典型飞行安全评估方法述评

刘　嘉，孙　阳，肖楚琬，贾　慧，赵志坚

（海军航空工程学院接改装训练大队，山东烟台264001）

典型飞行安全评估方法述评

刘嘉，孙阳，肖楚琬，贾慧，赵志坚

（海军航空工程学院接改装训练大队，山东烟台264001）

为进一步从飞行动力学角度解决面向任务的多耦合因素下飞行安全评估问题，对现有飞行安全评估方法进行了梳理，对各种评估方法的发展起源、评估流程、评价指标、应用不足进行了初步探讨。研究表明，各种评估方法在应用上各有优缺点。从飞行动力学角度而言，层次分析法、故障树分析法和时间裕度法对解决多耦合因素下飞行安全问题，具有较强的借鉴意义。后续可结合人因可靠性，飞行安全边界界定，将层次分析法、故障树法和时间裕度法融合，发展一种新的面向任务的基于系统安全性和飞行动力学的具有更广泛意义的飞行安全评估方法。

飞行安全；飞行动力学；系统安全性；故障树法；时间裕度法；飞行包线

随着我国航空运输业的发展，飞机成为人们日常最为常用的出行方式之一。可以预见随着国产大飞机的下线，我国航空运输业必将迎来新的更大发展。但同时也应看到，近年来飞行事故频发，也给我国航空业者敲响了警钟。如何确保飞行安全是航空运输领域的永恒主题。飞行安全研究的目的就是确保飞行安全，找到制约飞行安全的关键因素，并将其加以解决。这其中既包括飞机的设计因素，也包括使用者的操作因素以及环境因素。可以说飞行安全是一个相当广泛的话题，学者们在飞行安全“人、机、环”3个领域已经开展了大量研究。在人的方面，学者们开展了人因可靠性与飞行安全研究[1]、人机工效与飞行安全研究[2]、飞行驾驶技术与飞行安全研究等等[3]。在飞行器设计领域，学者们分别在飞行系统风险评估及事故预测[4]、适航性[5]、飞行品质与飞行安全[6]、飞行包线与边界识别控制[7]、飞行安全辅助措施[8]等方面展开了研究。在环境方面，学者们对各类自然环境对飞行安全影响都进行过研究，如降雨与飞行安全[9]、结冰与飞行安全[10]、风切变与飞行安全[11]、前机尾涡与飞行安全等等[12]。由此也可以看到，飞行安全不是孤立的，而是多耦合因素共同作用下的系统性不确定问题。面对如此丰富的研究成果，必须理清研究思路，找准方法步骤，才能为后续多耦合因素下飞行安全研究奠定基础。为此，须要搞清什么是飞行安全，它的影响因素是什么，它的内涵是什么，以及目前采用了哪些评价办法进行飞行安全评估。这也正是本文研究的目的。

本文首先介绍了飞行安全基本概念和内涵；而后对现有典型飞行安全评估基本方法进行了综述；最后，对这些方法总结，为后续从飞行视角和动力学角度解决多耦合因素下航空飞行安全问题奠定基础。

1　飞行安全的概念与内涵

1.1基本概念

1.1.1飞行安全

飞行安全就是指在飞行活动中，保证人类能够顺利地离开地面飞向空中并能顺利地返回地面，不给乘员、飞行器本身以及地面居民、设施造成任何损害和威胁[13]。

1.1.2飞行风险

飞行风险是对危险、潜在事故可能性及事故后果的综合度量，是系统安全指标之一。风险用于描述尚未发生的的可能转化为事故的随机可能性及事故后果[13]。

1.1.3飞行安全风险评估

飞行安全风险评估就是对飞行风险大小做出评估和度量[13]。开展飞行风险评估的最终目的是以实现飞行系统安全，揭示影响飞行安全的不利因素，分析各影响因素耦合作用及事故机理，进而对飞行安全开展定性定量分析及评估，为事故预测及事故预防奠定基础，最终确保飞行安全，提升经济效益。

