載人航天概率風險評價工程實踐及其在空間應用中的前景分析

節永師，王 偉，王 功，賈新建

（中國科學院空間應用工程與技術中心，北京100094）

載人航天概率風險評價工程實踐及其在空間應用中的前景分析

節永師，王 偉，王 功，賈新建

（中國科學院空間應用工程與技術中心，北京100094）

在總結國外概率風險評價技術在載人航天領域的工程實踐基礎上，剖析了該技術在載人航天的范圍、對象、實施條件等工程適用性問題。結合我國空間站工程空間應用系統有效載荷產品的特點和空間科學與應用實驗任務需求，對概率風險評價技術在空間應用系統中的應用前景進行初步分析，提出了該技術在空間應用系統中推廣應用的實施策略和實施流程，并以高微重力科學實驗過程為例進行了建模示例，探討了其工程應用的可行性，為后續開展空間科學與應用實驗過程的安全性定量風險評價工作提供了參考。

載人航天；概率風險評價；空間站；空間應用系統

1 前言

概率風險評價（Probabilistic Risk Assessment，PRA）是一種識別、分析與量化復雜系統風險的綜合化、結構化的邏輯分析方法，通過運用主邏輯圖、FMEA、危險分析等方法識別風險，利用事件樹、故障樹、動態故障樹、貝葉斯網絡等方法，構建事件鏈模型，融入試驗數據、飛行數據、歷史數據、專家判斷等數據信息進行風險量化，利用貝葉斯分析法、專家意見綜合法、蒙特卡羅仿真等方法進行不確定性分析與重要度排序，從而綜合反映系統的安全性可靠性水平，并識別系統的薄弱環節，為復雜系統風險管理提供決策支持［1］。PRA技術在航空航天、核電、石化等眾多領域得到了廣泛應用［2?3］，特別是隨著PRA技術與方法的逐步成熟，其在載人航天領域的運用更是得到了極大的關注。美國宇航局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）在探月飛船［4］、航天飛機［5?7］、國際空間站［8?9］等項目中采用PRA進行了定量的安全性風險評估；在軌道空間飛機（Or?bital Space Plan，OSP）方案設計階段，運用PRA評估OSP安全性水平，對比分析不同設計方案的風險［10］。另外，NASA還利用PRA技術評估了火星中繼網絡的可靠性［11］。

近年來，在國內航天領域也涌現出了一些利用PRA技術進行風險評估的工程實踐活動。趙麗艷等［12］對某型運載火箭的故障檢測處理分系統開展了PRA工作，得到了具體評估結果。劉金燕等［13］針對載人航天工程交會對接機構分系統，提出了基于PRA的可靠性評估方法，得到了貼近實際的可靠性評估結果，并識別了對接機構分系統中的薄弱環節。

PRA在國內外載人航天領域的應用實踐表明，PRA是一個適用于復雜大系統安全性可靠性風險定量評價、設計方案權衡與優化以及進行工程決策等工作的較為有效的方法。PRA方法不僅考慮后果事件的嚴重度，還會給出其發生可能性的大小。尤其在載人航天工程風險相關數據不充足的情況下，利用PRA技術可以較好地評價發生概率較低但后果較嚴重的事件。國內PRA技術的應用不多，在空間應用系統中的應用也相對較少。

本文在調研國內外載人航天領域PRA技術工程實踐的基礎上，提出空間站空間應用系統應用PRA技術的實施策略與流程，并以高微重力科學實驗過程為例探討其工程應用的可行性，以為空間應用系統定量風險評價工作提供參考。

2 國外載人航天領域PRA技術的應用

NASA在多個載人航天項目中應用了PRA技術，其應用PRA的目的也有所不同，歸納起來可以分為設計方案權衡、安全性可靠性評價、重大在軌活動工程決策等三個方面。

2.1 基于PRA技術的設計方案權衡

NASA利用載人探測飛行器（Crew Explora?tion Vehicle，CEV）執行探月任務，在CEV設計階段開展的PRA工作［4］。通過PRA分析，評估出航天員傷亡（Loss of Crew，LOC）與任務失敗（Loss of Mission，LOM）的發生概率，如表1所示。

表1 CEV后果狀態發生概率Table 1 The probability of CEV end states

此外，NASA利用RPA技術，對CEV進行了設計方案權衡分析，例如CEV主動熱控系統有兩條冗余管路，去除其中一條后，僅使LOC發生概率增加了5%左右，對后果狀態影響較小，說明單管路條件下系統安全性可靠性依然較高。

從上面CEV設計方案權衡案例可以看出，利用PRA對CEV不同的設計方案權衡主要是對比分析去除某子系統的一個設計組件或者去除某子系統前后后果狀態發生概率的變化，分析結果是相對值，根據分析結果確定最優設計方案。

2.2 基于PRA技術的安全性可靠性評價

2.2.1 航天飛機PRA

1995年，對航天飛機完成了首次PRA的工作［5］。航天飛機應用PRA主要是為了評估出機毀人亡（Loss of Crew and Vehicle，LOCV）的發生概率，并識別系統的薄弱環節。在2009年對航天飛機LOCV的評估結果為1／85［6］。

