CN114240247A - 一种基于风险度模型的综合告警等级跃迁方法 - Google Patents
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Abstract
本申请属于飞机综合告警技术领域，一种基于风险度模型的综合告警等级跃迁方法，通过建立风险度模型并将风险度模型基于飞行员安全风险度模型和飞机风险度模型分别计算，在飞机遭遇风险时，通过结合驾驶舱温度、压力和含氧量以及对机载设备进行分类、分级并分别施加不同的权重来对风险等级进行准确的评估；对于评价较大的风险，通过应急操作直接取代飞行员进行操作，对于较小的风险等级，则告知飞行员进行相关操作，无论飞机发生什么样的风险，飞机均能够做出最正确的决策，是返航、迫降还是继续飞行，减少飞行员需要对风险做出判断而导致操作变形的风险，可大幅度提高飞机的安全性能，减少航空灾难事故的发生。
Description
技术领域
本申请属于飞机综合告警技术领域，特别涉及一种基于风险度模型的综合告警等级跃迁方法。
背景技术
在现代飞机上，电气、机械或液压(或任何其他类型)等系统数量远大于早期的飞机，并且飞机系统变得更加复杂和先进，故障管理和健康监控的需求在不断增加。由于告警机制、系统和传感器数量增加，设计告警系统变得越来越困难，对告警技术的要求也越来越高。不同的告警方式间会存在冲突，例如两个冲突的告警可能同时显示或通告，导致机组反应迟滞，并导致重大或灾难级的效应。
早期飞机上各告警通常采用单独的灯光告警来告知机组人员不正常的系统装态，因为飞机驾驶舱空间有限，这就导致整个驾驶舱被大量的系统告警灯所占据，同时也给机组带来很大的工作负担。随着告警技术的发展，目前告警方式有电子屏显示、灯光显示、语音播报以及斗杆震动。飞机告警技术本身具有特殊性和重要性，涉及的飞机系统众多且关联复杂，实际上，飞机机载信号交联较多，告警抑制技术或原则，并不能完全应对针对不同飞行阶段下的告警组合，这也导致有的各类民用飞机机型上的综合告警系统或多或少存在一些问题，比如告警条目繁杂、根源告警和派生告警条理不清以及虚假告警等。因此世界上成功的飞机制造商都很重视对综合告警技术的应用优化设计，而成功的机型，其告警系统中告警技术的应用都必然精益求精，其对这些问题的处理也都必须做到很好。完善的飞行显示告警系统均会合理的运用成熟的告警技术，对告警信号进行排序、抑制和组合等优化处理。
直到今日，飞机设计的水平仍然无法理想化地处理任意非正常情况组合，并支持机组进行最优操作排序。这是因为：
1、随着飞机内部传感器及电子设备日趋复杂化，机内各种信号及告警灯和音响日渐增多。据粗略统计，即使机载设备比较简单的飞机，驾驶舱内各种告警信号也有几十个。机内故障的发生具有随机性，各系统的故障以及组合故障不能一一列举，先验知识并不完备，若发生飞行员手册之外的故障时，就有可能无法及时合理处理，错过最佳挽救时期。
2、多系统的同时报故，表征信息过多，而各系统间交联关系缺失，使得飞行员无法快速准确的定位，但可能只是单一传感器/系统故障所引发，如RA发生故障可能会引发着陆形态告警系统、自动驾驶系统、近地告警系统等故障。
考虑到航空事故历史一次又一次反复地证明世界上还有很多我们没有能考虑到的共模、外部事件和人为差错可能。在出现转子爆破、飞机空中相撞、维护失误或毁坏等多个关键传感器故障的情况下，安全性分析假设不再成立，告警系统也往往就失去了有效辅助机组进行决策的能力。
因此，如何更有效地辅助机组进行决策和告警是亟需解决的问题。
发明内容
