对近距匹配进近碰撞风险的影响因素分析

对近距匹配进近碰撞风险的影响因素分析

关于如何使用距离短距离道路（距离小于770m的平行道路）来定义平行交通的问题，old在1996年提出了一个基本的计划，并在1998年改进了配置交通的概念。RockyStone提出的配对进近思想是,两架飞机可以在前后纵向距离很小的情况下同时进行平行进近,后机在与前机满足最小碰撞风险安全间隔的基础的前提下,在前机的尾流之前避开尾流的影响。配对的飞机之间必须有IFR规定的间隔。在近距平行跑道上采取配对进近可以提高跑道的容量,但同时也使空中交通管制问题变得复杂起来,因此对配对进近碰撞风险的研究显得尤为重要。国外对飞行碰撞风险的研究很多,但是大部分是针对航路和独立运行的平行跑道的。1966年英国ReichPG最早针对平行航路系统在纵向、侧向、垂直方向分别进行了碰撞危险建模,该模型主要适用于计算碰撞危险和间隔之间的关系。NASA的Langley研究中心研制了近距跑道平行进近的AILS(空中侧向间隔系统)系统,用以解决平行跑道间隔大于760m的同时进近,该系统采用数值估算近似算法来确定跑道上或航路上航空器之间的碰撞风险。在分析平行进近的影响因素方面,Boeing公司通过对平行进近中的反应时间,进近航迹,进近速度,飞机滚转率等的分析,对影响平行跑道独立进近碰撞风险的因素进行了系统的研究,对各影响因素进行了量化分析。国内对碰撞风险分析的主要成果有:张秀辉对平行跑道安全间隔研究方面给出了相应的评估模型和计算方法,并进行了实例验证。张兆宁,张晓燕分析了侧向碰撞影响因素,利用Reich模型和概率论理论,建立了非洋区VOR导航下平行航路的侧向碰撞率计算模型。张兆宁、张秀辉等人对平行航路上的碰撞风险模型进行改进,根据改进模型特点,建立迭代算法,计算出了平行航路各个方向上的安全间隔。本文拟针对配对进近的碰撞风险问题进行研究,对影响配对进近碰撞风险的因素进行分析并给出相应的概率分布,使用事故树分析法对配对进近碰撞风险进行定性分析。1影响对比因素分析当两架飞机在执行配对进近时,根据飞行中的实际情况,它们的碰撞概率受到飞机自身气动参数、导航侧向误差、人员和设备反应的总延时、飞机的初始距离、飞机速度的影响,下面将分别对这些影响因素进行定量分析。1.1几何参数的确定为了更准确的模拟配对进近中的飞行冲突和紧急避让机动(EEM),我们使用B737同时作为冲突和避让飞机。B737的几何参数如下:机身长度L=129.6ft,翼展b=112.5ft。对于B737的气动特性,当B737的襟翼打开到最大位置时,飞机的滚转角加速度最大值为10度/秒。1.2探索了2种典型仪表心理模型,即聚合式的心理误差fingct三维由于飞机导航误差而无法达到定位所需的导航侧向精度,飞机飞行航迹相对于预定航迹在侧向的偏差,被称为导航侧向误差(LateralNavigationError)。它可以被划分为导航精度误差(NavigationSensorError,NSE)和飞行技术误差(FlightTechnicalError,FTE)两部分。导航精度误差是由导航设备和导航方式引起的定位误差,是飞机和跑道中心线之间的横向误差。飞行技术误差是飞行管理系统(FlightManageSystem,FMS)估计的航空器位置和所需航空器位置之间的差别,它是指定义路径与估计位置之间的误差。飞行技术误差与机组或自动驾驶仪按照定义航迹驾驶的能力有关。导航精度误差和飞行技术误差一般都被认为是独立分布、零均值、高斯分布的,它们的总和被称为总系统误差(TotalSystemError,TSE)。二类仪表着陆系统的NSE的方差为132英尺;根据NASALangley研究中心对B757使用D-GPS定位的研究成果,认为飞行员的飞行技术误差为16英尺。因此TSE的方差为132+16=148英尺。1.3组反应时间延时通常包括以下几方面:①数据链上传率和冲突决策解决时间。②接收天线延时。③机组反应时间。④电气电子传导延时。每一个影响因素都被认为是一个确定的值或是由经验或是分析得来的服从均匀分布的值。具体数据见表1:不同因素带来的延时的总合构成了总延时,它们又是相互独立的。所以可以认为总延时服从2.3秒到5秒中的均匀分布。1.4飞机初始纵向间距假定飞机在配对进近起始点都处于跑道中线延长线上,所以飞机的初始侧向间距即为跑道中线间距。飞机的初始纵向间距根据不同的实际情况而定。另外,我们还需要考虑初始位置误差,其中初始侧向误差由总系统误差决定,在这里我们设定初始纵向误差服从+/-500ft上的均匀分布。