此外，航天飛機PRA也有效支持了出艙維修活動［7］。在航天飛機STS?125飛行任務中，利用PRA技術，得到了艙外維修任務失敗和艙外航天員傷亡這兩種后果狀態的發生概率分別為3.09 ×10－2和3.29×10－4，還得到了導致這兩種后果狀態的主要風險誘因。

在航天飛機的PRA應用中可以得出，航天飛機PRA主要用在成熟階段，數據量較為充足，其有效評估了航天飛機后果狀態的發生概率，并對識別出的薄弱環節進行了改進，有效支持了航天飛機的升級活動。

2.2.2 國際空間站PRA

PRA是國際空間站（International Space Sta?tion，ISS）定量風險評價的關鍵方法，ISS項目利用PRA主要用于量化航天員、空間站安全性風險，并對ISS在軌活動的工程決策問題提供有力支持［8］。ISSPRA主要定義了三種關鍵的后果狀態和三種非關鍵的后果狀態。其中，關鍵的后果狀態包括站毀人亡（LOCV）、航天員傷亡（LOC）、航天員緊急撤離（Evacuation，EVAC）。非關鍵的后果狀態包括密封艙損壞（LOM）、子系統失效（Loss of System，LOS）、碰撞（Collision，COL）。

利用PRA技術，得到了一些重要結論。例如，導致站毀人亡最可能的原因是空間站遭受到微流星體、大量空間碎片的沖擊，疾病是導致LOC和EVAC的最大風險。根據這些結論，我們可以采取積極應對措施，比如實時監控空間站附近的空間碎片、增強航天員體質、凈化空間站生活環境，以降低不良后果狀態發生的可能性。

2.3 基于PRA技術的重大在軌活動工程決策

利用PRA技術對ISS重大在軌活動的不同方案進行權衡分析，在ISS的工程決策中發揮了重要的作用，進一步體現了PRA的價值。

1）空間站推遲維修活動［9］

ISS常規的維修方案是在交會對接期間航天員進行維修活動，另一種維修方案是將所有維修任務推遲到航天飛機與ISS對接后再執行。利用PRA對兩種方案進行權衡分析，結果表明：推遲維修活動方案將會減少科研時間；但如果改進方案，只推遲不緊急的維修任務，則會相對于將所有維修活動都推遲這一方案提高2到3倍的科研時間。

2）空間站配置救援飛船［9］

為提供一種更安全的航天員逃逸系統，ISS項目組考慮用X?38飛船替換現有的聯盟號救援飛船或與聯盟號配合使用。利用PRA權衡分析對不同數量的航天員采用不同救援飛船配置方案的風險，結果表明：兩種飛船配置數量相同時，X?38比聯盟號更加安全；將這兩個獨立設計和制造的飛船組合配置使用時，LOC的風險最小。

從上面兩個ISS重大工程決策案例中可以看出，在ISS運營階段，主要是在利用PRA對一些重大活動的不同方案進行權衡分析的基礎上，由工程總體做出決策，選擇最佳方案。

2.4 PRA技術的工程適用性分析

綜上可知，PRA可以有效評估復雜系統的安全性可靠性水平，在方案設計階段和運營階段有效支持對不同方案的權衡分析，但由于PRA技術比較復雜，對數據需求量較大，因此需要根據應用對象的特點來確定PRA技術是否適用。在此基礎上，本文歸納總結了PRA技術在載人航天領域的工程適用性，如表2所示。

表2 PRA技術的工程適用性分析Table 2 The applicability analysis of PRA in manned space project

由表2可以得出以下結論：

1）PRA技術在載人航天領域中應用廣泛，但由于PRA技術本身建模方法和數據分析方法比較復雜，所以目前主要應用在安全性可靠性評價、方案權衡和工程決策這三個方面；

2）在應用PRA時，針對不同研究對象及應用目的，PRA建模方法略有差異，對數據需求量大小也有所不同，用于安全性可靠性評價時需要的數據量最大；

3）PRA建模與數據方法復雜、數據需求量大是實施PRA的難點，在應用時需要重點解決這幾個問題。

下面將根據PRA技術的工程適用性，結合空間應用系統應用載荷的特點，來分析PRA技術在空間應用系統的應用前景。

3 空間應用系統PRA技術的應用前景分析

3.1 空間應用系統應用載荷特點

從安全性、可靠性的角度，空間應用載荷具有以下主要特點：

1）種類繁多，集成化程度高，內部結構復雜

大規模的空間應用將會帶來更多的安全性問題。應用系統有效載荷種類繁多，載荷危險源也相應增多，比如激光、高溫燃燒等。而且空間應用系統集成化程度較高，危險源較為集中，故障類型也多種多樣，有的故障還與時序有關，若對復雜的載荷進行安全性可靠性評估工作，一般的可靠性框圖、事件樹、故障樹等方法有時難以勝任，需要利用PRA這一綜合化的方法來評估。

