孫超，王瑛，崔利杰，張羚

（1.空軍工程大學(xué)裝備管理與安全工程學(xué)院，西安710051；2.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安710051）

基于Bow-tie模型的發(fā)動機(jī)空中停車事故分析與預(yù)防*

孫超1，王瑛1，崔利杰1，張羚2

（1.空軍工程大學(xué)裝備管理與安全工程學(xué)院，西安710051；2.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安710051）

發(fā)動機(jī)空中停車是航空事故主要致因之一。首先，通過數(shù)據(jù)梳理和分析，構(gòu)建發(fā)動機(jī)空中停車故障樹，結(jié)合重要度分析理論，求解各基本事件的重要度，得到造成發(fā)動機(jī)空中停車事件的最薄弱環(huán)節(jié)——供油系統(tǒng)故障?；贐ow-tie理論，構(gòu)建發(fā)動機(jī)供油系統(tǒng)Bow-tie模型，直觀地顯示了該故障產(chǎn)生的根本原因和可能導(dǎo)致的后果，進(jìn)而提出了預(yù)防該故障發(fā)生的對策建議，達(dá)到降低發(fā)動機(jī)空中停車事故概率的目的。

Bow-tie模型，空中停車，重要度分析，事故預(yù)防，故障樹分析

0 引言

隨著航空技術(shù)的飛速發(fā)展，航空裝備的安全性成為當(dāng)前航空領(lǐng)域的焦點。針對如何提升航空裝備的安全性，以及在事故發(fā)生后如何有效地減少損失，是當(dāng)前航空安全的研究重點。而發(fā)動機(jī)空中停車是較為典型的一類航空事故。

J.Miyano［1］針對IFSD的再啟動進(jìn)行分析測試，為降低IFSD帶來的損失提供理論依據(jù)；Roger P. Tokars等［2］針對發(fā)動機(jī)傳感器系統(tǒng)故障設(shè)計了自動化診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)對于降低IFSD故障率有很好的作用；Liu等［3］在大數(shù)據(jù)視角下，運用灰色關(guān)聯(lián)度分析了IFSD的危險源；唐海軍等［4］運用有限元法對IFSD進(jìn)行了失效分析，分解調(diào)查和實驗剖析找出了事件的本質(zhì)起因。侯金麗等［5］利用模糊故障樹分析法和因子化分析法研究發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件的失效模式，并探討了IFSD的主要原因；費勝巍等［6］基于“結(jié)構(gòu)FMEA”的診斷模型對發(fā)動機(jī)進(jìn)行了分析，得到了更完整的故障樹,提高了診斷效率和準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的故障分析手段沒有對事故可能帶來的后果進(jìn)行分析，進(jìn)而提出合理有效的預(yù)防措施減少可能造成的損失。

1 空中停車事故定性分析

1.1 空中停車（In Flight Shut-Down，IFSD）

航空安全事故中最為典型的是發(fā)動機(jī)空中停車?？罩型＼囀鹿拾l(fā)生的概率雖然不高，但是一旦發(fā)生所造成的后果卻是不可小覷。因此，本文以發(fā)動機(jī)空中停車為頂事件進(jìn)行故障分析。

1.2 空中停車故障樹

對近年航空事故中空中停車事故報告進(jìn)行梳理分析，統(tǒng)計分析造成空中停車事故發(fā)生的原因，構(gòu)建了發(fā)動機(jī)空中停車這一航空典型事故故障樹。

符號說明：T發(fā)動機(jī)空中停車；A1滑油系統(tǒng)故障；A2壓氣機(jī)喘振；A3燃料系統(tǒng)故障；A4滑油壓力低；A5燃油系統(tǒng)故障。

2 空中停車事故重要度分析

本文引入以下3種通用重要度，從3個不同的角度對發(fā)動機(jī)空中停車事故的基本事件發(fā)生概率和頂事件發(fā)生概率之間的相互關(guān)聯(lián)影響關(guān)系進(jìn)行分析。

2.1 Birnbaum重要度

表1 空中停車事故事件類型及發(fā)生概率

2.2 危害性重要度

2.3 弗塞－維思利（Fussell-Vesely）重要度

重要度（又稱割集重要度），可以描述事件、部件失效對整個系統(tǒng)失效的貢獻(xiàn)。得到所有基本事件的3種重要度之后，根據(jù)其重要度的大小對基本事件進(jìn)行排序。所得排序結(jié)果如下頁表2所示。

