趙寧寧　趙宇婷

(1.中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院　天津 300300；　2.中國民用航空東北地區(qū)空中交通管理局　沈陽 110043)

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基于FAT的使用ADS-B提供監(jiān)視服務(wù)安全性評(píng)估*

趙寧寧1,2趙宇婷1,2

(1.中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院天津 300300；2.中國民用航空東北地區(qū)空中交通管理局沈陽 110043)

摘要先對(duì)ADS-B提供監(jiān)視服務(wù)進(jìn)行事故樹的分析，層層分析碰撞事故發(fā)生時(shí)的中間事件和基本事件，對(duì)基本事件進(jìn)行賦值，同時(shí)進(jìn)行定量和定性分析，得出最小割集、最小徑集、結(jié)構(gòu)重要度、概率重要度和臨界重要度，通過臨界重要度選擇防范措施和工作重點(diǎn)，通過計(jì)算公式對(duì)頂事件進(jìn)行概率計(jì)算，通過計(jì)算出的碰撞風(fēng)險(xiǎn)值與安全目標(biāo)對(duì)比，得出ADS-B提供監(jiān)視服務(wù)的情況下，碰撞的風(fēng)險(xiǎn)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國際民航組織規(guī)定的最小安全目標(biāo)，最后得出結(jié)論證明ADS-B是安全的。

關(guān)鍵詞ADS-BFAT安全目標(biāo)

0引言

ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)即廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視。由于ADS-B在性能、精度、投資、更新率等很多方面優(yōu)于雷達(dá)，并且ADS-B地面站無需人員看守，因此ADS-B必然是未來使用的趨勢(shì)[1]。在ADS-B的安全評(píng)估方面，我國仍然處于空白狀態(tài)，本篇論文主要利用事故樹對(duì)ADS-B的使用過程中所有可能出現(xiàn)的安全隱患進(jìn)行分析，通過賦值，進(jìn)行頂事件即ADS-B飛機(jī)發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，然后與國際民航組織ICAO規(guī)定的安全目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而證明ADS-B提供監(jiān)視服務(wù)是安全可行的。ADS-B利用空地、空空數(shù)據(jù)通信，將空管系統(tǒng)、飛機(jī)機(jī)載的ADS-B設(shè)備有機(jī)的結(jié)合起來，完成交通監(jiān)視和信息傳遞的一種航行新技術(shù)[2]。一般來說，ADS-B飛機(jī)有數(shù)據(jù)鏈發(fā)送設(shè)備、機(jī)載接收機(jī)設(shè)備和CDTI(駕駛艙沖突信息顯示器)，ADS-B飛機(jī)的監(jiān)視工作就可以正常運(yùn)行了，同時(shí)，地面的顯示終端也可以完成監(jiān)視飛機(jī)狀況的功能。在國際民航組織的DOC444文件中，明確定義ADS-B是一種空中交通監(jiān)視應(yīng)用，用于傳遞飛行參數(shù)，比如位置、航跡和地速等，通過數(shù)據(jù)鏈廣播模式，在特定的間隔時(shí)間內(nèi)發(fā)送，任何空地用戶都可以申請(qǐng)使用這個(gè)功能。ADS-B的使用依賴GNESS，如果沒有GNESS，ADS-B就無法監(jiān)視與導(dǎo)航。圖1為ADS-B的原理圖[3]，其中圈出部分為可能存在危險(xiǎn)的部分。當(dāng)使用ADS-B出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)，如圖1所示，一般是由于3個(gè)主要原因產(chǎn)生問題才會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)，主要是設(shè)備問題、數(shù)據(jù)連接問題以及人為差錯(cuò)這3個(gè)原因[4-6]。

