無人機安全性指標要求確定方法研究*

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無人機安全性指標要求確定方法研究*

尹樹悅1，王少飛2，陳超1

(1. 空軍裝備研究院，北京100076； 2. 空軍裝備部，北京100038)

摘要：針對無人機安全性需求和指標論證問題，分析了無人機等效安全水平原則的由來和基本內涵，研究了無人機安全性指標的導出途徑，進一步通過分析無人機對地撞擊和空中相撞安全性水平要求及相關計算模型，對無人機安全性指標要求的確定方法進行了系統的研究。

關鍵詞：無人機；安全性指標；要求

0引言

無人機安全性指標是指與無人機型號設計有關的安全性定量要求，一般以由設計原因導致的每飛行小時發生災難性事故的概率來表示。確定科學合理的安全性指標要求是對無人機型號研制安全性工作的重要牽引。

無人機的安全性問題與有人機相比存在著諸多的差異[1]。其中在確定無人機安全性指標要求時，英、美等國家并不是像確定有人機的安全性指標要求那樣針對飛機本身事故損失率的可接受程度提出安全性指標，而是提出了“等效安全水平(equivalent level of safety, ELOS)”的原則，并基于此原則來導出無人機的安全性指標要求[2-3]。

1等效安全水平原則

等效安全水平是美、英等國針對無人機安全性提出的概念，即無人機安全性的目標追求是應不低于有人機的安全性水平，或與有人機的安全性水平相當，以實現未來無人機能夠進入更為廣闊的有人機空域運行，而不會增大空域內其他飛機或地面人員及財產的安全風險。由此可見，無人機安全性指標要求是基于公眾對其發生事故對地面人員和他機及機上人員造成的損失的可接受程度提出的，而這種可接受程度便是等效安全水平要求。對于有人駕駛航空活動來說，對人的生命(包括本機上的人員)帶來危險的形式有2種，一種是不連續的飛行導致撞地，另一種是空中相撞，同樣，無人機事故對人的生命帶來危險的形式也是以上2種。

2無人機安全性指標的導出途徑

目前，對等效安全水平的概念有2種不同的理解。一種是直接以災難性事故率作為等效安全水平的衡量參數；另一種是考慮到不同類別的無人機發生事故造成損失的嚴重程度不同，以“目標安全水平”來導出可用于設計的無人機安全性指標要求。

當前，美、英等國對軍用飛機安全性水平的要求一般為由飛機原因導致的災難性事故的概率不大于1E-6/飛行小時，而所有導致災難性事故的概率為不大于1E-5/飛行小時。因此，如基于上述第1種等效安全水平原則的概念理解，無人機系統的安全性指標被表述為：①出于無人機系統設計考慮，在和平時期使用中由于設計原因和失效問題造成災難性事故的概率應不高于1E-6/飛行小時；②當同時考慮設計和使用，可表述為無人機在和平時期使用中導致災難性事故的概率應不高于1E-5/飛行小時。以上方法確定的安全性指標沒有區分不同的無人機類型，是對所有類型無人機統一的指標要求[4]。

直接根據有人機的事故率指標導出的無人機安全性指標要求是根據第1種等效安全水平概念理解給出的，沒有考慮無人機安全性問題特殊性，即不同類型的無人機在尺寸、重量等特征上范圍跨度相當大，不同類型的無人機發生事故后造成的結果可能會是從小的損傷到很多死亡[5-6]，這樣再以事故率來對所有類型無人機定義等效安全水平顯然是不合適的。

美國麻省理工學院空中交通國際研究中心的Roland E. Weibel和R. John Hansman提出了在等效安全水平原則下，以“目標安全水平TLS”(或稱“期望安全水平ELS”)來導出可用于設計的無人機安全性指標要求的方法，這便是根據第2種等效安全水平原則的概念(以后如無特別說明，等效安全水平原則均指上文定義的第2種概念)，基于無人機不同的事故后果形式提出的方法[7-8]。根據無人機的特點和等效安全水平原則，Weibel主要從對地撞擊安全水平要求和空中相撞安全水平要求出發來導出用于設計的無人機安全性指標要求。圖1簡要表示無人機安全性指標要求的導出途徑。下文將對圖1中的“無人機事故率總體指標要求”、“與設計相關的無人機安全性總體指標要求”和“‘感知-規避’設計安全性指標要求”的確定方法進行詳細介紹。

圖1　無人機安全性指標的導出Fig.1　Deriving UAV safety index

3對地撞擊安全性水平要求及指標的確定

Weibel在根據等效安全水平原則分析無人機發生事故后對地撞擊的安全水平要求時，是以死亡率來表示對地撞擊的目標安全水平，從而可以對不同類型無人機造成的損失加以區分。盡管目前有人航空規范未對死亡率做出要求，但通過歷史事故數據的統計分析可以提供死亡率的信息，用以根據等效安全水平原則確定無人機對地撞擊的目標安全水平。

