基于FAHP 的無人直升機(jī)試飛安全評(píng)估

洪鵬生

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 江西省景德鎮(zhèn)市 333001）

在生產(chǎn)實(shí)踐、科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，人們經(jīng)常會(huì)遇到這種模糊現(xiàn)象，即事物具有的兩面性的分界線往往不夠明顯，如大和小、輕和重、快和慢等都包含著一定的模糊概念，本文需要討論的無人直升機(jī)試驗(yàn)試飛安全也屬于其中的一種。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各學(xué)科領(lǐng)域?qū)τ谶@些模糊概念有關(guān)的實(shí)際問題往往都需要給出定量的分析，這就需要利用模糊數(shù)學(xué)這一工具來解決。

安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是指在風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生之前或之后，該事件給人們的生活、生命、財(cái)產(chǎn)等各個(gè)方面造成的影響和損失的可能性進(jìn)行量化評(píng)估的工作。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估就是量化測(cè)評(píng)某一事件或事物帶來的影響或損失的可能程度。在眾多風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法中，層次分析法以其定量和定性相結(jié)合地處理各種評(píng)價(jià)指標(biāo)的特點(diǎn)，以及系統(tǒng)、靈活、簡(jiǎn)介的優(yōu)點(diǎn)，受到大家的青睞。其特點(diǎn)是將人的主觀判斷過程數(shù)學(xué)化、思維化，以便使決策依據(jù)易于被人接受，因此，更能適合復(fù)雜的社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域的情況。由于層次分析法在理論上具有完備性，在結(jié)構(gòu)上具有嚴(yán)謹(jǐn)性，在解決問題上具有簡(jiǎn)潔性，尤其在解決非結(jié)構(gòu)化決策問題上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。層次分析法最大的問題是某一層次評(píng)價(jià)指標(biāo)過多時(shí)，其思維一致性很難保證。在這種情況下，將模糊法與層次分析法兩者優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來形成的模糊層次分析法，將能很好的解決這一問題。

無人直升機(jī)除了可以替代有人直升機(jī)完成探潛、偵察警戒、通信中繼、電子對(duì)抗、目標(biāo)指示、物質(zhì)輸送以及火力支援等任務(wù)外，還可通過有人無人協(xié)同工作模式完成任務(wù)。無人直升機(jī)以其能垂直起降、無人員傷亡和生理使用限制等優(yōu)點(diǎn)成為了直升機(jī)重要的發(fā)展趨勢(shì)之一。無人直升機(jī)試驗(yàn)試飛是驗(yàn)證無人機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)、檢驗(yàn)質(zhì)量和改進(jìn)提升性能的重要手段。無人直升機(jī)試飛作為研制過程中的漫長(zhǎng)而關(guān)鍵的一環(huán)，是一項(xiàng)具有高度綜合性、高復(fù)雜性和高風(fēng)險(xiǎn)性質(zhì)；貫穿于飛行研究、新機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、研制和使用的全過程；驗(yàn)證各系統(tǒng)功能和性能，探索無人直升機(jī)性能邊界的系統(tǒng)性工程。其按照性質(zhì)和任務(wù)可分為研究性試飛、調(diào)整試飛、定型試飛、使用試飛和驗(yàn)收試飛。如何對(duì)無人直升機(jī)各類試飛過程中可能產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的來源進(jìn)行條目化歸類和分析，并計(jì)算出這些風(fēng)險(xiǎn)源對(duì)試飛安全的影響權(quán)重值，進(jìn)而進(jìn)行安全評(píng)估。根據(jù)評(píng)價(jià)矩陣逆向得出影響試飛安全指標(biāo)的薄弱項(xiàng)，結(jié)合影響權(quán)重，通過制度和技術(shù)上的手段合理的加強(qiáng)需要提升要求的指標(biāo)項(xiàng)，從而提高無人直升機(jī)試飛的安全性。

1 無人直升機(jī)試飛安全評(píng)估指標(biāo)體系的建立及依據(jù)

