徐 斌 潘衛(wèi)軍 羅玉明 韓 帥 鐘林峰

（中國民航飛行學(xué)院空中交通管理學(xué)院 廣漢 618307）

1 引言

遠程塔臺系統(tǒng)［1～2］是面向無人值守情況下的機場以及臨時起降點的監(jiān)視和管制任務(wù)。其基于網(wǎng)絡(luò)化圖像、語音以及數(shù)據(jù)傳輸，完成遠程機場場面監(jiān)視、飛行語音指揮、起降點設(shè)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(shè)機場并于2020年完成了遠程塔臺的建設(shè)。

遠程塔臺［3～4］采用遠程高清數(shù)字攝像機、氣象傳感器、音視頻接入和其他相關(guān)設(shè)備實時采集機場和交通運行信息，能夠?qū)⑺苤茩C場場面、氣象、交通等實時情況呈現(xiàn)在遠程塔臺的屏幕上，從而為機場提供包括進近引導(dǎo)、場面監(jiān)視、放行管理等全面的機場空中交通管制服務(wù)。遠程塔臺系統(tǒng)運行流程如圖1所示，系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(tài)畫面，來間接掌控機場運行狀況。根據(jù)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(shè)備和其他塔臺設(shè)備來為機場提供全面的空中交通管制服務(wù)。

圖1 遠程塔臺運行示意圖

針對這樣一個龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，本文將采用FMCEA方法進行可靠性分析，得到遠程塔臺系統(tǒng)［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(tǒng)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(tǒng)的故障模式提出相應(yīng)的改進措施，為未來我國遠程塔臺系統(tǒng)的可靠性設(shè)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(tǒng)所有可能的故障模式以及可能產(chǎn)生的影響，然后通過計算每個故障模式產(chǎn)生影響的嚴重程度及其發(fā)生的概率，從而實現(xiàn)系統(tǒng)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(tǒng)進行故障模式及影響分析［7～8］，首先需要對遠程塔臺系統(tǒng)進行詳細的功能層次分級，制作遠程塔臺系統(tǒng)的功能框圖，再根據(jù)功能框圖制作系統(tǒng)的任務(wù)可靠性框圖。

本文選擇的是新疆機場集團試點應(yīng)用的遠程塔臺系統(tǒng)的基本配置。在制作功能框圖時對遠程塔臺系統(tǒng)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(tǒng)的規(guī)定功能中，因此將遠程中心的管制員納入到系統(tǒng)功能框圖中。最終得到的遠程塔臺系統(tǒng)的功能框圖如圖3所示。

表1和表2為遠程塔臺系統(tǒng)的故障影響定義和遠程塔臺系統(tǒng)的故障模式嚴酷度定義。

表1 機場遠程塔臺系統(tǒng)故障影響定義

表2 機場遠程塔臺系統(tǒng)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(tǒng)的危害程度及其發(fā)生的概率來對遠程塔臺系統(tǒng)中的所有設(shè)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(tǒng)的危害度。

