基于Bow-tie-DT-FTA 的航空安全事故預防措施決策分析

余稼洋，郭建勝，周楚涵，顧濤勇，馬銘希

（空軍工程大學裝備管理與無人機工程學院，西安 710051）

0 引言

隨著航空業(yè)的飛速發(fā)展，航空安全已成為航空領域研究的焦點。通過對航空事故進行分析，挖掘事故發(fā)生原因規(guī)律，采取針對性措施進行防控，是當前研究的基本思路。Gong 等提出了一種基于反應的雙模結構圖形化事故樹模型用于事故建模和安全防御識別，將其與人因分析與分類系統(tǒng)集成，提出了關聯(lián)風險分析技術，將分析擴展到事故外部因素，形成了預防事故的延伸性安全要求；郭靜改進了FP-growth 算法并結合知識圖譜特點，提出一種新的知識圖譜關聯(lián)分析模型（NRLvLR），挖掘出航空安全事件知識圖譜規(guī)則中隱藏的、有價值的關聯(lián)規(guī)則信息，生成了針對性的安全建議；崔利杰等建立了軍用飛機輪胎爆破Bow-tie 事故模型并進行風險分析，結合相關適航標準，提出了避免事故發(fā)生的控制措施；孫超等運用重要度分析理論找出了造成發(fā)動機空中停車的最薄弱環(huán)節(jié)，通過構建其Bow-tie 模型深入挖掘故障原因及后果，提出了預防故障發(fā)生的對策等。

在實際工作中，通?？紤]多種措施融合，形成合力進行綜合預防。但受限于時間、經濟等條件，往往只能選取其中的一種或少數幾種措施進行防控，這就需要對措施進行優(yōu)劣排序，采取最優(yōu)措施以最大程度地保證航空安全，提升航空安全管理水平。對于管控措施的決策，相關學者主要開展了以下研究：胡家興運用決策樹、模糊綜合評判以及多級模糊推理3 種方法研究分析交通違法治理決策問題，通過定量計算給出了各預防措施的優(yōu)劣排序；向維等以“觸發(fā)器—不安全事件—結果”模型（TER）為基礎，融合奶酪模型和SHEL 模型，提出了新的分析模型（R-S-TER）。在Dijkstra 算法和坐標軸方法的基礎上應用R-S-TER 模型，分析得到單個、多個航空不安全事件的主要事故鏈，并提出了預防措施，最后通過編程得到預防不安全事件的最優(yōu)方案?？傮w來看，針對管控措施的相關決策研究較少。

因此，本文提出一種Bow-tie-DT-FTA 方法對事故預防措施進行定量分析以便決策。通過Bow-tie模型系統(tǒng)分析事故的前因后果，有針對地提出事故預防措施；運用DT-FTA 方法定量計算各預防措施的效益值并排序，實現(xiàn)對管控措施的決策。

1 DT-FTA 模型

DT-FTA 模型在決策樹模型的基礎上，融合了故障樹模型，將事故具體原因和事故預防措施決策相結合，并以一種可視化的方式將事故原因的分析過程和事故管控措施決策過程呈現(xiàn)出來。其原理如圖1 所示。

圖1 DT-FTA 模型示意圖

步驟6：根據式（4）計算各措施的效益值c，效益值越大，措施的可行性越強，據此給出措施的優(yōu)劣排序。

2 事故預防措施決策分析

2.1 Bow-tie 模型

澳大利亞昆士蘭大學在因果圖的基礎上，將故障樹、事件樹以及瑞士奶酪模型相結合，首次提出了Bow-tie 模型。目前該方法作為一種航空安全管理和事故分析技術被廣泛運用。其基本原理如圖2所示。

圖2 Bow-tie 模型原理示意圖

由圖2 可知，Bow-tie 模型按照邏輯順序直觀地呈現(xiàn)出不安全事件及其原因、發(fā)生途徑、后果和糾正措施之間的關系。模型左邊為故障樹，按照故障樹分析的思路，向前推導找出不安全事件發(fā)生的底事件，并將其作為危險源；模型右邊為事件樹，呈現(xiàn)了不安全事件產生的所有潛在后果。