1.5均匀度的测定根据B737最后进近速度要求,我们假定两架飞机的速度为160kt+/-20kt,都服从(140,180)上的均匀分布。当飞机处于最后进近阶段时,飞机处于匀减速运动状态,一般认为此时的飞机的加速度服从均值为-0.1G、方差为0.05G的正态分布。当入侵机发生偏航时,避让机开始加速并做45度的紧急避让机动(EEM),根据HONEYWELL公司对平行跑道进近预警程序的分析,可以认为处于45度EEM中的飞机的加速度为0.25G。2配置后的近距离冲突风险2.1事故树的特征事故树分析法是目前分析复杂系统可靠性、安全性的一种常用方法,运用它可全面找出系统中潜在的各种危险因素及其相互关系和影响程度,进而预测系统的危险性。树是一个无权的连通图。事故树形似倒立着的树,如图1所示。事故树是从结果到原因描绘事故发生的有向逻辑树,描述了某种事故发生的因果关系。树的“根部”定点节点表示系统的某一个事故称为“顶上事件”,树的“梢”的节点表示事故发生的基本原因,树的“树杈”中间节点表示由基本原因促成的事故结果,又是系统事故的中间原因。树中的节点具有逻辑判别性质。事故因果关系的不同性质用不同逻辑门表示,然后通过布尔代数或其他方法进行化简并对“顶上事件”进行定性或定量分析。2.2飞机飞行中间事件的初步筛选考虑到飞机在配对进近中经常会发生各种各样的危险接近,甚至会发生飞行碰撞。因此本文把飞行碰撞作为配对进近碰撞风险事故树的“顶上事件”。然后再找出构成顶上事件的缺陷事件,根据前文对配对进近碰撞风险影响因素的分析,把飞机的气动特性、导航侧向误差、延时、飞机的初始纵向间距误差、飞机最后进近速度作为中间事件。把这些中间事件进一步细分为各种基本事件。如表2所示。结合实际的分析情况以及文献资料的研究结果,考虑这几个主要因素之间的相互关系及与飞行碰撞的逻辑联系,分析配对进近飞行碰撞情况及中间事件和各基本事件间的逻辑关系,绘制“飞行碰撞”事故树(见图2)。3a5.2.2.2结合安全系统工程理论,考虑到配对进近碰撞风险事故树中各个事件之间的逻辑关系,得出该事故树的逻辑表达式如下:T=A1*A2*A3*A4*A5=(x1+x2+x3)*(A6+A7)*(x9+x10+x11+A8)*(x8+x14)*(A11+A12)=(x1+x2+x3)*[(x4+x5)+(x6+x7+x8)]*[x9+x10+x11+(A9+A10)]*(x8+x14)*[(x8+x15)+(x8+x13+x15)]=(x1+x2+x3)*[(x4+x5)+(x6+x7+x8)]*[x9+x10+x11+(x6+x7+x8+x12)+(x6+x7+x8+x13)]*(x8+x14)*[(x8+x15)+(x8+x13+x15)](1)3.1创建近碰撞风险事故树最小割集是导致顶上事件发生的最低限度的基本事件的集合,既在最小割集中去掉一个基本时间就不再是割集了。利用布尔代数化简法对式(1)进行化简,可以得到配对进近碰撞风险事故树的最小割集。配对进近碰撞风险事故树的最小割集有{X1X5}、{X1X8}、{X2X8}、{X3X8}、{X2X5}、{X3X5}、{X1X4}、{X1X5X9}、{X1X6X9}、{X1X7X9}……每一个最小割集都表示顶上事件发生的一种可能,既当这些故障和失误同时发生时,顶上事件就会发生。最小割集越多,说明导致配对进近碰撞风险发生的原因就越多,系统的危险性就越大。所以配对进近碰撞风险的可能路径有52个。说明导致飞行碰撞的路径有很多,近距平行跑道中配对进近的飞机飞行中发生碰撞的可能性比较大。3.2最未来的试验树模型径集又称通集,既如果事故树中某些基本时间不发生,则顶上时间不发生,这些基本时间的集合称为径集。径集是系统可靠性工程的概念,它是研究系统正常运行需要保证那些基本环节正常发挥作用的问题。最小径集是顶上事件不发生所必需的最低限度的径集。求最小径集可以利用它与最小割集的对偶性。根据布尔代数的对偶法则¯A⋅B=ˉA+ˉBA⋅B¯¯¯¯¯¯¯¯=A¯¯¯+B¯¯¯和ˉA+B=ˉA⋅ˉB(2)A+B¯¯¯¯¯¯¯¯¯=A¯¯¯⋅B¯¯¯(2)这表明,事件“与”的补等于补事件的“或”;事件“或”的补等于补事件的“与”;如果把事故树顶上事件发生用事件不发生代替,把与门换成或门,把或门换成与门,便可得到与原事故树对偶的成功树。求成功树的最小割集,就是原事故树的最小径集。