民用机场鸟击的风险评估

民用机场鸟击的风险评估

国内鸟类防范鸟击技术现状鸟类碰撞是指在飞机的作用和过程中，与鸟类、蝙蝠和其他飞行物发生的事件。自从有了航空器就有了鸟击事件,鸟击问题给航空业造成巨大的经济损失,同时也危及乘客和飞行员的生命安全,轻则延误、轻微损害班机,重则机毁人亡,故如何防范鸟击成了关系民航安全的重大课题。近年来我国民航业的迅速发展,鸟击逐渐成为影响航空安全的重要因素。目前国内针对鸟情主要是依靠专门的人员进行观察和对鸟类种群在机场附近的分布和活动规律进行了调研,建立鸟类标本模型和制作了鸟类活动的简略平面图,依照历史鸟情分析防范鸟击。根据经典的风险理论,风险被定义为损失发生的不确定性。鸟击的风险是无时无刻不存在的,但是依据机场的地理位置、气候特点和时间信息,飞机的特点以及鸟类的生活规律,可以给出一个宏观的鸟击风险,即依据这些因素大致判断出鸟击的可能性,以确定防范的方案。纵观国外研究现状,典型的系统有两个,即欧洲的BIRDTAM系统和美国的BAM系统。这两个系统都是采用各种技术手段采集并分析鸟类的栖息,迁徙和其他特征,将这些信息与划定空域数据关联从而判定出鸟击的风险。本文首先引出了我国民用机场分布的主要特点和鸟类迁徙路径的简要分析,并论述了鸟情和飞机的因素对鸟击风险的影响,然后简要介绍了对统计鸟情数据进行风险评估的方法,然后通过大连和北京两个典型机场的例子给出了的鸟情分析。一、中国机场分布与鸟类栖息地运动研究1.我国大陆地区各机场分布的密度按照地理上对中国地图划分的惯例,把我国机场分布划分为西北、华北、东北、西南、华中、华东、华南和台湾地区八大区域,如图1和图2所示。从图1中我们可以得到我国大陆地区机场分布的密度的直观判断,青藏高原上机场分布最为稀少,而其他地区中,西北地区机场也较少,其次是东北、华北和西南地区,而华中华东和华南地区机场分布最为密集。台湾地区的机场主要分布在海岸线附近,如图2所示。2.鸟类迁徙的地域候鸟在我国国境范围内大范围的迁徙可以大致分为以下三条路线,如图3所示。(1)西部候鸟迁徙区:在内蒙古干旱草原,青海,宁夏等地的干旱或荒漠、半荒漠草原地带和高原草甸等环境中繁殖的夏候鸟,它们迁飞时可沿阿尼玛卿、巴颜喀喇、邛崃等山脉向南沿横断山脉至四川盆地西部、云贵高原甚至印度半岛越冬,西藏地区候鸟除东部可沿唐古拉山和喜马拉雅山向东南方向迁徙外,部分大中型候鸟可能飞越喜马拉雅山脉至印度、尼泊尔等地区越冬。(2)中部候鸟迁徙区:在内蒙古东部、中部草原,华北西部地区及陕西地区繁殖的候鸟,冬季可沿太行山,吕梁山越过秦岭和大巴山区进入四川盆地以及经大巴山东部向华中或更南地区越冬。(3)东部候鸟迁徙区:在东北地区、华北东部繁殖的候鸟,它们可能沿海岸向南迁飞至华中或华南,甚至迁到东南亚各国;或由海岸直接到日本、马来西亚、菲律宾及澳大利亚等国越冬。除上述可能迁徙路径外,还应包括冬季由蒙古和原苏联亚洲部分迁来我国越冬的部分冬候鸟,还有青藏高原、云贵高原某些种类的候鸟,因季节影响而进行的短距迁徙和某些种类所作的自西向东的迁徙。3.城市主要生境留鸟是指终年生活在一个地域,不随季节迁徙的鸟。我国的留鸟主要有麻雀、乌鸦、白头翁、喜鹊、画眉、鱼鹰、啄木鸟、鹰等。麻雀:全国都有分布,大多栖息在居民点或其附近的田野。白天活动范围在2～3公里内,夜间匿藏于屋檐洞穴中或附近的土洞、岩穴内以及村旁的树林中。