本申请的目的是提供了一种基于风险度模型的综合告警等级跃迁方法，以解决现有技术中因机内故障的随机性和表征信息过多而导致的飞行员对于告警信息无法有效做出决策的问题。
本申请的技术方案是：一种基于风险度模型的综合告警等级跃迁方法，包括：确定风险度评估所需要考虑的因素，建立风险度模型，所述风险度模型为Risk＝αRperson+βRplane，式中，Risk表示多系统故障并发后的综合风险度，Rperson为故障发生后飞行员安全的风险度，Rplane为故障发生后飞机安全的风险度，常数α，β分别为Rperson、Rplane的影响因子；根据风险度模型分别建立飞行员安全风险度模型和飞机风险度模型，所述飞行员安全风险度模型通过驾驶舱温度、压力和含氧量进行风险评价，所述飞机风险度模型通过对机载设备进行分类、分级并分别施加不同的权重进行风险评价；实时收集飞行故障信息；根据飞行员安全风险度模型和飞机风险度模型实时评估风险等级，对告警信息进行排序并告警、登记；根据不同的告警登记分别做出不同的处置决策，根据不同的处置决策处理不同的飞机告警信息。
优选地，所述飞行员安全风险度模型为：
Rperson＝ctRT+cpRp+coRO
式中，Rperson为飞行员的风险度，RT为驾驶舱温度对飞行员造成的风险度，Rp为驾驶舱压力对飞行员造成的风险度，ct，cp，co分别为RT，Rp和RO的影响因子，RO为驾驶舱含氧量对飞行员造成的风险度。
优选地，飞行员不戴氧气面罩时，驾驶舱含氧量对飞行员造成风险的风险度模型为：
式中，H为海拔高度，单位为m；
飞行员佩戴氧气面罩时，飞行员氧气面罩的总使用时间T的范围内驾驶舱含氧量对飞行员造成风险的风险度模型为：
当飞行员氧气耗尽时，驾驶舱含氧量对飞行员造成风险的风险度与不带氧气面罩的风险度模型一致。
优选地，所述大气压力对飞行员造成风险的风险度模型为：
式中，RP表示大气压力对飞行员造成的风险度，P大气压力，单位为kPa；RP表示大气压力对飞行员造成的风险度，P大气压力，单位为kPa；
大气压力与海拔高度的关系式为：
P＝P0(1-H/443000)5.256
式中，P为海拔高度为H时的气压值，P0为标准大气压。
优选地，所述环境温度对飞行员造成风险的风险度模型为：
式中，RT为温度对飞行员造成的风险度，T为温度，单位为℃；
根据大气压力P与海拔高度的关系得到温度与大气压力、海拔高度的关系为：
式中，H为海拔高度，单位是m；R为摩尔气体常量，值为8.51，g为重力加速度，为9.8m/s2；M为气体的相对分子量，空气的相对分子量为28.959。
优选地，所述飞机风险度模型的分析方法为：进行设备故障评估分析，对机载设备的风险度按照从大至小进行划分；根据机载设备特性的重要程度及产品故障对飞行安全、任务完成的影响程度对机载设备进行分类，并对不同类别的机载设备进行分级，同级之内以权值表示对飞机的威胁程度，同时判断机载设备是否进行风险度跃迁；根据机载设备的类别和层级，建立风险度模型。
优选地，所述飞机风险度模型为：
根据设备的层级和权重建立飞机安全的风险度：
式中，Rplane是飞机安全的风险度，Ki是第i层设备发生故障时对飞机安全的影响程度，Pi为各设备的威胁度，n为风险层级；
结合每个层级中的多个设备，得到每个层级中多个设备威胁度的表达式：
式中，αj表示第i层第j个设备的权值，N(i，j)表示第i层第j个设备的功能集合的权值，O(i，j)表示第i层第j个设备功能的集合，k(i，j)表示第i层第j个设备功能所在集合越升系数，a(i，j)表示第i层第j个设备的冗余数量；
第i层第j个设备的故障表达式：
飞机设备发生故障后的风险度：
