王曉云，趙廷弟（北京航空航天大學 可靠性與系統(tǒng)工程學院，北京 100191）

航母飛行作業(yè)空間安全布局研究

王曉云，趙廷弟
（北京航空航天大學 可靠性與系統(tǒng)工程學院，北京 100191）

研究針對航空母艦飛行作業(yè)空間安全問題而開展。研究首先根據(jù)作業(yè)特點劃分航母作業(yè)區(qū)域，針對飛行作業(yè)分析構成空間危害因素的來源，提出一套度量危險因素的空間關聯(lián)安全水平指標，以便對危險因素的空間關系進行量化；然后在此基礎上，對2套不同起飛作業(yè)布局進行安全評價；最后，并圍繞航母飛行甲板作業(yè)空間安全的典型問題進行分析和討論。

航空母艦；飛行作業(yè)；空間布局；安全

1　航母作業(yè)特點概述

“尼米茲” 級航空母艦作為一型最具代表性的現(xiàn)代航母，其主要任務是利用有限的空間實施高強度的起飛和回收作業(yè)，并完成航空機務和地面保障工作。經過數(shù)十年的不斷優(yōu)化完善，“尼米茲” 級航空母艦的安全水平已比早期航母大幅度提高，但飛行甲板作業(yè)仍然存在大量的危險因素，屬于典型的高殘余風險復雜作業(yè)過程（見圖1）［1］。

艦載航空兵的起降作業(yè)均在長度不足 300 m、寬不足 70 m的狹小飛行甲板上進行。對于現(xiàn)代重型噴氣式作戰(zhàn)艦載機來說，由于跑道本身的長度遠遠無法達到常規(guī)起降要求，必須依賴額外的特種輔助設備如彈射器、攔阻裝置等才能安全進行起降作業(yè)；需要利用機庫和升降機對戰(zhàn)機進行高效地調度周轉管理；同時，作戰(zhàn)艦載機的航空勤務保障，包括航空彈藥的掛載和卸載、航空油料的加注和排放、供電供氧等移動保障設備和車輛作業(yè)也將在這一空間中進行。在起飛作業(yè)的高峰時段，每隔 30 s即放飛 1 架艦載機，降落最密集時每隔 5 min完成 1 架固定翼艦載機的降落回收，飛行甲板區(qū)域將停放 30～40 架艦載機，容納近 400 名參與保障作業(yè)的空勤人員。上述信息長期以來僅憑調度指揮人員的經驗來判斷和決策。

由于航母飛行甲板長度遠遠小于陸上機場跑道，其空間和容量存在物理約束，需要在狹小擁擠的飛行甲板進行艦載機的起降、場面調度和機務勤務等活動，使得飛行甲板成為最危險的工作環(huán)境之一。在狹小的作業(yè)空間內，各類飛機、航空保障設備、作業(yè)人員的位置、狀態(tài)、構型，其中的風險已經超出了人員的經驗和認知能力。Cozzani 認為系統(tǒng)作業(yè)布局工作是此類復雜系統(tǒng)預防性和保護性安全設計的關鍵環(huán)節(jié)［2］。恰當合理的布局可減少危險源和潛在危害對象之間的交互，從而保證系統(tǒng)作業(yè)盡可能在低風險水平運行。

圖1　起飛作業(yè)方案AFig. 1　Launching operation layout plan A

本文基于 Muther 的系統(tǒng)布局規(guī)劃方法（System Layout Planning， SLP），將航母作業(yè)空間安全布局問題定量化程［3］，并通過防護屏障和安全距離等手段來實現(xiàn)布局優(yōu)化［4］。研究不僅有利于識別系統(tǒng)危險改進空間布局設計，還將有力支持開展智能化的作業(yè)安全監(jiān)控和報警系統(tǒng)設計。

