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無人機(jī)安全性指標(biāo)要求確定方法研究*

尹樹悅1，王少飛2，陳超1

(1. 空軍裝備研究院，北京100076； 2. 空軍裝備部，北京100038)

摘要：針對(duì)無人機(jī)安全性需求和指標(biāo)論證問題，分析了無人機(jī)等效安全水平原則的由來和基本內(nèi)涵，研究了無人機(jī)安全性指標(biāo)的導(dǎo)出途徑，進(jìn)一步通過分析無人機(jī)對(duì)地撞擊和空中相撞安全性水平要求及相關(guān)計(jì)算模型，對(duì)無人機(jī)安全性指標(biāo)要求的確定方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；安全性指標(biāo)；要求

0引言

無人機(jī)安全性指標(biāo)是指與無人機(jī)型號(hào)設(shè)計(jì)有關(guān)的安全性定量要求，一般以由設(shè)計(jì)原因?qū)е碌拿匡w行小時(shí)發(fā)生災(zāi)難性事故的概率來表示。確定科學(xué)合理的安全性指標(biāo)要求是對(duì)無人機(jī)型號(hào)研制安全性工作的重要牽引。

無人機(jī)的安全性問題與有人機(jī)相比存在著諸多的差異[1]。其中在確定無人機(jī)安全性指標(biāo)要求時(shí)，英、美等國家并不是像確定有人機(jī)的安全性指標(biāo)要求那樣針對(duì)飛機(jī)本身事故損失率的可接受程度提出安全性指標(biāo)，而是提出了“等效安全水平(equivalent level of safety, ELOS)”的原則，并基于此原則來導(dǎo)出無人機(jī)的安全性指標(biāo)要求[2-3]。

1等效安全水平原則

等效安全水平是美、英等國針對(duì)無人機(jī)安全性提出的概念，即無人機(jī)安全性的目標(biāo)追求是應(yīng)不低于有人機(jī)的安全性水平，或與有人機(jī)的安全性水平相當(dāng)，以實(shí)現(xiàn)未來無人機(jī)能夠進(jìn)入更為廣闊的有人機(jī)空域運(yùn)行，而不會(huì)增大空域內(nèi)其他飛機(jī)或地面人員及財(cái)產(chǎn)的安全風(fēng)險(xiǎn)。由此可見，無人機(jī)安全性指標(biāo)要求是基于公眾對(duì)其發(fā)生事故對(duì)地面人員和他機(jī)及機(jī)上人員造成的損失的可接受程度提出的，而這種可接受程度便是等效安全水平要求。對(duì)于有人駕駛航空活動(dòng)來說，對(duì)人的生命(包括本機(jī)上的人員)帶來危險(xiǎn)的形式有2種，一種是不連續(xù)的飛行導(dǎo)致撞地，另一種是空中相撞，同樣，無人機(jī)事故對(duì)人的生命帶來危險(xiǎn)的形式也是以上2種。

2無人機(jī)安全性指標(biāo)的導(dǎo)出途徑

目前，對(duì)等效安全水平的概念有2種不同的理解。一種是直接以災(zāi)難性事故率作為等效安全水平的衡量參數(shù)；另一種是考慮到不同類別的無人機(jī)發(fā)生事故造成損失的嚴(yán)重程度不同，以“目標(biāo)安全水平”來導(dǎo)出可用于設(shè)計(jì)的無人機(jī)安全性指標(biāo)要求。

當(dāng)前，美、英等國對(duì)軍用飛機(jī)安全性水平的要求一般為由飛機(jī)原因?qū)е碌臑?zāi)難性事故的概率不大于1E-6/飛行小時(shí)，而所有導(dǎo)致災(zāi)難性事故的概率為不大于1E-5/飛行小時(shí)。因此，如基于上述第1種等效安全水平原則的概念理解，無人機(jī)系統(tǒng)的安全性指標(biāo)被表述為：①出于無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮，在和平時(shí)期使用中由于設(shè)計(jì)原因和失效問題造成災(zāi)難性事故的概率應(yīng)不高于1E-6/飛行小時(shí)；②當(dāng)同時(shí)考慮設(shè)計(jì)和使用，可表述為無人機(jī)在和平時(shí)期使用中導(dǎo)致災(zāi)難性事故的概率應(yīng)不高于1E-5/飛行小時(shí)。以上方法確定的安全性指標(biāo)沒有區(qū)分不同的無人機(jī)類型，是對(duì)所有類型無人機(jī)統(tǒng)一的指標(biāo)要求[4]。

