才能快速定位故障點(diǎn)同時(shí)做好維修記錄，這樣對(duì)于系統(tǒng)整體可靠性的提升是非常有幫助的。