优选地，当设备功能面临完全丧失而导致飞机无备用的设备或相关数据，进行风险度的跃迁，所述风险度跃迁的计算方法为：
如果当前层的风险度超过更高一层的设备的最小风险度时发生层间跃迁，则数学表达式为：
式中，Ki-1表示第i-1层的层影响程度，(Pi-1)min表示第i-1层中最小的威胁度，Ki表示第i层的层影响程度，P(i，j)为第i层第j个设备的威胁度；
同类设备的层间跃迁表达式为：
优选地，所述层级影响程度的确定方法为：
无功能冗余的设备的威胁度Pi，j为：
有功能冗余的设备的威胁度Pi，j为：
本申请的一种基于风险度模型的综合告警等级跃迁方法，通过建立风险度模型并将风险度模型基于飞行员安全风险度模型和飞机风险度模型分别计算，在飞机遭遇风险时，通过结合驾驶舱温度、压力和含氧量以及对机载设备进行分类、分级并分别施加不同的权重来对风险等级进行准确的评估；对于评价较大的风险，通过应急操作直接取代飞行员进行操作，对于较小的风险等级，则告知飞行员进行相关操作，无论飞机发生什么样的风险，飞机均能够做出最正确的决策，是返航、迫降还是继续飞行，减少飞行员需要对风险做出判断而导致操作变形的风险，可大幅度提高飞机的安全性能，减少航空灾难事故的发生。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为本申请整体流程示意图；
图2为本申请机载设备故障判决及处置措施意图；
图3为本申请机载设备分类结构示意图；
图4为本申请机载设备分级结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
一种基于风险度模型的综合告警登记跃迁方法，风险度是指飞机在发生故障时，故障对飞行员安全、飞机安全以及任务安全等造成风险的大小，对该数值评估可以实现对多故障并发时的故障影响、飞机安全性以及飞机能否仅需执行飞行任务的能力进行评估。
如图1所示，包括以下步骤：
步骤S100，确定风险度评估所需要考虑的因素，建立风险度模型，风险度估计一般可按照以下几个步骤进行：
1)确定风险度评估所需要考虑的因素；
2)根据所提供的目标各因素确定其隶属函数，然后根据各因素的相互关系和对风险的影响程度确定相应影响的权重；
3)通过加权求和的方式综合评判目标的风险度等级；
4)风险度等级排序。
表1 风险度划分表
表2 灾难性故障举例
| 序号 | 故障描述 |
| 1 | 紧急迫降 |
| 2 | 人员死亡 |
| 3 | 飞机损坏 |
表3 危险性的故障举例
| 序号 | 故障描述 |
| 1 | 造成飞机重要系统无法工作并失去该系统全部功能 |
| 2 | 失控的火灾-无法被飞机上的灭火系统熄灭 |
| 3 | 沿预定航线，暂时或永久无法爬升和飞行在1000英尺以上 |
| 4 | 客舱快速失压 |
表4 重大影响的故障举例
| 序号 | 故障描述 |
| 1 | 可控火灾(即被飞机机载灭火系统熄灭的火灾) |
| 2 | 人员轻伤熄灭 |
| 3 | 起落架无法放下，需机组人工放下 |
| 4 | 任何高速起飞的终止 |
| 5 | 飞机的主要结构裂纹、腐蚀 |
| 6 | 机舱的慢速失压 |
表5 较小影响的故障举例
| 序号 | 故障描述 |
| 1 | 造成飞机重要系统无法工作并失去该系统全部功能 |
| 2 | 失控的火灾-无法被飞机上的灭火系统熄灭 |
表6 没有安全影响的故障举例
| 序号 | 故障描述 |
| 1 | 不造成任何经济和安全后果或影响的假告警。 |
| 2 | 地面跳开关跳出，不采取任何其他措施，复位后正常。 |
