基于FTA模型的無人機墜機事故風險分析與對策研究

梁平 郭瀚林 錢濟人 季壽宏 游赟

【摘? 要】針對無人機作業(yè)中發(fā)生的墜機事故，論文建立了M600型無人機墜機事故FTA模型。通過對模型最小割集和結構重要度分析，論文最終確定了導致墜機事故發(fā)生的主要風險點，并提出了加強飛手崗前培訓等應對對策，對企業(yè)等主體進行無人機作業(yè)安全評價工作、減少和預防無人機墜機事故的發(fā)生具有一定的指導意義。

【Abstract】Aiming at the occurrence of crash accident in UAV operation， paper establishes the FTA model of M600 UAV crash accident. Through the analysis of the minimum cut set and structure importance of the model， the paper finally determines the main risk points leading to the crash accident， and puts forward the countermeasures such as strengthening the pilot pre job training， which has certain guiding significance for enterprises and other entities to carry out UAV operation safety evaluation work， reduce and prevent the occurrence of UAV crash accident.

【關鍵詞】FTA;無人機;墜機事故;風險和對策

【Keywords】FTA; UAV; crash accident; risks and countermeasures

【中圖分類號】V279? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）09-0100-04

1 引言

事故樹分析法（Fault Tree Analysis）簡稱FTA，是一種從已發(fā)生或可能發(fā)生的事故的結果到原因進行演繹樹狀展開的分析方法。該方法通過“邏輯門”將導致事故發(fā)生的原因逐層展開至不可劃分的基本事件，并自下而上地分析事故致因關系，從而采取有效的安全對策。20世紀60年代，美國貝爾電話研究所的Watson和Meaens在民兵式導彈發(fā)射系統(tǒng)安全性評價中首次提出此方法并用其成功預測了發(fā)射裝置隨機失效的事故。之后，多位學者對該方法進行了改進，1974年美國原子能委員會應用FTA對商用核電站的災害危險性進行評價，發(fā)表了拉斯馬森報告（Rasmussen Report），引起了世界各國的關注。此后，F(xiàn)TA被廣泛應用于工程安全系統(tǒng)的評價與分析[1，2]。

無人機由于其自動化程度高、機動性強等特點，近年來被廣泛應用于遙感測繪、電力巡檢、搶險救災等工程領域。然而，在無人機作業(yè)過程中不可避免地會出現(xiàn)GPS信號丟失、飛機失控、強降雨、強風等不利于作業(yè)的因素。一旦某個因素得不到有效的控制或者有效的評估，必然會導致事故的發(fā)生，進而造成財產(chǎn)損失和人員傷亡。而一些企業(yè)由于缺乏對無人機安全風險判斷和安全制度建立上的科學指導，又增加了事故發(fā)生的風險[3]。本文通過建立M600型無人機（如圖1）墜機事故FTA模型，深入系統(tǒng)地分析事故致因主要風險點并給出預防措施，為企業(yè)等主體進行無人機安全作業(yè)評價提供一定的參考。

2 M600型無人機墜機事故FTA模型的建立

根據(jù)對案例的分析研究，可發(fā)現(xiàn)M600型無人機墜機事故主要存在四個風險致因因素，即無人機出現(xiàn)問題、遙控器出現(xiàn)問題、飛手主觀失誤和環(huán)境干擾因素。對于無人機的問題，可以從多個維度展開分析[4]。本文基于實際情況，按照時間維度劃分為飛行前準備不當和飛行中遇到突發(fā)事件。飛行前的準備不當包括槳葉安裝錯誤、信號強度弱、電機老化等。飛行中遇到的突發(fā)狀況包括無人機空中撞擊物體和電池供電異常等。遙控器的問題表現(xiàn)為操作失靈等狀況。飛手主觀失誤表現(xiàn)為風險預判失誤和打舵操作失誤等。環(huán)境干擾因素主要表現(xiàn)為降雨、風力較大、信號干擾等不利因素。

根據(jù)研究的對象，本文將無人機墜機事故作為模型的頂事件，并結合對大量事故案例風險致因因素的分析研究，建立M600型無人機墜機事故FTA模型，如圖2所示，事件編碼說明如表1所示。

3 FTA模型分析

3.1 最小割集求解

該FTA模型由1個頂事件、26個中間事件和33個基本事件構成。利用Fussel算法求解FTA模型的割集，結合Boolean算法進行邏輯化簡最終得出該FTA模型的最小割集為：

