基于事故树的无人机编队飞行冲突风险研究

朱磊

摘要： 为充分了解当前无人机编队飞行冲突事故征候的成因，并对其发生原因进行有重点的预防和对事件发生概率的精确预测，首先对其原因进行分析；总结导致其发生的基本事件，计算事故树模型的最小割集和各个基本事件的结构重要度；其次对无人机编队飞行冲突事故征候的发生概率进行取值，得出基本事件的概率重要度，指出基本事件发生概率对顶事件发生概率的影响，为以后无人机编队飞行安全性能的提高提供可靠建议。

Abstract： In order to fully understand the causes of the formation of flight conflict incidents in UAV formation at present and focus on the accurate prediction of the probability of occurrence of the accidents， firstly， this paper analyzes the causes and summarize the basic events leading to them， calculates the minimum cut set of the fault tree model and the structural importance of each basic event； secondly， takes value for the probability of the flight conflict accident of UAV formation to get the probability importance degree of the basic event； points out the impact of occurrence probability of basic event on the occurrence probability the top event， to provide reliable advice for future UAV flight safety improvement.

關键词： 编队飞行；安全管理；飞行冲突；事故树

Key words： formation flight；safety management；flight conflict；fault tree analysis

中图分类号：X949 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）05-0039-02

0 引言

随着科技进步和发展，无人机（Unmanned Aerial Vehicle（UAV））在军用及民用领域开始崭露头角，军用领域主要体现在中继通讯、情报搜寻、电子对抗及空中打击等领域[1]，尤其是协同多个无人机构成无人机编队（Unmanned Aerial Vehicle Formation）应用于战场环境，能够达到较高的作战效能。效能增加的同时带来一定的飞行风险，尤其是编队中无人机之间容易产生飞行冲突甚至相撞，因此为加强无人机编队飞行过程的安全管理，充分了解当前无人机编队飞行冲突的成因，对预防或减小类似安全问题的发生具有重要作用。本文采用事故树分析法（Fault Tree Analysis，FTA），对无人机编队飞行冲突的主要成因进行定性和定量分析，更加明确、客观地展示出造成此类事故的各种原因的重要度，对于下一步预防无人机编队飞行冲突，更好的协同作战工作具有一定的导向性。

1 无人机编队飞行冲突成因分析

1.1 事故树模型

根据无人机编队飞行冲突成因统计，并根据飞行冲突成因统计结果建立对应的事故树模型。根据布尔代数方法， T可表示为：T=A1+A2=（A3+A4）+（A5+X6）=（X1+X2+X3+ X4+X5）+（X7*X8*X9*A6+X6）=X1+X2+X3+X4+X5+X7*X8*X9*（X10+X11+X12）+X6=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7*X8*X9*X10+ X7*X8*X9*X11+X7*X8*X9*X12（1）

其中A1～A6分别表示人为因素、仪器设备故障、操作员观察错误、操作员操作失误、设备硬件因素和环境因素导致设备失灵。X1～X12分别表示操作员遭受环境干扰、操作员疏忽大意、操作员操作技术欠缺、操作员疲劳工作、操作员工作心理压力大、飞行指挥控制系统不完善、设备疲劳、设备偶然故障、飞行前检查维修不到位不及时、地形因素、天气因素和电磁干扰因素。式（1）中，X1，X2，X3，X4，X5，X6为事件T的一阶最小割集，发生的概率较大，而四阶最小割集X7*X8*X9*X10、X7*X8*X9*X11、X7*X8*X9*X12发生的概率相对较小。

基本事件在事故树结构上的重要度系数I？追（i）近似计算公式为[2]：

为了确定事故树基本事件对顶上事件的影响程度，需要进行结构重要度分析，首先假设各基本事件发生概率相等，然后从事故树结构上分析各基本事件的重要度，最后再按照各基本事件对顶上事件的影响程度进行排序。

其中，K为事故树包含的最小割集数，m为包含第i个基本事件的最小割集数，Rj为包含第i个基本事件的第j个最小割集的基本事件数。利用公式（2），计算得到基本事件X1～X12的结构重要度分别为0.1111，0.1111，0.1111，

0.1111，0.1111，0.1111，0.0833，0.0833，0.0833，0.0277，0.0277，0.0277。

1.2 基本事件概率

可以得到无人机编队飞行冲突事件发生概率Q*：

Q*=1-（1-q1）（1-q2）（1-q3）（1-q4）（1-q5）（1-q6）（1-q7q8q9q10）（1-q7q8q9q11）（1-q7q8q9q12）（3）endprint

qi代表基本事件xi发生的概率。

通过对无人机编队飞行冲突事故的统计分析，确定基本事件X1～X12发生概率分别为0.0004100，0.0006700， 0.0004600，0.0003800， 0.0002100， 0.0008400， 0.0001200，

0.0002200，0.0004100，0.0002300，0.0005300，0.0003600。

事故樹中第i个基本事件的概率重要度IP （i）可定义为[2]：

联立（3）、（4）式和基本事件发生概率，计算得到X1～X12的概率重要度分别为0.99743951，0.99770198，

0.99749237，0.99741254，0.99724294，0.99787173，1.007243*10-10，5.494047*10-11，1.566929*10-11， 1.079189*10-11，

1.079259*10-11，1.079537*10-11。由计算结果可知，操作员遭受环境干扰，操作员操作技术欠缺，飞行指挥控制系统不完善等基本事件概率重要度远大于其他基本事件，其概率的变化对顶事件影响占有绝对比重，因此，在无人机编队飞行中应主要关注这几类因素。

1.3 中间事件概率

结合上面所得的基本事件发生概率，计算得到中间事件A1～A6发生的条件概率分别为0.0021300，0.0084000，

0.0010800，0.0010500，1.21*10-14，0.0011200。可知，相比于其他因素，中间事件中“仪器设备故障，环境因素导致设备失灵，人为因素”发生概率较高，其中“仪器设备故障”占有最大比重，因此，在无人机编队飞行工作中要注意这些中间事件的管理。

1.4 顶上事件概率

顶上事件概率Q的计算式为[3]：

2 结论

本文通过建立事故树模型，对无人机编队飞行冲突风险进行了定性和定量研究，具体做到了以下几点：

①利用事故树模型进行了最小割集、结构重要度的定性分析，有助于了解下一步无人机编队飞行防相撞安全工作的重点。

②对引起无人机编队飞行冲突事件的基本事件发生概率进行了赋值，并根据赋值进行了概率重要度的定量分析，同时对无人机编队飞行管理工作提出了建议。

③根据事故树模型，分析并计算出中间事件的条件概率和顶上事件的发生概率，并与实际编队飞行实验统计数据对比，验证了方法的可行性。

参考文献：

[1]CHEN Guichun（陈贵春）. Military UAV（军用无人机）[M].BEIJNG：The People's Liberation Army Press，2008.

[2]XU Lijuan（徐丽娟），LI Aichun（李爱春）. Analysis on Package Failure Accidents Based on Fault Tree[J]. Railway Freight Transport（铁道货运），2008，5：35-37.

[3]嵇亮亮.无人机的导引及协同编队飞行控制技术研究[D].南京航空航天大学，2008.endprint