機場遠程塔臺系統故障模式影響及危害性分析?

徐 斌 潘衛軍 羅玉明 韓 帥 鐘林峰

（中國民航飛行學院空中交通管理學院 廣漢 618307）

1 引言

遠程塔臺系統［1～2］是面向無人值守情況下的機場以及臨時起降點的監視和管制任務。其基于網絡化圖像、語音以及數據傳輸，完成遠程機場場面監視、飛行語音指揮、起降點設備使用控制。2015年在歐洲瑞典的Sundsvall機場批準采用遠程塔臺操作，2018年中國新疆機場集團將富蘊、那拉提機場選為遠程塔臺試點建設機場并于2020年完成了遠程塔臺的建設。

遠程塔臺［3～4］采用遠程高清數字攝像機、氣象傳感器、音視頻接入和其他相關設備實時采集機場和交通運行信息，能夠將所管制機場場面、氣象、交通等實時情況呈現在遠程塔臺的屏幕上，從而為機場提供包括進近引導、場面監視、放行管理等全面的機場空中交通管制服務。遠程塔臺系統運行流程如圖1所示，系統首先通過高分辨率攝像機得到遠端機場的全景視頻，然后通過數據鏈路傳回遠程塔臺中心，管制員則通過觀看視頻中機場實時的動態畫面，來間接掌控機場運行狀況。根據獲得的機場實時情況，管制員可以操縱遠程機場的傳感器、燈光、告警設備和其他塔臺設備來為機場提供全面的空中交通管制服務。

圖1 遠程塔臺運行示意圖

針對這樣一個龐大復雜的系統，本文將采用FMCEA方法進行可靠性分析，得到遠程塔臺系統［5～6］可能的故障模式并進行原因分析，計算每一種故障模式的危害度，并對各子系統在不同嚴酷度類別下的危害度進行排序。本文還會針對每個子系統的故障模式提出相應的改進措施，為未來我國遠程塔臺系統的可靠性設計與分析提供參考。

2 遠程塔臺故障模式影響及危害性分析

FMECA是通過分析系統所有可能的故障模式以及可能產生的影響，然后通過計算每個故障模式產生影響的嚴重程度及其發生的概率，從而實現系統可靠性分析的一種方法。FMECA分析的流程如圖2所示，主要包括了故障模式及影響分析、危害性分析、生成FMECA報告三個部分。

圖2 FMECA步驟

2.1 故障模式及影響分析（FMEA）

對遠程塔臺系統進行故障模式及影響分析［7～8］，首先需要對遠程塔臺系統進行詳細的功能層次分級，制作遠程塔臺系統的功能框圖，再根據功能框圖制作系統的任務可靠性框圖。

本文選擇的是新疆機場集團試點應用的遠程塔臺系統的基本配置。在制作功能框圖時對遠程塔臺系統的硬件進行了全面的考慮和詳細的功能分級，此外本文還考慮到遠程中心的管制員是直接參與到遠程塔臺系統的規定功能中，因此將遠程中心的管制員納入到系統功能框圖中。最終得到的遠程塔臺系統的功能框圖如圖3所示。

表1和表2為遠程塔臺系統的故障影響定義和遠程塔臺系統的故障模式嚴酷度定義。

表1 機場遠程塔臺系統故障影響定義

表2 機場遠程塔臺系統嚴酷度類別與定義

2.2 危害性分析（CA）

危害性分析［9～10］是通過綜合考慮每一種故障模式對于遠程塔臺系統的危害程度及其發生的概率來對遠程塔臺系統中的所有設備進行分類。本文采用了危害性矩陣方法來計算故障模式的危害度和系統的危害度。

圖3 機場遠程塔臺系統功能層次與結構層次對應圖

式中：λp表示系統在任務階段的故障率，t表示系統任務階段工作時間，α表示系統的某個故障模式占其所有故障模式的比率，β表示系統在某故障模式發生條件下，其最終影響導致“初始約定層次”出現某嚴酷度等級的條件概率。Cm(j)代表系統在工作時間t內以某一故障模式發生第j類嚴酷度的故障次數。