K1={X4}，K2={X6}，……，K14={X33};K15={X5，X31}，K16={X9，X15}，……，K23={X23，X24};K24={X9，X16，X17}，K25={X9，X16，X18}，……，K31={X2，X11，X13};K32={X2，X4，X6，X32}，K33={X2，X4，X20，X32}，……，K43=X4，X11，X21，X33}。

鑒于篇幅原因，未全部列出。求解出最小割集數(shù)為43個，包括14個一階割集，9個二階割集，8個三階割集和12個四階割集。表明存在43種事故致因因素可以導致無人機發(fā)生墜機事故，其中可以直接導致事故發(fā)生（只含有1個基本事件的割集）的因素有14種，約占比32.6%，具有相當高的風險性，需要給予相當?shù)闹匾暋?/p>

3.2 結構重要度分析

結構重要度表示當基本事件發(fā)生而導致頂事件發(fā)生時，基本事件對頂事件的貢獻度，是研究分析FTA模型的重要方法，對工程實際中風險對策的研究有重要指導意義。按照式（1）計算基本事件Xi（i=1，2，……，33）結構重要度I，如表2，并進行排序。

I？準（i）?（1）

式中，？準（i）—基本事件的結構重要度函數(shù);

N—最割集總數(shù);

Xi—基本事件;

Kj—最小割集合;

nj—基本事件Xi位于Kj的基本事件數(shù)i，j=1，2，3，……，33。

對結構重要度系數(shù)I（i）（i=1，2，3，……，33）排序可得：

I（4）>I（9）>I（2）>I（32）=I（33）>I（11）>I（6）=I（20）=I（21）>I（5）>I（1）=I（3）=I（7）=I（8）=I（12）=I（13）=I（14）=I（19）=I（22）=I（24）>I（10）=I（16）>I（15）=I（23）=I（25）=I（26）=I（27）=I（28）=I（29）=I（31）>I（17）=I（18）>I（30）

結合事故案例分析，得到如表3所示的基本事件結構重要度貢獻等級劃分表。可以看出“設備維護不當”和“空中障礙物遮擋信號和視野”兩個基本事件屬于強結構重要度貢獻度事件，飛機作業(yè)過程中“躲閃障礙物不及時”屬于良好結構重要度貢獻度事件，“過高或過低的環(huán)境溫度”“信號干擾”等屬于一般結構重要度貢獻度事件，“風力過大”“電池自然損耗”等屬于弱結構重要度貢獻度事件。將基本事件向上歸屬至所屬的中間事件，其中強貢獻度事件可以引發(fā)中間事件發(fā)生導致事故直接發(fā)生;與此同時，具有良好貢獻度的事件仍是需要著重考慮的風險點;而一般和弱貢獻度事件有時作為不可忽視的潛在風險點，也需要給予一定程度的重視。

4 墜機事故主要因素分析

通過對無人機墜機事故FTA模型的分析，基本事件X9、X4、X2結構重要度最大，這些風險點直接從“人-機-環(huán)”三個維度分別影響到飛手失誤問題、無人機飛行前準備不當問題以及環(huán)境干擾問題。由其他基本事件可看出，導致無人機墜機事故的主要風險點還有“無人機失控”，同時，也需要結合X6，……，X33等可直接導致墜機事故發(fā)生的一階獨立因素進行分析。通過將其歸屬至各自中間事件可以發(fā)現(xiàn)，其確定的主要因素與通過結構重要度分析得出的主要因素相重合。

4.1 飛手失誤

飛手失誤的問題作為無人機墜機事故“人-機-環(huán)”三個維度中與人有關的致因因素是極其重要的關鍵因素。其作為頂上事件觸發(fā)，主要包括以下三個同時進行的事件軌跡：①無人機作業(yè)空間內(nèi)存在空中障礙物（如高樓、高壓電塔、樹等），而當無人機沿航線飛行與其距離過近或受到干擾撞向障礙物時，飛手由于缺乏經(jīng)驗、障礙物遮擋或超視距飛行視野不夠等原因錯誤地預判即將發(fā)生的撞擊事故風險;②由于錯誤的事故風險預判，必然會導致飛手沿著事故發(fā)生的趨勢采取錯誤的措施，表現(xiàn)為飛手錯誤的打舵操作;③當飛機偏離既定航線時，又極大地增加了事故發(fā)生概率，而當飛機飛向障礙物躲避不及時時，又極大地增大了飛手失誤的趨勢。

