机场远程塔台系统故障模式影响及危害性分析∗

2022-03-14潘卫军罗玉明钟林峰

舰船电子工程 2022年2期

徐斌潘卫军罗玉明韩帅钟林峰

（中国民航飞行学院空中交通管理学院广汉 618307）

1 引言

远程塔台系统［1～2］是面向无人值守情况下的机场以及临时起降点的监视和管制任务。其基于网络化图像、语音以及数据传输，完成远程机场场面监视、飞行语音指挥、起降点设备使用控制。2015年在欧洲瑞典的Sundsvall机场批准采用远程塔台操作，2018年中国新疆机场集团将富蕴、那拉提机场选为远程塔台试点建设机场并于2020年完成了远程塔台的建设。

远程塔台［3～4］采用远程高清数字摄像机、气象传感器、音视频接入和其他相关设备实时采集机场和交通运行信息，能够将所管制机场场面、气象、交通等实时情况呈现在远程塔台的屏幕上，从而为机场提供包括进近引导、场面监视、放行管理等全面的机场空中交通管制服务。远程塔台系统运行流程如图1所示，系统首先通过高分辨率摄像机得到远端机场的全景视频，然后通过数据链路传回远程塔台中心，管制员则通过观看视频中机场实时的动态画面，来间接掌控机场运行状况。根据获得的机场实时情况，管制员可以操纵远程机场的传感器、灯光、告警设备和其他塔台设备来为机场提供全面的空中交通管制服务。

图1 远程塔台运行示意图

针对这样一个庞大复杂的系统，本文将采用FMCEA方法进行可靠性分析，得到远程塔台系统［5～6］可能的故障模式并进行原因分析，计算每一种故障模式的危害度，并对各子系统在不同严酷度类别下的危害度进行排序。本文还会针对每个子系统的故障模式提出相应的改进措施，为未来我国远程塔台系统的可靠性设计与分析提供参考。

2 远程塔台故障模式影响及危害性分析

FMECA是通过分析系统所有可能的故障模式以及可能产生的影响，然后通过计算每个故障模式产生影响的严重程度及其发生的概率，从而实现系统可靠性分析的一种方法。FMECA分析的流程如图2所示，主要包括了故障模式及影响分析、危害性分析、生成FMECA报告三个部分。

图2 FMECA步骤

2.1 故障模式及影响分析（FMEA）

对远程塔台系统进行故障模式及影响分析［7～8］，首先需要对远程塔台系统进行详细的功能层次分级，制作远程塔台系统的功能框图，再根据功能框图制作系统的任务可靠性框图。

本文选择的是新疆机场集团试点应用的远程塔台系统的基本配置。在制作功能框图时对远程塔台系统的硬件进行了全面的考虑和详细的功能分级，此外本文还考虑到远程中心的管制员是直接参与到远程塔台系统的规定功能中，因此将远程中心的管制员纳入到系统功能框图中。最终得到的远程塔台系统的功能框图如图3所示。

表1和表2为远程塔台系统的故障影响定义和远程塔台系统的故障模式严酷度定义。

表1 机场远程塔台系统故障影响定义

表2 机场远程塔台系统严酷度类别与定义

2.2 危害性分析（CA）

危害性分析［9～10］是通过综合考虑每一种故障模式对于远程塔台系统的危害程度及其发生的概率来对远程塔台系统中的所有设备进行分类。本文采用了危害性矩阵方法来计算故障模式的危害度和系统的危害度。

图3 机场远程塔台系统功能层次与结构层次对应图

式中：λp表示系统在任务阶段的故障率，t表示系统任务阶段工作时间，α表示系统的某个故障模式占其所有故障模式的比率，β表示系统在某故障模式发生条件下，其最终影响导致“初始约定层次”出现某严酷度等级的条件概率。Cm(j)代表系统在工作时间t内以某一故障模式发生第j类严酷度的故障次数。

式中：i=1,2,…,n，n表示系统在第j类严酷度下的故障模式总数，j为严酷度类别，Cr()j代表系统在工作时间t内产生的第j类严酷度的故障次数。

3 结果分析

通过对得到的机场远程塔台系统FMECA报告结果进行处理分析，本文得到了机场远程塔台系统的各个子系统在不同严酷度情况下危害度大小的对比结果如图4～6所示。

图4 机场远程塔台子系统Ⅱ类严酷度对比图

图5 机场远程塔台子系统Ⅲ类严酷度对比图

图6 机场远程塔台子系统Ⅳ类严酷度对比图

图4、5、6给出了远程塔台各个子系统在不同严酷度类别下的危害度结果，各子系统用其代码表示。按照前面的严酷度定义，Ⅱ类严酷度会引起飞行的事故征候或重大经济损失或飞行任务失败以及系统严重损坏等严重后果。根据图4，代码19表示的管制员失误、5表示的MLAT多点定位系统故障、3表示的音视频处理系统故障以及12表示的管制席位故障是前四个可能导致远程塔台系统产生Ⅱ类严酷度的系统故障。为了提高远程塔台系统可靠性，针对管制员失误，需要在远程中心配备多名管制员，合理分工为管制员减少工作压力，同时因为远程塔台特殊性，还需要对管制员进行针对性的培训以及进行情景意识建立等考核。其他三个子系统都是传统的机械电子产品，除了需要采购符合相关规定可靠性的产品外还需要进行定期的维修保养以及备份系统的设置。III类严酷度会引起中等程度经济损失或导致飞行任务延误以及系统中等程度损坏等严重后果。根据图5，代码4表示的A-DSB系统、代码1表示的全景视频系统以及代码11表示的全景拼接显示系统是前三个可能导致远程塔台系统产生Ⅱ类严酷度的系统故障。因为这三类系统同样都是机械电子类产品，有着相对固定的危害度，因此需要采购符合相关规定的可靠度的产品同时每个系统都需要进行备份以及定期的维修保养。IV类严酷度会引起非计划性的系统维修或轻度经济损失或轻度系统损坏等后果。导致这类严酷度的系统故障主要是A-DSB系统以及时钟子系统，这两类同样是机械电子类产品，提高其可靠性的方法同上所述。

在完成远程塔台系统中所有子系统导致不同严酷度的危害度结果分析后，本文还根据前面提出的提高系统可靠性方法，对各个子系统的危害度重新进行计算以验证方法的有效性。因为管制员的可靠性提高难以进行量化，因此这里只考虑所有机械电子类系统。同时因为机械电子类产品的维修保养带来的危害度降低数据难以收集，因此本文只考虑产品备份这一种提高系统可靠性的方法。最终得到的系统严酷度结果如图7所示。