基于DBN的机场飞行保障运行系统可靠性研究_王永刚.pdf

文章编号:1009-6094(2023)04-0998-08基于 DBN 的机场飞行保障运行系统可靠性研究*王永刚，李赵钰(中国民航大学安全科学与工程学院，天津 300300)摘要:为了防止机场运行环节失效导致航班不正常运行，提出了机场飞行保障运行系统可靠性的概念，并根据行业规章的要求，确定了机场飞行保障运行系统关键节点可靠性的参数及计算过程，给出了以顶层参数可靠性为目标的参数逻辑。分析得出了机场运行过程关键任务节点，建立了故障树，依据故障树逻辑门向动态贝叶斯网络(Dynamic BayesianNetworks，DBN)转化的映射规则，将故障树转化为 DBN 模型。以华北地机场的飞行保障运行系统进行应用实例分析，结果表明，停机坪地面服务保障阶段对机场飞行保障运行系统可靠性影响最大，其中加油作业中设备恢复环节、机务保障中航空器推出环节、行李货物装卸作业中装卸环节和设备靠机环节、上下旅客保障作业中设备靠机环节和上下客环节属于停机坪地面服务保障阶段的薄弱环节。该模型在用于国内机场飞行保障运行系统可靠性分析时，用后验概率可以识别出机场运行过程失效的原因，用敏感性分析可以识别出机场运行过程中关键薄弱环节。关键词:安全工程;机场安全管理;系统可靠性;动态贝叶斯中图分类号:X949文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2022.1680*收稿日期:2022 08 12作者简介:王永刚，教授，博士，从事民航安全管理体系、民航风险管理、民航质量管理等研究，。0引言机场是民航运输的地面保障单位，其运行安全性是民航关注的焦点之一。近年来民航安全管理体系已建设得较为完善，但每年仍然有不安全事件和事故发生。根据民航局不安全信息数据分析报告统计，20152016 年由机场原因引起 4 186 件不安全事件。同时2020 年有25.46%的航班不正常是由其他原因导致的1，而其他原因中机场原因占较大部分，根据海因里希法则延误背后隐藏着很多人员违规和不正常事件。安全管理体系虽能很好地提高机场飞行保障运行系统的安全性，但对机场飞行保障运行系统的薄弱环节辨识较为困难，并且安全性评价只能反映运行过程和结果，并不能考虑到指标间的因果关系。由此提出系统运行可靠性，在考虑运行过程中不安全事件的同时考虑运行过程中的不正常事件，能反映出运行过程各环节的相互关联关系及各维度要求下的运行成功度，找出机场飞行保障运行系统的薄弱环节，提高机场飞行保障运行系统的可持续性，对机场运行的可靠性具有重要意义。系统可靠性的研究主要集中于工业工程系统，如钻井设备2、分频输电系统3 4、飞机驱动系统5 6、复杂机械系统7 8 及核电厂数字化仪控系统9 等，在可靠性指标的选择上，电网系统主要为停电概率、预计负荷损失、停电持续时间、预计供电短缺等10，机械系统主要以累积失效概率、故障率和可用度为可靠性指标11。以往研究中可靠性指标的选择，是依据分析发生变化后会使系统运行失效的系统关键节点。工业工程系统是“硬系统”，由机械元件或数字化设备运行完成任务，其可靠性是元件的一种属性，会随着时间而退化，而机场飞行保障运行系统是由人去完成主要任务，是“软系统”，其可靠性随时间变化的性质不明显，因此工业系统的可靠性指标不适用于机场飞行保障运行系统，需要根据机场保障过程的要求制定其可靠性指标。系统可靠性研究常用可靠性框图、故障树、目标导向法(Goal-Oriented methodology，GO 法)12、贝叶斯网络等方法。1995 年，Schneeweiss13 首次提出可靠性框图法，但该方法对复杂系统的描述能力有很大局限。GO 法更适用于简单系统的分析，在面对复杂系统时状态组合数量庞大，计算困难。故障树14 可以提供定量与定性分析，但静态故障树无法分析具有维修性的系统。1992 年，Dugan 等15 首次引入了动态逻辑门的思想，提出了动态故障树的概念，但动态故障树分析大型系统时会有大量的计算，容易产生偏差。