| 3 | 瞬时故障(偶发故障)，后续飞行正常。 |
飞机的系统故障包含飞控、动力、环控、液压和起落架等系统故障，且不同的系统故障发生的飞行阶段也是不一样的。通常当飞机出现系统故障时，往往会对飞行员安全、飞机安全会造成很大的影响，而这两种因素的威胁程度直接影响飞机发生故障后对飞机整体的威胁程度，进而影响多故障并发后飞机安全性和任务执行能力。因此，构建如下风险度评估模型：
Risk＝αRperson+βRplane (1)
上式中，Risk表示多系统故障并发后的综合风险度，Rperson为故障发生后飞行员安全的风险度，Rplane为故障发生后飞机安全的风险度，常数α，β分别为Rperson、Rplane的影响因子，其分别与飞行阶段、故障源、环境参数和飞机参数有关，且二者之和为1。
步骤S200，根据风险度模型分别建立飞行员安全风险度模型和飞机风险度模型，所述飞行员安全风险度模型通过驾驶舱温度、压力和含氧量进行风险评价，所述飞机风险度模型通过对机载设备进行分类、分级并分别施加不同的权重进行风险评价；
优选地，飞行员安全风险度模型的建立方法如下：
影响飞行员安全的因素多种多样，如飞机发生故障(如：四川航空8633号班机事故)时对飞行员身体造成直接的损伤，致使飞行员不能正常驾驶飞机，又如飞机发生故障后导致驾驶舱环境发生巨大变化(如低温、低压等)，致使飞行员处于生理极限环境中，从而影响飞行员对故障的处置与应对，最终导致威胁度的越升。
飞行员的风险主要是由飞机发生故障时导致驾驶舱环境发生巨大变化，导致飞行员暴露于极端环境下，使得飞行员不能很好地操纵飞机，进而导致某些原本风险等级较低的故障跃迁至风险等级较高的故障，最终造成严重的后果。
通常影响人的生理健康的因素有很多，如、氧气、压强、温度、湿度以及紫外线强度等。但在飞行过程中，随着飞机高度的增加，飞机外部的氧气、温度和压强在急速下降，在8000-12000米的巡航高度中已经不适于人的生存。因此飞行员安全风险度模型仅考虑驾驶舱失压时的氧气、压强、温度这三个主要因素，其表达形式如下式：
Rperson＝ctRT+cpRp+coRO (2)
上式中，Rperson为飞行员的风险度，RT为驾驶舱温度对飞行员造成的风险度，Rp为驾驶舱压力对飞行员造成的风险度，RO为驾驶舱含氧量对飞行员造成的风险度，以下简称含氧量风险度，参数ct，cp，co分别为RT，Rp和RO的影响因子，通常均为1/3。
1)、含氧量风险度
随着海拔高度的升高，大气压和温度也会随之减小，与此同时空气也变的异常稀薄，这对人来说已经不适合生存了。然而，当飞机驾驶舱在高空失压时，由于机舱里的氧气外泄和压力减小，会使飞行员身体瞬间处于低温、低压缺氧的环境，如不能快速摆脱此环境的话，飞行员则会因为缺氧窒息而逐渐的失去意识，直至酿成更加严重的后果。
下表给出了氧气含量对人体的影响：
表7 空气含氧量对人的影响
基于上表的分析，假设驾驶舱在发生失压时，机组人员无法正常佩戴氧气面罩，即不考虑驾驶舱备用氧气的情况下，依据机载设备告警的级别可以建立如下的含氧量风险度模型为：
上式中，RO为氧气含量对飞行员造成危险度，N为氧气浓度。该模型共分为三个危险等级，当氧气浓度介于19.5％～23.5％之间时，飞行员的风险度为0，因为该浓度范围为人正常生存的氧气浓度范围，对人体没有任何影响；当氧气浓度低于19.5％，大于15％时，人会出现去轻度缺氧，从而导致人的工作效率降低，因此系统需给出警戒级的告警，提示飞行员下降高度以保持正常呼吸，如果飞行员不能及时降低高度时，会导致头部、肺部出现问题，此飞行员的风险度也会随事件的增大在逐渐增大；当氧浓度低于15％时，飞行员便开始出现呼吸急促、判断力丧失等症状，此时飞行员的危险程度已经上升至警告级别，飞行员须立即采取措施，否则会影响的飞行员的生命，进而影响整个飞机的安全。