1.1 指標(biāo)體系的建立

無人直升機(jī)試飛安全評(píng)估是一個(gè)多指標(biāo)模糊綜合評(píng)價(jià)的問題，建立的指標(biāo)體系既要客觀全面的反映出對(duì)試飛安全的影響，各指標(biāo)之間還應(yīng)該具備獨(dú)立性和層次性。結(jié)合以上原則，本文按照層析分析法（AHP）建立如圖1 所示指標(biāo)體系，并按順序?qū)Ω髦笜?biāo)進(jìn)行編號(hào)。

圖1： 安全評(píng)估指標(biāo)體系

1.1.1 無人直升機(jī)

如圖2 所示，與無人直升機(jī)有關(guān)的主要有系統(tǒng)及性能和地面控制站。在復(fù)雜多變的試飛環(huán)境中，為了提高無人直升機(jī)的安全性，無人直升機(jī)在三大系統(tǒng)（旋翼、傳動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)）穩(wěn)定性方面和機(jī)體結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度方面要做相應(yīng)的提升和加強(qiáng)。且具有一定的發(fā)動(dòng)機(jī)可用過載功率以應(yīng)對(duì)例如風(fēng)切變等可能出現(xiàn)的特殊氣象環(huán)境。飛行控制系統(tǒng)是無人直升機(jī)的核心子系統(tǒng)，在進(jìn)入自主飛行狀態(tài)時(shí)，飛行控制系統(tǒng)會(huì)全權(quán)限控制飛機(jī)按照計(jì)劃的航線執(zhí)行飛行任務(wù)，即使出現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈中斷情況，無人直升機(jī)也會(huì)按照返航航線安全返回。因飛控系統(tǒng)的重要性，在設(shè)計(jì)飛控系統(tǒng)都會(huì)設(shè)計(jì)相應(yīng)邏輯保護(hù)和冗余設(shè)計(jì)，這些都是對(duì)試飛安全的重要保障。地面控制站作為與無人直升機(jī)交互的渠道，具有對(duì)飛行平臺(tái)和任務(wù)載荷進(jìn)行監(jiān)控和操縱的能力。在實(shí)際試飛任務(wù)實(shí)施中，地面控制站作為整個(gè)無人直升機(jī)系統(tǒng)的指揮和控制系統(tǒng)中心，飛行控制員控制無人機(jī)產(chǎn)生的控制指令和數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給無人機(jī)的飛控計(jì)算機(jī)，從而完成飛行控制。此外地面控制站通過數(shù)據(jù)鏈接收無人機(jī)平臺(tái)狀態(tài)信息，進(jìn)行解析和顯示。地面控制站的硬件故障、軟件運(yùn)行和供電系統(tǒng)穩(wěn)定性等因素直接影響地面站的工作狀態(tài)，因無人直升機(jī)控制和任務(wù)系統(tǒng)復(fù)雜，人機(jī)交互界面友好方便無人機(jī)控制員更好的控制無人機(jī)。

圖2： 無人直升機(jī)系統(tǒng)指標(biāo)

1.1.2 數(shù)據(jù)鏈

如圖3 所示，與數(shù)據(jù)鏈有關(guān)的因素包括測(cè)控鏈路穩(wěn)定性、衛(wèi)通鏈路穩(wěn)定性和試驗(yàn)試飛場(chǎng)地電磁環(huán)境。無人直升機(jī)數(shù)據(jù)鏈路提供了無人直升機(jī)與地面控制站之間的通信鏈路，是無人直升機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，無人直升機(jī)控制員在地面或其它裝載平臺(tái)通過數(shù)據(jù)鏈對(duì)飛行器進(jìn)行操控，同事也通過數(shù)據(jù)鏈操縱飛行平臺(tái)所攜帶的各類任務(wù)載荷。數(shù)據(jù)鏈路和衛(wèi)通鏈路的穩(wěn)定性關(guān)系著能否對(duì)飛機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。在外場(chǎng)復(fù)雜的試驗(yàn)環(huán)境中，在首次飛行前需驗(yàn)證起飛、降落場(chǎng)地和飛行空域范圍內(nèi)的電磁環(huán)境，明確對(duì)無人直升機(jī)系統(tǒng)的影響程度，如果存在影響數(shù)據(jù)鏈的強(qiáng)大電磁輻射干擾源應(yīng)該重新修改航線避開干擾區(qū)，確認(rèn)無法避開應(yīng)該重新選擇試飛場(chǎng)地和空域。