1.2飞行安全影响因素

众所周知，影响飞行安全的主要因素是“人、机、环”。即飞行员或机组、飞机以及外界环境。当然也有观点认为，管理也应纳入飞行安全影响因素。鉴于本文主要为后续从飞行视角定量分析飞行安全进行基础准备。同时，由于管理因素难以与飞行安全的定量因素建立关联，因而暂不将管理因素及维护保障有关因素纳入影响因素。其中，关于人的因素，人因可靠性相关研究可以对人的各种行为及其影响因素进行较为有效的解释；关于飞机本体因素，在飞行器设计领域中，飞机各系统的安全性、可靠性、飞行品质都与飞行安全相关；在环境因素中，飞机的使用环境也制约着飞行安全。

2　飞行安全评估方法

飞行安全评估方法即是对飞行安全系统的风险大小做出正确评价与度量的方法。目前，学者们对飞行安全评估开展的研究主要集中在以下方面：一是从飞机设计角度以及从飞机整机安全性出发，对各分系统提出安全性及可靠性指标，指导飞机分系统设计；二是从事故、故障角度出发，以整个飞行系统的安全性视角对飞行安全进行研究，其主要目的事前预测及事后分析，累计事故案例并为后续安全评估和事故预防奠定基础；三是从使用角度，以动力学为基础，以飞行员视角对飞行安全性进行分析；四是从飞机性能角度出发，进行飞行边界的识别和控制。这其中典型的方法包括故障树法、事件树法、层次分析法、基元事件法、时间裕度法等；这些研究方法有些是相通的，有些则在思路存在差别，其应用方式不尽相同，各有优缺点，下面就其中典型方法进行介绍与综述。

2.1故障模式与影响分析法

2.1.1方法起源

故障模式与影响分析法（Failure Mode and EffectsAnalysis，FMEA）是20世纪50年代美国为分析飞机发动机故障而发展的一种方法，目前广泛用于安全性评估和故障分析识别，我国也已将这种方法纳入国军标[14]。也有学者对这一方法在具体应用中进行改进，取得了较好效果。如文献[15]采用FMEA方法，结合模糊综合评判理论，对数控机床故障进行了分析；文献[16]结合三元素法对飞机油箱防火性进行了分析等。此外，FMEA也是故障分析的基本方法之一。

2.1.2方法原理与步骤

这一方法的基本思路是按照系统、分系统、元素的顺序分割研究对象及故障类型，然后再按元素、子系统、系统的顺序研究故障对飞机可靠性及飞行安全性的影响，最后根据影响大小，故障概率等因素评定故障等级。其基本步骤包括：调查系统、确定分析深度、绘制功能框图、列出故障类型、选取典型及重大故障、开展故障分析。在故障类型及影响分析中，通常采用评点法，即根据影响因素计算故障点数，故障典型因素包括故障影响大小、影响范围、发生频率、防止故障难易程度、设计成熟度等，如表1所示。

表1　故障影响因素Tab.1 Factors of fault effect

按下式计算元素总的危险故障点数：

危险故障总点数即表征了该元素的危害程度。最终可以按照这一方法对整个系统进行安全性分析评估。

2.1.3评估结论

FMEA故障等级的评定方法有简单划分法、评点法和致命度评点法、风险矩阵法，其典型应用是上述评点法。当系统总点数Cs＞7时，故障等级为I级，为灾难性故障或事故；当总点数4＜Cs≤7时，故障等级为II级，为致命性故障或事故；当总点数2＜Cs≤4时，故障等级为III级，为严重故障或事故；当总点数Cs≤2时，故障等级为IV级，为轻度故障。

2.2事件树分析法

2.2.1方法起源

事件树分析法（Event Tree Analysis，ETA）又称决策树分析法。这是安全系统工程的重要分析方法之一。最早源于美国对商用核电站的风险分析与评估。这种方法从事故的起因事件开始，应用归纳推理的方法，分析事件的发展过程，最终导出所有可能的事故后果。如文献[17]运用事件树法综合考虑防撞系统可靠性和飞行员可靠性，对自由飞行模式下的碰撞风险进行了评估。针对具体这一方法存在缺点，学者们也对这一方法提出了改进。如文献[18-19]针对原始方法对系统动态演化过程描述不足的问题，提出并成功运用了动态事件树法进行可靠性分析；文献[20]利用事件树和动态故障树，提出了基于ET-DFT模型的动态概率安全评价方法等等。

