载人航天概率风险评价工程实践及其在空间应用中的前景分析

节永师，王 伟，王 功，贾新建

（中国科学院空间应用工程与技术中心，北京100094）

载人航天概率风险评价工程实践及其在空间应用中的前景分析

节永师，王 伟，王 功，贾新建

（中国科学院空间应用工程与技术中心，北京100094）

在总结国外概率风险评价技术在载人航天领域的工程实践基础上，剖析了该技术在载人航天的范围、对象、实施条件等工程适用性问题。结合我国空间站工程空间应用系统有效载荷产品的特点和空间科学与应用实验任务需求，对概率风险评价技术在空间应用系统中的应用前景进行初步分析，提出了该技术在空间应用系统中推广应用的实施策略和实施流程，并以高微重力科学实验过程为例进行了建模示例，探讨了其工程应用的可行性，为后续开展空间科学与应用实验过程的安全性定量风险评价工作提供了参考。

载人航天；概率风险评价；空间站；空间应用系统

1 前言

概率风险评价（Probabilistic Risk Assessment，PRA）是一种识别、分析与量化复杂系统风险的综合化、结构化的逻辑分析方法，通过运用主逻辑图、FMEA、危险分析等方法识别风险，利用事件树、故障树、动态故障树、贝叶斯网络等方法，构建事件链模型，融入试验数据、飞行数据、历史数据、专家判断等数据信息进行风险量化，利用贝叶斯分析法、专家意见综合法、蒙特卡罗仿真等方法进行不确定性分析与重要度排序，从而综合反映系统的安全性可靠性水平，并识别系统的薄弱环节，为复杂系统风险管理提供决策支持［1］。PRA技术在航空航天、核电、石化等众多领域得到了广泛应用［2⁃3］，特别是随着PRA技术与方法的逐步成熟，其在载人航天领域的运用更是得到了极大的关注。美国宇航局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）在探月飞船［4］、航天飞机［5⁃7］、国际空间站［8⁃9］等项目中采用PRA进行了定量的安全性风险评估；在轨道空间飞机（Or⁃bital Space Plan，OSP）方案设计阶段，运用PRA评估OSP安全性水平，对比分析不同设计方案的风险［10］。另外，NASA还利用PRA技术评估了火星中继网络的可靠性［11］。

近年来，在国内航天领域也涌现出了一些利用PRA技术进行风险评估的工程实践活动。赵丽艳等［12］对某型运载火箭的故障检测处理分系统开展了PRA工作，得到了具体评估结果。刘金燕等［13］针对载人航天工程交会对接机构分系统，提出了基于PRA的可靠性评估方法，得到了贴近实际的可靠性评估结果，并识别了对接机构分系统中的薄弱环节。

PRA在国内外载人航天领域的应用实践表明，PRA是一个适用于复杂大系统安全性可靠性风险定量评价、设计方案权衡与优化以及进行工程决策等工作的较为有效的方法。PRA方法不仅考虑后果事件的严重度，还会给出其发生可能性的大小。尤其在载人航天工程风险相关数据不充足的情况下，利用PRA技术可以较好地评价发生概率较低但后果较严重的事件。国内PRA技术的应用不多，在空间应用系统中的应用也相对较少。

本文在调研国内外载人航天领域PRA技术工程实践的基础上，提出空间站空间应用系统应用PRA技术的实施策略与流程，并以高微重力科学实验过程为例探讨其工程应用的可行性，以为空间应用系统定量风险评价工作提供参考。

2 国外载人航天领域PRA技术的应用

NASA在多个载人航天项目中应用了PRA技术，其应用PRA的目的也有所不同，归纳起来可以分为设计方案权衡、安全性可靠性评价、重大在轨活动工程决策等三个方面。

2.1 基于PRA技术的设计方案权衡

NASA利用载人探测飞行器（Crew Explora⁃tion Vehicle，CEV）执行探月任务，在CEV设计阶段开展的PRA工作［4］。通过PRA分析，评估出航天员伤亡（Loss of Crew，LOC）与任务失败（Loss of Mission，LOM）的发生概率，如表1所示。