2　航母起飛作業(yè)空間安全

針對空間布局問題的安全評價不僅僅需要考察單個因素的異常事件，也不能簡單地歸咎于2個危險因素因位置相鄰而導致事故，還需要將危險因素、系統(tǒng)和環(huán)境作為一個整體進行考慮，形成完整的風險評價。

航母起飛作業(yè)空間安全分析將基于以下假設和前提：

1）討論基于航母作業(yè)空間二維平面空間開展；2）對危險因素的方向特性不做考慮；

3）艦載設備的形狀一律作為圓形實體考慮；

4）除獨立承擔現(xiàn)場起飛控制任務的少數(shù)人員，將其他設備對應的操作人員與設備作為一個整體考慮；

5）設備的位置不得超出給定的艙室或系統(tǒng)邊界；

應用本研究提出的分析流程，對“尼米茲”級航母的飛行作業(yè)布局設計進行空間安全性分析。

2.1作業(yè)空間的功能區(qū)域劃分

首先應識別航母作業(yè)空間的系統(tǒng)物理邊界。在此基礎上開展系統(tǒng)作業(yè)空間的劃分，圍繞同一作業(yè)、同一類危險以及有形的物理隔離手段和邊界展開。根據(jù)作業(yè)要求，航母的航空保障作業(yè)主要包括以下區(qū)域：

1） 機庫：用于承擔艦載機存放和維護作業(yè)；

2） 飛行甲板：承擔起飛和降落回收功能，包括存在空間交叉的 4 條起飛跑道和 1 條降落跑道；

3） 舷側及尾部作業(yè)空間：作為人員通道、光電設備及防空系統(tǒng)的安裝平臺；

4） 艦橋：承擔飛行指揮、調度指揮、航行指揮功能。本案例的分析主要圍繞飛行甲板這一子區(qū)域開展。

2.2起飛作業(yè)對象清單及危險因素識別

識別當前區(qū)域中所有的對象和系統(tǒng)，給出區(qū)域內設計的系統(tǒng)、設備的名稱和物理尺寸，建立清單。這里的系統(tǒng)包括參與作業(yè)的各類設備，以及留在現(xiàn)場但不參與作業(yè)的設備系統(tǒng)。

通過傳統(tǒng)安全性分析方法，識別各個對象所包含的危險因素。結合以往海軍航空兵事故的經驗［5］，本研究調研和開展了大量危險性分析研究，可概括為如表1 所示的幾類危險因素。

2.3空間安全分析

在起飛作業(yè)空間布局安全分析工作中，考慮到正在起飛戰(zhàn)機的危險特性與待命、維護狀態(tài)的戰(zhàn)機存在差別，將預備起飛的戰(zhàn)機作為一個單獨對象，而待命的戰(zhàn)機群由于危險性質相似，則可以作為一個整體對象來討論。由此重新整理可得如下對象：H1為起飛線上的戰(zhàn)機，H2為待命機群，H3為航空油料站，H4為航空保障車輛；H5為作業(yè)人員；H6為軍械彈藥車；H7為警戒直升機。

表1　航空母艦的典型危險因素類別Tab. 1　Hazards types on an aircraft carrier

危險因素之間的最小安全距離可進行量化，形成矩陣表格。按照系統(tǒng)對象的兩兩位置關系，將其可能的安全距離關系劃分為幾類，并定義其安全距離系數(shù)如表2所示。

對上述 7 類作業(yè)對象的空間關聯(lián)關系進行分析，得到對象兩兩之間的安全距離要求等級如表3 所示。

將它們轉化為安全距離系數(shù)矩陣 si，j，如表4 所示。

對上述各安全距離系數(shù)按照同一對象 Hi進行綜合，得到每一種對象在作業(yè)空間中的綜合危險指數(shù)，由此可獲知空間危險關系的排序為：H1＞H2＞H3＞H4＞H5＞H6＞H7，即對航母起飛作業(yè)空間安全影響最大的因素為警戒直升機，其次為待命起飛的固定翼艦載機。