2.2.2方法原理与步骤

事件树分析法的实质是利用逻辑推理方法，以可靠性为基础，研究时间线上各事件因果关系，分析事故形成过程。其基本原理是分析事件发展过程，给出每一事件的可能结果，并对这一结果产生的次级事件进一步分解，直到底层。最终可以分析每一事件的故障后果和影响。

基本步骤包括：

1）开展事件分析，明确起点事件，了解时间轴上的事件发展过程，确定各事件因果关系和发展走向；

2）从左至右依次编图，开始事件在左，将成功的分枝画在上面，失败的分枝画在下面；

3）标定概率逻辑运算，根据事件、中间事件的基本概率，按照独立事件概率计算原则，即并联事件概率相加，串联事件概率相乘的原则计算总概率。

图1为典型故障案例——起落架放下故障事件树。其中，P1、P2、P4是起落架故障后飞行员处置成功、安全飞行概率，P3、P5是处置不当的事故概率。最终根据各分支概率即可计算事故概率。

图1　故障案例事件树Fig.1 Event tree of failure case

2.2.3评估结论

ETA方法得到事故评估指标是事故概率。这一方法的使用前提是需要知道各事件分支发生概率。此外分支分叉走向需要详细论证。

2.3故障树分析法

2.3.1方法起源

故障树分析法（Fault Tree Analysis，FTA）最早由美国贝尔电话公司的Watson首先提出，于1962年应用于民兵式导弹发射控制系统安全分析，后来美国波音公司的Heasl等人对事故树分析法作了重大改进。事实证明，故障树分析法非常适合用于研究事故发生规律，可以用于事故预测、安全评估及故障诊断，如文献[21]结合故障树和BAM神经网络尝试对故障诊断存在的空间爆炸和训练样本整理难题进行了解决，实现了故障诊断的快速性和准确性；文献[22]运用信息熵决策理论进行了故障树不确定性推理，并采用算例证明了方法的有效性等等。下面就该方法原理和典型步骤进行简要介绍。

2.3.2方法原理与步骤

故障树分析法基本步骤：①调查研究，确立研究对象；②建立故障树；③化简故障树和定性分析；④概率计算；⑤安全性评估。如图2～3示出了故障树基本结构示意图，其中“+”代表“或”运算、“×”代表与运算。图3是图2故障树化简后的事故致因结构图，从中可以找到事故发生的基本原因及其组合。图2中T是顶上事故事件、A、B、C、D、X1、X2、X3、X4、X5分别是独立事件。图3中K1、K2、K3是T事件发生的3个组合事件。最后，在步骤3）基础上，可以根据基本事件发生概率计算最终事故发生概率，同时可根据基本事件重要度和临界重要度对安全性进行评估，并找到事故对事故影响最大的安全隐患。

图2　故障树结构示意图Fig.2 Sketch map of fault tree structure

图3　故障树简化示意图Fig.3 Sketch map of fault tree simplify

2.3.3评估结论

这一方法得到事故评估指标是事故概率。采用这一方法预测事故概率的前提是必须知道各独立事件发生概率，同时应对各事件之间及其与最终事故的逻辑关系进行详细构建。

2.4层次分析法

2.4.1方法起源

层次分析法（The Analytical Hierarchy Process，AHP）最早是由美国运筹学家A.L.Saaty提出[23]。这种方法将顶层安全目标根据聚类层次进行逐级分解，是一种多因素耦合决策方法，是一种结合了底层元素分析和顶层安全预期的综合化决策方法，其特点在于结合了专家主观认识和系统固有属性，可以为定性和定量分析提供依据。这种方法不仅在风险评估领域得到应用[13]，在效能评估中也取得了良好效果[24]。

2.4.2方法原理与步骤

AHP法的思路是将问题逐级分解，每个次级问题可以和多个上级问题存在影响关系，直至分解至最底层。图4是飞行安全典型的层次分析结构，其中，3层要素可能和多个二级子系统之间存在影响关系；而后根据专家评价采用某种方法进行权值计算；最终可以得到底层元素相对于顶层目前的相对重要度函数。由此即实现了多耦合因素下的目标分析。这一方法基本步骤包括以下4步。

