航空器輪胎爆破事故量化分析與預防方法研究

崔利杰，叢繼平，張賈奎，任博

(空軍工程大學 裝備管理與無人機工程學院,陜西 西安 710051)

0 引言

作為航空器起落系統中的重要部件，輪胎對飛機安全起降起著至關重要的作用。飛機輪胎一旦發生爆破，將很有可能產生嚴重后果，危及航空安全。通過統計歷史上發生的輪胎爆破事故，我們發現導致輪胎爆破航空事故發生的危險源涵蓋面廣，基本包括了人為、環境以及機械原因中的各個要素，且由于事故的發生發展呈現出高度的非線性、偶然性和不確定，研究和分析這類事故需要借助相關數學模型和理論。

人們在事故分析領域提出了許多定性或定量的事故分析模型，并取得了較好的應用效果[1-2]。其中，事故樹(fault tree analysis,FTA)和事件樹(event tree analysis,ETA)是2個借助圖形工具分別開展危險源和后果定性定量評估分析的有效工具[3-4]。但兩者仍然存在不能指明事故的危險源與事故后果的關系，對事故預防措施和控制對策制定的針對性不強、直觀性不足的問題。近年來發展的Bow-tie模型[5]在FTA和ETA的基礎上，綜合了兩者的優點，利用事故樹中的頂事件分別聯接基本事件和事故后果，打通了基本事件和事故后果的關系，使相關人員直接能夠直觀地發現和理解危險源與事故的關系，解決了傳統事故分析模型量化不足、條塊分割和直觀性、針對性不強的問題[6-7]，為事故分析領域提供了新的思路和方法，目前已在事故分析和風險評估中成為了研究熱點。本文利用Bow-tie模型為基礎，采用新定義的航空事故重要度對量化后的航空事故基本事件、環節事件數據進行分析處理，以輪胎爆破為例，驗證所提指標方法的有效性和可行性，并基于此提出預防對策和控制措施生成機制。

1 基于Bow-tie模型的航空事故重要度分析

1.1 模型構建

Bow-tie模型由SHELL公司于20世紀90年代提出，用于在危險分析中用圖示的方法假定威脅如何帶來風險并演變為后果，能夠描述事故發生的整體情況。通常情況下，Bow-tie模型由2部分構成，即左側的故障樹和右側的事件樹。其中故障樹涉及與事故有關的威脅源和基本事件，定義了所有導致事故發生的基本事件和意外事件，這些事件之間用邏輯門聯接。事件樹則定義了所有事件造成后果，在該事件樹中又涉及了大量的緩解對策和補救措施。Bow-tie模型第1次把事故的預防以及事故發生后的應急反應統一到一起，以一種可視化的方式，呈現出事故的前因后果。其原理如圖1所示。

圖1 Bow-tie模型原理圖Fig.1 Schematic diagram of Bow-tie model

1.2 航空事故重要度及性質

傳統的系統可靠性分析中重要度指標有結構概率重要度(Birnbaum importance measure)[8]，關鍵重要度(criticality importance measure)[9]及割集重要度(Fussell-Vesely importance measure)[10-11]和風險增加當量(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發生概率對頂事件發生概率的貢獻程度，但也存在不足和缺陷[13]，突出表現在這幾種通用重要度都只是衡量了基本事件在故障和安全2個極端情況下對系統失效概率的貢獻程度，未開展歸一化，不方便比較，且多不具備可加性。2003年，Borgonovo和Apostolakis提出了差分重要度[14-15]來衡量故障樹中基本事件對頂事件發生概率的貢獻程度，其以良好的性質解決了上述重要度面臨的問題。因此，這里基于差分重要度提出一種用于航空事故分析的重要度，用于衡量航空產品在設計和使用活動中各類基本事件和環節事件對事故發生的影響程度。

(1)

根據文獻[13]和前面建立的航空事故Bow-tie模型，假定各基本事件和環節事件為獨立事件，航空事故重要度具有以下性質:

性質1：可加性，即若干個基本事件或環節事件的聯合重要度可由它們的單一重要度相加得到。

(2)

性質2：對于給定后果事件，其涉及所有基本事件和環節事件的重要度相加值為1。即

(3)

式中:n為給定后果事件涉及的基本事件和環節事件總數。

情況1：假定系統中每個基本(環節)事件發生概率的變化相同，即

H1:dPXj=dPXk,?j,k=1,2,…,n.

