航空器轮胎爆破事故量化分析与预防方法研究

崔利杰，丛继平，张贾奎，任博

(空军工程大学 装备管理与无人机工程学院,陕西 西安 710051)

0 引言

作为航空器起落系统中的重要部件，轮胎对飞机安全起降起着至关重要的作用。飞机轮胎一旦发生爆破，将很有可能产生严重后果，危及航空安全。通过统计历史上发生的轮胎爆破事故，我们发现导致轮胎爆破航空事故发生的危险源涵盖面广，基本包括了人为、环境以及机械原因中的各个要素，且由于事故的发生发展呈现出高度的非线性、偶然性和不确定，研究和分析这类事故需要借助相关数学模型和理论。

人们在事故分析领域提出了许多定性或定量的事故分析模型，并取得了较好的应用效果[1-2]。其中，事故树(fault tree analysis,FTA)和事件树(event tree analysis,ETA)是2个借助图形工具分别开展危险源和后果定性定量评估分析的有效工具[3-4]。但两者仍然存在不能指明事故的危险源与事故后果的关系，对事故预防措施和控制对策制定的针对性不强、直观性不足的问题。近年来发展的Bow-tie模型[5]在FTA和ETA的基础上，综合了两者的优点，利用事故树中的顶事件分别联接基本事件和事故后果，打通了基本事件和事故后果的关系，使相关人员直接能够直观地发现和理解危险源与事故的关系，解决了传统事故分析模型量化不足、条块分割和直观性、针对性不强的问题[6-7]，为事故分析领域提供了新的思路和方法，目前已在事故分析和风险评估中成为了研究热点。本文利用Bow-tie模型为基础，采用新定义的航空事故重要度对量化后的航空事故基本事件、环节事件数据进行分析处理，以轮胎爆破为例，验证所提指标方法的有效性和可行性，并基于此提出预防对策和控制措施生成机制。

1 基于Bow-tie模型的航空事故重要度分析

1.1 模型构建

Bow-tie模型由SHELL公司于20世纪90年代提出，用于在危险分析中用图示的方法假定威胁如何带来风险并演变为后果，能够描述事故发生的整体情况。通常情况下，Bow-tie模型由2部分构成，即左侧的故障树和右侧的事件树。其中故障树涉及与事故有关的威胁源和基本事件，定义了所有导致事故发生的基本事件和意外事件，这些事件之间用逻辑门联接。事件树则定义了所有事件造成后果，在该事件树中又涉及了大量的缓解对策和补救措施。Bow-tie模型第1次把事故的预防以及事故发生后的应急反应统一到一起，以一种可视化的方式，呈现出事故的前因后果。其原理如图1所示。

图1 Bow-tie模型原理图Fig.1 Schematic diagram of Bow-tie model

1.2 航空事故重要度及性质

传统的系统可靠性分析中重要度指标有结构概率重要度(Birnbaum importance measure)[8]，关键重要度(criticality importance measure)[9]及割集重要度(Fussell-Vesely importance measure)[10-11]和风险增加当量(risk achievement worth)[12]等。上述重要度都在一定程度上反映了基本事件的发生概率对顶事件发生概率的贡献程度，但也存在不足和缺陷[13]，突出表现在这几种通用重要度都只是衡量了基本事件在故障和安全2个极端情况下对系统失效概率的贡献程度，未开展归一化，不方便比较，且多不具备可加性。2003年，Borgonovo和Apostolakis提出了差分重要度[14-15]来衡量故障树中基本事件对顶事件发生概率的贡献程度，其以良好的性质解决了上述重要度面临的问题。因此，这里基于差分重要度提出一种用于航空事故分析的重要度，用于衡量航空产品在设计和使用活动中各类基本事件和环节事件对事故发生的影响程度。

(1)

根据文献[13]和前面建立的航空事故Bow-tie模型，假定各基本事件和环节事件为独立事件，航空事故重要度具有以下性质:

性质1：可加性，即若干个基本事件或环节事件的联合重要度可由它们的单一重要度相加得到。

(2)

性质2：对于给定后果事件，其涉及所有基本事件和环节事件的重要度相加值为1。即

(3)

式中:n为给定后果事件涉及的基本事件和环节事件总数。

情况1：假定系统中每个基本(环节)事件发生概率的变化相同，即

H1:dPXj=dPXk,∀j,k=1,2,…,n.