1）根据分析目标构建层次结构模型。典型飞行安全评估层次结构如图4所示。

图4　典型飞行安全评估层次结构Fig.4 Hierarchical structure of typical flight safety assessment

2）构造判断矩阵。判断矩阵是每一层元素相对重要性的权重指标，通常由专家根据经验给出。假定A层中元素Ak与下一层次中元素B1，B2，…，Bn有联系，则构造的判断矩阵如表2所示。其中元素bij表示Bi与Bj相对于Ak的重要性的比例标度。

表2　AHP法判断矩阵Tab.1 Judgment matrix ofAHP method

3）层次单排序与一致性检验。层次单排序可以归结为计算判断矩阵B的最大特征值和相应的特征向量问题。

4）层次总排序与一致性检验。方法与步骤3）类似。

2.4.3评估结论

这一方法以底层各因素相对权重为计算结果，可对定量和定性的各种因素对事故目标的影响程度进行分析，可以结合各底层因素进一步计算事故概率。

2.5事件链分析法

2.5.1方法起源

事件链分析法是一种将飞行事故发生和发展过程中的有关事件，按照一定逻辑关系排成事件链，然后逐件分析事件链上的事件，从中找出属于事故原因方法。这种方法是以事件链事故模型理论为基础的分析方法。20世纪70年代布尔德根据多米诺骨牌理论，首次建立了事件链分析法，明确提出了事件链的概念。他把事故发生的事件分为“人”、“机械”、“管理”3大类，每一类都组成一个环，每个事件都可归为这3类中的一类，每个事件使“人”、“机械”、“管理”环连接，如果发生了第一个事件，就使第一环套上第二环，发生第二个事件，就使第二环与第三环套上去，如此下去，最后一环就是事故发生。我国学者对这一方法也进行了相关研究和应用，如文献[25]建立了突发事件的事件链概率模型，文献[26]构建了由情景要素属性状态识别到事件演变描述的概率规则，进而提供了一种预测事件发展态势的方法。

2.5.2方法原理与步骤

此分析方法用于飞行事故原因分析时，首先在事故调查过程中，列出调查中发现的所有影响飞行安全的因素，从这些因素中找出与事故有关的事件或情况，并按照事件发生的时间顺序和因果关系，一环套一环排列成事件链，直到事故发生为止。然后，逐件分析事件链中的事件，从中找出属于事故原因的事件或情况，确定事故发生的原因。

事件链方法更适合于事故分析和调查，也可以用于事故预防和预测，它在应用时可以按照以下步骤展开。

1）分析起点事件。由于起点事件可能众多，因此起点事件的确定必须要有丰富的经验或可靠的定量分析作为支撑。

2）分析次生事件。分析起点事件可能触发的次级事件，给出各次级事件发生概率，这一阶段应注意起点事件耦合和次生事件概率计算可能涉及多场景耦合多维概率分问题。

3）关键事件链的风险分析。根据步骤1）～2）在这一阶段已基本明确了所以事件链和事故流程走向。因此可针对性开展关键事件链风险分析和事故评判。最后得出分析结论。

2.5.3评估结论

这一方法在事故原因分析时，可以较好的找到事故起因及其事件链。在风险预测和安全评估时，其结论可以以事故概率的形式给出，但其更擅长于定量给出不同事件链危险程度，进而提供安全措施建议，提高安全性。

2.6基元事件法

2.6.1方法起源

在对己有的事件链理论和事件分析方法进行研究后，针对现有方法的不足，我国民航建立了一种改进的历史事件分析方法——基元事件分析法[27]。基元事件分析法就是基于事件链理论，把发生的飞行事故或事故征候分解成为最终与事故或事故征候直接相关的独立的基元事件的分析方法。基元事件的定义直接针对广义的差错责任者，将违规和错误行为落实到终端环节。其分析范围包括了“人、机、环境、管理”中的各个方面，是一种系统评价飞行安全的方法。同时，这一方法可以历史数据为基础，开展安全趋势研究，提前给出行业整改建议。其优点是建立了规范化的事件链分解机制，明确了事件成因和预防对策。