麻雀身材短小,飞行距离有限,飞行时速度每秒种不超过8～10米,高度一般在10～20米,而且飞行不能持续到4分钟。乌鸦:全国大部分地区都有分布,根据分布的地区不同,乌鸦种类也有所区别。如秃鼻乌鸦分布在我国东部和东北地区;白颈鸦分布在华北以南平原至低山上;高原地区分布的是体型最大的渡鸦,等等。乌鸦适应能力强,智力较高,城市郊区均可以见到,近年来城市的热导效应和垃圾问题导致城市中乌鸦数量呈上升趋势,且集群性强。白头翁:白头翁主要分布在我国长江以南的广大地区,在香港最为常见。栖于林缘、灌丛、红树林及林园等地,尤其是矮树篱或灌丛的最高处。习性活泼,多群集于果树上,对人类没有恐惧。秋冬两季活动集群规模较大,夏春两季较小。喜鹊:在中国,除草原和荒漠,其他地区均有喜鹊分布。喜鹊喜欢把巢建在居民旁边的大树上,在居民点附近活动。除秋季结成小群以外,全年大多成对生活,主要在旷野和田间觅食。画眉:主要分布在我国的江苏、浙江、安徽、湖北、四川、云南、贵州、陕西等地,台湾地区也有,但外表略有不同。该鸟为普遍性留鸟,主要栖息于海拔1000米以下之山丘的浓密灌木林中,喜欢在晨昏时于枝头上鸣唱。啄木鸟:在中国除内蒙古外,其他各地均有分布,夏季常栖于山林间,冬季大多迁至平原近山的树丛间,随食物而漂泊不定。综上所述,我国鸟类种类繁多,分布范围广,因此十分有必要分析鸟情对鸟击风险的影响。二、影响鸟类攻击的风险1.鸟类的种群密度和时间(1)鸟情的质量特征国外研究发现,通常意义下鸟类体型越大飞行速度越快,但是这也不是绝对的。而鸟类的质量,而尤其是鸟群迁徙飞行时,鸟类的质量称为撞击力的决定性因素,因为鸟类的飞行速度与飞机的飞行速度相比,可以忽略不计,而依据动能定理,质量的大小决定了撞击力的大小。(2)鸟类的种群密度在候鸟的迁徙季节,鸟类的种群密度大小直接决定着对航空器飞行安全威胁的高低。对于鸟群在机场附近的整体数量,可以通过巡逻和监测等方法得到。在植被覆盖密集的地区,鸟类的群体密度一定大于植被稀疏的地区。另外,如果很大一群飞行中的鸟直接撞向飞机,导致的损坏和一只质量相当的大鸟造成的损坏是相当的。因此,种群密度也是一个需要重点考察的因素。(3)鸟群出现的时间迁徙鸟类会在每年的三四月份和九十月份进行成群迁徙。七八月份是雏鸟开始学习飞行和老鸟换羽毛的季节,这段时间它们的飞行能力会有所下降。在这三个时间段内,鸟击风险较大。绝大多数鸟类是在白天活动。黎明和黄昏由于觅食和回巢活动鸟类也比较集中。因此在预测鸟击风险时,可以依据季节和时间进行评估。2.飞行频率的影响(1)飞机的大小和质量一般来讲,飞机的大小和质量与鸟击风险并无直接的关系。不过大型飞机通常具有更大的可造成严重损坏的撞击面。目前大型客机采用的都是高涵道比喷气式发动机,飞行时的巨大吸力很容易将鸟类吸入发动机造成鸟击事故。(2)飞机的飞行频率飞机起降的频率架次对鸟击来说也是一个重要的参考量,一个机场越繁忙,鸟击的潜在风险也就越大。同时,机场的飞行频率越高,对于雷达探测防范鸟击来说分辨难度也越大。(3)起飞和降落的时间据资料统计,机场早晨的航班数相对较少,而傍晚接近常见吞吐量,因此傍晚是机场防范鸟击的重点。上述数据可以统计如附表(依据北京首都国际机场主页的航班查询信息)。三、鸟攻击发生时的分析1.大型鸟类飞机和气动作用下的鸟击预防鸟击对航空器动力系统的破坏造成的后果非常直接。对飞行器动力系统的破坏常常是致命的,会直接导致飞机失速坠毁。