2）特定實驗需要航天員深度參與

一些科學實驗需要航天員參與才能完成，例如實驗樣品更換、消耗品補加以及艙內外有效載荷的維修與升級等。在航天員參與實驗的過程中，接觸危險源的機會增多，可利用PRA來量化風險發生的可能性，優化實驗過程和航天員操作規程，從而保障開展空間科學與應用任務時航天員不受到傷害。

3）載荷長期運營，需要維修補給

對于長期運營、任務周期長的有效載荷，需要做好維護工作，及時準確地發現故障，并盡快處理故障，避免導致嚴重的后果，保證有效載荷安全可靠地工作。對于維修補給工作，有時會涉及維修工作的優先順序、補給策略等問題，可用PRA來評估不同維修方案的風險，支持制定最優的維修策略。

根據空間應用系統特點可以看出，空間應用載荷高度復雜，航天員深度參與，在軌運營時間長，故障類型多種多樣，有必要使用PRA來開展相應安全性可靠性工作，但由于PRA技術復雜，并不是適用所有定量風險評價工作，因此需要明確空間應用系統PRA的應用范圍。

3.2 空間應用系統PRA的應用范圍

在載人航天領域中，對空間應用載荷進行PRA分析的示例相對較少，其主要原因就是空間應用載荷追求先進性，大量采用先進技術導致了PRA分析所需的先驗信息相對較少，PRA技術應用受到制約。另外，PRA技術更加適用于具有明顯時間序列過程的事件鏈，對于空間應用與科學實驗過程，由于需要航天員的參與，往往難以表征航天員的參與過程。

根據載人航天PRA技術的工程適用性，并結合我國空間站應用系統的特點，可梳理出空間應用系統采用PRA技術的解決思路，如表3所示。

表3 空間應用系統PRA應用范圍Table 3 The app lication scope of PRA in space app lication system

3.3 空間應用系統PRA的實施策略

空間應用系統應根據載荷產品的特點、重要程度、復雜程度、所處階段以及產品層次等因素，選擇合適的風險評價方法。PRA在空間應用系統適用情況如表4所示。

表4 PRA在不同產品類型、研制階段與產品層次的適用情況Tab le 4 The app lication of PRA in different product types，different development phases and dif?ferent product hierarchies

空間應用系統PRA主要包括基于事件鏈的建模方法和基于不確定性分析數據分析方法。利用收集到的多種數據，結合相應的建模方法，并進行不確定性分析，從而全面分析風險結果。由于PRA建模和數據分析較為復雜，有時需要利用專用的PRA軟件支持風險評價工作。PRA技術實施方案可按圖1所示開展。

4 空間應用系統PRA實施流程及建模示例

4.1 空間應用系統PRA實施流程

根據空間應用系統安全性、可靠性分析的工作基礎，基于PRA技術的空間應用系統定量風險評價技術工作可按圖2所示流程開展。

4.2 空間應用載荷PRA建模示例

下面以空間站的高微重力科學實驗過程為例，簡要描述PRA技術應用的具體過程。微重力懸浮實驗旨在充分利用空間站微重力環境，支持等效原理驗證等基礎物理實驗。實驗系統主要由內部實驗支持子系統（內體）、隨動跟蹤子系統（外體）、外部支持與監視子系統、真空抽氣子系統、機構子系統和無線傳能子系統構成。在準備工作完成后，實驗將完成懸浮系統抽真空、把懸浮系統推出并控制到實驗區域、內部實驗系統與外部隨動跟蹤系統解鎖、聯合控制內外系統開展實驗、結束后收回充氣等過程。

微重力實驗過程PRA采用面向任務階段的事件鏈建模方法，綜合運用事件樹和故障樹，來構建實驗過程的事件鏈模型，如圖3。后果狀態初步定義為：任務成功（OK）、任務失敗（LOM）、航天員受傷（LOC）。

圖3所示微重力科學實驗事件鏈模型中，后果狀態M1?M9表示可以細分的子事件鏈。例如，M1、M2和M3細分的事件鏈如圖4所示。

懸浮實驗系統PRA事件鏈建模示例旨在說明空間應用載荷PRA的適用性，說明可應用PRA技術對空間應用載荷進行定量風險評價。由于懸浮實驗系統處于方案設計階段，相關產品數據缺乏。在可用于PRA分析的數據增多后，將可在該事件鏈模型的基礎上融入數據信息得到后果狀態的定量評估結果從而進行完整的PRA分析。

圖4所示PRA模型是為了對單次懸浮實驗操作過程進行安全性可靠性評價，除此之外，還可以針對某一特定危險源建模量化分析其安全性風險，以及對懸浮實驗系統的不同設計方案進行權衡分析，支持確定最優設計方案。

5 結論

1）可在空間應用載荷方案設計階段、建造階段和使用階段等多個階段應用PRA進行定量風險評價；

2）利用PRA不僅可定量評估載荷產品使用過程的可靠性，針對載荷某一特定危險源，定量評估載荷的安全性水平，還可以對載荷不同設計方案進行方案權衡；

3）應建立PRA數據庫，收集積累載荷產品的數據信息，為開展PRA工作奠定基礎。

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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

節永師，男，碩士研究生，研究方向為航天產品安全性、可靠性工程。E?mail：jieyongshi14＠csu.ac.cn