2.6.2方法原理与步骤

运用这一方法进行安全评估的步骤包括：

1）进行调查，运用基元事件分析法和层次分析法设立“人、机、环境、管理”子系统分层次的评估模型，在4个子系统的基础上，确定飞行安全评估的要素和项目；

2）运用层次分析法（AHP）进行权重分析和确定；

3）对待评对象或单位进行数据采集；

4）根据采集数据进行安全评估和计算。

2.6.3评估结论

运用这一方法可以对飞行系统进行安全评估，评估结果以设定的安全指数或评分形式给出。其优点是可以宏观的对飞行系统进行评价，便于体系比较和评价。

2.7时间裕度法

2.7.1方法起源

这种方法目前主要应用于飞行驾驶领域，俄罗斯学者和我国学者均对这一方法在飞行安全领域应用做出了尝试[28]。这一方法的好处是将人的操纵能力纳入了飞行事故评判因素。同时，这一方法将将飞行动力学有关理论与传统飞行安全的概率指标进行了关联。在这一方法中，其判断飞行事故的标准是，决定性参数达到或超过极限值xji。常见的决定性参数包括：迎角、过载、高度、表速、马赫数等。这一方法的出发视角是以飞行员的容错能力和主动驾驭能力为基本考虑，考察飞行员能否在有限时间内，使飞机脱离危险状态。

2.7.2方法原理与步骤

这一方法的基本思路是，考察飞行员是否具有足够的时间进行飞行状态“挽救”，即一旦飞机出现故障或“超限”事件，飞行员能否在飞机进入不可逆状态之前，使飞机重新进入可控状态。

其基本判断思路如图5所示。假设t=0时刻飞机出现异常，如果飞行员不实施正确的操纵飞机将进入安全边界以外，飞机某个指标会以超限的形式威胁飞行安全，如超过过载极限、低空失速等等，见图5曲线4。同时，这一方法定义了一个时间裕度tb，即飞行员可以挽救飞机的最小临界时间，一旦飞行员超过了这一时间仍未进行有效的正确的操纵，那么飞机将沿着图5曲线3进入超限状态，如果飞行员刚好在时间tb内进行操纵，则飞机状态沿着曲线2进入安全临界状态，如果飞行员在时间裕度tb以内施加正确操纵，那么飞机将沿着曲线1返回飞行安全边界以内。因此飞行安全评估就转化为计算飞行员反应时间tp小于时间裕度tb概率的问题，即P=P0(xt＜xji)=P0(tp＜tb)，其中：xt是t时刻飞机状态、xji是飞行参数限制极限值。图5中，阴影部分表示安全概率。由于tp具有随机性，可用概率函数进行描述。确定时间裕度tb后，通过研究tp分布规律，即可评估人-机系统的飞行安全性。

图5　时间裕度判断法原理图Fig.5 Schematic diagram of time margin method

这一方法的基本步骤包括：

1）确定故障起点，建立故障后飞机动态方程；

2）根据飞机参数极限值，求取临界时间参数；

3）根据飞行员参与滞后时间，计算时间裕度，计算飞行风险概率。

2.7.3评估结论

这一方法计算得到的是飞行安全风险概率以及过程中的飞机状态参数及相关时间参数。这一方法有效结合了飞行动力学和现有安全理论，是一种新的安全评估方法尝试。

3　评估方法述评与展望

3.1评估方法述评

限于篇幅，这里不再对其他飞行安全评估办法进行介绍，对于上述几种典型飞行安全评估办法，可以发现，它们各有优缺点。

故障模式与影响分析法述评法（FMEA）使用前提是须要知道故障模式及故障原因，以及各部件的故障概率和对整个系统影响的权重。主要缺点是故障影响因素点数C1～C5大多人为选取，目前还没有统一的标准选择方法，故障危险评估还存在一定的主观性。此外，这一方法基本是以装备因素为主要考察点，忽略了系统中的人为因素和环境因素。

事件树分析法（ETA）的使用前提是须要知道各事件分支发生概率。同时，分支的合理性以及前提条件需要详细设定。此外，对于多因素耦合引发事故，这一方法无法适用，而且并非所有部件的故障都会导致事故发生。

故障树分析法（FTA）的前提是必须知道各独立事件发生概率。同时，应对各事件之间及其与最终事故的逻辑关系进行详细构建。

层次分析法（AHP）可以对定量和定性的各种因素对事故目标的影响程度进行分析，理论上结合各底层因素可靠性，可以进一步计算事故概率，进行安全评估和事故预测，但尚未发现相关文献。此外，这一方法得到的底层事件相对权重仍是以专家意见为基础，缺少定量计算基础。