现在最常见的喷气发动机在鸟击方面有一些值得注意的特点:①燃气涡轮发动机的结构、部件和高转速压气机和涡轮速度等特点令其在鸟击损坏方面易于受损。②喷气发动机的高进气率不仅可以使飞鸟飞进发动机,发动机还能主动吸入飞鸟。③涡扇发动机较大的前部区域增加了鸟击的可能性。④大型涡扇发动机用于机动性差的飞机,因此无法采取避开鸟的行动。⑤现代喷气发动机通常比老型号更安静。安静的飞机无法给飞鸟提供足够的时间采取规避行动。⑥在起飞和初始爬升(以及进近和着陆)过程中,涡轮驱动的飞机比轻型飞机的速度快得多;随之产生的鸟击冲力及对发动机造成损坏的潜在影响也将更大。因此,防范鸟击的主要目的就是防范鸟撞击航空器的核心动力系统。(2)鸟击对飞机风挡的影响风挡的机械强度比其他部位低,更容易在鸟击后损坏,导致航空器失去导航系统的指引。风挡所受的撞击包括仅残留少量血迹到大范围破碎的多种情况。血迹会遮挡飞行员视线;而发生穿透性撞击时,鸟的残骸和风挡碎片可能引起机组成员受伤甚至死亡。(3)鸟击对机翼和尾部结构的影响飞行中的鸟类与机翼前缘或尾部部件相撞可能导致蒙皮凹陷或穿孔,并且可能撕裂或扭弯金属,可能会损坏操纵舵面。严重情况下鸟可以穿入航空器机构内,损坏梁和操纵钢索或液压部件,从而影响飞行操纵,产生危险。(4)鸟击的延迟损坏鸟击事故的一种较为险恶的后果是造成不易立即发现的损坏,即延迟损坏。因此要重视对航空器的例行检查,以免鸟击延迟损坏威胁航行安全。2.航空器的撞击力鸟击的损失与航空器受损部位、受损程度直接相关,而航空器受损程度又是由航空器与鸟相撞所产生的撞击力决定的。有许多因素影响鸟的撞击力,包括碰撞速度、鸟的重量、鸟的密度、鸟的硬度、碰撞的角度、碰撞表面的形状、碰撞表面的硬度。航空器上撞击力的精确计算包括鸟的重量、撞击速度、鸟的尺寸和形状、鸟的密度和撞击角。如果以公式表示,撞击力应与鸟的质量和撞击速度平方成比例。按照近似计算得出,4磅的鸟撞击速度为300节的航空器的风挡时,产生的撞击力高达55000磅。同时,12磅的雁撞击速度为300节的航空器的风挡时,产生的撞击力高达82000磅。这个撞击力超过了风挡安全审定标准的200%到300%。因此,高速航行的飞机与一只质量为1千克小鸟相撞而作用于飞机上的冲击力相当于一颗炮弹的能量。目前任何飞机的任何部分都不能确保能够经受如此撞击而不发生危险。四、几个可能的模型可以评估鸟类攻击的风险1.各因素权重的确定由于鸟击风险评估本身存在大量的不确定性因素,各个因素的危险级别划分、标准的制订都具有模糊性,因此模糊数学在鸟击风险评估中有很重要的价值。模糊数学法应用的基本步骤是:(1)按照历史经验将鸟击风险的各个因素的危险程度划分为各个等级,分别建立对于不同级别的隶属函数;(2)将每个因素的级别指标通过隶属函数求出其对应的各个级别的隶属度,也即将各个因素的危险程度划归到各个级别中。这样就对每个单项指标进行了评价,得出一个模糊矩阵;(3)根据各个因素在鸟击风险中的影响大小,给予不同的权重,为了便于模糊运算,将单项权重进行归一化处理。单项指标在总体中的权重大小与单项分级标准无关;(4)进行模糊矩阵的符合运算,即可得出综合评价的结果。2.空间/时间融合模型(1)基本概念数据融合系统是通过多传感器采集到的各种信息运用一定的算法处理,得出更多的信息。在多传感器数据融合系统中,各传感器的信息具有不同的特征:实时的或者非实时的,快变的或者缓变的,模糊的或确定的,互补的或相互支持的,互相矛盾或者竞争的。