李曉晗 王慧瑩 程旭 付帥 佀慶民

摘 要

運(yùn)用 STAMP模型對(duì)無人機(jī)事故分析，挖掘關(guān)鍵事故致因，研究低空聯(lián)網(wǎng)無人機(jī)飛行事故多風(fēng)險(xiǎn)因素耦合關(guān)系，從而促進(jìn)無人機(jī)監(jiān)管的完善，加速無人機(jī)應(yīng)用的創(chuàng)新和發(fā)展。以及提高行業(yè)安全管理水平。

關(guān)鍵詞

無人機(jī);安全分析方法;STAMP;風(fēng)險(xiǎn)矩陣法

中圖分類號(hào)： V279;V328 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 24

0 引言

無人機(jī)（Unmanned Aircraft，UA）是由控制站管理（包括遠(yuǎn)程操縱或自主飛行）的航空器，也稱遠(yuǎn)程駕駛航空器[1]。近年來，無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展不斷加快，并逐漸從軍用領(lǐng)域延伸到了民用領(lǐng)域。中國(guó)無人機(jī)近五年市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)迅速，如圖1所示[2]。

隨著無人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，無人機(jī)安全事故也不斷發(fā)生并有所升級(jí)。2017年1-4月，杭州蕭山機(jī)場(chǎng)、重慶江北機(jī)場(chǎng)、成都雙流機(jī)場(chǎng)等多次遭遇民用無人機(jī)的干擾，導(dǎo)致多個(gè)航班取消、延誤或者迫降其他相鄰機(jī)場(chǎng)，嚴(yán)重影響了社會(huì)安全，造成重大經(jīng)濟(jì)損失;2018年4月，山東某地出現(xiàn)違規(guī)使用民用無人機(jī)發(fā)生故障墜落引起了山區(qū)森林火災(zāi)。

運(yùn)用系統(tǒng)理論事故模型與過程（STAMP）、風(fēng)險(xiǎn)矩陣（RM量化模型）等方法，可以分析無人機(jī)在運(yùn)行中的事故發(fā)生率，從而促進(jìn)無人機(jī)監(jiān)管的完善，因此對(duì)無人機(jī)安全飛行風(fēng)險(xiǎn)的研究和評(píng)估是十分必要的。

1 無人機(jī)事故耦合研究機(jī)理

1.1 層級(jí)控制結(jié)構(gòu)模型

依據(jù)STAMP模型工作原理，將系統(tǒng)作為一種層級(jí)控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。其中高層次系統(tǒng)對(duì)低層次系統(tǒng)的行為進(jìn)行安全約束，低層次將其運(yùn)行的結(jié)果反饋給高層次，使高層次系統(tǒng)對(duì)決策進(jìn)行調(diào)整。在無人機(jī)事故研究中，將操縱者作為控制層，無人機(jī)作為執(zhí)行層，系統(tǒng)通過各個(gè)層次處于一種受控的平衡狀態(tài)[3]。

1.2 STAMP工作機(jī)理

STAMP是以系統(tǒng)理論的過程分析方法為基礎(chǔ)，所提出的安全性分析方法。STAMP的工作機(jī)理主要分為三個(gè)部分：安全約束、分層安全控制結(jié)構(gòu)和過程模型。該方法認(rèn)為事故的發(fā)生是由于缺少安全約束或控制執(zhí)行不充分。在STAMP中，系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，隨變化持續(xù)運(yùn)作。因此，依據(jù)STAMP模型分析事故的主要包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：識(shí)別系統(tǒng)危險(xiǎn)以及安全約束;構(gòu)建系統(tǒng)分層安全控制結(jié)構(gòu);找出控制結(jié)構(gòu)中的控制缺陷及違反安全約束的控制動(dòng)作。

1.3 無人機(jī)安全系統(tǒng)STAMP模型

基于歷史數(shù)據(jù)獲得無人機(jī)飛行中存在的風(fēng)險(xiǎn)， 提取出主要安全風(fēng)險(xiǎn)因子包括操縱者、無人機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和環(huán)境。這些風(fēng)險(xiǎn)相互影響，相互作用， 形成耦合關(guān)系，建立無人機(jī)系統(tǒng)的STAMP模型[4]如圖2。

2 風(fēng)險(xiǎn)矩陣量化模型

2.1 風(fēng)險(xiǎn)矩陣量化模型指標(biāo)體系建設(shè)

對(duì)無人機(jī)進(jìn)行定量的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)必須首先確定導(dǎo)致無人機(jī)墜機(jī)的致因。按照STAMP模型，從人自身的原因、無人機(jī)的原因，網(wǎng)絡(luò)反饋、飛行環(huán)境四個(gè)方面分析，得到指標(biāo)體系見表1[5-8]。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)矩陣量化模型

風(fēng)險(xiǎn)矩陣法是一種定性的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析方法，綜合評(píng)估危險(xiǎn)發(fā)生的可能性和傷害的嚴(yán)重程度的風(fēng)險(xiǎn)大小，是一種將風(fēng)險(xiǎn)可視化的工具，主要用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域。對(duì)事故場(chǎng)景風(fēng)險(xiǎn)，可根據(jù)場(chǎng)景頻率計(jì)算結(jié)果和后果等級(jí)，使用定量數(shù)值風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)、風(fēng)險(xiǎn)矩陣等形式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估。風(fēng)險(xiǎn)矩陣量化是通過風(fēng)險(xiǎn)的兩個(gè)維度來分析：發(fā)生頻率與一旦發(fā)生所造成后果的嚴(yán)重程度[9]。

風(fēng)險(xiǎn)因子是矩陣分析的基礎(chǔ)，通過定性分析將風(fēng)險(xiǎn)因子分為12個(gè)因素，按照每個(gè)因素的重要程度刻畫事故發(fā)生的可能性和嚴(yán)重度，作為風(fēng)險(xiǎn)矩陣中行和列的指標(biāo)，得到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)表見表2。

3 結(jié)論

隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，對(duì)無人機(jī)總體參數(shù)性能要求將會(huì)越來越高，其中如何有效運(yùn)用安全系統(tǒng)的思想，降低無人機(jī)事故率，有效預(yù)防各種不安全因素已成為當(dāng)前不容忽視的重大課題。

本文通過對(duì)無人機(jī)在5G低空聯(lián)網(wǎng)背景下事故多風(fēng)險(xiǎn)耦合關(guān)系進(jìn)行研究，提出使用STAMP模型構(gòu)建無人機(jī)安全系統(tǒng)指標(biāo)體系，并對(duì)無人機(jī)事故進(jìn)行安全性定性分析，可以更加全面地識(shí)別無人機(jī)飛行過程中不安全因素及其原因，邏輯清晰、定位精準(zhǔn)。并綜合危險(xiǎn)發(fā)生的可能性和傷害的嚴(yán)重程度，通過風(fēng)險(xiǎn)矩陣直觀的反映了各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素導(dǎo)致事故發(fā)生的權(quán)重。上述無人機(jī)事故多風(fēng)險(xiǎn)耦合研究可為今后無人機(jī)研制及試飛過程提供相應(yīng)的參考。

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