表1 CEV后果状态发生概率Table 1 The probability of CEV end states

此外，NASA利用RPA技术，对CEV进行了设计方案权衡分析，例如CEV主动热控系统有两条冗余管路，去除其中一条后，仅使LOC发生概率增加了5%左右，对后果状态影响较小，说明单管路条件下系统安全性可靠性依然较高。

从上面CEV设计方案权衡案例可以看出，利用PRA对CEV不同的设计方案权衡主要是对比分析去除某子系统的一个设计组件或者去除某子系统前后后果状态发生概率的变化，分析结果是相对值，根据分析结果确定最优设计方案。

2.2 基于PRA技术的安全性可靠性评价

2.2.1 航天飞机PRA

1995年，对航天飞机完成了首次PRA的工作［5］。航天飞机应用PRA主要是为了评估出机毁人亡（Loss of Crew and Vehicle，LOCV）的发生概率，并识别系统的薄弱环节。在2009年对航天飞机LOCV的评估结果为1／85［6］。

此外，航天飞机PRA也有效支持了出舱维修活动［7］。在航天飞机STS⁃125飞行任务中，利用PRA技术，得到了舱外维修任务失败和舱外航天员伤亡这两种后果状态的发生概率分别为3.09 ×10－2和3.29×10－4，还得到了导致这两种后果状态的主要风险诱因。

在航天飞机的PRA应用中可以得出，航天飞机PRA主要用在成熟阶段，数据量较为充足，其有效评估了航天飞机后果状态的发生概率，并对识别出的薄弱环节进行了改进，有效支持了航天飞机的升级活动。

2.2.2 国际空间站PRA

PRA是国际空间站（International Space Sta⁃tion，ISS）定量风险评价的关键方法，ISS项目利用PRA主要用于量化航天员、空间站安全性风险，并对ISS在轨活动的工程决策问题提供有力支持［8］。ISSPRA主要定义了三种关键的后果状态和三种非关键的后果状态。其中，关键的后果状态包括站毁人亡（LOCV）、航天员伤亡（LOC）、航天员紧急撤离（Evacuation，EVAC）。非关键的后果状态包括密封舱损坏（LOM）、子系统失效（Loss of System，LOS）、碰撞（Collision，COL）。

利用PRA技术，得到了一些重要结论。例如，导致站毁人亡最可能的原因是空间站遭受到微流星体、大量空间碎片的冲击，疾病是导致LOC和EVAC的最大风险。根据这些结论，我们可以采取积极应对措施，比如实时监控空间站附近的空间碎片、增强航天员体质、净化空间站生活环境，以降低不良后果状态发生的可能性。

2.3 基于PRA技术的重大在轨活动工程决策

利用PRA技术对ISS重大在轨活动的不同方案进行权衡分析，在ISS的工程决策中发挥了重要的作用，进一步体现了PRA的价值。

1）空间站推迟维修活动［9］

ISS常规的维修方案是在交会对接期间航天员进行维修活动，另一种维修方案是将所有维修任务推迟到航天飞机与ISS对接后再执行。利用PRA对两种方案进行权衡分析，结果表明：推迟维修活动方案将会减少科研时间；但如果改进方案，只推迟不紧急的维修任务，则会相对于将所有维修活动都推迟这一方案提高2到3倍的科研时间。

2）空间站配置救援飞船［9］

为提供一种更安全的航天员逃逸系统，ISS项目组考虑用X⁃38飞船替换现有的联盟号救援飞船或与联盟号配合使用。利用PRA权衡分析对不同数量的航天员采用不同救援飞船配置方案的风险，结果表明：两种飞船配置数量相同时，X⁃38比联盟号更加安全；将这两个独立设计和制造的飞船组合配置使用时，LOC的风险最小。