Weibel等人利用事件樹分析了無人機發生事故撞擊地面后對地面人員的傷害問題，本文在其基礎上對事件樹分析進行了改進，如圖2所示。

圖2　無人機發生事故撞地事件樹Fig.2　Event tree for UAV ground impact accident

基于以上的事件樹分析，Weibel等人提出無人機對地面撞擊的目標安全水平模型如下[8]：

減壓病是由于高壓環境作業后減壓不當，體內原已溶解的氣體(主要是氮氣)超過了過飽和界限，在血管內外及組織中形成氣泡所致的全身性疾病[1]。減壓病的發病機理中，氣泡形成是原發因素；但因液氣界面作用，尚可繼發引起一系列病理生理反應[2-4]。本例減壓病的發病原因主要考慮如下：潛水環境較差，潛水當日水溫較低，10 ℃以下；水下停留時間較長且反復3次潛水；最主要考慮可能還是每次減壓不正規(具體減壓時間不詳)。

(1)

式中：TLS為以地面人員死亡率表示的目標安全水平；MTBF為平均故障間隔時間；Aexp為暴露面積；ρ為撞擊地區的人口密度(ρ=人口數量/面積)；Ppen為穿透能力(%)：0～100%(數值越大，穿透力越大)，穿透能力Ppen與無人機的結構和能量，以及地面上物體承受撞擊的能力有關，式(1)中的Ppen是基于無人機巡航狀態下的動能估算的。Pmit為緩解率(%)：0～100%(數值越大，緩解率越大)，當無人機發生事故時，機載緩沖裝置能減少無人機對地面的沖擊能量，如降落傘等，它們所能產生的緩沖效果也不同。

在不考慮緩沖效果的情況下，式(1)可簡化為

(2)

TLS=MR·AexpρPpen，

(3)

式中：MR為事故率，即無人機飛行中發生事故墜地的概率。

根據美國國家運輸安全委員會(NTSB)1983～2006年的數據統計(見表1)[2]，有人航空事故中地面死亡僅占總死亡數非常少的一部分。應指出的是，確切數字可能會因航空器類型(通用、通勤、大型飛機)及所處的時段而不同。這從美國海軍關于飛機失事導致地面傷亡的調查分析中也可以看出。基于每一千萬飛行小時，美國海軍、商用及通用航空事故對地面造成的死亡數分別為18，7和4.7個，該調查包括了美國海軍1980至1998年、民航1982至1998年的數據。

表1　1983~2006年每飛行小時事故數據分析

由表1中數據可知，有人航空事故對地面人員造成傷亡的概率為6.54×10-7/飛行小時。根據上述事故統計數據及等效安全水平原則要求，無人機事故對地面人員造成的傷亡率要求可定為不大于1E-7/飛行小時，即無人機對地面撞擊目標安全水平要求為傷亡率不高于1E-7/飛行小時(TLS=1×10-7/飛行小時)。根據前文給出的數據，美國海軍無人機事故致地面死亡率的量級為1E-6/飛行小時，考慮到對于用作軍事用途的無人機可以允許較高的死亡率，因而北約無人機系統適航要求將無人機對地面造成的死亡率定為1E-6/飛行小時。

針對某一型無人機，在已知Aexp，ρ和Ppen的前提下，將TLS的值代入式(3)，可以求得無人機對地撞擊事故率指標MR，實際上所有無人機飛行中發生事故最終都會撞向地面(包括空中相撞事故)，也就是說此事故率指標MR即為無人機的事故率總體指標，包含了空中相撞事故率。

根據上述模型，以質量或尺寸區分的不同類型的無人機其Aexp和Ppen是不同的，而不同的地區人口密度ρ也有所不同。因此，對于同一類型的無人機，其所活動的空域不同對其安全性指標的要求也應不同；對于不同類型的無人機，即使在同一空域內活動，對其安全性指標的要求也是不同的。基于以上原理，Weibel等人采用1E-7/飛行小時的目標安全水平，計算出的不同類型無人機在美國領土不同區域的安全性指標要求分布。

澳大利亞的Reece Clothier和Rodney Walker在Weibel等人研究的基礎上于2006年在第21屆無人機系統國際會議上提出了改進的無人機事故地面致死率模型，此模型對Weibel的模型做了進一步簡化，既不考慮緩沖問題也不考慮穿透能力，可表示如下[2]：

TLS=MR·ρAL，

(4)

式中：TLS，MR和ρ的含義同式(3)；AL為是以無人機最大的維度尺寸加上單個人體的平均寬度作為直徑所做的圓的面積，這個面積代表了無人機撞地后的可致人死亡的區域。

MR=SFR+MCDebris+Other.