考虑到飞机驾驶舱在高空发生失压时，舱内环境瞬间变得与飞机外界环境相近，然而在这种紧急状况下，飞机无法有效地测出驾驶舱实时的氧气含量，这将导致系统无法判别飞行员当前状态下的危险程度，进而也就无法给出准确的告警信息。因此需要将上述模型转换为与机载传感器能够直接测得的数据的关系。
下表给出了大气中氧含量与海拔高度的关系(表中为理论含氧量，由于季节、气候、地理环境的不同，含氧量会有一些差别)。
表8 海拔高度与空气中含氧量的关系一览表
对上表数据进行一次曲线拟合，可得大气氧含量随海拔高度的变化关系如下式：
N＝-0.0015*H+20.7682 (4)
式中，N为大气中的氧气浓度，H为海拔高度，单位为m。基于此，式(3)可改写为：
假设当驾驶舱失压的瞬间，飞行员即可佩戴好氧气面罩，则此时飞行员的风险度为0。但随着时间的增加，氧气面罩的剩余使用时间在逐渐降低，此时飞行员的危险度也在随之增加，因此对上述模型引入飞行员氧气威胁系数k，该系数是时间t的函数，可用来计算当前状态下飞行员的危险度。
假设飞行员在没有氧气面罩的情况下的风险度为R0，则飞行员佩戴好氧气面罩后t时刻的风险度变化量如下：
Rt＝R0k(t) (6)
式(6)代入到式(5)中，且在飞行员氧气面罩的总使用时间T的范围内飞行员的氧气风险度为：
当飞行员的备用氧气耗尽时，飞行员的危险度将会与式(3)描述的一致。因此，有如下关系：
飞行员的威胁系数k应满足警戒告警时0＜k＜1，警告告警时0.5＜k＜1。
2)大气压力风险度
大气压力对人的影响主要是对人体各项生理指标的影响，随着缺氧程度与暴露时间的增加，对机体的危害有明显的界限。首先是机能性改变，以呼吸、血液循环系统、脑功能的改变突出；当发展到一定程度时，就会导致人体产生病理性损伤，而这些机能性改变，无一不影响着人体的安全。
通常民航飞机的巡航高度为8000～12000米，当飞机在高空发生驾驶舱失压时，驾驶舱的压力会急剧下降，最终达到与外界大气压相当的水平，此时飞行员将暴露在低温低压的恶劣环境下。当环境气压从正常水平迅速转向低气压水平时，人体内原溶解于组织和液体内的氮气将快速、大量地释放出来，从而形成高空减压病(Decompression Sickness，DCS)。下表给出了不同程度低压对人的影响。
表9 不同程度低压对人的影响
大气压力对飞行员造成风险的风险度模型为：
式中，RP表示大气压力对飞行员造成的风险度，P大气压力，单位为kPa；RP表示大气压力对飞行员造成的风险度，P大气压力，单位为kPa。与氧气风险度模型类似，该模型也将飞行员的危险程度分为三个等级：无危险、警戒和警告。其划分界限分别为84.56kPa和67.64kPa。大气压与海拔高度的关系如下式：
P＝P0(1-H/443000)5.256 (10)
式中，P为海拔高度为H时的气压值，P0为标准大气压(101.325kPa)，H为海拔高度，单位为米。将上式代入到式(9)中，可得到大气压对飞行员造成的风险度与海拔高度的关系。
3)温度风险度
人体具有适应寒冷的能力，但有一定的限度。超过适应能力，体温调节发生障碍，则体温降低，甚至出现体温过低，进而影响机体功能。
根据航空医学要求，最舒适的驾驶舱温度为20～22℃，正常保持在15～26℃的舒适区范围内。另外，驾驶舱内温度场应3)——均匀，各方向上驾驶舱温度差值一般不得超过±3℃。根据飞行员当前所处的环境给出相应告警，以帮助飞行员更好的脱离险境。