情況2：假定系統中每個基本(環節)事件發生概率的變化率相同，即

(4)

(5)

式中：PsOE為航空事故模型中的某一后果事件發生概率，該后果事件涉及的基本事件、環節事件發生概率為PXi;s為該后果事件在模型后果事件中的標號；n為給定后果事件涉及的基本事件和環節事件總數。

2 輪胎爆破事故重要性分析

2.1 輪胎爆破事故Bow-tie模型構建

2.1.1 輪胎爆破事故危險源分析

通過對大量航空事故數據進行分析[16-17]可以發現，直接造成輪胎爆破的原因有機械功能故障和剎車系統故障等。其中，導致機械功能故障的原因有機械損傷和輪胎故障等。輪胎氣壓異常、充氣嘴斷裂和機輪磨損等又是導致輪胎故障的原因，在這幾個因素中，輪胎氣壓異常主要是由于維護不當導致或制造商所生產的輪胎存在質量問題，這些都是人為原因導致輪胎故障的發生；機輪磨損既會直接導致機輪的失效，也會對輪胎造成直接的影響。導致機械損傷的因素中有剎車片誤裝造成的剎車盤掉塊等以及產品質量造成的輪轂裂紋和主輪掉塊等結構問題，也有熱熔塞問題而對機輪造成不良影響。在導致剎車系統故障的因素中，有軟件指令故障、電路短路等問題，也有機務人員檢查時疏忽、環境因素和產品質量問題等導致的剎車附件失效。各種因素之間相互作用，層層遞進共同導致事故發生。

通過以上分析，不難看出在導致輪胎爆破的各種危險因素中，包含了人為因素、機械因素以及環境因素。因此，在探討對于危險源的風險控制時，要從人、機、環3個角度入手，從各個環節入手預防危險源狀態的轉移。

2.1.2 輪胎爆破事故后果分析

輪胎爆破事件發生后，飛機由于無法掌控方向，很容易出現沖出跑道、飛機側翻以及飛行員由于操作慌亂而導致二次事故的情況。根據對歷史上飛機輪胎爆破事件后果的統計，飛機發生輪胎爆破后可能會產生以下后果：①任務終止，飛機停留在跑道；②飛機輕度損傷；③機體嚴重損傷；④飛機起火并導致人員傷亡。除第1種情況外，輪胎爆破頂事件發生后均會引發財產損失或人員傷亡。通過對造成以上事故后果的相關數據分析，不難發現：輪胎爆破不安全后果的造成可歸結為以下控制措施是否發揮有效，即啟動應急剎車系統、避讓飛機、建筑物等障礙物、增設隔離網、啟動應急消防系統4項措施。

2.1.3 輪胎爆破事故Bow-tie模型

根據資料和前述分析，構建輪胎爆破事故的Bow-tie模型如圖2所示。從圖中可以看出Bow-tie模型能夠清晰地呈現出輪胎爆破的各類危險源及不同的事故后果。

從上述模型中的故障樹可以看出，導致輪胎爆破關鍵(頂)事件的共有16個基本事件，這16個基本事件又由于各個邏輯門的關系形成4個中間事件。頂事件發生后，根據后續控制措施處置情況，輪胎爆破事件可能會引發4類后果，通過分析，引發這4類后果的控制措施或環節事件分別定義為SE1：啟動應急剎車系統；SE2：避讓飛機、建筑物；SE3：增設隔離網；SE4：啟動應急消防措施。表1列出了故障樹的基本事件及發生概率。實際工作中，由于涉及人為與環境因素，4個環節事件的發生可能性難以準確量化，這里采取專家打分的形式，將4個環節事件失效的發生可能性以概率的形式表示，分別為0.25，0.27，0.20和0.15。

利用圖2構建的輪胎爆破事故模型和表1提供的數據資料，可以得到由于輪胎爆破導致的后果發生概率如圖3所示。

從圖3中可以看出，4種后果的發生概率與引發損失的大小呈反比，這也與實際情況相一致。

2.2 輪胎爆破事故重要度分析

在實際工作中，3類嚴重事故后果即機體輕度損傷、機體嚴重損傷和飛機起火人員傷亡是在實際飛行中需要重點防范和避免的，而這3類后果根據頂事件發生后的控制處理措施是否得當，成本控制是否合理，需要對這3類后果導致輪胎爆破的各基本事件和控制事件的重要度進行分析。這就可以利用航空事故重要度分析方法，對輪胎爆破事件開展重要度分析。圖4～6分別給出了輪胎爆破航空事故的各基本事件和環節事件的結構概率重要度和2種差分重要度結果。