由表（2）可以看出3種基本事件的重要度排序中，基本事件X11供油系統(tǒng)故障的重要度均為最高，所以對于發(fā)動機(jī)空中停車事故的發(fā)生，事件X11供油系統(tǒng)故障影響作用最大，X11是這個系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。實際上，針對發(fā)動機(jī)空中停車事故的梳理過程中發(fā)現(xiàn)，其主要誘因是供油系統(tǒng)故障和發(fā)動機(jī)喘振，這與上述重要度排序結(jié)果吻合。若基本事件X11不發(fā)生，可以使得頂事件發(fā)動機(jī)空中停車的發(fā)生概率降低17.9%至2.469 75×10-4/h。降低事件X11的發(fā)生能夠有效降低發(fā)動機(jī)空中停車事故的發(fā)生概率。因此，本文針對事件X11進(jìn)行Bow-tie分析。

表2 基本事件重要度排序

3 Bow-tie模型分析

3.1 Bow-tie模型

Bow-tie分析法（Bow-tie Analysis，縮寫B(tài)TA）是FTA和ETA相結(jié)合產(chǎn)生的，它充分彌補了兩種分析方法單獨使用時的不足，并且能夠?qū)κ鹿实那榫胺治鲞M(jìn)行清晰地展示。故障樹FTA和事件樹ETA分析方法由于其在控制邏輯和操作標(biāo)準(zhǔn)上的簡便易操作而被廣泛使用。ETA最后輸出的結(jié)果為估算的頻率值和對后果的嚴(yán)重性進(jìn)行的評估，而FTA是對初始事件發(fā)生的概率及防護(hù)層的失效率進(jìn)行相應(yīng)的分析。

3.2 供油系統(tǒng)故障分析

根據(jù)基本事件重要度分析得出發(fā)動機(jī)空中停車致因的關(guān)鍵事件為事件X11供油系統(tǒng)故障。針對供油系統(tǒng)故障進(jìn)行故障樹和事件樹分析。

3.2.1 故障樹分析

其中：X1為供油泵故障；X2為傳感器故障；X3為供油控制閥故障；X4為濾清器故障；X5為噴油嘴故障；X6為壓力調(diào)節(jié)器故障。

3.2.2 事件樹分析

表3供油系統(tǒng)故障事件樹中事件狀態(tài)

當(dāng)飛行過程中出現(xiàn)供油系統(tǒng)故障時，首先要排除火情危險，因為火情可能直接導(dǎo)致飛機(jī)發(fā)生爆炸，因此，必須作為緊急情況處置的第一步；排除火情之后判斷是否出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，喘振可以自行恢復(fù)，自行恢復(fù)失效時可以人為干預(yù)恢復(fù)；當(dāng)排除上述事件影響之后系統(tǒng)仍未恢復(fù)正常，可能是油閥關(guān)閉引起的供油不足，此時須嘗試手動開啟油閥，關(guān)閉巡航系統(tǒng)，嘗試重啟發(fā)動機(jī)，如若仍舊沒有解決故障問題，須立即準(zhǔn)備迫降或跳傘。

3.3 IFSD的Bow-tie分析

本文采用Bow-tie分析法對導(dǎo)致該薄弱環(huán)節(jié)失效的潛在危險因素進(jìn)行分析，并探尋該薄弱環(huán)節(jié)失效以后可能會導(dǎo)致的危害后果。根據(jù)事故發(fā)生原因及導(dǎo)致后果得出相應(yīng)的防止事故發(fā)生的預(yù)防措施，以及事故發(fā)生以后需要采取的控制措施，從而降低其失效概率并減少其失效后對其他節(jié)點產(chǎn)生的影響，進(jìn)而達(dá)到降低事故發(fā)生概率的目的。具體分析步驟見表4：

按照表4給出的分析步驟開展供油系統(tǒng)Bow-tie分析如圖5所示。圖5中以供油系統(tǒng)故障為頂事件進(jìn)行故障樹分析，得出了5個可能導(dǎo)致供油系統(tǒng)故障的原因，并針對這些潛在危險制定了相應(yīng)的預(yù)防措施。針對供油系統(tǒng)故障的事件樹分析，得出了4個事件發(fā)生可能產(chǎn)生的后果，針對這些可能產(chǎn)生的后果制定了相應(yīng)的減少甚至消除后果影響的控制措施。

表4 Bow-tie分析步驟

采用Bow-tie分析方法提出的控制措施對基本事件進(jìn)行預(yù)防控制，可以有效降低引發(fā)頂事件的基本事件發(fā)生概率，從源頭上降低頂事件發(fā)生的可能性；頂事件發(fā)生后可以針對性的采取相應(yīng)控制措施，最大程度降低頂事件發(fā)生所帶來的嚴(yán)重后果。