確定危險源和潛在后果之后，還需要Bow-tie模型的左邊設置防止不安全事件發(fā)生的預防措施，在模型的右邊設置降低不安全事件危害、避免不安全事件發(fā)生的糾正措施，以此控制不安全事件中的薄弱環(huán)節(jié)，加強對不安全事件的風險管控。構建Bow-tie 模型的具體步驟如下：

步驟1：確定頂事件，識別要分析的具體事件；

步驟2：原因分析，確定造成不安全事件的危險源和相應的風險事件；

步驟3：識別危險源與頂事件之間的傳導機制，并確定預防措施；

步驟4：分析頂事件造成的潛在后果；

步驟5：確定不安全事件的糾正措施；

步驟6：繪制Bow-tie 模型圖。

2.2 Bow-tie-FT-DTA 模型

以Bow-tie 模型為基礎，結合DT-FTA 模型提出了航空事故預防措施決策分析的Bow-tie-FTDTA 模型。該模型能夠系統(tǒng)全面地分析事故發(fā)生的前因后果，針對性地制定出事故預防措施和糾正措施，并通過定量分析給出措施執(zhí)行的優(yōu)先級，形成了較為完整的航空事故分析與預防措施決策機制，有效提升了航空安全管理水平。航空事故預防措施決策具體過程如下頁圖3 所示。

圖3 事故預防措施決策分析流程圖

3 實例驗證

本章以飛機尾翼結冰事故為例，驗證Bow-tie-DT-FTA 方法的有效性。

飛機尾翼結冰主要有3 個方面原因：1）自然條件差，包含高濕度、低溫度等；2）除冰系統(tǒng)故障，即部件開關防差錯設計出現(xiàn)問題導致故障發(fā)生，其故障模式有除冰控制器故障、配電盒故障、加溫組件故障、外部故障、軟件故障5 種；3）人為操作失誤，如飛行員未按規(guī)章制度進行操作導致未打開除冰系統(tǒng)等。結合上述分析以及飛機尾翼除冰系統(tǒng)工作原理，總結得到了影響飛機尾翼結冰事故的16個底事件、9 個中間事件，如表1 所示。

表1 系統(tǒng)事件含義

飛機尾翼結冰事故發(fā)生后，會造成飛機翼型改變，操穩(wěn)特性和氣動性能下降，出現(xiàn)失控、失速等情況。統(tǒng)計歷史上飛機尾翼結冰事故相關信息，得到以下幾種不安全后果：

1）飛機操縱性能降低，飛機失控；

2）飛機翼型被破壞，飛機失速；

3）飛機氣動性能降低，飛機失穩(wěn)。

3.1 飛機尾翼結冰事故的Bow-tie 模型構建

通過對飛機尾翼結冰事故的危險源、后果進行分析，結合過往相關經驗，建立飛機尾翼結冰事故的Bow-tie 模型，如圖4 所示。

圖4 飛機尾翼結冰事故的Bow-tie 模型

通過Bow-tie 模型的建立，直觀、全面地呈現(xiàn)出了事故的危險源和潛在后果。根據上述分析，本文提出了針對性的基本預防措施，具體如下：

1）加強維修人員、飛行人員教育，提高意識；

2）提升電路系統(tǒng)的魯棒性；

3）升級除冰軟件。

實際工作中，往往會采取多種措施共同進行事故預防，故在上述3 條基本預防措施的基礎上，得到以下4 條組合預防措施。

1）加強維修人員、飛行人員教育，提高意識并提升電路系統(tǒng)魯棒性；

2）加強維修人員、飛行人員教育，提高意識并升級尾翼除冰軟件；

3）提升電路系統(tǒng)魯棒性并升級除冰軟件；

4）加強維修人員、飛行人員教育，提高意識、電路系統(tǒng)魯棒性并升級除冰軟件。

顯然，組合預防措施的預防效果要大于單一措施的預防效果，但其成本也將高于單一措施的成本。因此，并不能直觀地認為組合得到的措施就一定優(yōu)于單一措施。要找出最優(yōu)預防措施，必須綜合考慮措施成本、措施效果等多方面因素，通過定量計算給出各措施的綜合效益進行評判。