式中：i=1,2,…,n，n表示系統在第j類嚴酷度下的故障模式總數，j為嚴酷度類別，Cr()j代表系統在工作時間t內產生的第j類嚴酷度的故障次數。

3 結果分析

通過對得到的機場遠程塔臺系統FMECA報告結果進行處理分析，本文得到了機場遠程塔臺系統的各個子系統在不同嚴酷度情況下危害度大小的對比結果如圖4～6所示。

圖4 機場遠程塔臺子系統Ⅱ類嚴酷度對比圖

圖5 機場遠程塔臺子系統Ⅲ類嚴酷度對比圖

圖6 機場遠程塔臺子系統Ⅳ類嚴酷度對比圖

圖4、5、6給出了遠程塔臺各個子系統在不同嚴酷度類別下的危害度結果，各子系統用其代碼表示。按照前面的嚴酷度定義，Ⅱ類嚴酷度會引起飛行的事故征候或重大經濟損失或飛行任務失敗以及系統嚴重損壞等嚴重后果。根據圖4，代碼19表示的管制員失誤、5表示的MLAT多點定位系統故障、3表示的音視頻處理系統故障以及12表示的管制席位故障是前四個可能導致遠程塔臺系統產生Ⅱ類嚴酷度的系統故障。為了提高遠程塔臺系統可靠性，針對管制員失誤，需要在遠程中心配備多名管制員，合理分工為管制員減少工作壓力，同時因為遠程塔臺特殊性，還需要對管制員進行針對性的培訓以及進行情景意識建立等考核。其他三個子系統都是傳統的機械電子產品，除了需要采購符合相關規定可靠性的產品外還需要進行定期的維修保養以及備份系統的設置。III類嚴酷度會引起中等程度經濟損失或導致飛行任務延誤以及系統中等程度損壞等嚴重后果。根據圖5，代碼4表示的A-DSB系統、代碼1表示的全景視頻系統以及代碼11表示的全景拼接顯示系統是前三個可能導致遠程塔臺系統產生Ⅱ類嚴酷度的系統故障。因為這三類系統同樣都是機械電子類產品，有著相對固定的危害度，因此需要采購符合相關規定的可靠度的產品同時每個系統都需要進行備份以及定期的維修保養。IV類嚴酷度會引起非計劃性的系統維修或輕度經濟損失或輕度系統損壞等后果。導致這類嚴酷度的系統故障主要是A-DSB系統以及時鐘子系統，這兩類同樣是機械電子類產品，提高其可靠性的方法同上所述。

在完成遠程塔臺系統中所有子系統導致不同嚴酷度的危害度結果分析后，本文還根據前面提出的提高系統可靠性方法，對各個子系統的危害度重新進行計算以驗證方法的有效性。因為管制員的可靠性提高難以進行量化，因此這里只考慮所有機械電子類系統。同時因為機械電子類產品的維修保養帶來的危害度降低數據難以收集，因此本文只考慮產品備份這一種提高系統可靠性的方法。最終得到的系統嚴酷度結果如圖7所示。

圖7 采用備份前后各系統在不同嚴酷度下危害度對比圖

根據圖7的計算結果可以看出，采用備份方法后，各機械電子類系統在不同嚴酷度情況下的危害度都有所降低，對于全景視頻系統、拾音系統等設備通過備份危害度可以降低到備份前的50%，對于A-DSB系統、全景拼接顯示系統這類設備因為無法做到系統所有單元的備份，危害度可以降低到備份前的60%～70%。

4 結語

1）遠程塔臺各子系統發生故障時，對于遠程塔臺系統影響最大的是管制員這一系統，其次是音視頻處理子系統和MLAT多點定位子系統，然后是ADS-B系統，再次是管制席位和全景視頻子系統以及全景拼接顯示系統。以上子系統對遠程塔臺系統可靠性影響比較大，降低這幾個子系統的故障率，是提高遠程塔臺系統可靠性的關鍵。

2）遠程塔臺系統的機械電子類設備故障主要原因是電源故障、線路連接故障、元器件損壞、電磁干擾等。改進的主要措施是對于這些關鍵的子系統進行備份，定期進行維修保養，并針對每個子系統的特點設計專門的維護方案。

3）從各個子系統的危害度看，子系統負責數據采集和輸出的設備發生故障時危害最大，因為數據采集或輸出的問題都會直接導致無法進行管制服務，所以應該對這些設備進一步加強維護。另外，管制員本身是遠程塔臺系統的關鍵，應充分考慮在各種情景意識下防止管制員發生錯誤的措施。

4）對于各子系統的技術維護人員應該進行系統專業的培訓，這樣在發生故障時維護人員才能快速定位故障點同時做好維修記錄，這樣對于系統整體可靠性的提升是非常有幫助的。