从上面两个ISS重大工程决策案例中可以看出，在ISS运营阶段，主要是在利用PRA对一些重大活动的不同方案进行权衡分析的基础上，由工程总体做出决策，选择最佳方案。

2.4 PRA技术的工程适用性分析

综上可知，PRA可以有效评估复杂系统的安全性可靠性水平，在方案设计阶段和运营阶段有效支持对不同方案的权衡分析，但由于PRA技术比较复杂，对数据需求量较大，因此需要根据应用对象的特点来确定PRA技术是否适用。在此基础上，本文归纳总结了PRA技术在载人航天领域的工程适用性，如表2所示。

表2 PRA技术的工程适用性分析Table 2 The applicability analysis of PRA in manned space project

由表2可以得出以下结论：

1）PRA技术在载人航天领域中应用广泛，但由于PRA技术本身建模方法和数据分析方法比较复杂，所以目前主要应用在安全性可靠性评价、方案权衡和工程决策这三个方面；

2）在应用PRA时，针对不同研究对象及应用目的，PRA建模方法略有差异，对数据需求量大小也有所不同，用于安全性可靠性评价时需要的数据量最大；

3）PRA建模与数据方法复杂、数据需求量大是实施PRA的难点，在应用时需要重点解决这几个问题。

下面将根据PRA技术的工程适用性，结合空间应用系统应用载荷的特点，来分析PRA技术在空间应用系统的应用前景。

3 空间应用系统PRA技术的应用前景分析

3.1 空间应用系统应用载荷特点

从安全性、可靠性的角度，空间应用载荷具有以下主要特点：

1）种类繁多，集成化程度高，内部结构复杂

大规模的空间应用将会带来更多的安全性问题。应用系统有效载荷种类繁多，载荷危险源也相应增多，比如激光、高温燃烧等。而且空间应用系统集成化程度较高，危险源较为集中，故障类型也多种多样，有的故障还与时序有关，若对复杂的载荷进行安全性可靠性评估工作，一般的可靠性框图、事件树、故障树等方法有时难以胜任，需要利用PRA这一综合化的方法来评估。

2）特定实验需要航天员深度参与

一些科学实验需要航天员参与才能完成，例如实验样品更换、消耗品补加以及舱内外有效载荷的维修与升级等。在航天员参与实验的过程中，接触危险源的机会增多，可利用PRA来量化风险发生的可能性，优化实验过程和航天员操作规程，从而保障开展空间科学与应用任务时航天员不受到伤害。

3）载荷长期运营，需要维修补给

对于长期运营、任务周期长的有效载荷，需要做好维护工作，及时准确地发现故障，并尽快处理故障，避免导致严重的后果，保证有效载荷安全可靠地工作。对于维修补给工作，有时会涉及维修工作的优先顺序、补给策略等问题，可用PRA来评估不同维修方案的风险，支持制定最优的维修策略。

根据空间应用系统特点可以看出，空间应用载荷高度复杂，航天员深度参与，在轨运营时间长，故障类型多种多样，有必要使用PRA来开展相应安全性可靠性工作，但由于PRA技术复杂，并不是适用所有定量风险评价工作，因此需要明确空间应用系统PRA的应用范围。

3.2 空间应用系统PRA的应用范围

在载人航天领域中，对空间应用载荷进行PRA分析的示例相对较少，其主要原因就是空间应用载荷追求先进性，大量采用先进技术导致了PRA分析所需的先验信息相对较少，PRA技术应用受到制约。另外，PRA技术更加适用于具有明显时间序列过程的事件链，对于空间应用与科学实验过程，由于需要航天员的参与，往往难以表征航天员的参与过程。

根据载人航天PRA技术的工程适用性，并结合我国空间站应用系统的特点，可梳理出空间应用系统采用PRA技术的解决思路，如表3所示。

表3 空间应用系统PRA应用范围Table 3 The app lication scope of PRA in space app lication system

3.3 空间应用系统PRA的实施策略

空间应用系统应根据载荷产品的特点、重要程度、复杂程度、所处阶段以及产品层次等因素，选择合适的风险评价方法。PRA在空间应用系统适用情况如表4所示。

表4 PRA在不同产品类型、研制阶段与产品层次的适用情况Tab le 4 The app lication of PRA in different product types，different development phases and dif⁃ferent product hierarchies