直接根據(jù)有人機(jī)的事故率指標(biāo)導(dǎo)出的無人機(jī)安全性指標(biāo)要求是根據(jù)第1種等效安全水平概念理解給出的，沒有考慮無人機(jī)安全性問題特殊性，即不同類型的無人機(jī)在尺寸、重量等特征上范圍跨度相當(dāng)大，不同類型的無人機(jī)發(fā)生事故后造成的結(jié)果可能會(huì)是從小的損傷到很多死亡[5-6]，這樣再以事故率來對(duì)所有類型無人機(jī)定義等效安全水平顯然是不合適的。

美國麻省理工學(xué)院空中交通國際研究中心的Roland E. Weibel和R. John Hansman提出了在等效安全水平原則下，以“目標(biāo)安全水平TLS”(或稱“期望安全水平ELS”)來導(dǎo)出可用于設(shè)計(jì)的無人機(jī)安全性指標(biāo)要求的方法，這便是根據(jù)第2種等效安全水平原則的概念(以后如無特別說明，等效安全水平原則均指上文定義的第2種概念)，基于無人機(jī)不同的事故后果形式提出的方法[7-8]。根據(jù)無人機(jī)的特點(diǎn)和等效安全水平原則，Weibel主要從對(duì)地撞擊安全水平要求和空中相撞安全水平要求出發(fā)來導(dǎo)出用于設(shè)計(jì)的無人機(jī)安全性指標(biāo)要求。圖1簡要表示無人機(jī)安全性指標(biāo)要求的導(dǎo)出途徑。下文將對(duì)圖1中的“無人機(jī)事故率總體指標(biāo)要求”、“與設(shè)計(jì)相關(guān)的無人機(jī)安全性總體指標(biāo)要求”和“‘感知-規(guī)避’設(shè)計(jì)安全性指標(biāo)要求”的確定方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖1　無人機(jī)安全性指標(biāo)的導(dǎo)出Fig.1　Deriving UAV safety index

3對(duì)地撞擊安全性水平要求及指標(biāo)的確定

Weibel在根據(jù)等效安全水平原則分析無人機(jī)發(fā)生事故后對(duì)地撞擊的安全水平要求時(shí)，是以死亡率來表示對(duì)地撞擊的目標(biāo)安全水平，從而可以對(duì)不同類型無人機(jī)造成的損失加以區(qū)分。盡管目前有人航空規(guī)范未對(duì)死亡率做出要求，但通過歷史事故數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析可以提供死亡率的信息，用以根據(jù)等效安全水平原則確定無人機(jī)對(duì)地撞擊的目標(biāo)安全水平。

Weibel等人利用事件樹分析了無人機(jī)發(fā)生事故撞擊地面后對(duì)地面人員的傷害問題，本文在其基礎(chǔ)上對(duì)事件樹分析進(jìn)行了改進(jìn)，如圖2所示。

圖2　無人機(jī)發(fā)生事故撞地事件樹Fig.2　Event tree for UAV ground impact accident

基于以上的事件樹分析，Weibel等人提出無人機(jī)對(duì)地面撞擊的目標(biāo)安全水平模型如下[8]：

減壓病是由于高壓環(huán)境作業(yè)后減壓不當(dāng)，體內(nèi)原已溶解的氣體(主要是氮?dú)?超過了過飽和界限，在血管內(nèi)外及組織中形成氣泡所致的全身性疾病[1]。減壓病的發(fā)病機(jī)理中，氣泡形成是原發(fā)因素；但因液氣界面作用，尚可繼發(fā)引起一系列病理生理反應(yīng)[2-4]。本例減壓病的發(fā)病原因主要考慮如下：潛水環(huán)境較差，潛水當(dāng)日水溫較低，10 ℃以下；水下停留時(shí)間較長且反復(fù)3次潛水；最主要考慮可能還是每次減壓不正規(guī)(具體減壓時(shí)間不詳)。

(1)

