洪鵬生

（中國直升機設計研究所 江西省景德鎮(zhèn)市 333001）

在生產實踐、科學實驗中，人們經常會遇到這種模糊現象，即事物具有的兩面性的分界線往往不夠明顯，如大和小、輕和重、快和慢等都包含著一定的模糊概念，本文需要討論的無人直升機試驗試飛安全也屬于其中的一種。隨著科學技術的發(fā)展，各學科領域對于這些模糊概念有關的實際問題往往都需要給出定量的分析，這就需要利用模糊數學這一工具來解決。

安全風險評估是指在風險事件發(fā)生之前或之后，該事件給人們的生活、生命、財產等各個方面造成的影響和損失的可能性進行量化評估的工作。風險評估就是量化測評某一事件或事物帶來的影響或損失的可能程度。在眾多風險評估方法中，層次分析法以其定量和定性相結合地處理各種評價指標的特點，以及系統(tǒng)、靈活、簡介的優(yōu)點，受到大家的青睞。其特點是將人的主觀判斷過程數學化、思維化，以便使決策依據易于被人接受，因此，更能適合復雜的社會科學領域的情況。由于層次分析法在理論上具有完備性，在結構上具有嚴謹性，在解決問題上具有簡潔性，尤其在解決非結構化決策問題上具有明顯的優(yōu)勢。層次分析法最大的問題是某一層次評價指標過多時，其思維一致性很難保證。在這種情況下，將模糊法與層次分析法兩者優(yōu)點結合起來形成的模糊層次分析法，將能很好的解決這一問題。

無人直升機除了可以替代有人直升機完成探潛、偵察警戒、通信中繼、電子對抗、目標指示、物質輸送以及火力支援等任務外，還可通過有人無人協同工作模式完成任務。無人直升機以其能垂直起降、無人員傷亡和生理使用限制等優(yōu)點成為了直升機重要的發(fā)展趨勢之一。無人直升機試驗試飛是驗證無人機設計指標、檢驗質量和改進提升性能的重要手段。無人直升機試飛作為研制過程中的漫長而關鍵的一環(huán)，是一項具有高度綜合性、高復雜性和高風險性質；貫穿于飛行研究、新機設計、生產、研制和使用的全過程；驗證各系統(tǒng)功能和性能，探索無人直升機性能邊界的系統(tǒng)性工程。其按照性質和任務可分為研究性試飛、調整試飛、定型試飛、使用試飛和驗收試飛。如何對無人直升機各類試飛過程中可能產生風險的來源進行條目化歸類和分析，并計算出這些風險源對試飛安全的影響權重值，進而進行安全評估。根據評價矩陣逆向得出影響試飛安全指標的薄弱項，結合影響權重，通過制度和技術上的手段合理的加強需要提升要求的指標項，從而提高無人直升機試飛的安全性。

1 無人直升機試飛安全評估指標體系的建立及依據

1.1 指標體系的建立

無人直升機試飛安全評估是一個多指標模糊綜合評價的問題，建立的指標體系既要客觀全面的反映出對試飛安全的影響，各指標之間還應該具備獨立性和層次性。結合以上原則，本文按照層析分析法（AHP）建立如圖1 所示指標體系，并按順序對各指標進行編號。