空间应用系统PRA主要包括基于事件链的建模方法和基于不确定性分析数据分析方法。利用收集到的多种数据，结合相应的建模方法，并进行不确定性分析，从而全面分析风险结果。由于PRA建模和数据分析较为复杂，有时需要利用专用的PRA软件支持风险评价工作。PRA技术实施方案可按图1所示开展。

4 空间应用系统PRA实施流程及建模示例

4.1 空间应用系统PRA实施流程

根据空间应用系统安全性、可靠性分析的工作基础，基于PRA技术的空间应用系统定量风险评价技术工作可按图2所示流程开展。

4.2 空间应用载荷PRA建模示例

下面以空间站的高微重力科学实验过程为例，简要描述PRA技术应用的具体过程。微重力悬浮实验旨在充分利用空间站微重力环境，支持等效原理验证等基础物理实验。实验系统主要由内部实验支持子系统（内体）、随动跟踪子系统（外体）、外部支持与监视子系统、真空抽气子系统、机构子系统和无线传能子系统构成。在准备工作完成后，实验将完成悬浮系统抽真空、把悬浮系统推出并控制到实验区域、内部实验系统与外部随动跟踪系统解锁、联合控制内外系统开展实验、结束后收回充气等过程。

微重力实验过程PRA采用面向任务阶段的事件链建模方法，综合运用事件树和故障树，来构建实验过程的事件链模型，如图3。后果状态初步定义为：任务成功（OK）、任务失败（LOM）、航天员受伤（LOC）。

图3所示微重力科学实验事件链模型中，后果状态M1⁃M9表示可以细分的子事件链。例如，M1、M2和M3细分的事件链如图4所示。

悬浮实验系统PRA事件链建模示例旨在说明空间应用载荷PRA的适用性，说明可应用PRA技术对空间应用载荷进行定量风险评价。由于悬浮实验系统处于方案设计阶段，相关产品数据缺乏。在可用于PRA分析的数据增多后，将可在该事件链模型的基础上融入数据信息得到后果状态的定量评估结果从而进行完整的PRA分析。

图4所示PRA模型是为了对单次悬浮实验操作过程进行安全性可靠性评价，除此之外，还可以针对某一特定危险源建模量化分析其安全性风险，以及对悬浮实验系统的不同设计方案进行权衡分析，支持确定最优设计方案。

5 结论

1）可在空间应用载荷方案设计阶段、建造阶段和使用阶段等多个阶段应用PRA进行定量风险评价；

2）利用PRA不仅可定量评估载荷产品使用过程的可靠性，针对载荷某一特定危险源，定量评估载荷的安全性水平，还可以对载荷不同设计方案进行方案权衡；

3）应建立PRA数据库，收集积累载荷产品的数据信息，为开展PRA工作奠定基础。

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Engineering Practice of Probabilistic Risk Assessment in M anned Spaceflight and Its Prospect Analysis in Space Application System

JIE Yongshi，WANGWei，WANG Gong，Jia Xinjian
（Technology and Engineering Center for Space Utilization，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China）

The engineering practice of the probabilistic risk assessment（PRA）in manned space⁃flight abroad was systematically summarized and the engineering applicability of PRA in manned spaceflight such as the application scope，the applicable object and the implementation condition were thoroughly analyzed.Considering the characteristics of the science payloads of the space appli⁃cation system in China’s space station and the demands of space science and application experi⁃ments，the application prospect of PRA in the space application system was preliminarily analyzed，and the implementation strategy and process of promotion and application of PRA in the space appli⁃cation system were proposed.In the end，a PRA modeling example of science experiment in micro⁃gravity was given，and its feasibility in engineering application was discussed，whichmay provide a reference for the quantitative risk assessment of space science and application experiments.

manned spaceflight；probabilistic risk assessment；space station；space application sys⁃tem

V528

A

1674⁃5825（2017）01⁃0098⁃06

2015⁃09⁃22；

2016⁃12⁃22

节永师，男，硕士研究生，研究方向为航天产品安全性、可靠性工程。E⁃mail：jieyongshi14＠csu.ac.cn