1ADS-B監(jiān)視下飛機(jī)發(fā)生碰撞事故樹分析

圖1　ADS-B工作原理

圖2　ADS-B發(fā)生碰撞的事故樹模型

根據(jù)圖1分析，可以建立ADS-B監(jiān)視條件下，飛機(jī)發(fā)生碰撞的事故樹模型圖，如圖2。并將事故樹中的代碼及其含義列出，如表1。

2ADS-B監(jiān)視條件下飛機(jī)碰撞的定性分析

2.1最小割集和最小徑集的計(jì)算

根據(jù)ADS-B監(jiān)視條件下，飛機(jī)碰撞的事故樹模型可知，運(yùn)用導(dǎo)致頂事件發(fā)生的初始原因有22個(gè)，用X1～X22表示著22個(gè)基本事件，而這些初始原因就是引起ADS-B飛機(jī)碰撞危險(xiǎn)事件發(fā)生的隱患所在。根據(jù)布爾代數(shù)法[7]：

T=M1+M2+M3=(M4×M5)+(M6×M7)+(M8×M9)=…

計(jì)算的結(jié)果可得最小割集23組，同樣求得該事故樹最小徑集48組，如表2所示，最小割集數(shù)量23個(gè)，最小徑集數(shù)量48個(gè)。

表1　事故樹圖中代碼及含義

表2　最小割集與最小徑集

通過最小割集和最小徑集的個(gè)數(shù)可知，最小徑集數(shù)明顯高于最小割集，因此可以從最小割集的組合出發(fā)，制定預(yù)防飛機(jī)碰撞事件發(fā)生的方案。如從最小割集C1={X2,X4}可知，GPS顯示器沒有故障，同時(shí)，GPS傳感器也沒有發(fā)生故障的時(shí)候；或者比如最小割集C18={X7,X8,X12}，當(dāng)電磁波并沒有擁堵導(dǎo)致ADS-B數(shù)據(jù)傳播延遲，也沒有GPS系統(tǒng)切斷或者擁堵造成GPS衛(wèi)星故障，也沒有TCAS信號(hào)的干擾導(dǎo)致對(duì)ADS-B數(shù)據(jù)的電磁波干擾。以上這些情況同時(shí)不發(fā)生的時(shí)候，ADS-B監(jiān)視下的飛機(jī)就不會(huì)發(fā)生碰撞。

2.2基本事件結(jié)構(gòu)重要度計(jì)算

由于引起ADS-B飛機(jī)碰撞這個(gè)頂事件發(fā)生的基本事件較多，那么在日常安全管理中應(yīng)注意管理的重要環(huán)節(jié)就會(huì)比較繁多，因此就有必要對(duì)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)重要度是在不考慮各基本事件發(fā)生概率或認(rèn)為各基本事件發(fā)生概率相等時(shí)從事故樹結(jié)構(gòu)上分析各基本事件對(duì)頂上事件的影響程度[8]。因此，計(jì)算出各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度可以指導(dǎo)工作人員的日常安全管理工作在有重點(diǎn)的情況下展開進(jìn)行。

參考如下公式，計(jì)算各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度[9]：

I

(1)

式中，k表示事故樹包含的最小割集合數(shù)目；m表示包含第i個(gè)基本事件的最小割集合；Rj表示包含第i個(gè)基本事件的第j個(gè)最小割集合中的基本事件的數(shù)目。計(jì)算得基本事件結(jié)構(gòu)重要度見表3。

表3　基本事件的結(jié)構(gòu)重要度

利用徑集計(jì)算結(jié)構(gòu)重要度大小排序?yàn)椋?/p>

I[X7]>I[X2]=I[X3]=I[X4]=I[X5]=I[X6]=I[X1]>I[X11]=I[X12]>I[X19]=I[X20]=I[X21]=I[X15]=I[X17]=I[X18]=I[X16]=I[X22]>I[X8]=I[X9]=I[X10]=I[X13]=I[X14]

2.3基本事件的概率賦值和概率重要度

基本事件X1～X22的發(fā)生會(huì)產(chǎn)生一定的嚴(yán)重后果，根據(jù)發(fā)生后果的嚴(yán)重度,如表4所示，確定基本事件X1～X22發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值，如表5所示。

