基于FTA模型的无人机坠机事故风险分析与对策研究

梁平 郭瀚林 钱济人 季寿宏 游赟

【摘  要】针对无人机作业中发生的坠机事故，论文建立了M600型无人机坠机事故FTA模型。通过对模型最小割集和结构重要度分析，论文最终确定了导致坠机事故发生的主要风险点，并提出了加强飞手岗前培训等应对对策，对企业等主体进行无人机作业安全评价工作、减少和预防无人机坠机事故的发生具有一定的指导意义。

【Abstract】Aiming at the occurrence of crash accident in UAV operation， paper establishes the FTA model of M600 UAV crash accident. Through the analysis of the minimum cut set and structure importance of the model， the paper finally determines the main risk points leading to the crash accident， and puts forward the countermeasures such as strengthening the pilot pre job training， which has certain guiding significance for enterprises and other entities to carry out UAV operation safety evaluation work， reduce and prevent the occurrence of UAV crash accident.

【关键词】FTA;无人机;坠机事故;风险和对策

【Keywords】FTA; UAV; crash accident; risks and countermeasures

【中图分类号】V279                               【文献标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）09-0100-04

1 引言

事故树分析法（Fault Tree Analysis）简称FTA，是一种从已发生或可能发生的事故的结果到原因进行演绎树状展开的分析方法。该方法通过“逻辑门”将导致事故发生的原因逐层展开至不可划分的基本事件，并自下而上地分析事故致因關系，从而采取有效的安全对策。20世纪60年代，美国贝尔电话研究所的Watson和Meaens在民兵式导弹发射系统安全性评价中首次提出此方法并用其成功预测了发射装置随机失效的事故。之后，多位学者对该方法进行了改进，1974年美国原子能委员会应用FTA对商用核电站的灾害危险性进行评价，发表了拉斯马森报告（Rasmussen Report），引起了世界各国的关注。此后，FTA被广泛应用于工程安全系统的评价与分析[1，2]。

无人机由于其自动化程度高、机动性强等特点，近年来被广泛应用于遥感测绘、电力巡检、抢险救灾等工程领域。然而，在无人机作业过程中不可避免地会出现GPS信号丢失、飞机失控、强降雨、强风等不利于作业的因素。一旦某个因素得不到有效的控制或者有效的评估，必然会导致事故的发生，进而造成财产损失和人员伤亡。而一些企业由于缺乏对无人机安全风险判断和安全制度建立上的科学指导，又增加了事故发生的风险[3]。本文通过建立M600型无人机（如图1）坠机事故FTA模型，深入系统地分析事故致因主要风险点并给出预防措施，为企业等主体进行无人机安全作业评价提供一定的参考。

2 M600型无人机坠机事故FTA模型的建立

根据对案例的分析研究，可发现M600型无人机坠机事故主要存在四个风险致因因素，即无人机出现问题、遥控器出现问题、飞手主观失误和环境干扰因素。对于无人机的问题，可以从多个维度展开分析[4]。本文基于实际情况，按照时间维度划分为飞行前准备不当和飞行中遇到突发事件。飞行前的准备不当包括桨叶安装错误、信号强度弱、电机老化等。飞行中遇到的突发状况包括无人机空中撞击物体和电池供电异常等。遥控器的问题表现为操作失灵等状况。飞手主观失误表现为风险预判失误和打舵操作失误等。环境干扰因素主要表现为降雨、风力较大、信号干扰等不利因素。

根据研究的对象，本文将无人机坠机事故作为模型的顶事件，并结合对大量事故案例风险致因因素的分析研究，建立M600型无人机坠机事故FTA模型，如图2所示，事件编码说明如表1所示。

3 FTA模型分析

3.1 最小割集求解

该FTA模型由1个顶事件、26个中间事件和33个基本事件构成。利用Fussel算法求解FTA模型的割集，结合Boolean算法进行逻辑化简最终得出该FTA模型的最小割集为：