所以“配对进近无飞行碰撞”成功树的逻辑表达式如下:T′=A1′+A2′+A3′+A4′+A5′=(x1′*x2′*x3′)+(A6′*A7′)+(x9′*x10′*x11′*A8′)+(x8′*x14′)+(A11*A12)=(x1′*x2′*x3′)+(x4′*x5′*x6′*x7′*x8′)+(x9′*x10′*x11′*A9′*A10′)+(x8′*x14′)+(x8′*x15′*x8′*x13′*x15′)=(x1′*x2′*x3′)+(x4′*x5′*x6′*x7′*x8′)+(x9′*x10′*x11′*x6′*x7′*x8′*x12′*x6′*x7′*x8′*x13′)+(x8′*x14′)+(x8′*x15′*x8′*x13′*x15′)=x1′*x2′*x3′+x4′*x5′*x6′*x7′*x8′+x6′*x7′*x8′*x9′*x10′*x11′*x12′*x13′+x8′*x14′+x8′*x13′*x15′(3)根据式(3)最后经过布尔代数化简后的最后结果知,“配对进近无飞行碰撞”的成功树有5个最小径集。分别为:N1={x1′,x2′,x3′}(4)N2={x4′,x5′,x6′,x7′,x8′}(5)N3={x6′,x7′,x8′,x9′,x10′,x11′,x12′,x13′}(6)N4={x8′,x14′}(7)N5={x8′,x13′,x15′}(8)最小径集的定义表明,要使顶上事件不发生则需要该事故树中的一个最小径集中的基本事件都不发生,最小径集的数量为顶上事件不发生提供了集中可能方案,并且为控制事故提供了依据。事故树中最小径集越多,系统就越安全。而本事故树的最小径集只有5个,所以当飞机进行配对进近时,碰撞风险相对还是比较大的。3.3结构重要度分析结构重要度分析是从事故树结构上分析各基本时间的重要程度。即在假定各基本时间发生概率都相等的情况下,分析各基本时间的发生对顶上事件的发生所产生的影响程度。属于定性的重要度分析。结构重要度分析可采用两种方法:一种是利用最小割集或最小径集判断重要度,比较简单,但是不够精确;另一种是求结构重要系数,比较精确,但烦琐,事件xi的结构重要系数为:ΙΦ(i)=∑xi∈Gr12ni-1(9)IΦ(i)=∑xi∈Gr12ni−1(9)其中,IΦ(i)的值越大,则事件xi的重要度越大。xi∈Gr指基本事件xi属于事故树的某一最小割(径)集Gr;ni表示为基本事件xi所在最小割(径)集中所包含的基本事件的数量。经过以上分析,鉴于在配对进近碰撞风险事故树中,最小割集的数量远大于最小径集的数量,由事故树分析法的原理我们可以知道,分析配对进近碰撞风险时应该选择最小径集,并且层次结构模型也应该由最小径集来建立用来分析事故(见图3)。分析图3中最小径集N1~N5,可得各个最小径集阶数分别为3、5、8、2、3,再根据式(9)可以计算出配对进近碰撞风险事故树中各个基本事件的结构重要度大小:ΙΦ(1)=∑x1∈Gr12n1-1=123-1=0.25(10)ΙΦ(2)=∑x2∈Gr12n2-1=123-1=0.25(11)ΙΦ(3)=∑x3∈Gr12n3-1=123-1=0.25(12)ΙΦ(4)=∑x4∈Gr12n4-1=125-1=0.0625(13)ΙΦ(5)=∑x5∈Gr12n5-1=125-1=0.0625(14)ΙΦ(6)=∑x6∈Gr12n6-1=125-1+128-1=0.0703125(15)同理,依次可以计算出IΦ(7)=0.0703125、IΦ(8)=0.7578125、IΦ(9)=0.0078125、IΦ(10)=0.0078125、IΦ(11)=0.0078125、IΦ(12)=0.0078125、IΦ(13)=0.2578125、IΦ(14)=0.25、IΦ(15)=0.25。由此可得出基本事件x1~x15的结构重要度关系如下为:IΦ(8)>IΦ(13)>IΦ(1)=IΦ(2)=IΦ(3)=IΦ(14)=IΦ(15)>IΦ(6)=IΦ(7)>IΦ(4)=IΦ(5)>IΦ(9)=IΦ(10)=IΦ(11)=IΦ(12)(16)由此结构重要度关系可以得到:基本事件x8对本事故发生的影响程度最大,x13其次。因此,避免配对进近中飞行碰撞的发生首要任务就是预防基本事件x8和x13的发生。3.4基本事件的分析1)从该事故树逻辑符号的数量看,“或门”符号占逻辑符号总数量的70%,即70%的基本事件的发生都有可能导致顶上事件的发生。这说明系统运行处于危险状态,产生飞行碰撞的因素很多,危险性较大。2)从最小割集来看,只要有某一组最小割集内的基本事件全部发生,就必然引起顶上事件(飞行碰撞)的发生。如在52组最小割集中x8是出现概率最高的基本事件,x6其次。因此就可认为x8是最危险的基本事件,x6是比较危险的基本事件。3)从结构重要度来看,结构重要度越大,对顶上事件的影响也越大。如x8、x13等基本事件在系统中的重要性占首要地位。这说明,基本事件x8的发生,飞行碰撞的