(5)

上述模型將導致無人機撞地事故的類別進行了劃分，其中SFR為由設計原因導致無人機不能連續飛行的每飛行小時事故率，MCDebris為空中相撞致墜地的每飛行小時事故率，Other為由其他原因(如天氣、鳥撞以及人為差錯等)導致的無人機撞地每飛行小時事故率。

在已知TLS，ρ和AL的前提下根據式(4)可以估算出指定類型無人機在指定空域內的事故率總體指標MR。在無人機研制中，需要根據具體型號的特點和以往事故統計數據中由設計原因和非設計原因造成事故的比例分布情況，按照式(5)對MR做進一步分解，以得到由無人機設計原因導致的對地撞擊事故率指標即：SFR+MCDebris。再基于有人機事故統計數據，依據等效安全水平原則確定出無人機空中相撞事故率指標MCDebris(見下節)，同時也就得到SFR。SFR與MCDebris便是與設計相關的兩類無人機安全性指標。

4空中相撞安全性水平要求及指標的確定

由第3節可知，不論是Weibel的對地撞擊目標安全水平模型還是Reece Clothier等人的模型，其總事故率參數MR都包括了空中相撞的一部分，之所以再單獨提出空中相撞安全性水平要求，是為了牽引無人機防空中相撞安全性設計。為此需要根據等效安全水平原則，針對公眾對空中相撞致人死亡或空中相撞后墜地致人死亡的容忍程度，提出其目標安全水平要求。

根據等效安全水平原則，如果類似于對地撞擊事故，空中相撞的目標安全水平也采用死亡率來衡量，可分為兩類情況，第1種情況為無人機與有人機空中相撞導致有人機機上人員死亡率或相撞后墜地導致地面人員死亡率，第2種情況為無人機與無人機相撞后墜地導致地面人員死亡率，那么這2種情況下會牽涉到與之相撞的有人機或無人機的不同類型問題，如被撞有人機的大小或載人的多少、被撞無人機的大小等，將會使問題變得更為復雜，因而無人機與有人機或無人機與無人機空中相撞的目標安全水平用空中相撞事故率來表示更為可取。基于表1的統計數據，根據等效安全水平原則，可以提出無人機空中相撞的目標安全水平值(空中相撞事故率)為TLSMC=1E-7/飛行小時，這里的TLSMC與式(5)中的MCDebris是一致的。

Weibel在研究空中相撞目標安全水平時，建立了無人機空中相撞風險模型[7]。在空中相撞風險模型中，無人機被視作“威脅飛機”，空域中的其他有人機或無人機為“受威脅飛機”。模型假定無人機在指定空域所處的位置具有等可能性，其速度也假定與“受威脅飛機”相比較低。當“受威脅飛機”飛經指定空域時，它們占據了潛在的碰撞容積。碰撞風險用期望的無人機每飛行小時碰撞率來描述，這個碰撞率是“受威脅飛機”每飛行小時占據空域的容積與所指定空域的整個容積的比值。如圖3所示。

在所指定空域中，每一架“受威脅飛機”飛過一段距離di；每一架“受威脅飛機”具有一個暴露面積Aexp，代表碰撞易接觸區域，以受威脅飛機為有人機為例，在具體計算時可用一個中型商用飛機(如波音757)的前向面積來估算，大約為560平方英尺。在假定無人機的面積與“受威脅飛機”相比足夠小的前提下，暴露面積Aexp可以不考慮無人機類型的差異(如受威脅飛機為其他無人機，則還應考慮無人機的不同類型)。

圖3　無人機空中相撞風險模型Fig.3　Risk model of UAV midair collision

如圖3所示，每一個碰撞容積的大小為可表示為暴露面積Aexp與飛行距離di的乘積。空域內所有“受威脅飛機”總的碰撞容積為各容積之和，即暴露面積乘以總飛行距離d。空域內總飛行距離所經歷的時間為t。空域內期望的碰撞數為總碰撞容積與整個所指定空域容積V的比值，實際上這也代表了所指定空域中空中交通的密集程度。期望的碰撞率為期望的碰撞數除以時間t。因此，無人機每飛行小時空中碰撞率可表示為

(6)

盡管可能會發生潛在的碰撞，但并不一定會導致致命性事故，因為可以通過“感知-規避”技術來避免空中相撞事故的發生，或減輕碰撞的危害量級[9]。基于此考慮，最終得到的無人機空中相撞目標安全水平可表示為

(7)

5結束語

安全性指標確定的合理與否是影響無人機長遠發展的一個重要因素。依據等效安全性水平原則給出的無人機安全性指標確定方法充分考慮了無人機的不同類型和使用空域等條件，對于無人機型號研制中論證提出安全性指標要求是一種可行的方法。

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Research on Method for Determination of UAV Safety Index Requirements

YIN Shu-yue1, WANG Shao-fei2, CHEN Chao1

(1. Air Force Equipment Academy，Beijing 100076,China； 2. Air Force Equipment Ministry,Beijing 100038,China)

Abstract:Considering the problem of unmanned aerial vehicle (UAV) safety requirements and index determination, UAV equivalent level of safety (ELOS) principle and its meaning are analyzed. The approach to deriving UAV safety index is studied. In addition, the method of determining UAV safety index requirements isparticularly investigated through analyzing safety level requirements and models associated with UAV impact on ground and midair collision.

Key words:unmanned aerial vehicle(UAV); safety index; requirement

中圖分類號：V279

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-02-0154-05

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.02.025

通信地址：100076北京市9236信箱2分箱E-mail：zbysy_2001@sina.com

作者簡介：尹樹悅(1979-)，男，河北張北人。工程師，博士，研究方向為航空器適航與安全性。

* 收稿日期：2014-07-06；
修回日期：2014-08-05