圖3： 數(shù)據(jù)鏈指標(biāo)

1.1.3 試飛相關(guān)人員

如圖4 所示，與試飛相關(guān)人員有關(guān)的因素包括人員身心健康與工作強(qiáng)度、試飛相關(guān)人員技術(shù)水平和應(yīng)急處理能力和對(duì)試飛安全管理體系執(zhí)行情況。在試飛任務(wù)實(shí)施前，要對(duì)人員身心健康進(jìn)行確認(rèn)，確保人員精力充沛的進(jìn)入工作崗位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，研究人員分析造成無人機(jī)失控和墜毀的事故原因，發(fā)現(xiàn)造成事故出現(xiàn)的影響因素中，設(shè)計(jì)、技術(shù)和規(guī)則等雖然在影響因素之列，但由于無人機(jī)操作人員的操作失誤和訓(xùn)練不足導(dǎo)致的“人為因素”占比高達(dá)75%。因此做好無人機(jī)試飛人員的培訓(xùn)工作，使之掌握無人機(jī)的試飛技術(shù)和操作技能，是影響無人機(jī)系統(tǒng)能否安全完成試飛任務(wù)的關(guān)鍵。試飛相關(guān)人員除了遵守試飛安全管理體系，按規(guī)定的作業(yè)文件和程序文件實(shí)施試飛任務(wù)外，還要對(duì)不同試飛任務(wù)的無人直升機(jī)系統(tǒng)、空域內(nèi)氣象和地面站系統(tǒng)的變化有著深入的了解，并做出相對(duì)應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案以應(yīng)對(duì)隨時(shí)出現(xiàn)的應(yīng)急情況。

圖4： 試飛相關(guān)人員指標(biāo)

1.1.4 氣象環(huán)境

如圖5 所示，與氣象環(huán)境有關(guān)的因素包括起飛、降落場(chǎng)地的氣象信息（地面大氣溫濕度、地面風(fēng)速和風(fēng)向、降水情況等）和飛行空域的氣象信息（空中風(fēng)速和風(fēng)向、云層情況和降水情況等）。溫濕度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率有著一定的影響，在低溫測(cè)試環(huán)境中還是判斷飛行高度結(jié)冰條件的重要因素，高溫環(huán)境測(cè)試中直接影響無人直升機(jī)的最大起飛重量。

圖5： 氣象環(huán)境指標(biāo)

2 基于模糊層次分析法的安全評(píng)估

模糊層次分析法是一種層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)相結(jié)合的評(píng)故方法。首先對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行逐層分解，同等級(jí)的元素相對(duì)于上一級(jí)元素的影響通過依據(jù)比例標(biāo)度表進(jìn)行比對(duì)評(píng)分，從而形成同層次元素的模糊判斷矩陣，進(jìn)而得到各子元素相對(duì)于母元素的權(quán)重。然后依據(jù)一定的準(zhǔn)則對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化評(píng)定確定評(píng)價(jià)集V，得出相對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)矩陣R。將評(píng)價(jià)矩陣和權(quán)重結(jié)合進(jìn)行綜合運(yùn)算，得出準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的模糊矩陣Y，最后根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)隸屬度最大準(zhǔn)則得出對(duì)目標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果。本次安全評(píng)估以無人直升機(jī)某試驗(yàn)科目為例。出于篇幅原因，只對(duì)A、B、C 三個(gè)等級(jí)的層次結(jié)構(gòu)之間的元素建立模糊判斷矩陣進(jìn)行分析評(píng)估。