圖1： 安全評估指標體系

1.1.1 無人直升機

如圖2 所示，與無人直升機有關的主要有系統(tǒng)及性能和地面控制站。在復雜多變的試飛環(huán)境中，為了提高無人直升機的安全性，無人直升機在三大系統(tǒng)（旋翼、傳動、發(fā)動機）穩(wěn)定性方面和機體結構的剛強度方面要做相應的提升和加強。且具有一定的發(fā)動機可用過載功率以應對例如風切變等可能出現的特殊氣象環(huán)境。飛行控制系統(tǒng)是無人直升機的核心子系統(tǒng)，在進入自主飛行狀態(tài)時，飛行控制系統(tǒng)會全權限控制飛機按照計劃的航線執(zhí)行飛行任務，即使出現數據鏈中斷情況，無人直升機也會按照返航航線安全返回。因飛控系統(tǒng)的重要性，在設計飛控系統(tǒng)都會設計相應邏輯保護和冗余設計，這些都是對試飛安全的重要保障。地面控制站作為與無人直升機交互的渠道，具有對飛行平臺和任務載荷進行監(jiān)控和操縱的能力。在實際試飛任務實施中，地面控制站作為整個無人直升機系統(tǒng)的指揮和控制系統(tǒng)中心，飛行控制員控制無人機產生的控制指令和數據，通過數據鏈發(fā)送給無人機的飛控計算機，從而完成飛行控制。此外地面控制站通過數據鏈接收無人機平臺狀態(tài)信息，進行解析和顯示。地面控制站的硬件故障、軟件運行和供電系統(tǒng)穩(wěn)定性等因素直接影響地面站的工作狀態(tài)，因無人直升機控制和任務系統(tǒng)復雜，人機交互界面友好方便無人機控制員更好的控制無人機。

圖2： 無人直升機系統(tǒng)指標

1.1.2 數據鏈

如圖3 所示，與數據鏈有關的因素包括測控鏈路穩(wěn)定性、衛(wèi)通鏈路穩(wěn)定性和試驗試飛場地電磁環(huán)境。無人直升機數據鏈路提供了無人直升機與地面控制站之間的通信鏈路，是無人直升機系統(tǒng)的重要組成部分，無人直升機控制員在地面或其它裝載平臺通過數據鏈對飛行器進行操控，同事也通過數據鏈操縱飛行平臺所攜帶的各類任務載荷。數據鏈路和衛(wèi)通鏈路的穩(wěn)定性關系著能否對飛機進行實時監(jiān)控。在外場復雜的試驗環(huán)境中，在首次飛行前需驗證起飛、降落場地和飛行空域范圍內的電磁環(huán)境，明確對無人直升機系統(tǒng)的影響程度，如果存在影響數據鏈的強大電磁輻射干擾源應該重新修改航線避開干擾區(qū)，確認無法避開應該重新選擇試飛場地和空域。

圖3： 數據鏈指標

1.1.3 試飛相關人員

如圖4 所示，與試飛相關人員有關的因素包括人員身心健康與工作強度、試飛相關人員技術水平和應急處理能力和對試飛安全管理體系執(zhí)行情況。在試飛任務實施前，要對人員身心健康進行確認，確保人員精力充沛的進入工作崗位。據統(tǒng)計，研究人員分析造成無人機失控和墜毀的事故原因，發(fā)現造成事故出現的影響因素中，設計、技術和規(guī)則等雖然在影響因素之列，但由于無人機操作人員的操作失誤和訓練不足導致的“人為因素”占比高達75%。因此做好無人機試飛人員的培訓工作，使之掌握無人機的試飛技術和操作技能，是影響無人機系統(tǒng)能否安全完成試飛任務的關鍵。試飛相關人員除了遵守試飛安全管理體系，按規(guī)定的作業(yè)文件和程序文件實施試飛任務外，還要對不同試飛任務的無人直升機系統(tǒng)、空域內氣象和地面站系統(tǒng)的變化有著深入的了解，并做出相對應的應急預案以應對隨時出現的應急情況。

圖4： 試飛相關人員指標

1.1.4 氣象環(huán)境

如圖5 所示，與氣象環(huán)境有關的因素包括起飛、降落場地的氣象信息（地面大氣溫濕度、地面風速和風向、降水情況等）和飛行空域的氣象信息（空中風速和風向、云層情況和降水情況等）。溫濕度對發(fā)動機輸出功率有著一定的影響，在低溫測試環(huán)境中還是判斷飛行高度結冰條件的重要因素，高溫環(huán)境測試中直接影響無人直升機的最大起飛重量。