4.2 無人機起飛前準備不到位

①槳葉安裝錯誤，對于有正反槳之分的無人機來說，槳葉的錯誤安裝會導致無人機起飛后力矩不平衡進而導致無人機空中翻車。

②起飛信號強度不夠，作業(yè)地點附近存在強磁場干擾或信號干擾都會導致無人機GPS信號達不到安全保障的要求。

③使用電量不足、老化、缺陷的電池都會導致無人機墜機事故發(fā)生概率增加。電池老化包括電池自然老化、高強度作業(yè)條件下老化以及不合適的存放環(huán)境導致電池性能的衰退。電池缺陷則包括過量充電導致的電池形變、機械損傷以及制造過程中產(chǎn)生的缺陷。

④電機的老化主要表現(xiàn)為電機軸承自然磨損或高強度作業(yè)條件下磨損后，沒有及時更換電機軸承，仍然使用問題電機進行作業(yè)，這也加大了事故風險。

4.3 環(huán)境干擾因素

環(huán)境干擾因素主要表現(xiàn)為降雨、風力較大、強磁場干擾、信號干擾、過高或過低的環(huán)境溫度以及空中障礙物遮擋視野和信號，屬于不可抗拒因素，可控性較弱。

5 無人機墜機事故的對策及建議

5.1 飛手失誤

①對飛手進行崗前技術培訓，并建議采用不同工況下的熟練度量化考核制度以確保飛手掌握不同工況下對潛在風險點的處理方法[5];②定期組織作業(yè)安全教育并學習事故案例，充分了解事故致因風險點。

5.2 無人機起飛前準備不到位

作業(yè)前準備工作必須規(guī)范化，建立系統(tǒng)的準備流程為安全作業(yè)提供保障。

①正確安裝槳葉。

②選擇合適的起飛點，確保具有足夠的GPS信號強度。

③按照電池壽命周期以及實際性能情況，定期更換新電池。合理地為電池充電，對于備用電池，則需要先放電再保存。對于有缺陷的電池，不能再使用其作業(yè)。

④定期對電機進行維護，定期為軸承加潤滑油。對于老化的電機，則需要更換。

5.3 環(huán)境干擾因素

由于環(huán)境干擾因素屬于不可抗拒因素，可控性較弱。因此，需要先進行實地踏勘調(diào)查、掌握航域的天氣狀況等工作再制定作業(yè)計劃。若作業(yè)過程中突然降雨或起強風，則必須先立即終止作業(yè)以確保無人機安全返航，待環(huán)境條件利于作業(yè)時再進行飛行作業(yè)。

6 結語

本文通過構建M600型無人機墜機事故復雜FTA模型，分析了M600型無人機墜機事故的風險點，該FTA模型總計包括26個中間事件和33個基本事件。基于FTA模型的分析，確定了作業(yè)過程中需要加以控制的主要風險點：飛手失誤、起飛前準備工作不到位、無人機失控和環(huán)境干擾因素，并針對存在的風險提出了安全作業(yè)對策及建議，本文成果對企業(yè)等主體進行無人機安全作業(yè)評價工作，減少無人機事故的發(fā)生具有一定的指導意義。

【參考文獻】

【1】胡法濤.新奧法隧道施工塌方原因事故樹分析[J].工程技術研究，2019，4（13）：34+62.

【2】王鵬飛，劉斌.石油氣罐車爆炸燃燒事故樹分析方法研究[J].華北科技學院學報，2019，16（03）：114-118.

【3】Stefano Primatesta，Alessandro Rizzo，Anders la Cour-Harbo.Ground Risk Map for Unmanned Aircraft in Urban Environments[J].Journal of Intelligent & Robotic Systems，2018（7）：1-34.

【4】徐家新，江漢凌，陳曉嵐.淺談中海油無人機應用安全管理研究[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量，2019，39（22）：95-96.

【5】Aviation-Unmanned Aircraft.Findings from Korea Aerospace Research Institute in the Area of Unmanned Aircraft Reported （Third-party Risk Analysis of Small Unmanned Aircraft Systems Operations）[J].Defense & Aerospace Week，2020.