2.1 基于FAHP的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

依據(jù)判斷矩陣標(biāo)度表（表1），影響因素層級(jí)之間進(jìn)行比較，得到如表2 和表3 所示的模糊判斷矩陣。

表1： 比例標(biāo)度表

表2： B 層級(jí)評(píng)估指標(biāo)的模糊判斷矩陣和權(quán)重值

表3： C 層級(jí)評(píng)估指標(biāo)的模糊判斷矩陣和權(quán)重值

綜上，可綜合得到影響試飛安全各指標(biāo)層權(quán)重值，最終可得出各指標(biāo)的綜合權(quán)重如表4 所示。

表4： 指標(biāo)體系權(quán)重結(jié)果

通過模糊判斷矩陣可知B 層級(jí)中對(duì)試飛安全A 影響的權(quán)重由大到小依次為B、B、B、B。再根據(jù)C 層級(jí)相對(duì)于B 層級(jí)的權(quán)重值，得出C 層級(jí)相對(duì)于試飛安全A 的權(quán)重值由大到小依次為C、C、C、C、C、C、C、C、C、C。根據(jù)各指標(biāo)權(quán)重的總排序，可適當(dāng)加大對(duì)權(quán)重占比較大指標(biāo)的安全控制措施。

2.2 確立評(píng)價(jià)集V

將評(píng)價(jià)指標(biāo)體系指標(biāo)結(jié)果劃分為“安全、較安全、臨界、危險(xiǎn)、非常危險(xiǎn)”5 個(gè)等級(jí)，構(gòu)成一個(gè)評(píng)語的有限集合V=[v，v，v，v，v]，通過向各方面專家和相關(guān)管理人員的咨詢得出了此次無人直升機(jī)試飛科目的評(píng)價(jià)矩陣R、R、R、R如下：

2.3 模糊層次綜合運(yùn)算

根據(jù)Y=W*R，分別計(jì)算B、B、B、B的模糊矩陣Y、Y、Y、Y。

再根據(jù)公式Y(jié)=W*R，得出試飛安全的模糊矩陣Y：

Y=[0.1264612 0.3331689 0.3428582 0.1975117 0]

根據(jù)隸屬度接近原則，可知此次科目的無人直升機(jī)試飛安全綜合評(píng)估處于較安全和臨界狀態(tài)之間。

2.4 結(jié)果分析

根據(jù)專家和相關(guān)管理人員給出的評(píng)價(jià)矩陣并結(jié)合指標(biāo)權(quán)重可知，影響該科目試飛安全的指標(biāo)為:地面站、測(cè)控鏈路穩(wěn)定性、衛(wèi)通鏈路穩(wěn)定性、電磁環(huán)境和降落場(chǎng)地信息，可見在試飛場(chǎng)地電磁干擾環(huán)境復(fù)雜，實(shí)施試飛的過程中如果發(fā)生因電磁環(huán)境干擾，而中斷測(cè)控鏈路和衛(wèi)通鏈路，無人直升機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)急返航預(yù)案，但在自動(dòng)返航的過程中如果沒有對(duì)降落場(chǎng)地氣象信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，此時(shí)如果場(chǎng)地氣象突變將會(huì)加大試飛安全風(fēng)險(xiǎn)。綜上所述，對(duì)提升無人直升機(jī)試飛安全提出如下建議：

（1）加強(qiáng)對(duì)電磁環(huán)境的監(jiān)控力度，在飛行前通過提升雷達(dá)功率等措施，不斷尋找合適頻點(diǎn)以提升無人直升機(jī)系統(tǒng)的測(cè)控鏈路穩(wěn)定性和衛(wèi)通鏈路穩(wěn)定性。

（2）如確實(shí)發(fā)生數(shù)據(jù)鏈中斷故障，因數(shù)據(jù)鏈中斷而返航的無人直升機(jī)在自動(dòng)降落過程中沒有人工輔助情況下如遇突發(fā)氣象條件易發(fā)生安全事故，加強(qiáng)對(duì)降落場(chǎng)地氣象信息的監(jiān)控能力，并嘗試數(shù)據(jù)鏈的重連。

3 結(jié)語

利用模糊層次分析法對(duì)試飛安全進(jìn)行評(píng)估能夠全面的考量到影響試飛安全的各個(gè)指標(biāo)，與傳統(tǒng)的安全評(píng)估方法相比較，更加的直觀、準(zhǔn)確。通過對(duì)得出的指標(biāo)評(píng)價(jià)矩陣和權(quán)重進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)試飛安全危害性權(quán)重大的指標(biāo)，針對(duì)性的制定相應(yīng)對(duì)策，從而提高試飛的安全水平。