情况2：假定系统中每个基本(环节)事件发生概率的变化率相同，即

(4)

(5)

式中：PsOE为航空事故模型中的某一后果事件发生概率，该后果事件涉及的基本事件、环节事件发生概率为PXi;s为该后果事件在模型后果事件中的标号；n为给定后果事件涉及的基本事件和环节事件总数。

2 轮胎爆破事故重要性分析

2.1 轮胎爆破事故Bow-tie模型构建

2.1.1 轮胎爆破事故危险源分析

通过对大量航空事故数据进行分析[16-17]可以发现，直接造成轮胎爆破的原因有机械功能故障和刹车系统故障等。其中，导致机械功能故障的原因有机械损伤和轮胎故障等。轮胎气压异常、充气嘴断裂和机轮磨损等又是导致轮胎故障的原因，在这几个因素中，轮胎气压异常主要是由于维护不当导致或制造商所生产的轮胎存在质量问题，这些都是人为原因导致轮胎故障的发生；机轮磨损既会直接导致机轮的失效，也会对轮胎造成直接的影响。导致机械损伤的因素中有刹车片误装造成的刹车盘掉块等以及产品质量造成的轮毂裂纹和主轮掉块等结构问题，也有热熔塞问题而对机轮造成不良影响。在导致刹车系统故障的因素中，有软件指令故障、电路短路等问题，也有机务人员检查时疏忽、环境因素和产品质量问题等导致的刹车附件失效。各种因素之间相互作用，层层递进共同导致事故发生。

通过以上分析，不难看出在导致轮胎爆破的各种危险因素中，包含了人为因素、机械因素以及环境因素。因此，在探讨对于危险源的风险控制时，要从人、机、环3个角度入手，从各个环节入手预防危险源状态的转移。

2.1.2 轮胎爆破事故后果分析

轮胎爆破事件发生后，飞机由于无法掌控方向，很容易出现冲出跑道、飞机侧翻以及飞行员由于操作慌乱而导致二次事故的情况。根据对历史上飞机轮胎爆破事件后果的统计，飞机发生轮胎爆破后可能会产生以下后果：①任务终止，飞机停留在跑道；②飞机轻度损伤；③机体严重损伤；④飞机起火并导致人员伤亡。除第1种情况外，轮胎爆破顶事件发生后均会引发财产损失或人员伤亡。通过对造成以上事故后果的相关数据分析，不难发现：轮胎爆破不安全后果的造成可归结为以下控制措施是否发挥有效，即启动应急刹车系统、避让飞机、建筑物等障碍物、增设隔离网、启动应急消防系统4项措施。

2.1.3 轮胎爆破事故Bow-tie模型

根据资料和前述分析，构建轮胎爆破事故的Bow-tie模型如图2所示。从图中可以看出Bow-tie模型能够清晰地呈现出轮胎爆破的各类危险源及不同的事故后果。

从上述模型中的故障树可以看出，导致轮胎爆破关键(顶)事件的共有16个基本事件，这16个基本事件又由于各个逻辑门的关系形成4个中间事件。顶事件发生后，根据后续控制措施处置情况，轮胎爆破事件可能会引发4类后果，通过分析，引发这4类后果的控制措施或环节事件分别定义为SE1：启动应急刹车系统；SE2：避让飞机、建筑物；SE3：增设隔离网；SE4：启动应急消防措施。表1列出了故障树的基本事件及发生概率。实际工作中，由于涉及人为与环境因素，4个环节事件的发生可能性难以准确量化，这里采取专家打分的形式，将4个环节事件失效的发生可能性以概率的形式表示，分别为0.25，0.27，0.20和0.15。

利用图2构建的轮胎爆破事故模型和表1提供的数据资料，可以得到由于轮胎爆破导致的后果发生概率如图3所示。

从图3中可以看出，4种后果的发生概率与引发损失的大小呈反比，这也与实际情况相一致。

2.2 轮胎爆破事故重要度分析

在实际工作中，3类严重事故后果即机体轻度损伤、机体严重损伤和飞机起火人员伤亡是在实际飞行中需要重点防范和避免的，而这3类后果根据顶事件发生后的控制处理措施是否得当，成本控制是否合理，需要对这3类后果导致轮胎爆破的各基本事件和控制事件的重要度进行分析。这就可以利用航空事故重要度分析方法，对轮胎爆破事件开展重要度分析。图4～6分别给出了轮胎爆破航空事故的各基本事件和环节事件的结构概率重要度和2种差分重要度结果。