1999 年，Littlewood 等16 将贝叶斯网络的方法引入可靠性的研究中，认为贝叶斯网络能有效表达不确定性的关系。2001 年，Bobbio 等17 首次研究了故障树映射到贝叶斯网络中的规则，并且动态贝叶斯网络可以有效描绘多状态设备的故障演化过程，又可以分析不同维修方式对系统可靠性的影响。对机场飞行保障系统而言，动态贝叶斯方法能考虑到该系统的不确定性和冗余性。鉴于此，本文将可靠性的思想引入“软系统”，分析机场运行保障流程运行系统中的关键因素，并给出机场关键环节运行系统可靠性参数，考虑机场飞行保障运行系统的可维修性和动态性，确定系统整体可靠性逻辑，通过动态贝叶斯网络(Dynamic899第 23 卷第 4 期2023 年 4 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 4Apr，2023Bayesian Networks，DBN)模型的方法对机场飞行保障运行系统可靠性进行分析，以提高机场飞行保障运行系统的可持续性，为解决机场运行过程中关键薄弱环节识别困难及任务失效原因识别困难的问题提供帮助。1机场飞行保障运行系统分析1.1机场飞行保障运行流程机场作为航空器运行保障的节点，航空器在机场的运行流程可分为进场阶段、停机坪航班地面保障阶段和离场阶段。在进场阶段，着陆时飞机的控制权由进近管制转移到塔台管制，着陆后控制权将会移交至机坪控制中心，由机坪运行指挥中心引导飞机进入停机位。停机坪航班地面保障阶段主要包括飞机地面操作、旅客服务操作和行李货物操作 3 部分保障。其中重点保障作业有加油保障作业、机务保障作业、航食配餐作业及行李货物装卸作业。图 1机场飞行保障运行系统故障树Fig 1Fault tree for airport flight support operating systems在离场阶段，在停机坪地面保障作业及旅客登机完成后，机组向机坪运行指挥中心工作人员确认滑行路线，塔台发布指令和许可并引导飞机起飞。1.2机场飞行保障运行系统可靠性为确定机场飞行保障运行系统可靠性指标，根据民航规章要求，以及对机场飞行保障运行系统可靠性的定义，并依据民航机场使用许可规定 可知，获取民用机场使用许可证的基本要求之一是应建立满足机场运行要求的安全管理体系，因此安全性是机场飞行保障运行系统的基本要求。根据民航航班正常统计方法 中对机场相关的要求及指标，保障航班正常对机场飞行保障运行系统有时效的要求。由此将机场飞行保障运行系统可靠性定义为在满足安全、质量及时效的情况下完成既定功能和任务的能力。机场飞行保障运行系统的可靠性分析时不仅考虑任务成功的可能性，还需要考虑补救过程成功的可能性，即机场飞行保障运行系统的可维修性。在机场运行过程中对时间的要求有一定的冗余度，在冗余范围内，运行结果依然是有效的。将机场里运行的修复性定义为在限制的时间和条件内，在不影响下一个阶段正常工作的情况下，维修到规定状态的能力。1.3机场运行关键因素分析通过对机场系统的工作分析和任务流程分析，以及民航机场运行规章和机场运行手册，可确定任务中的关键节点。进场阶段的关键因素有降落后脱离、滑行且管制移交、进入停机位。停机坪保障阶段的关键因素如下几个方面。1)加油作业:人员设备到岗并进入作业位置、加油作业、人员签字放行、恢复设备状态并检查。2)航食配餐及清洁:人员设备到位、配餐/清洁作业。3)行李货物装卸:人员设备到位、设备靠机/撤离、行李货邮卸载/装载。4)上下旅客保障:人员设备到位、移除停靠廊桥/客梯车、上下客。5)机务保障:人员设备到岗、引导航班进港并上轮档、按清单检查航空器、整机放行、航空器推出。离场阶段的关键因素有申请发布许可、航空器推出、滑行管制移交。引入故障树的理论分析方法，以机场飞行保障运行系统失效为顶事件，关键节点失效为子事件，建立机场飞行保障运行系统故障树分析模型，机场飞行保障运行系统故障树见图 1。