圖5： 氣象環(huán)境指標

2 基于模糊層次分析法的安全評估

模糊層次分析法是一種層次分析法和模糊綜合評價相結合的評故方法。首先對分析對象進行逐層分解，同等級的元素相對于上一級元素的影響通過依據比例標度表進行比對評分，從而形成同層次元素的模糊判斷矩陣，進而得到各子元素相對于母元素的權重。然后依據一定的準則對各評價指標進行量化評定確定評價集V，得出相對應的評價矩陣R。將評價矩陣和權重結合進行綜合運算，得出準則層和指標層的模糊矩陣Y，最后根據模糊綜合評價隸屬度最大準則得出對目標的評價結果。本次安全評估以無人直升機某試驗科目為例。出于篇幅原因，只對A、B、C 三個等級的層次結構之間的元素建立模糊判斷矩陣進行分析評估。

2.1 基于FAHP的評價指標權重確定

依據判斷矩陣標度表（表1），影響因素層級之間進行比較，得到如表2 和表3 所示的模糊判斷矩陣。

表1： 比例標度表

表2： B 層級評估指標的模糊判斷矩陣和權重值

表3： C 層級評估指標的模糊判斷矩陣和權重值

綜上，可綜合得到影響試飛安全各指標層權重值，最終可得出各指標的綜合權重如表4 所示。

表4： 指標體系權重結果

通過模糊判斷矩陣可知B 層級中對試飛安全A 影響的權重由大到小依次為B、B、B、B。再根據C 層級相對于B 層級的權重值，得出C 層級相對于試飛安全A 的權重值由大到小依次為C、C、C、C、C、C、C、C、C、C。根據各指標權重的總排序，可適當加大對權重占比較大指標的安全控制措施。

2.2 確立評價集V

將評價指標體系指標結果劃分為“安全、較安全、臨界、危險、非常危險”5 個等級，構成一個評語的有限集合V=[v，v，v，v，v]，通過向各方面專家和相關管理人員的咨詢得出了此次無人直升機試飛科目的評價矩陣R、R、R、R如下：

2.3 模糊層次綜合運算

根據Y=W*R，分別計算B、B、B、B的模糊矩陣Y、Y、Y、Y。

再根據公式Y=W*R，得出試飛安全的模糊矩陣Y：

Y=[0.1264612 0.3331689 0.3428582 0.1975117 0]

根據隸屬度接近原則，可知此次科目的無人直升機試飛安全綜合評估處于較安全和臨界狀態(tài)之間。

2.4 結果分析

根據專家和相關管理人員給出的評價矩陣并結合指標權重可知，影響該科目試飛安全的指標為:地面站、測控鏈路穩(wěn)定性、衛(wèi)通鏈路穩(wěn)定性、電磁環(huán)境和降落場地信息，可見在試飛場地電磁干擾環(huán)境復雜，實施試飛的過程中如果發(fā)生因電磁環(huán)境干擾，而中斷測控鏈路和衛(wèi)通鏈路，無人直升機自動啟動應急返航預案，但在自動返航的過程中如果沒有對降落場地氣象信息進行實時監(jiān)控，此時如果場地氣象突變將會加大試飛安全風險。綜上所述，對提升無人直升機試飛安全提出如下建議：

（1）加強對電磁環(huán)境的監(jiān)控力度，在飛行前通過提升雷達功率等措施，不斷尋找合適頻點以提升無人直升機系統(tǒng)的測控鏈路穩(wěn)定性和衛(wèi)通鏈路穩(wěn)定性。

（2）如確實發(fā)生數據鏈中斷故障，因數據鏈中斷而返航的無人直升機在自動降落過程中沒有人工輔助情況下如遇突發(fā)氣象條件易發(fā)生安全事故，加強對降落場地氣象信息的監(jiān)控能力，并嘗試數據鏈的重連。

3 結語

利用模糊層次分析法對試飛安全進行評估能夠全面的考量到影響試飛安全的各個指標，與傳統(tǒng)的安全評估方法相比較，更加的直觀、準確。通過對得出的指標評價矩陣和權重進行分析，可以發(fā)現對試飛安全危害性權重大的指標，針對性的制定相應對策，從而提高試飛的安全水平。