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基于STAMP的航空安全理论与实践

  • 作 者:崔利杰 任 博 王焕彬
  • 策划编辑:戚文艳
  • 书代号:649900
  • I S B N:978-7-5606-6197-1
  • 出版日期:2022-01
  • 印刷日期:2022-01
  • 业务分类:本科;
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内容简介
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无论对于民用航空还是军用航空,安全管理都是当前的重点和难点。本书立足于航空系统的具体特点,基于系统理论和系统控制思维,研究航空系统中的安全控制模型及安全性分析理论和应用方法。书中首先从典型航空事故案例出发,提出针对典型航空器系统的事故分析方法和安全性设计思路;其次,针对有/无人航空器的关键分系统,如机轮刹车系统、空中加油系统,从安全性设计的角度研究安全控制模型的构建、不安全行为的确定和不安全致因因素的识别,进而提出安全性设计与验证的技术方法;最后,从使用维护角度出发,对存在人机交互作用明显的典型安全管理系统开展安全性建模、分析与评估,探索了人机耦合交互条件下安全管理系统分析问题。本书的实践性较强、适用面较广,可作为高等院校安全工程、航空安全管理等专业本科生和研究生学习相关安全理论知识的教材,也可作为从事航空安全管理等工作的相关工程技术人员的参考资料。

安全是航空领域永恒的主题,预防事故、保证安全是航空界始终高度关注并倾注全力研究的课题。航空系统是一个多目标、多层次、多因素相互制约且相互影响的复杂系统,包含着飞行环境、任务特点、装备质量和维护管理机制等不确定性因素。近年来随着无人机系统的引入和发展,航空安全更是存在着空天地密切协同、人机环高度交织、软硬件深度耦合的现象,航空系统的安全性由各种因素及其不确定性相互交织影响所决定。正因如此,适航安全、结构本质安全、安全管理体系等成为各国航空安全领域研究的热点,不断推动着航空安全由事后调查处理向事先预测防范转变,由单一纵向管理向系统综合管理转变,由经验定性决策向科学定量决策转变。

目前航空领域在安全管理方面多数还停留在分段管理、定性描述、主观评估、经验决策的层面,航空安全系统在安全管理方面存在着数据分散性大、质量参差不齐、关键数据缺失等问题,而且目前的航空安全管理缺少充分的理论方法和科学准确的安全性模型,难以有效指导航空装备开展安全性论证、设计、评估和决策,不能有力支撑航空系统安全性提升。具体体现在:一是基于还原论的危险源辨识技术难以适应当前航空系统功能结构的复杂化、耦合化,无法提供完备的危险源识别方法; 二是在可靠性理论基础上发展的安全性建模和评估方法无法满足复杂航空系统需要,难以展示各类危险因素在任务执行中的传播途径和演化机理; 三是基于概率统计论的不安全事件描述和安全性模型分析方法,不足以准确地开展信息不全时的航空系统安全性评估和验证; 四是高度依靠主观经验的决策和对策生成方法,不能有效地指导航空系统的设计使用和事故预防。

2002年,麻省理工大学Leveson教授在系统论、控制论的基础上,提出了一种新型的系统安全分析理论,即基于系统理论的事故模型和过程(SystemTheoretic Accident Model and Processes, STAMP)理论。STAMP理论将安全性看作是一种系统的涌现性,认为安全性受到系统中与各个行为相关的一系列约束的限制,而事故正是由于系统各层次的行为缺乏约束所导致。2013年,在STAMP理论基础上Leveson等人又提出了基于系统理论的过程分析(SystemTheoretic Process Analysis,STPA)方法,该方法目前已在系统安全分析领域得到了广泛应用。STAMP/STPA理论和方法将系统视为一个控制结构,在分析系统失效致因的基础上,形成了一种基于系统控制思维的事故致因模型。基于STAMP理论的STPA安全分析方法假设事故可能由于系统组件的不安全交互引起,能够全面考虑到组件故障、人为差错、组件交互、软件缺陷、设计错误、外部环境等导致系统进入危险状态的致因因素,可以胜任复杂系统的安全性分析工作。

基于此,本书根据航空系统的具体特点,通过典型事故开展基于系统思维的航空系统安全性分析理论及应用研究,建立针对典型航空系统的安全性分析与验证方法; 利用系统控制论思想,提出适用于航空系统安全的数学模型并给出分析求解方法; 引入不确定理论,探析各类影响因素在军事航空安全中的传播途径和演化机理,进而提出适用于不同航空器、功能系统和管理单位的安全性分析方法,可用于指导航空装备的安全性论证、设计与评估。本书共分为四部分,各部分主要内容介绍如下。

第一部分(第一章):介绍本书所用技术方法的理论基础,重点针对基于系统思维的航空安全性建模理论进行阐述。

第二部分(第二章):针对典型军、民机事故开展了基于系统控制论的安全性分析,以案例分析的形式进一步剖析了不同航空器系统飞行事故的发生过程,构建了安全控制逻辑,提取了不安全行为和致因场景。

第三部分(第三章至第五章):针对不同航空器的典型功能系统开展了安全性分析验证,从系统层对典型功能系统构建了控制结构,识别了不安全控制行为,开展了致因场景分析,并结合相关验证平台进行了环境搭建和安全性验证。

第四部分(第六章):针对航空系统使用保障的关键环节,对航空修理厂的安全性和试飞安全进行了建模与分析,开展了相应的安全性分析,提出了试飞安全性指标体系。本书由崔利杰、任博、王焕彬、丛继平、陈浩然、张贾奎撰写。

本书研究虽然是作者思考创新的结果,但如果没有前人大量的研究积淀,也不会有本书的研究理念、研究重点和技术路线的确立,在此谨向所引用书籍和文献的作者致以诚挚的谢意,并向给予过指导的老师及各位同事致以深深的感谢,向参与项目研究和协助出版的靳展、曹志远、张文葵、田宇、张赫、陈思言、李浩民等同志表示感谢。本书的研究得到国家自然科学基金(71701210、72001213)、陕西省自然科学基金(2019JQ710)和相关科研项目的资助,对此表示衷心的感谢。

由于作者水平有限,不妥之处在所难免,敬请读者批评指正。

作 者

2021年7月

本书的实践性较强、适用面较广,可作为高等院校安全工程、航空安全管理等专业本科生和研究生学习相关安全理论知识的教材,也可以作为从事航空安全管理等工作的相关工程技术人员的参考资料。

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