环境温度对飞行员造成风险的风险度模型为：
式中，RT为温度对飞行员造成的风险度，T为温度，单位为℃；
该模型以飞行员体表温度为自变量，而对于挡风玻璃破裂的飞机来说驾驶舱的温度近乎与外界温度一致，另外考虑到飞机在高空的速度很快，本模型假设飞行员的瞬时体表温度等于空气温度。通常情况下，海拔高度和大气压、温度之间的转换关系为：
式中，H为海拔高度，单位为m，R为摩尔气体常量，值为8.51，T为热力学温度，单位为K，g为重力加速度，M为气体的相对分子量，空气的分子量为28.959，P0为标准大气压，值为101.325kPa，P为当前海拔下的气压值；
计算温度T随海拔与气压变化的关系：
式中，T是经过单位转换之后的温度，T的单位为℃；
由式(10)可知，气压值为海拔高度H的函数，将其代入到式(13)中可得得到温度与大气压力、海拔高度的关系为：
式中，H为海拔高度，单位是m；R为摩尔气体常量，值为8.51，g为重力加速度，通常为9.8m/s2；M为气体的相对分子量，空气的相对分子量为28.959。
优选地，飞机风险度通常指的是在飞行过程中，当机载设备发生故障时，其对飞机安全造成的危险程度，这直接关系着飞行任务能否顺利执行，甚至是机上人员的生命安全。然而不同的机载设备发生的故障类型、发生时间、严重程度等都不尽相同，因此在进行多故障并发时的飞机风险度分析，可从每种设备对飞机造成的威胁程度入手，通过分析各设备之间的交联关系，从而确定多设备故障并发后对飞机安全的综合威胁程度，以此来评估当前状态下飞机安全的风险度，为飞行员提供决策依据。
飞机风险度模型的分析方法为：
一、进行设备故障评估分析，对机载设备的风险度按照从大至小进行划分；如图2所示，将故障分为P1-P5级别，P1为灾难级；P2为危险级；P3为重大级；P4为较小级；P5为安全级，当面临P1-3级时，对于设备冗余、可替代的情况，进行参数重构或切换冗余的方式，而后如果风险度跃迁，则采用应急操作，如果风险度降低，则告知飞行员进行操作；对于非设备冗余、不可替代的情况，采取应急操作的方式进行处处置。对于P4级，则高级飞行员进行操作，对于P5级，可可以正常飞行。
对于单个设备故障来说，其风险度可用如下图2所示的方法进行判决。
当发生故障的设备无冗余时，可根据该机载设备的类型来确定其威胁度的大小。对于风险度为P1、P2和P3的情况，可通过执行该设备的快速检查单等方式来解决问题，如果问题得以解决，则飞机当前的风险度降低，否则风险度越升一级，向机组提示应急对策，如果飞机处于起飞机阶段，可提示机组返航，如果飞机处于巡航阶段，可提示机组联系机场迫降，如果飞机当前的状态不足以到达就近机场迫降时，则提示机组联系就近的高速公路或者在海面上迫降，如果飞机处于降落阶段，则可以提示机组根据机上情况联系机场的消防、医疗等设施来等候飞机降落；对于风险度较小的P4情况，可提示飞行员进行相关的处置操作；对于风险度为P5的情况，则可以不用理会，飞行员继续执行飞行任务。
二、根据机载设备特性的重要程度及产品故障对飞行安全、任务完成的影响程度对机载设备进行分类，并对不同类别的机载设备进行分级，同级之内以权值表示对飞机的威胁程度，同时判断机载设备是否进行风险度跃迁；
如图3、图4所示，根据机载设备特性的重要程度及产品故障对飞行安全、任务完成的影响程度，可将机载设备分为A、B、C三类，即关键机载设备，如果发生故障，则直接影响飞行安全；重要机载设备，如果发生故障，不直接影响飞行安全，却直接影响任务的完成；一般机载设备，如果发生故障，不直接影响飞行安全和任务的完成，只增加维修工作量。