图2 航空器轮胎爆破事故Bow-tie模型Fig.2 Bow-tie model of aircraft′s tire burst accident

编号基本事件名称发生概率编号基本事件名称发生概率BE1轮毂裂纹0.000 000 317BE9电路短路0.000 001 200BE2主轮掉块0.000 000 537BE10控制阀故障0.000 002 400BE3刹车盘掉块0.000 002 680BE11转换阀故障0.000 003 600BE4热熔塞0.000 030 400BE12液压保险故障0.000 002 800BE5轮胎气压异常0.000 001 200BE13刹车装置故障0.000 013 000BE6充气嘴断裂0.000 035 000BE14应急转换阀失效0.000 032 000BE7机轮磨损0.000 006 700BE15应急液压保险失效0.000 028 000BE8软件指令故障0.000 000 370BE16应急刹车装置失效0.000 007 000

从图4中可以看出，按照经扩展的结构概率重要度定义，3类严重后果基本事件和环节事件重要性分析中，BE1～BE7的重要度均为最大，且数值相同，而后续基本事件和环节事件的重要性则较低，这实际上符合结构概率重要度与故障树或者Bow-tie模型的结构有关的意义，即结构概率重要度只与基本事件或环节事件所处模型的位置与结构有关，而与其实际概率无关。但由于未进行归一化处理，上述数据还只是数值表示，难以表征每个基本事件或环节事件的重要性程度。

图3 轮胎爆破后果发生概率Fig.3 Probabilities of the consequences caused by the tire burst

图4 轮胎爆破航空事故结构概率重要度计算结果Fig.4 Computational results of the Birnbaum importance measure of the tire burst accident

图5 轮胎爆破航空事故差分重要度计算结果Fig.5 Computational results of the aviation accident importance measure of the tire burst accident

图6 轮胎爆破航空事故差分重要度计算结果Fig.6 Computational results of the aviation accident importance measure of the tire burst accident

2种不同的差分重要度从不同角度给出了基本事件或环节事件对事故后果的影响程度。也为下一步制定和生成航空事故预防对策和措施提供了思路和参考。

3 预防对策和控制措施生成

如何权衡预防过程中不同需求一直是航空事故预防领域的难点，这里提出一种新的航空事故预防对策和控制措施生成办法。即借助上述所提重要度分析结果，按照实际情况中对影响各类航空事故的事件进行分级以确定各种预防对策或控制事件的数目和程度。以轮胎爆破引发的航空事故为例，以对影响或导致轮胎爆破的各基本事件和控制措施进行分级，如将上述基本事件分为3级。最严重或者影响最大的为1级，影响最小的为3级，介于两者之间的为2级。按照对于第1级基本事件或控制事件在综合分析后同时在设计、使用和维护保障中同时采取预防对策和控制措施，而第3级的可以采取一种简单实用的预防对策或控制措施，对于介于两者之间的基本事件或环节事件可以采取2种有效的预防对策或控制措施。

以轮胎爆破引发的飞机起火人员伤亡事件为例，根据轮胎爆破重要度分析结果，给出预防对策与控制措施如图7所示。

图7 飞机轮胎爆破引发的飞机起火人员伤亡事件预防对策与控制措施图Fig.7 Preventive and mitigate control measures of the fatal crash accident

从图中可以看出，对于基本事件中重要度最大的热熔塞、刹车导管异物，从设计、维护和管理上都提出了预防对策，而对于重要度相对较低的基本事件，采取通用的一类或两类措施来预防事故发生，对于重要程度高、对飞行安全需重点关注的环节事件，需要在维护、保障乃至管理上采取更有针对性的措施。

4 结束语

Bow-tie模型在事故分析方面可以直观清晰地反映出导致飞机发生事故的危险源以及危险后果，形成对于特定事故一种“前因后果”式的分析模式；利用文中所提的重要度指标和计算方法，能够利用Bow-tie模型的这一特点，直观准确地确定引发航空事故的基本事件或环节事件的重要程度。相对于传统事故分析方法，本文所提方法可以利用清晰的因果分析和更准确的量化数据更有针对性地开展安全性设计、提供出预防对策和缓解措施，为有效预防、控制和缓解各类航空事故提供了依据。