表2　安全距離系數(shù)定義Tab. 2　Definition of spatial safety metrics

表3　分系統(tǒng)之間的空間危險關系Tab. 3　Hazards spatial interactions between sub-systems

表4　分系統(tǒng)之間的空間危險關系系數(shù)Tab. 4　Spatial safety metrics between sub-systems

2.4評估備選的安全布局

在系統(tǒng)進行針對作業(yè)安全的布局規(guī)劃中，存在若干約束和限制條件：1）系統(tǒng)的功能流程此時已經基本設計完成，在布局規(guī)劃中基本無法更改系統(tǒng)所包含的對象類型和數(shù)量，能夠調整的只有對象自身位置和相鄰關系；2）系統(tǒng)中一部分設備的布局位置也有可能已經確定，包括已經固定安裝、成為作業(yè)場地一部分的航空輔助設備，如航空油料保障站位。這類設備會與作業(yè)場所形成固定的組合，因而成為其他設備的布局禁區(qū)；例如升降機在升起時成為飛行甲板的一部分，在其運轉時禁止其他設備進入相應的甲板區(qū)域；3）系統(tǒng)作業(yè)空間的邊界和形狀也是安全布局規(guī)劃必須考慮的約束。

初始的起飛作業(yè)布局如圖2 所示。這一布局方案的特點是一架固定翼艦載機在彈射器上預備起飛，起飛控制指揮人員位于艦載機前側方進行起飛保障；待命戰(zhàn)機全部在起飛線后方待命，所有航空油料車輛、航空保障車輛和航空彈藥車輛伴隨待命戰(zhàn)機進行各類航空機務任務。警戒直升機在飛行甲板左舷值守，承擔事故搜救的功能。

圖2　起飛作業(yè)布局方案 BFig. 2　Launching operation layout plan B

對這一布局進行分析，得到布局方案中對象之間的空間關系（在此表征為間距）如表5 所示。

表5　綜合危險值Tab. 5　Hazard metrics of sub-systems

根據(jù)表6 起飛作業(yè)布局設計方案 A 的實際布局設計，參照表4 分系統(tǒng)之間的空間危險關系系數(shù)，識別其中空間位置沖突的空間關系，統(tǒng)計該布局方案的總危險值為：

表6　起飛作業(yè)布局設計方案A的空間關系Tab. 6　Spatial relations of launching operation layout plan A

其中，

可得到這一方案的空間危險值為 S = 5.00，其中軍械彈藥保障車輛等屬于超限的沖突項。

為消除系統(tǒng)使用布局中的沖突，降低系統(tǒng)風險水平，對起飛作業(yè)的甲板布局進行調整，得到作業(yè)布局方案 B 的空間關系，如表7 所示。這一方案的特點是：待命機群位于起飛線的側前方；將航空保障車輛和軍械彈藥保障設備等布置于遠離起飛線的艦島后方，不僅保證較遠的距離，同時還利用艦島建筑為車輛提供起飛飛機高溫高速燃氣的屏蔽防護。經過評估發(fā)現(xiàn)這一方案的空間危險分值明顯降低。

這一方案實際也是目前“尼米茲”級航母的作業(yè)空間布局。

表7　作業(yè)布局設計方案 B 的空間關系Tab. 7　Spatial relations of launching operation layout plan B

3　討　論

本研究通過建立量化的空間影響關系，識別航母起飛作業(yè)中對空間影響最大的危險因素，并對不同的作業(yè)布局方案的安全性進行了量化評估。通過分析結果可見，美國海軍“尼米茲”級航母的現(xiàn)有的甲板作業(yè)空間布局比較成熟，吸取了多年來各類事故的經驗教訓，作戰(zhàn)飛機、保障戰(zhàn)位、保障車輛和人員的位置分隔合理，防護措施和距離能夠滿足正常作業(yè)和特情情況下的空間安全性要求。