表4　危險(xiǎn)源可能定義數(shù)值

表5　基本事件的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)賦值

根據(jù)概率重要度的定義式[10]：

(2)

式中，Ig(i)代表第i個(gè)基本事件發(fā)生的概率重要度，q代表頂事件，qi為第i個(gè)基本事件，概率重要度就是頂事件概率數(shù)q對(duì)自變量qi求偏導(dǎo)。計(jì)算X1～X22的概率重要度數(shù)值，如表6所示。

表6　基本事件概率重要度

通過對(duì)概率重要度的計(jì)算，結(jié)果得到概率重要度的排序?yàn)椋?/p>

Iq[X7]>Iq[X2]=Iq[X3]=Iq[X4]=Iq[X5]>Iq[X6]=Iq[X1]>Iq[X11]=Iq[X12]>Iq[X13]=Iq[X14]>Iq[X8]=Iq[X9]=Iq[X10]>Iq[X19]=Iq[X20]=Iq[X21]=Iq[X15]=Iq[X17]=Iq[X18]=Iq[X16]=Iq[X22]

2.4基本事件的臨界重要度計(jì)算

通過表4和表5的重要度排序，發(fā)現(xiàn)基本事件排序發(fā)生了一些變化，因此無法確定如何正確的安排事件的日常工作順序和工作重點(diǎn)，因此有必要再進(jìn)行臨界重要度計(jì)算，最后確定簽派、管制或者其他管理機(jī)構(gòu)的工作重點(diǎn)，以最大限度的預(yù)防ADS-B碰撞事件的發(fā)生，臨界重要度的計(jì)算方法為基本事件發(fā)生的概率變化率和頂事件F發(fā)生的概率重要度比值[11](結(jié)果見表7)：

(3)

表7　基本事件臨界重要度

臨界重要度大小排序：

Ic[X7]>Ic[X11]=Ic[X12]>Ic[X13]=Ic[X14]>Ic[X2]=Ic[X3]=Ic[X4]=Ic[X5]>Ic[X8]=Ic[X9]=Ic[X10]>Ic[X6]=Ic[X1]>Ic[X19]=Ic[X20]=Ic[X15]=Ic[X17]=Ic[X18]=Ic[X16]=Ic[X22]=Ic[X21]

2.5頂事件碰撞風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

通過表5中的各個(gè)基本事件的概率賦值，運(yùn)用公式計(jì)算[12]：

(4)

通過計(jì)算得到頂事件F的風(fēng)險(xiǎn)為：4×10-11次/飛行小時(shí)。

3結(jié)論

(1)通過計(jì)算證明頂事件F的風(fēng)險(xiǎn)為4×10-11次/飛行小時(shí)，這個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國際民航組織規(guī)定的安全目標(biāo)5×10-9次/飛行小時(shí)。因此可以證明ADS-B是一種安全的監(jiān)視設(shè)備，可以全面的應(yīng)用于空管中，不僅節(jié)約了空域，更好的實(shí)現(xiàn)自由飛行，同時(shí)節(jié)約了燃油，最重要的是提高了民航飛行的安全性。

(2)通過確定基本事件X1～X22發(fā)生的后果嚴(yán)重度確定它的發(fā)生量值，通過這個(gè)量值進(jìn)行臨界重要度的排序，最后確定了基本事件的排序，為空管、飛行和相關(guān)通信管理部門的日常工作順序提供參考。

(3)最小割集個(gè)數(shù)共23組，表明有20種可能導(dǎo)致ADS-B飛機(jī)發(fā)生碰撞事件的途徑，當(dāng)最小割集中的基本事件同時(shí)發(fā)生，則ADS-B飛機(jī)發(fā)生碰撞就會(huì)發(fā)生。如飛行員出現(xiàn)理解錯(cuò)誤、執(zhí)行錯(cuò)誤，同時(shí)管制員也出現(xiàn)決策錯(cuò)誤和觀察錯(cuò)誤，這時(shí)候ADS-B監(jiān)視下，兩架飛機(jī)發(fā)生碰撞的事件就會(huì)發(fā)生。由此制定ADS-B的預(yù)防方案。

