基于Bow-tie模型的发动机空中停车事故分析与预防*

孙超，王瑛，崔利杰，张羚

（1.空军工程大学装备管理与安全工程学院，西安710051；2.空军工程大学信息与导航学院，西安710051）

基于Bow-tie模型的发动机空中停车事故分析与预防*

孙超1，王瑛1，崔利杰1，张羚2

（1.空军工程大学装备管理与安全工程学院，西安710051；2.空军工程大学信息与导航学院，西安710051）

发动机空中停车是航空事故主要致因之一。首先，通过数据梳理和分析，构建发动机空中停车故障树，结合重要度分析理论，求解各基本事件的重要度，得到造成发动机空中停车事件的最薄弱环节——供油系统故障。基于Bow-tie理论，构建发动机供油系统Bow-tie模型，直观地显示了该故障产生的根本原因和可能导致的后果，进而提出了预防该故障发生的对策建议，达到降低发动机空中停车事故概率的目的。

Bow-tie模型，空中停车，重要度分析，事故预防，故障树分析

0 引言

随着航空技术的飞速发展，航空装备的安全性成为当前航空领域的焦点。针对如何提升航空装备的安全性，以及在事故发生后如何有效地减少损失，是当前航空安全的研究重点。而发动机空中停车是较为典型的一类航空事故。

J.Miyano［1］针对IFSD的再启动进行分析测试，为降低IFSD带来的损失提供理论依据；Roger P. Tokars等［2］针对发动机传感器系统故障设计了自动化诊断系统，该系统对于降低IFSD故障率有很好的作用；Liu等［3］在大数据视角下，运用灰色关联度分析了IFSD的危险源；唐海军等［4］运用有限元法对IFSD进行了失效分析，分解调查和实验剖析找出了事件的本质起因。侯金丽等［5］利用模糊故障树分析法和因子化分析法研究发动机关键部件的失效模式，并探讨了IFSD的主要原因；费胜巍等［6］基于“结构FMEA”的诊断模型对发动机进行了分析，得到了更完整的故障树,提高了诊断效率和准确性。传统的故障分析手段没有对事故可能带来的后果进行分析，进而提出合理有效的预防措施减少可能造成的损失。

1 空中停车事故定性分析

1.1 空中停车（In Flight Shut-Down，IFSD）

航空安全事故中最为典型的是发动机空中停车。空中停车事故发生的概率虽然不高，但是一旦发生所造成的后果却是不可小觑。因此，本文以发动机空中停车为顶事件进行故障分析。

1.2 空中停车故障树

对近年航空事故中空中停车事故报告进行梳理分析，统计分析造成空中停车事故发生的原因，构建了发动机空中停车这一航空典型事故故障树。

符号说明：T发动机空中停车；A1滑油系统故障；A2压气机喘振；A3燃料系统故障；A4滑油压力低；A5燃油系统故障。

2 空中停车事故重要度分析

本文引入以下3种通用重要度，从3个不同的角度对发动机空中停车事故的基本事件发生概率和顶事件发生概率之间的相互关联影响关系进行分析。

2.1 Birnbaum重要度

表1 空中停车事故事件类型及发生概率

2.2 危害性重要度

2.3 弗塞－维思利（Fussell-Vesely）重要度

重要度（又称割集重要度），可以描述事件、部件失效对整个系统失效的贡献。得到所有基本事件的3种重要度之后，根据其重要度的大小对基本事件进行排序。所得排序结果如下页表2所示。

由表（2）可以看出3种基本事件的重要度排序中，基本事件X11供油系统故障的重要度均为最高，所以对于发动机空中停车事故的发生，事件X11供油系统故障影响作用最大，X11是这个系统中的薄弱环节。实际上，针对发动机空中停车事故的梳理过程中发现，其主要诱因是供油系统故障和发动机喘振，这与上述重要度排序结果吻合。若基本事件X11不发生，可以使得顶事件发动机空中停车的发生概率降低17.9%至2.469 75×10-4/h。降低事件X11的发生能够有效降低发动机空中停车事故的发生概率。因此，本文针对事件X11进行Bow-tie分析。

表2 基本事件重要度排序

3 Bow-tie模型分析

3.1 Bow-tie模型

Bow-tie分析法（Bow-tie Analysis，缩写BTA）是FTA和ETA相结合产生的，它充分弥补了两种分析方法单独使用时的不足，并且能够对事故的情景分析进行清晰地展示。故障树FTA和事件树ETA分析方法由于其在控制逻辑和操作标准上的简便易操作而被广泛使用。ETA最后输出的结果为估算的频率值和对后果的严重性进行的评估，而FTA是对初始事件发生的概率及防护层的失效率进行相应的分析。

3.2 供油系统故障分析

根据基本事件重要度分析得出发动机空中停车致因的关键事件为事件X11供油系统故障。针对供油系统故障进行故障树和事件树分析。

3.2.1 故障树分析

其中：X1为供油泵故障；X2为传感器故障；X3为供油控制阀故障；X4为滤清器故障；X5为喷油嘴故障；X6为压力调节器故障。

3.2.2 事件树分析

表3供油系统故障事件树中事件状态

当飞行过程中出现供油系统故障时，首先要排除火情危险，因为火情可能直接导致飞机发生爆炸，因此，必须作为紧急情况处置的第一步；排除火情之后判断是否出现喘振现象，喘振可以自行恢复，自行恢复失效时可以人为干预恢复；当排除上述事件影响之后系统仍未恢复正常，可能是油阀关闭引起的供油不足，此时须尝试手动开启油阀，关闭巡航系统，尝试重启发动机，如若仍旧没有解决故障问题，须立即准备迫降或跳伞。