K1={X4}，K2={X6}，……，K14={X33};K15={X5，X31}，K16={X9，X15}，……，K23={X23，X24};K24={X9，X16，X17}，K25={X9，X16，X18}，……，K31={X2，X11，X13};K32={X2，X4，X6，X32}，K33={X2，X4，X20，X32}，……，K43=X4，X11，X21，X33}。

鉴于篇幅原因，未全部列出。求解出最小割集数为43个，包括14个一阶割集，9个二阶割集，8个三阶割集和12个四阶割集。表明存在43种事故致因因素可以导致无人机发生坠机事故，其中可以直接导致事故发生（只含有1个基本事件的割集）的因素有14种，约占比32.6%，具有相当高的风险性，需要给予相当的重视。

3.2 结构重要度分析

结构重要度表示当基本事件发生而导致顶事件发生时，基本事件对顶事件的贡献度，是研究分析FTA模型的重要方法，对工程实际中风险对策的研究有重要指导意义。按照式（1）计算基本事件Xi（i=1，2，……，33）结构重要度I，如表2，并进行排序。

I？准（i） （1）

式中，？准（i）—基本事件的结构重要度函数;

N—最割集总数;

Xi—基本事件;

Kj—最小割集合;

nj—基本事件Xi位于Kj的基本事件数i，j=1，2，3，……，33。

对结构重要度系数I（i）（i=1，2，3，……，33）排序可得：

I（4）>I（9）>I（2）>I（32）=I（33）>I（11）>I（6）=I（20）=I（21）>I（5）>I（1）=I（3）=I（7）=I（8）=I（12）=I（13）=I（14）=I（19）=I（22）=I（24）>I（10）=I（16）>I（15）=I（23）=I（25）=I（26）=I（27）=I（28）=I（29）=I（31）>I（17）=I（18）>I（30）

结合事故案例分析，得到如表3所示的基本事件结构重要度贡献等级划分表。可以看出“设备维护不当”和“空中障碍物遮挡信号和视野”两个基本事件属于强结构重要度贡献度事件，飞机作业过程中“躲闪障碍物不及时”属于良好结构重要度贡献度事件，“过高或过低的环境温度”“信号干扰”等属于一般结构重要度贡献度事件，“风力过大”“电池自然损耗”等属于弱结构重要度贡献度事件。将基本事件向上归属至所属的中间事件，其中强贡献度事件可以引发中间事件发生导致事故直接发生;与此同时，具有良好贡献度的事件仍是需要着重考虑的风险点;而一般和弱贡献度事件有时作为不可忽视的潜在风险点，也需要给予一定程度的重视。

4 坠机事故主要因素分析

通过对无人机坠机事故FTA模型的分析，基本事件X9、X4、X2结构重要度最大，这些风险点直接从“人-机-环”三个维度分别影响到飞手失误问题、无人机飞行前准备不当问题以及环境干扰问题。由其他基本事件可看出，导致无人机坠机事故的主要风险点还有“无人机失控”，同时，也需要结合X6，……，X33等可直接导致坠机事故发生的一阶独立因素进行分析。通过将其归属至各自中间事件可以发现，其确定的主要因素与通过结构重要度分析得出的主要因素相重合。

4.1 飞手失误

飞手失误的问题作为无人机坠机事故“人-机-环”三个维度中与人有关的致因因素是极其重要的关键因素。其作为顶上事件触发，主要包括以下三个同时进行的事件轨迹：①无人机作业空间内存在空中障碍物（如高楼、高压电塔、树等），而当无人机沿航线飞行与其距离过近或受到干扰撞向障碍物时，飞手由于缺乏经验、障碍物遮挡或超视距飞行视野不够等原因错误地预判即将发生的撞击事故风险;②由于错误的事故风险预判，必然会导致飞手沿着事故发生的趋势采取错误的措施，表现为飞手错误的打舵操作;③当飞机偏离既定航线时，又极大地增加了事故发生概率，而当飞机飞向障碍物躲避不及时时，又极大地增大了飞手失误的趋势。