圖3 機場遠程塔臺系統(tǒng)功能層次與結(jié)構(gòu)層次對應(yīng)圖

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

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

3 結(jié)果分析

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

圖4 機場遠程塔臺子系統(tǒng)Ⅱ類嚴酷度對比圖

圖5 機場遠程塔臺子系統(tǒng)Ⅲ類嚴酷度對比圖

圖6 機場遠程塔臺子系統(tǒng)Ⅳ類嚴酷度對比圖

圖4、5、6給出了遠程塔臺各個子系統(tǒng)在不同嚴酷度類別下的危害度結(jié)果，各子系統(tǒng)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(jīng)濟損失或飛行任務(wù)失敗以及系統(tǒng)嚴重損壞等嚴重后果。根據(jù)圖4，代碼19表示的管制員失誤、5表示的MLAT多點定位系統(tǒng)故障、3表示的音視頻處理系統(tǒng)故障以及12表示的管制席位故障是前四個可能導(dǎo)致遠程塔臺系統(tǒng)產(chǎn)生Ⅱ類嚴酷度的系統(tǒng)故障。為了提高遠程塔臺系統(tǒng)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(xùn)以及進行情景意識建立等考核。其他三個子系統(tǒng)都是傳統(tǒng)的機械電子產(chǎn)品，除了需要采購符合相關(guān)規(guī)定可靠性的產(chǎn)品外還需要進行定期的維修保養(yǎng)以及備份系統(tǒng)的設(shè)置。III類嚴酷度會引起中等程度經(jīng)濟損失或?qū)е嘛w行任務(wù)延誤以及系統(tǒng)中等程度損壞等嚴重后果。根據(jù)圖5，代碼4表示的A-DSB系統(tǒng)、代碼1表示的全景視頻系統(tǒng)以及代碼11表示的全景拼接顯示系統(tǒng)是前三個可能導(dǎo)致遠程塔臺系統(tǒng)產(chǎn)生Ⅱ類嚴酷度的系統(tǒng)故障。因為這三類系統(tǒng)同樣都是機械電子類產(chǎn)品，有著相對固定的危害度，因此需要采購符合相關(guān)規(guī)定的可靠度的產(chǎn)品同時每個系統(tǒng)都需要進行備份以及定期的維修保養(yǎng)。IV類嚴酷度會引起非計劃性的系統(tǒng)維修或輕度經(jīng)濟損失或輕度系統(tǒng)損壞等后果。導(dǎo)致這類嚴酷度的系統(tǒng)故障主要是A-DSB系統(tǒng)以及時鐘子系統(tǒng)，這兩類同樣是機械電子類產(chǎn)品，提高其可靠性的方法同上所述。

在完成遠程塔臺系統(tǒng)中所有子系統(tǒng)導(dǎo)致不同嚴酷度的危害度結(jié)果分析后，本文還根據(jù)前面提出的提高系統(tǒng)可靠性方法，對各個子系統(tǒng)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(tǒng)。同時因為機械電子類產(chǎn)品的維修保養(yǎng)帶來的危害度降低數(shù)據(jù)難以收集，因此本文只考慮產(chǎn)品備份這一種提高系統(tǒng)可靠性的方法。最終得到的系統(tǒng)嚴酷度結(jié)果如圖7所示。

圖7 采用備份前后各系統(tǒng)在不同嚴酷度下危害度對比圖

根據(jù)圖7的計算結(jié)果可以看出，采用備份方法后，各機械電子類系統(tǒng)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(tǒng)、拾音系統(tǒng)等設(shè)備通過備份危害度可以降低到備份前的50%，對于A-DSB系統(tǒng)、全景拼接顯示系統(tǒng)這類設(shè)備因為無法做到系統(tǒng)所有單元的備份，危害度可以降低到備份前的60%～70%。

4 結(jié)語

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

2）遠程塔臺系統(tǒng)的機械電子類設(shè)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(guān)鍵的子系統(tǒng)進行備份，定期進行維修保養(yǎng)，并針對每個子系統(tǒng)的特點設(shè)計專門的維護方案。

3）從各個子系統(tǒng)的危害度看，子系統(tǒng)負責數(shù)據(jù)采集和輸出的設(shè)備發(fā)生故障時危害最大，因為數(shù)據(jù)采集或輸出的問題都會直接導(dǎo)致無法進行管制服務(wù)，所以應(yīng)該對這些設(shè)備進一步加強維護。另外，管制員本身是遠程塔臺系統(tǒng)的關(guān)鍵，應(yīng)充分考慮在各種情景意識下防止管制員發(fā)生錯誤的措施。

4）對于各子系統(tǒng)的技術(shù)維護人員應(yīng)該進行系統(tǒng)專業(yè)的培訓(xùn)，這樣在發(fā)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(tǒng)整體可靠性的提升是非常有幫助的。