式中：TLS為以地面人員死亡率表示的目標(biāo)安全水平；MTBF為平均故障間隔時(shí)間；Aexp為暴露面積；ρ為撞擊地區(qū)的人口密度(ρ=人口數(shù)量/面積)；Ppen為穿透能力(%)：0～100%(數(shù)值越大，穿透力越大)，穿透能力Ppen與無人機(jī)的結(jié)構(gòu)和能量，以及地面上物體承受撞擊的能力有關(guān)，式(1)中的Ppen是基于無人機(jī)巡航狀態(tài)下的動(dòng)能估算的。Pmit為緩解率(%)：0～100%(數(shù)值越大，緩解率越大)，當(dāng)無人機(jī)發(fā)生事故時(shí)，機(jī)載緩沖裝置能減少無人機(jī)對(duì)地面的沖擊能量，如降落傘等，它們所能產(chǎn)生的緩沖效果也不同。

在不考慮緩沖效果的情況下，式(1)可簡化為

(2)

TLS=MR·AexpρPpen，

(3)

式中：MR為事故率，即無人機(jī)飛行中發(fā)生事故墜地的概率。

根據(jù)美國國家運(yùn)輸安全委員會(huì)(NTSB)1983～2006年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(見表1)[2]，有人航空事故中地面死亡僅占總死亡數(shù)非常少的一部分。應(yīng)指出的是，確切數(shù)字可能會(huì)因航空器類型(通用、通勤、大型飛機(jī))及所處的時(shí)段而不同。這從美國海軍關(guān)于飛機(jī)失事導(dǎo)致地面?zhèn)龅恼{(diào)查分析中也可以看出。基于每一千萬飛行小時(shí)，美國海軍、商用及通用航空事故對(duì)地面造成的死亡數(shù)分別為18，7和4.7個(gè)，該調(diào)查包括了美國海軍1980至1998年、民航1982至1998年的數(shù)據(jù)。

表1　1983~2006年每飛行小時(shí)事故數(shù)據(jù)分析

由表1中數(shù)據(jù)可知，有人航空事故對(duì)地面人員造成傷亡的概率為6.54×10-7/飛行小時(shí)。根據(jù)上述事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及等效安全水平原則要求，無人機(jī)事故對(duì)地面人員造成的傷亡率要求可定為不大于1E-7/飛行小時(shí)，即無人機(jī)對(duì)地面撞擊目標(biāo)安全水平要求為傷亡率不高于1E-7/飛行小時(shí)(TLS=1×10-7/飛行小時(shí))。根據(jù)前文給出的數(shù)據(jù)，美國海軍無人機(jī)事故致地面死亡率的量級(jí)為1E-6/飛行小時(shí)，考慮到對(duì)于用作軍事用途的無人機(jī)可以允許較高的死亡率，因而北約無人機(jī)系統(tǒng)適航要求將無人機(jī)對(duì)地面造成的死亡率定為1E-6/飛行小時(shí)。

針對(duì)某一型無人機(jī)，在已知Aexp，ρ和Ppen的前提下，將TLS的值代入式(3)，可以求得無人機(jī)對(duì)地撞擊事故率指標(biāo)MR，實(shí)際上所有無人機(jī)飛行中發(fā)生事故最終都會(huì)撞向地面(包括空中相撞事故)，也就是說此事故率指標(biāo)MR即為無人機(jī)的事故率總體指標(biāo)，包含了空中相撞事故率。

根據(jù)上述模型，以質(zhì)量或尺寸區(qū)分的不同類型的無人機(jī)其Aexp和Ppen是不同的，而不同的地區(qū)人口密度ρ也有所不同。因此，對(duì)于同一類型的無人機(jī)，其所活動(dòng)的空域不同對(duì)其安全性指標(biāo)的要求也應(yīng)不同；對(duì)于不同類型的無人機(jī)，即使在同一空域內(nèi)活動(dòng)，對(duì)其安全性指標(biāo)的要求也是不同的?；谝陨显?，Weibel等人采用1E-7/飛行小時(shí)的目標(biāo)安全水平，計(jì)算出的不同類型無人機(jī)在美國領(lǐng)土不同區(qū)域的安全性指標(biāo)要求分布。