事件链分析法在事故原因分析时，可以较好地找到事故起因及其事件链，其更擅长于定量给出不同事件链危险程度，进而提供安全措施建议，提高安全性。但在风险预测时，其缺点在于故障起点众多，对所有起点进行多因素耦合故障预测，场景过多，耦合复杂，应用难度较大。

基元事件法的优点是可以宏观的对飞行系统进行评价，便于体系比较和评价，其缺点是没有与事故现象之间建立直接联系，其次这种方法评估项目权重来源于AHP法，本质上仍以专家的判断为基础，定量分析依据稍显薄弱。

时间裕度法结合了飞行动力学和现有安全理论，是一种新的安全评估方法尝试。但这一方法同样存在一些缺点。如：必须对飞行状态极限值进行界定。传统的飞行包线和飞行边界，与这一极限值可能并不完全相同，如果以允许边界为极限值，会面临飞机有时尚未到达允许飞行包线也有可能发生事故的尴尬。此外，某些故障发生后，飞机气动特性发生异常改变，无法采用常规方法计算飞机后续动态响应。如果某些故障如某个传感器损坏，可能不能直接产生飞行状态的改变，但对飞行员操纵判断可能产生影响，也会影响飞行安全。但即便存在这些不足，这一方法仍是开展定量安全评估的有益尝试。

3.2展望

飞行安全影响因素众多，涉及复杂且充满随机性的人为因素、装备因素、环境因素。同时，飞行安全与飞行任务密切相关。比如，空中对抗科目训练的飞行安全问题、舰载机着舰的飞行安全问题、夜间超低空飞行安全问题等等，这些都是典型的面向任务的多耦合因素下的飞行安全评估问题，为此找到解决这类问题的统一办法具有重要意义。纵观上述典型飞行安全评估办法，传统系统安全性理论的评估方法与飞行理论定量分析结合不够，而以飞行驾驶能力为出发点的安全理论又缺少系统安全性分析。为此，结合二者优点，探索一种新的飞行安全评估方法应该是解决面向任务的多耦合因素下飞行安全的途径之一。综合考量，现有层次分析法（AHP）、故障树分析法（FTA）和时间裕度法具有较强的借鉴意义，结合这些方法，后续可从以下方面进一步开展深入研究。

1）进一步分解任务约束下的多耦合因素飞行安全需求，明确影响因素量化指标，开展基于仿真验证架构的AHP及FTA方法研究。

2）进一步梳理人因素可靠性研究方法，将任务环境的人为因素纳入定量分析，建立任务环境下的飞行员行为模型。

3）进一步对飞行安全进行界定。系统分析使用飞行包线、可用飞行包线、允许飞行包线与飞行安全关系，以典型任务为背景，分析飞行包线与飞行员操纵、故障容错及飞行安全关系。

4）对多场景多耦合因素权重计算方法开展研究，为解决任务约束下AHP多耦合影响因素定量分析的权重计算奠定基础。

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Discussion of Typical Flight Safety Evaluation Method

LIU Jia,SUN Yang,XIAO Chuwan,JIA Hui,ZHAO Zhijian
（Training Brigade of Equipment Acceptance and Modification,NAAU,Yantai Shandong 264001,China）

To investigate the mission originated aircraft flight safety in multi-coupling factors in flight dynamics,the flight safety evaluation methods were reviewed.Preliminarily,the methods development,implementation,indexes,merits and de⁃fects were discussed.It showed each method got its merits and defects in specific application.In flight dynamics,fault tree analysis(FTA)and the time margin method(TMM)were more suitable in flight safety analysis with multi-coupling factors. In following study,a new method of flight safety evaluation would be established which were integrated with human reliabil⁃ity,flight envelope redefining,FTA and TMM.The new method would have a wider significance in flight safety evaluation.

flight safety;flight dynamics;system safety;fault tree analysis;time margin method;flight envelope

V212.1

A

1673-1522（2016）01-0075-08

10.7682/j.issn.1673-1522.2016.01.014

2015-11-16；

2015-12-30

国家自然科学基金资助项目（51505493）

刘嘉（1982-），男，讲师，博士生。