3.3 IFSD的Bow-tie分析

本文采用Bow-tie分析法对导致该薄弱环节失效的潜在危险因素进行分析，并探寻该薄弱环节失效以后可能会导致的危害后果。根据事故发生原因及导致后果得出相应的防止事故发生的预防措施，以及事故发生以后需要采取的控制措施，从而降低其失效概率并减少其失效后对其他节点产生的影响，进而达到降低事故发生概率的目的。具体分析步骤见表4：

按照表4给出的分析步骤开展供油系统Bow-tie分析如图5所示。图5中以供油系统故障为顶事件进行故障树分析，得出了5个可能导致供油系统故障的原因，并针对这些潜在危险制定了相应的预防措施。针对供油系统故障的事件树分析，得出了4个事件发生可能产生的后果，针对这些可能产生的后果制定了相应的减少甚至消除后果影响的控制措施。

表4 Bow-tie分析步骤

采用Bow-tie分析方法提出的控制措施对基本事件进行预防控制，可以有效降低引发顶事件的基本事件发生概率，从源头上降低顶事件发生的可能性；顶事件发生后可以针对性的采取相应控制措施，最大程度降低顶事件发生所带来的严重后果。

4 结论

从Bow-tie分析图中可以直观看到导致薄弱环节失效的根本原因以及可能导致的后果，同时在图中可以看到针对薄弱环节的产生原因制定的预防措施和失效后降低后果影响的控制措施。采用Bow-tie分析方法可以使得事故在采取控制措施后其发生概率相较于采取控制措施之前大幅度降低。在实际工作过程之中可以使维修人员能够清晰了解到保障工作中的注意事项，以及事故发生后采取什么样的针对性控制措施来降低损失。

1）通过对近年事故梳理分析，确定了空中停车的故障树，并进行定量计算得出其发生概率为3.009 610 545×10-4/h；

2）通过对基本事件重要度的计算，并排序得出发动机空中停车事故中导致事故发生的薄弱环节是供油系统故障，若该事件不发生可以使得发动机停车故障率下降17.9%至2.469 75×10-4/h；

3）采用Bow-tie分析法找出导致薄弱环节产生失效的根本原因以及事件发生后可能造成的后果，进一步分析出防止薄弱环节失效的预防措施以及针对事件发生降低损失的控制措施。并将上述信息在Bow-tie图中简明扼要地表示清晰，从而方便了在实际的安全管理中进行推广，达到降低事故发生概率、减少事故发生造成的损失的目的。

［1］MIYANO J.The engine air-start test of XF-2［C］//Aerospace Conference，2001 IEEE Proceedings，2001.

［2］ROGER P T，JOHN D L.Self diagnostic accelerometer ground testing on a C-17 aircraft engine［C］//Aerospace Conference，2013 IEEE Proceedings，2013.

［3］LIU R，CHEN X F，LI H J，et al.Risk sources analysis method on aero engine IFSD based on big data［C］//The FirstInternationalConferenceonReliabilitySystems Engineering，2015.

［4］TANG H J，CAO D S.Failure analysis on IFSD of an aero engine［J］.Acta Aetonautica et Astronautica Sinica，2010（2）:285-289.

［5］HOU J L，JIN P，CAI G B.Failure mode of reusable rocket engine based on fuzzy fault tree and factor analysis［J］.Journal of Aerospace Power，2014（4）:987-992.

［6］费胜巍，孙宇.基于“结构FMEA”的故障树自动构建方法研究［J］.润滑与密封，2006（12）:197-202.

［7］ANTAL P，MESZAROS T，MOOR B D，et al.Annotated bayesian networks:a tool to integrate textual and probanilistic medical knowledge［C］//Computer-Based Medical Systems. Bethesda，2001:177-182.

［8］PRAKASH P S，JAMES C W.Inference in hybrid bayesian networks using mixtures of polynomials［J］.International Journal of Approximate Reasoning，2011，52（5）:641-657.

［9］TROLDBORG M，AALDERS I.Application of bayesian belief networks to quantify and map areas at risk to soil threats:using soil compaction as an example［J］.Soil and Tillage Research，2013，132（8）:56-68.

Research on Analysis and Prevention of In-flight Shutdown Based on Bow-tie

SUN Chao1，WANG Ying1，CUI Li-jie1，ZHANG Ling2
（1.School of Equipment Management&Safety Engineering，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China；
2.School of Information and Navigation，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

In-Flight Shutdown（IFSD）is one of the main reasons to cause aerial accidents. Firstly，Fault Tree of IFSD failure is constructed by combing and analyzing the data.Combined with analytical theory of importance degree，the importance degree of each basic incident is solved to acquire that it is failure of fuel supply system that causes the weakest link of IFSD.Based on theory of Bow-tie，the Bow-tie model of fuel supply system of engine is constructed，which intuitively demonstrates the fundamental reason and probable consequence of the failure.Then，counter measures of preventing the failure are proposed，which arrives at the aim to decrease the probability of IFSD accidents.

Bow-tie model，In-Flight Shutdown（IFSD），analysis of importance degree，accidental prevention，fault tree analysis

TP3

A

1002-0640（2017）01-0027-05

2015-12-05

2016-02-20

国家自然科学基金资助项目（71171199；71401174）

孙超（1989-），男，山东临沂人，硕士研究生。研究方向：系统安全。