4.2 无人机起飞前准备不到位

①桨叶安装错误，对于有正反桨之分的无人机来说，桨叶的错误安装会导致无人机起飞后力矩不平衡进而导致无人机空中翻车。

②起飞信号强度不够，作业地点附近存在强磁场干扰或信号干扰都会导致无人机GPS信号达不到安全保障的要求。

③使用電量不足、老化、缺陷的电池都会导致无人机坠机事故发生概率增加。电池老化包括电池自然老化、高强度作业条件下老化以及不合适的存放环境导致电池性能的衰退。电池缺陷则包括过量充电导致的电池形变、机械损伤以及制造过程中产生的缺陷。

④电机的老化主要表现为电机轴承自然磨损或高强度作业条件下磨损后，没有及时更换电机轴承，仍然使用问题电机进行作业，这也加大了事故风险。

4.3 环境干扰因素

环境干扰因素主要表现为降雨、风力较大、强磁场干扰、信号干扰、过高或过低的环境温度以及空中障碍物遮挡视野和信号，属于不可抗拒因素，可控性较弱。

5 无人机坠机事故的对策及建议

5.1 飞手失误

①对飞手进行岗前技术培训，并建议采用不同工况下的熟练度量化考核制度以确保飞手掌握不同工况下对潜在风险点的处理方法[5];②定期组织作业安全教育并学习事故案例，充分了解事故致因风险点。

5.2 无人机起飞前准备不到位

作业前准备工作必须规范化，建立系统的准备流程为安全作业提供保障。

①正确安装桨叶。

②选择合适的起飞点，确保具有足够的GPS信号强度。

③按照电池寿命周期以及实际性能情况，定期更换新电池。合理地为电池充电，对于备用电池，则需要先放电再保存。对于有缺陷的电池，不能再使用其作业。

④定期对电机进行维护，定期为轴承加润滑油。对于老化的电机，则需要更换。

5.3 环境干扰因素

由于环境干扰因素属于不可抗拒因素，可控性较弱。因此，需要先进行实地踏勘调查、掌握航域的天气状况等工作再制定作业计划。若作业过程中突然降雨或起强风，则必须先立即终止作业以确保无人机安全返航，待环境条件利于作业时再进行飞行作业。

6 结语

本文通过构建M600型无人机坠机事故复杂FTA模型，分析了M600型无人机坠机事故的风险点，该FTA模型总计包括26个中间事件和33个基本事件。基于FTA模型的分析，确定了作业过程中需要加以控制的主要风险点：飞手失误、起飞前准备工作不到位、无人机失控和环境干扰因素，并针对存在的风险提出了安全作业对策及建议，本文成果对企业等主体进行无人机安全作业评价工作，减少无人机事故的发生具有一定的指导意义。

【参考文献】

【1】胡法涛.新奥法隧道施工塌方原因事故树分析[J].工程技术研究，2019，4（13）：34+62.

【2】王鹏飞，刘斌.石油气罐车爆炸燃烧事故树分析方法研究[J].华北科技学院学报，2019，16（03）：114-118.

【3】Stefano Primatesta，Alessandro Rizzo，Anders la Cour-Harbo.Ground Risk Map for Unmanned Aircraft in Urban Environments[J].Journal of Intelligent & Robotic Systems，2018（7）：1-34.

【4】徐家新，江汉凌，陈晓岚.浅谈中海油无人机应用安全管理研究[J].中国石油和化工标准与质量，2019，39（22）：95-96.

【5】Aviation-Unmanned Aircraft.Findings from Korea Aerospace Research Institute in the Area of Unmanned Aircraft Reported （Third-party Risk Analysis of Small Unmanned Aircraft Systems Operations）[J].Defense & Aerospace Week，2020.