(4)最小徑集個(gè)數(shù)共48組，表明當(dāng)最小徑集中基本事件都不發(fā)生時(shí)，飛機(jī)碰撞事件就會(huì)不發(fā)生。因此計(jì)算所得的最小徑集是飛機(jī)碰撞事件不發(fā)生的充分必要條件。最小徑集數(shù)量越多，表明ADS-B碰撞的可能性越小，說明ADS-B碰撞風(fēng)險(xiǎn)較小。

參考文獻(xiàn)

[1]支旭東. ADS-B與SSR監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)比分析與研究[D].廣漢：中國民用航空飛行學(xué)院，2012.

[2]何桂萍. ADS-B與雷達(dá)組合監(jiān)視數(shù)據(jù)融合方法研究[D].廣漢：中國民用航空飛行學(xué)院, 2011.

[3]孫立新,陳亞青,劉國毅. ADS-B空管監(jiān)視系統(tǒng)誤差分析與研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版,2011,35(4):798-801.

[4]戴超成.廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)關(guān)鍵技術(shù)及仿真研究[D].上海：上海交通大學(xué), 2011.

[5]阮敏.ADS-B系統(tǒng)的應(yīng)用及風(fēng)險(xiǎn)研究[J].民航科技,2009(2):39-41.

[6]張?zhí)炱?郝建華,許斌,等. ADS-B技術(shù)及其在空管中的發(fā)展與應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品世界,2009(6):34-37.

[7]馬紅. 基于模糊事故樹的企業(yè)安全績(jī)效指標(biāo)評(píng)估研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)(北京),2012.

[8]趙寧寧,趙宇婷.基于事故樹和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的飛機(jī)偏沖出跑道風(fēng)險(xiǎn)分析[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2014(3):33.

[9]王永成,王世峰.動(dòng)態(tài)事故樹在鐵路安全分析中的應(yīng)用[J].鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì),2014,36(9):37-42.

[10]任平凡,伍愛友,施式亮.基于模糊事故樹的公路隧道火災(zāi)危險(xiǎn)性分析[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,28(3):17-21.

[11]舒安慶,張鵬,丁克勤,等.事故樹分析法在港機(jī)故障檢測(cè)中的應(yīng)用[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào),2013,35(6):62-66.

[12]王大慶，張鵬，等.考慮相關(guān)性時(shí)LNG儲(chǔ)罐泄漏模糊事故樹定量分析[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2014,24(1):96.

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(民航聯(lián)合基金)：空中交通管理智能服務(wù)的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)(61039001)。

作者簡(jiǎn)介趙寧寧，女，碩士，講師，主要研究方向：空中交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理 。

(收稿日期：2015-01-10)

The Security Evaluation of ADS-B Surveillance Based on FAT Method

ZHAO Ningning1,2ZHAO Yuting1,2

(1.Collegeofairtrafficmanagement,CivilAviationUniversityofChinaTianjin300300)

AbstractFirst of all, the surveillance of ADS-B is analyzed based on FAT method, including analyses of the intermediate and basic events. The basic events are assigned and analyzed quantitatively and qualitatively, finding out the minimum cut sets, the path sets, structure importance, probability importance degree and critical importance. The key points of work and prevention measures are made sure by critical importance and the probability of top event is calculated by the formula. Based on the comparison of collision risk value and safety goal, it is found that under ADS-B, the risk value of collision is far smaller than the minimum safety goal required by ICAO(International Civil Aviation Organization) and it is proved that ADS-B is safe.

Key WordsADS-BFATsecurity goal