4 結(jié)論

從Bow-tie分析圖中可以直觀看到導(dǎo)致薄弱環(huán)節(jié)失效的根本原因以及可能導(dǎo)致的后果，同時在圖中可以看到針對薄弱環(huán)節(jié)的產(chǎn)生原因制定的預(yù)防措施和失效后降低后果影響的控制措施。采用Bow-tie分析方法可以使得事故在采取控制措施后其發(fā)生概率相較于采取控制措施之前大幅度降低。在實際工作過程之中可以使維修人員能夠清晰了解到保障工作中的注意事項，以及事故發(fā)生后采取什么樣的針對性控制措施來降低損失。

1）通過對近年事故梳理分析，確定了空中停車的故障樹，并進(jìn)行定量計算得出其發(fā)生概率為3.009 610 545×10-4/h；

2）通過對基本事件重要度的計算，并排序得出發(fā)動機(jī)空中停車事故中導(dǎo)致事故發(fā)生的薄弱環(huán)節(jié)是供油系統(tǒng)故障，若該事件不發(fā)生可以使得發(fā)動機(jī)停車故障率下降17.9%至2.469 75×10-4/h；

3）采用Bow-tie分析法找出導(dǎo)致薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生失效的根本原因以及事件發(fā)生后可能造成的后果，進(jìn)一步分析出防止薄弱環(huán)節(jié)失效的預(yù)防措施以及針對事件發(fā)生降低損失的控制措施。并將上述信息在Bow-tie圖中簡明扼要地表示清晰，從而方便了在實際的安全管理中進(jìn)行推廣，達(dá)到降低事故發(fā)生概率、減少事故發(fā)生造成的損失的目的。

［1］MIYANO J.The engine air-start test of XF-2［C］//Aerospace Conference，2001 IEEE Proceedings，2001.

［2］ROGER P T，JOHN D L.Self diagnostic accelerometer ground testing on a C-17 aircraft engine［C］//Aerospace Conference，2013 IEEE Proceedings，2013.

［3］LIU R，CHEN X F，LI H J，et al.Risk sources analysis method on aero engine IFSD based on big data［C］//The FirstInternationalConferenceonReliabilitySystems Engineering，2015.

［4］TANG H J，CAO D S.Failure analysis on IFSD of an aero engine［J］.Acta Aetonautica et Astronautica Sinica，2010（2）:285-289.

［5］HOU J L，JIN P，CAI G B.Failure mode of reusable rocket engine based on fuzzy fault tree and factor analysis［J］.Journal of Aerospace Power，2014（4）:987-992.

［6］費勝巍，孫宇.基于“結(jié)構(gòu)FMEA”的故障樹自動構(gòu)建方法研究［J］.潤滑與密封，2006（12）:197-202.

［7］ANTAL P，MESZAROS T，MOOR B D，et al.Annotated bayesian networks:a tool to integrate textual and probanilistic medical knowledge［C］//Computer-Based Medical Systems. Bethesda，2001:177-182.

［8］PRAKASH P S，JAMES C W.Inference in hybrid bayesian networks using mixtures of polynomials［J］.International Journal of Approximate Reasoning，2011，52（5）:641-657.

［9］TROLDBORG M，AALDERS I.Application of bayesian belief networks to quantify and map areas at risk to soil threats:using soil compaction as an example［J］.Soil and Tillage Research，2013，132（8）:56-68.

Research on Analysis and Prevention of In-flight Shutdown Based on Bow-tie

SUN Chao1，WANG Ying1，CUI Li-jie1，ZHANG Ling2
（1.School of Equipment Management&Safety Engineering，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China；
2.School of Information and Navigation，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

In-Flight Shutdown（IFSD）is one of the main reasons to cause aerial accidents. Firstly，F(xiàn)ault Tree of IFSD failure is constructed by combing and analyzing the data.Combined with analytical theory of importance degree，the importance degree of each basic incident is solved to acquire that it is failure of fuel supply system that causes the weakest link of IFSD.Based on theory of Bow-tie，the Bow-tie model of fuel supply system of engine is constructed，which intuitively demonstrates the fundamental reason and probable consequence of the failure.Then，counter measures of preventing the failure are proposed，which arrives at the aim to decrease the probability of IFSD accidents.

Bow-tie model，In-Flight Shutdown（IFSD），analysis of importance degree，accidental prevention，fault tree analysis

TP3

A

1002-0640（2017）01-0027-05

2015-12-05

2016-02-20

國家自然科學(xué)基金資助項目（71171199；71401174）

孫超（1989-），男，山東臨沂人，碩士研究生。研究方向：系統(tǒng)安全。