在进行设备故障风险评估时，需要将机载设备按照对飞机的影响程度进行层级划分，同层之内以权值表示其对飞机的威胁程度，如飞机高度数据可由无线电高度表、GPS、大气机以及惯导结合加速度计等设备提供，即就是提供高度的功能有4个冗余度，因此每一类高度的权值为1/4，如果其中某一种高度失效，此时可以由剩余设备来提供高度，整体的威胁度并未提升，但剩余设备的影响权值均有所提高，如变为1/3。当提供高度的所有设备均失效时，此时飞机将没有高度数据可用，这将导致飞机的风险度大大提高，因此需要将威胁程度提高一级，以便提示飞行员做出合理的应对操作。
在进行设备重要度划分时，应重点考察机载设备可能产生最严重故障后果的故障模式，以此为出发点向下进行逻辑决断。在分析“是否影响飞行安全”时，可先不考虑机载设备是否属于余度系统，而简单地认为机载设备是无余度的。这样处理可避免对属于余度系统的机载设备轻易地做出降低类别的结论。所谓隐蔽故障，是指机载设备故障对于履行正常职责的空勤组来说是不容易察觉的，存在下列情况之一时，即认为有隐蔽功能：机载设备在正常使用情况下处于工作状态，但是当其发生故障停止工作时，对空勤组无指示(没有迹象显示)；机载设备在正常情况下不工作，而在需要使用时，空勤组无法了解它是否良好。
三、根据机载设备的类别和层级，建立风险度模型。
所述风险度模型的建立方法为：
基于上节分析，可从分层分权的角度建立风险度模型，层可以判断当前故障的影响程度是否达到越级的标准，权值可用于判断同层之内的设备对飞机造成的威胁度，二者乘积共同构成了设备故障时对飞机造成的风险度，根据设备的层级和权重建立飞机安全的风险度：
式中，Rplane是飞机安全的风险度，Ki是第i层设备发生故障时对飞机安全的影响程度，Pi为各设备的威胁度，n为风险层级，依据上节分类方法，n值为3。
对于威胁度P来说，其主要由该层中的设备的影响权值a和该设备是否发生故障F来确定：
P＝αF (16)
设定相同功能的一类设备的权值N，相邻层级间设备影响程度的跃迁系数k以及该设备的冗余数量a有关，则发生故障时，设备对飞机造成的影响权重α为：
将式(17)代入到式(16)中可得：
由于每一个层级内的设备往往不只有一个，可能包含了多个功能的设备，且一些设备也会存在冗余，因此上式可改写成：
式中，αj表示第i层第j个设备的权值，N(i，j)表示第i层第j个设备的功能集合的权值，O(i，j)表示第i层第j个设备功能的集合，k(i，j)表示第i层第j个设备功能所在集合越升系数，a(i，j)表示第i层第j个设备的冗余数量。这里，当该设备的功能无冗余时，k(i，j)值为1。
对于第i层第j个设备来说，其是否发生故障可用F(i，j)表示，若该设备发生故障，则F(i，j)值为1，否则为0。
将式(19)和式(20)。代入到式(18)中，可得到第i层设备的威胁度Pi：
式中，m为第i层设备的数量；
将式(21)代入到式(15)中，可得飞机设备发生故障后的风险度H：
优选地，风险度跃迁的计算方法为：
风险跃迁是指当设备功能面临完全丧失而导致飞机无备用的设备或相关数据可用，此时飞机的安全与任务收到的威胁严重增大。对于告警系统而言，当风险度发生跃迁时，告警系统需要根据风险等级进行告警。图1描述了两种跃迁类型，分别为无冗余的层间对飞机的影响程度的跃迁(以下简称层间跃迁)和有冗余的层内权值跃迁(以下简称层内跃迁)。层间跃迁表示了飞机由于功能完全失效导致任务和安全的影响程度发生了明显变化，导致当前层的影响程度发生了变化；层内跃迁表示了具有功能冗余或数量冗余的设备发生故障时，由于部分设备或功能的失效导致冗余的设备或功能的权值发生变化。