3.2 基于DT-FTA 的事故預防措施決策

上節(jié)運用Bow-tie 模型分析飛機尾翼結冰事故得到了事故發(fā)生的因果關系，并提出了“提升電路系統(tǒng)的魯棒性”等措施。為使決策者能夠選擇科學、合理、經濟的預防措施，采用DT-FTA 方法進行定量分析，計算出措施的綜合效益，給出措施的優(yōu)劣排序，找出最優(yōu)措施。

根據專家經驗以及走訪相關單位調研實際，得到以下信息。

2）影響事故預防措施決策的3 條準則——對飛機安全性的影響Z、對飛機的損害程度Z、對飛行員造成的恐慌程度Z。

3）初始概率矩陣P。

表2 各準則下各狀態(tài)造成的危害程度

根據圖4 并結合故障樹原理可知，各狀態(tài)與底事件有如下關系。

由此得出性能值s的計算公式。

表3 狀態(tài)對準則的危害程度

表4 各準則下措施的效益值

3.3 靈敏度分析

根據式（3）可知，影響措施效益值的因素包含指標權重（措施成本權重W、準則權重w）以及各底事件發(fā)生的概率。本節(jié)將分析以上兩個因素對措施效益值的影響。

3.3.1 權重對措施效益值的影響

不同措施成本權重下的措施優(yōu)劣排序如圖5所示。從圖5 中可以看出，隨著措施成本權重增加，措施（6）、（7）效果變差，措施（1）～（5）效果變好。且措施成本權重較小時，措施（3）、（5）～（7）效果較好；措施成本權重較大時，措施（1）、（2）、（4）效果較好。

圖5 措施成本權重Wo 與措施效益值ci 關系

3.3.2 底事件概率對措施效益值的影響

底事件概率的變化會影響措施效益值的大小，且不同底事件對措施效益值的影響程度各不相同，重點關注對措施效益值影響大的關鍵底事件是十分有意義的?？紤]到影響飛機尾翼結冰事故的底事件較多，本小節(jié)選取X、X、X3 個底事件進行靈敏度分析，挖掘三者中的關鍵底事件。若底事件X、X、X發(fā)生的概率分別為p、p、p，可得不同p、p、p對7 條措施排序的影響如下頁圖6～圖8 所示。

從圖6～圖8 中可以看出，在X、X、X3 個底事件中，措施效益值對底事件X的變化更敏感。因此，預防底事件X的發(fā)生將更加有效地提高措施效益值，提升事故預防的效率。

圖6 底事件X2 與措施效益值關系

圖7 底事件X3 與措施效益值關系

圖8 底事件X4 與措施效益值關系

4 結論

本文提出了一種基于Bow-tie-DT-FTA 的航空安全事故預防措施決策方法。以飛機尾翼結冰事故為例，運用Bow-tie 模型系統(tǒng)分析了事故前因后果，并針對性地提出了“提升電路系統(tǒng)的魯棒性”等7條預防措施；運用DT-FTA 方法計算各措施效益值并給出措施優(yōu)劣排序，結果表明“加強維修人員、飛行人員教育，提高意識、提升電路系統(tǒng)的魯棒性并升級尾翼除冰軟件”是最優(yōu)措施；最后對影響措施效益值的成本權重和底事件概率進行靈敏度分析，發(fā)現(xiàn)對措施效益值影響最大的關鍵底事件是X（液態(tài)水含量達到結冰條件）。

Bow-tie-DT-FTA 模型是在故障樹理論的基礎上提出來的，而故障樹理論廣泛應用于各類航空安全事故分析，因此，Bow-tie-DT-FTA 模型能夠很好地應用于航空安全事故的分析。作為一種新生的分析理論，Bow-tie-DT-FTA 方法能夠直觀呈現(xiàn)出事故的危險源、后果以及事故預防措施，并通過定量計算得到各措施的效益值及優(yōu)劣排序，為解決航空安全事故預防措施的決策問題提供了一種可行的思路，有效提升了航空安全管理水平。