澳大利亞的Reece Clothier和Rodney Walker在Weibel等人研究的基礎(chǔ)上于2006年在第21屆無人機(jī)系統(tǒng)國際會(huì)議上提出了改進(jìn)的無人機(jī)事故地面致死率模型，此模型對(duì)Weibel的模型做了進(jìn)一步簡化，既不考慮緩沖問題也不考慮穿透能力，可表示如下[2]：

TLS=MR·ρAL，

(4)

式中：TLS，MR和ρ的含義同式(3)；AL為是以無人機(jī)最大的維度尺寸加上單個(gè)人體的平均寬度作為直徑所做的圓的面積，這個(gè)面積代表了無人機(jī)撞地后的可致人死亡的區(qū)域。

MR=SFR+MCDebris+Other.

(5)

上述模型將導(dǎo)致無人機(jī)撞地事故的類別進(jìn)行了劃分，其中SFR為由設(shè)計(jì)原因?qū)е聼o人機(jī)不能連續(xù)飛行的每飛行小時(shí)事故率，MCDebris為空中相撞致墜地的每飛行小時(shí)事故率，Other為由其他原因(如天氣、鳥撞以及人為差錯(cuò)等)導(dǎo)致的無人機(jī)撞地每飛行小時(shí)事故率。

在已知TLS，ρ和AL的前提下根據(jù)式(4)可以估算出指定類型無人機(jī)在指定空域內(nèi)的事故率總體指標(biāo)MR。在無人機(jī)研制中，需要根據(jù)具體型號(hào)的特點(diǎn)和以往事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中由設(shè)計(jì)原因和非設(shè)計(jì)原因造成事故的比例分布情況，按照式(5)對(duì)MR做進(jìn)一步分解，以得到由無人機(jī)設(shè)計(jì)原因?qū)е碌膶?duì)地撞擊事故率指標(biāo)即：SFR+MCDebris。再基于有人機(jī)事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，依據(jù)等效安全水平原則確定出無人機(jī)空中相撞事故率指標(biāo)MCDebris(見下節(jié))，同時(shí)也就得到SFR。SFR與MCDebris便是與設(shè)計(jì)相關(guān)的兩類無人機(jī)安全性指標(biāo)。

4空中相撞安全性水平要求及指標(biāo)的確定

由第3節(jié)可知，不論是Weibel的對(duì)地撞擊目標(biāo)安全水平模型還是Reece Clothier等人的模型，其總事故率參數(shù)MR都包括了空中相撞的一部分，之所以再單獨(dú)提出空中相撞安全性水平要求，是為了牽引無人機(jī)防空中相撞安全性設(shè)計(jì)。為此需要根據(jù)等效安全水平原則，針對(duì)公眾對(duì)空中相撞致人死亡或空中相撞后墜地致人死亡的容忍程度，提出其目標(biāo)安全水平要求。

根據(jù)等效安全水平原則，如果類似于對(duì)地撞擊事故，空中相撞的目標(biāo)安全水平也采用死亡率來衡量，可分為兩類情況，第1種情況為無人機(jī)與有人機(jī)空中相撞導(dǎo)致有人機(jī)機(jī)上人員死亡率或相撞后墜地導(dǎo)致地面人員死亡率，第2種情況為無人機(jī)與無人機(jī)相撞后墜地導(dǎo)致地面人員死亡率，那么這2種情況下會(huì)牽涉到與之相撞的有人機(jī)或無人機(jī)的不同類型問題，如被撞有人機(jī)的大小或載人的多少、被撞無人機(jī)的大小等，將會(huì)使問題變得更為復(fù)雜，因而無人機(jī)與有人機(jī)或無人機(jī)與無人機(jī)空中相撞的目標(biāo)安全水平用空中相撞事故率來表示更為可取?；诒?的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，根據(jù)等效安全水平原則，可以提出無人機(jī)空中相撞的目標(biāo)安全水平值(空中相撞事故率)為TLSMC=1E-7/飛行小時(shí)，這里的TLSMC與式(5)中的MCDebris是一致的。