故障树中每个特定9992023 年 4 月王永刚，等:基于 DBN 的机场飞行保障运行系统可靠性研究Apr，2023事件编号的名称为进场流程 X1、停机坪保障流程X2、离场流程 X3、降落后脱离 X4、滑行且管制移交X5、进入停机位 X6、机务保障 X7、加油作业 X8、行李货物装卸 X9、航食配餐及清洁 X10、上下旅客保障X11、申请发布许可 X12、航空器推出 X13、滑行管制移交 X14、机务人员设备到岗 X15、引导航班进港并上轮档 X16、整机放行 X17、航空器推出 X18、按清单检查航空器 X19、加油作业过程 X20、恢复设备状态并检查X21、人员签字放行 X22、加油保障人员设备到岗 X23、行李装卸人员设备到位 X24、设备靠机/撤离 X25、行李货邮卸载/装载 X26、航食配餐清洁人员设备到位X27、配餐/清洁作业 X28、上下旅客人员设备到位X29、移除停靠廊桥/客梯车 X30、上下客 X31。2机场飞行保障运行系统可靠性参数根据机场飞行保障运行系统可靠性的定义，在计算机场飞行保障运行系统关键节点可靠性时需要考虑安全性、时效性和质量性 3 方面参数。2.1安全性依据运输机场安全管理体系(SMS)建设指南 中对安全的定义，将机场运行安全可靠度定义为，任务执行过程中无人员差错、违规或超限事件，使航空器正常运行的概率，见式(1)。s=Ng/Ns(1)式中s为关键任务节点安全可靠度;Ng表示符合条件运行成功的次数;Ns表示服务总次数。2.2质量性民用机场服务质量通则 适用于国内民用领域，对机场的专业服务标准进行了规定。将机场运行质量可靠度认定为在限制的条件和时间内，任务完成中不违反服务质量条例的概率，见式(2)。q=Ng/Ns(2)式中q为关键任务节点质量可靠度。2.3时效性民用机场服务质量标准 中对机场运行过程中任务做了时限要求，本文将各关键节点的任务时效性标准定为在规定时间要求内完成机场飞行保障任务的概率，满足要求的该次运行参数为“1”，不满足的该次运行参数为“0”，见式(3)。t=Ng/Ns(3)式中t为关键任务节点时效可靠度。2.4关键任务节点可靠性分析机场飞行保障运行系统关键节点可靠性从安全性、质量和时效性 3 个方面进行考量，且无重要性差别，关键节点运行可靠性见式(4)。=(s+q+t)/3(4)式中 为关键任务节点可靠度。2.5系统可靠性运行系统能成功完成任务的概率计算不仅需要考虑节点的可靠性，还需要考虑失误但在时效冗余度内纠正的维修性。按规定成功执行任务的概率，即系统可靠性见式(5)。Por=(t)+Q(t)P(tm td)(5)式中Por为系统可靠性;(t)为关键任务节点的可靠性/成功率;Q(t)为关键任务节点发生故障的概率;P(tm td)表示系统的维修时间不大于到下一项任务开始时间的概率。3机场飞行保障运行系统 DBN 模型3.1动态网络结构由于机场飞行保障运行系统关键节点的动态性有很强的随机性，且会受到运行过程中实际情况和外在条件的影响，其状态转移无规律，所以本文将关键节点上一层任务节点确定为动态节点，可维修性体现在其任务维修时间不影响下一阶段任务实施。3.2故障树向 DBN 转换将故障树转化的动态贝叶斯网络的节点记为E1，E2，En;系统的可靠度记为;系统的不可靠度记为 Q;Ei 0，1表示 Ei的初始状态，Ei(t)0，1 表示 Ei在 t 时刻的状态，其中“0”表示失效，“1”表示有效。逻辑门向 DBN 转换的映射规则见图 2。图 2逻辑门的映射规则Fig 2Mapping rules for logical gates3.3状态转移概率由于每个任务运行的时间与系统的运行时间不一致，且动态节点均属于具备维修性的节点，依据系统可靠性公式(4)，确定动态节点的状态转移概率为P(Ei(t+)=1Ei(t)=0)=P(tm td)P(Ei(t+)=0Ei(t)=0)=1 P(tm td)P(Ei(t+)=1Ei(t)=1)=1(6)0001Vol 23No4安全 与 环 境 学 报第