圖2 航空器輪胎爆破事故Bow-tie模型Fig.2 Bow-tie model of aircraft′s tire burst accident

編號基本事件名稱發生概率編號基本事件名稱發生概率BE1輪轂裂紋0.000 000 317BE9電路短路0.000 001 200BE2主輪掉塊0.000 000 537BE10控制閥故障0.000 002 400BE3剎車盤掉塊0.000 002 680BE11轉換閥故障0.000 003 600BE4熱熔塞0.000 030 400BE12液壓保險故障0.000 002 800BE5輪胎氣壓異常0.000 001 200BE13剎車裝置故障0.000 013 000BE6充氣嘴斷裂0.000 035 000BE14應急轉換閥失效0.000 032 000BE7機輪磨損0.000 006 700BE15應急液壓保險失效0.000 028 000BE8軟件指令故障0.000 000 370BE16應急剎車裝置失效0.000 007 000

從圖4中可以看出，按照經擴展的結構概率重要度定義，3類嚴重后果基本事件和環節事件重要性分析中，BE1～BE7的重要度均為最大，且數值相同，而后續基本事件和環節事件的重要性則較低，這實際上符合結構概率重要度與故障樹或者Bow-tie模型的結構有關的意義，即結構概率重要度只與基本事件或環節事件所處模型的位置與結構有關，而與其實際概率無關。但由于未進行歸一化處理，上述數據還只是數值表示，難以表征每個基本事件或環節事件的重要性程度。

圖3 輪胎爆破后果發生概率Fig.3 Probabilities of the consequences caused by the tire burst

圖4 輪胎爆破航空事故結構概率重要度計算結果Fig.4 Computational results of the Birnbaum importance measure of the tire burst accident

圖5 輪胎爆破航空事故差分重要度計算結果Fig.5 Computational results of the aviation accident importance measure of the tire burst accident

圖6 輪胎爆破航空事故差分重要度計算結果Fig.6 Computational results of the aviation accident importance measure of the tire burst accident

2種不同的差分重要度從不同角度給出了基本事件或環節事件對事故后果的影響程度。也為下一步制定和生成航空事故預防對策和措施提供了思路和參考。

3 預防對策和控制措施生成

如何權衡預防過程中不同需求一直是航空事故預防領域的難點，這里提出一種新的航空事故預防對策和控制措施生成辦法。即借助上述所提重要度分析結果，按照實際情況中對影響各類航空事故的事件進行分級以確定各種預防對策或控制事件的數目和程度。以輪胎爆破引發的航空事故為例，以對影響或導致輪胎爆破的各基本事件和控制措施進行分級，如將上述基本事件分為3級。最嚴重或者影響最大的為1級，影響最小的為3級，介于兩者之間的為2級。按照對于第1級基本事件或控制事件在綜合分析后同時在設計、使用和維護保障中同時采取預防對策和控制措施，而第3級的可以采取一種簡單實用的預防對策或控制措施，對于介于兩者之間的基本事件或環節事件可以采取2種有效的預防對策或控制措施。

以輪胎爆破引發的飛機起火人員傷亡事件為例，根據輪胎爆破重要度分析結果，給出預防對策與控制措施如圖7所示。

圖7 飛機輪胎爆破引發的飛機起火人員傷亡事件預防對策與控制措施圖Fig.7 Preventive and mitigate control measures of the fatal crash accident

從圖中可以看出，對于基本事件中重要度最大的熱熔塞、剎車導管異物，從設計、維護和管理上都提出了預防對策，而對于重要度相對較低的基本事件，采取通用的一類或兩類措施來預防事故發生，對于重要程度高、對飛行安全需重點關注的環節事件，需要在維護、保障乃至管理上采取更有針對性的措施。

4 結束語

Bow-tie模型在事故分析方面可以直觀清晰地反映出導致飛機發生事故的危險源以及危險后果，形成對于特定事故一種“前因后果”式的分析模式；利用文中所提的重要度指標和計算方法，能夠利用Bow-tie模型的這一特點，直觀準確地確定引發航空事故的基本事件或環節事件的重要程度。相對于傳統事故分析方法，本文所提方法可以利用清晰的因果分析和更準確的量化數據更有針對性地開展安全性設計、提供出預防對策和緩解措施，為有效預防、控制和緩解各類航空事故提供了依據。