Weibel在研究空中相撞目標(biāo)安全水平時(shí)，建立了無人機(jī)空中相撞風(fēng)險(xiǎn)模型[7]。在空中相撞風(fēng)險(xiǎn)模型中，無人機(jī)被視作“威脅飛機(jī)”，空域中的其他有人機(jī)或無人機(jī)為“受威脅飛機(jī)”。模型假定無人機(jī)在指定空域所處的位置具有等可能性，其速度也假定與“受威脅飛機(jī)”相比較低。當(dāng)“受威脅飛機(jī)”飛經(jīng)指定空域時(shí)，它們占據(jù)了潛在的碰撞容積。碰撞風(fēng)險(xiǎn)用期望的無人機(jī)每飛行小時(shí)碰撞率來描述，這個(gè)碰撞率是“受威脅飛機(jī)”每飛行小時(shí)占據(jù)空域的容積與所指定空域的整個(gè)容積的比值。如圖3所示。

在所指定空域中，每一架“受威脅飛機(jī)”飛過一段距離di；每一架“受威脅飛機(jī)”具有一個(gè)暴露面積Aexp，代表碰撞易接觸區(qū)域，以受威脅飛機(jī)為有人機(jī)為例，在具體計(jì)算時(shí)可用一個(gè)中型商用飛機(jī)(如波音757)的前向面積來估算，大約為560平方英尺。在假定無人機(jī)的面積與“受威脅飛機(jī)”相比足夠小的前提下，暴露面積Aexp可以不考慮無人機(jī)類型的差異(如受威脅飛機(jī)為其他無人機(jī)，則還應(yīng)考慮無人機(jī)的不同類型)。

圖3　無人機(jī)空中相撞風(fēng)險(xiǎn)模型Fig.3　Risk model of UAV midair collision

如圖3所示，每一個(gè)碰撞容積的大小為可表示為暴露面積Aexp與飛行距離di的乘積?？沼騼?nèi)所有“受威脅飛機(jī)”總的碰撞容積為各容積之和，即暴露面積乘以總飛行距離d。空域內(nèi)總飛行距離所經(jīng)歷的時(shí)間為t?？沼騼?nèi)期望的碰撞數(shù)為總碰撞容積與整個(gè)所指定空域容積V的比值，實(shí)際上這也代表了所指定空域中空中交通的密集程度。期望的碰撞率為期望的碰撞數(shù)除以時(shí)間t。因此，無人機(jī)每飛行小時(shí)空中碰撞率可表示為

(6)

盡管可能會(huì)發(fā)生潛在的碰撞，但并不一定會(huì)導(dǎo)致致命性事故，因?yàn)榭梢酝ㄟ^“感知-規(guī)避”技術(shù)來避免空中相撞事故的發(fā)生，或減輕碰撞的危害量級(jí)[9]?；诖丝紤]，最終得到的無人機(jī)空中相撞目標(biāo)安全水平可表示為

(7)

5結(jié)束語

安全性指標(biāo)確定的合理與否是影響無人機(jī)長遠(yuǎn)發(fā)展的一個(gè)重要因素。依據(jù)等效安全性水平原則給出的無人機(jī)安全性指標(biāo)確定方法充分考慮了無人機(jī)的不同類型和使用空域等條件，對(duì)于無人機(jī)型號(hào)研制中論證提出安全性指標(biāo)要求是一種可行的方法。

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Research on Method for Determination of UAV Safety Index Requirements

YIN Shu-yue1, WANG Shao-fei2, CHEN Chao1

(1. Air Force Equipment Academy，Beijing 100076,China； 2. Air Force Equipment Ministry,Beijing 100038,China)

Abstract:Considering the problem of unmanned aerial vehicle (UAV) safety requirements and index determination, UAV equivalent level of safety (ELOS) principle and its meaning are analyzed. The approach to deriving UAV safety index is studied. In addition, the method of determining UAV safety index requirements isparticularly investigated through analyzing safety level requirements and models associated with UAV impact on ground and midair collision.

Key words:unmanned aerial vehicle(UAV); safety index; requirement

中圖分類號(hào)：V279

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-086X(2015)-02-0154-05

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.02.025

通信地址：100076北京市9236信箱2分箱E-mail：zbysy_2001@sina.com

作者簡介：尹樹悅(1979-)，男，河北張北人。工程師，博士，研究方向?yàn)楹娇掌鬟m航與安全性。

* 收稿日期：2014-07-06；
修回日期：2014-08-05