通过对这些传感器机器观测信息的合理支配和使用,把多个传感器在空间或者时间上的冗余或互补信息依据某种准则来进行组合,以获得被测对象的一致性描述。(2)时间融合与空间融合在鸟击风险评估中,时间和空间的因素都很多,所以需要使用多个在不同位置上的传感器来进行观测。各个传感器在不同的时间和空间对单一目标(如鸟的位置和气象条件)的观测值不同,从而形成一个集合。按照融合的顺序不同,可以分为时间/空间融合和空间/时间融合两种方法。时间/空间融合是对观测值进行时间融合,得出每个传感器对目标状态的估计,然后将各个估计进行空间融合,从而得到被监测的最终估计。同样,空间/时间融合是先对观测值进行时间空间融合,得出被测对象的位置估计,然后再进行时间融合,得出最终估计。时间空间融合是指时间空间融合同时进行,这种方法具有较好的融合效果,但系统组成复杂。鸟击风险评估的时间和空间因素对评估结果都很重要,所以应该采用时间空间同时融合的技术来进行评价。3.分析雷达回波目前人工神经网络有数十种模型,在此仅简述比较典型的BP网络。BP网络属于多层状型的人工神经网络,分为输入层、隐层和输出层,各层的神经元作用都是不同的。输入层接受外界信息,输出层则对输入信息进行判别和决策,中间的多层隐层则用来表示或者存储知识。若将鸟击风险中的历史记录和先验知识作为样本输入,评价级别作为网络输出,网络自身通过不断学习,归纳出评价标准和评价级别之间复杂的内在对应关系,便可以得出一个中肯的评价结果。在雷达回波信号分析方面,加拿大的学者已经提出了针对雷达杂波的多层人工神经网络分类器,并阐述了一个基本算法,通过该人工神经网络分析出气象、目标(航空器)、鸟类、地面等多种目标。对四种目标的分类准确性能够达到77%以上,平均准确率达到88%以上。因此,在鸟击风险评估方面,人工神经网络拥有广泛的应用前景。五、典型示例1.大连国际机场的鸟类保护目前我国机场防范鸟击采用的方法主要是通过人工观测和历史统计归纳出鸟类的活动规律,并使用大量的驱鸟设备驱逐鸟类。我国大连周水子国际机场就是一个典型例子,该机场位于东北三省的最南端,处于东北候鸟南迁的必经之路上,发生鸟击的几率较高,为此,大连国际机场首先对鸟类种群在机场附近的分布和活动规律进行了调研,建立了鸟类标本展室,制作了鸟类活动平面图,并进口了大量的驱鸟设备,增编了驱鸟分队,并在鸟类活动最为频繁的时候通过捕杀和诱杀鸟类来防范鸟击。更为繁忙的首都国际机场也面临严重的鸟击威胁,而防范鸟击方法与大连机场基本相同。相比国外采用雷达防范鸟击的系统,我国目前的这种方法效率较低,人工成本大,而且反应时间慢,一旦出现情况不能及时通知飞机进行躲避,应尽早进行更新换代。2.视觉监测和取得技术的发展鸟击防范是一个长期的系统工程,大致有以下几种方法:(1)鸟击的生态治理:环境治理与切断食物链。自从民航法颁布实施以来,各机场均采取了封闭措施,因此机场内部的生物种群都有了一定数量的增长,因此首先要从清除草和小灌木开始,对所有机场内部和周围的植物种群进行有效的控制,这样就可以切断鸟类食物链下级如老鼠、昆虫等的食源。同时,也应该对周边水系进行适当治理,以控制植物生长,从而达到有效控制鸟类数量的目的。(2)运用高科技手段提高鸟类探测能力:国外学者已经将雷达探测鸟类付诸实践,即利用价格并不昂贵的船用雷达,辅以图像采集卡、监视器和计算机,组成一个实用的鸟类活动监测系统。这个系统可以实时地对雷