研究還發(fā)現(xiàn)，對于航母等空間狹窄的艦艇空間安全性設計問題，存在以下特點［6］：

1）航母作業(yè)空間中已有的危險源，通常很難采用移除或替代設計。原因在于航空保障系統(tǒng)設計為滿足具體功能需求，子系統(tǒng)、設備、材料等要素必須保留，工程上完全消除危險源不具備可行性；

2）對航母空間進行布局優(yōu)化是有效的危險控制措施。雖然航母各個子系統(tǒng)和作業(yè)過程已經設計固化，但可以通過對設備人員布局的調整優(yōu)化，降低可能的危險水平。其中最典型的策略包括作業(yè)時序上的隔離以及空間上的隔離。

3）航母作業(yè)空間布局還可降低危險的后果，通過建立物理屏蔽和安全距離，減少或消除危險事件對作業(yè)人員和航空保障設備的損傷。

4）空間利用效率與安全性存在矛盾。2個布局方案中，A 方案提供的飛行甲板活動空間更大，作業(yè)效率最佳，但安全性較差。

4　結　語

在工程實踐中，航母的空間作業(yè)安全面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，飛行作業(yè)現(xiàn)場設計通常優(yōu)先考慮出動架次率等效率問題，要求相關的航空保障設備和人員等對象之間的移動距離盡可能縮短；同時，由于起飛作業(yè)區(qū)域的甲板空間已經相對確定，作業(yè)范圍和邊界存在物理約束，將對空間安全問題的解決帶來限制。此外，由于航母作戰(zhàn)任務需求的變化，需要利用有限的空間對飛行作業(yè)流程相關的裝備、系統(tǒng)和部件進行重新布局，以便適應不同的任務要求。布局的變化不僅可能導致飛行作業(yè)暫?；蛑兄?，而且變更之后的空間布局會存在安全沖突的隱患。因此在下一步的研究中，還需要航母飛行作業(yè)管理系統(tǒng)具備實時、動態(tài)的安全布局規(guī)劃能力。

［1］NATOPS landing signal officer manual： NAVAIR 00-80T-104［S］. Washington DC： Office of the Chief of Naval Operations， 2000.

［2］TUGNOLI A， KHAN F， AMYOTTE P， et al. Safety assessment in plant layout design using indexing approach： imple-menting inherent safety perspective： part 1-Guideword applicability and method description［J］. Journal of Hazardous Materials，2008， 160（1）： 100-109.

［3］MUTHER R. Systematic layout planning［M］. 2nd ed. Boston，MA： Cahners Books， 1973.

［4］JOHNSTON J， SWENSON E. A persistent monitoring system to reduce navy aircraft carrier flight deck mishaps［C］//Proceedings of AIAA Guidance， Navigation， and Control Conference. Chicago， Illinois： AIAA， 2009

［5］TUGNOLI A， KHAN F， AMYOTTE P， et al. Safety assessment in plant layout design using indexing approach： implementing inherent safety perspective： part 1-Guideword applicability and method description［J］. Journal of Hazardous Materials，2008， 160（1）： 100-109.

Aircraft carrier flight operation safety analysis based on spatial layout planning

WANG Xiao-yun， ZHAO Ting-di
（School of Reliability and System Engineering， Beihang University， Beijing 100191 China）

Aircraft carrier systems are suffered with risks arising from spatial interaction between aircraft， system components and aircrews. We proposed a safety assessment method for such spatial safety issues. First， the cause of spatial hazard was reviewed， the effects of abnormal event was analyzed. Then a metric for spatial hazard was set up to provide a qualitative measure for assessment and decision. On this basis， two layout safety assessment method was narrated with the example of aircraft carrier flight deck safety problem.

aircraft carrier；flight operation；spatial layout；safety

E926.392；E925.6

A

1672-7619（2016）05-0147-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.05.031

2015-11-23；

2015-12-01

王曉云（1975-），男，博士研究生，研究方向為可靠性與系統(tǒng)工程，安全性與健康管理技術。