层级跃迁标准为：如果当前层的风险度超过更高一层的设备的最小风险度时发生层间跃迁，其数学表示如下式：
式中，Ki-1表示第i-1层的层影响程度，(Pi-1)min表示第i-1层中最小的威胁度，Ki表示第i层的层影响程度，P(i，j)为第i层第j个设备的威胁度，上式右边表示具有相同功能的一类设备的风险度。
这里，同一层的影响程度(Ki-1，Ki)是相同的。因此，将式(21)代入到式(23)可得：
为了模型简化起见，假设相同功能的一类设备的层级越升系数ki，j是相同的，可写为ki，j＝kAj，Aj表示当前层第j个设备的这一类功能的集合；相同功能的一类设备的权值N(i，j)是相同的，即
同样，Aj表示当前层第j个设备的这一类功能的集合。因此，式可转化为：
由式(20)可知，当设备发生故障时，F(i，j)＝1，得到：
由于具有相同功能的一类设备的
和
是一定的，而a(i，j)表示第i层第j个设备的冗余数量，同类设备的数量和等于各设备冗余数量之和，可得同类设备的层间跃迁规则，如下式所示：
假设当前设备的功能冗余度为λ，即就是具有与当前设备功能相同的设备种类有λ种，当有λ-1种设备失效时，则判断当前功能的层级影响程度发生跃迁，因此总的层间跃迁规则如下：
上式中，等号当且仅当刚好达到跃迁标准时成立，由此可得出相同功能的一类设备的层级越升系数
如下式所示：
上式中，Ki-1，Ki分别为相邻两层影响程度，该值是通过大量的事故数据调查得出的参考值，一旦设备的功能种类和层级确定之后，上式中的
，(Pi-1)min和λ均为常数，因此可以得出，
的值仅与Ki-1，Ki有关，即就是：
优选地，层级影响程度的确定方法为：
由式(30)可知，相同功能的一类设备的层级越升系数
与Ki/Ki-1相关，即Ki-1与Ki的值得设定会影响到层级跃迁。通常情况下，当某一机载设备或者功能具有较多冗余时，往往其中一个发生故障对飞机整体的风险度不是很大，机组人员可以通过参数重构或者切换正常设备等措施来解决当前故障，此时就不需要将危险进行升级，这样可避免给飞行员造成更大的心里压力；否则，
很敏感的话，将会造成设备故障很容易跃迁，相当于所有的设备故障都是高风险度，这样的现象显然不是预期的。
无功能冗余的设备的威胁度Pi，j为：
有功能冗余的设备的威胁度Pi，j为：
。从式(31)和式(32)可以看出，单个设备的威胁度Pi，j成反比例关系，当
值很小时，会造成Pi，j值很大，从而告警信息很容易出现跃迁。
步骤300，实时收集飞行故障信息；
步骤S400，根据飞行员安全风险度模型和飞机风险度模型实时评估风险等级，对告警信息进行排序并告警、登记；
步骤S500，根据不同的告警登记分别做出不同的处置决策，根据不同的处置决策处理不同的飞机告警信息。
通过建立风险度模型并将风险度模型基于飞行员安全风险度模型和飞机风险度模型分别计算，在飞机遭遇风险时，通过结合驾驶舱温度、压力和含氧量以及对机载设备进行分类、分级并分别施加不同的权重来对风险等级进行准确的评估；对于评价较大的风险，通过应急操作直接取代飞行员进行操作，对于较小的风险等级，则告知飞行员进行相关操作，无论飞机发生什么样的风险，飞机均能够做出最正确的决策，是返航、迫降还是继续飞行，减少飞行员需要对风险做出判断而导致操作变形的风险，可大幅度提高飞机的安全性能，减少航空灾难事故的发生。
作为一种具体实施方式，一种基于风险度模型的综合告警等级跃迁方法，编号N1335U的南方航空DC-9型客机，从1977年事故的经过与调查结果可以看出，飞机在经历暴雨和冰雹之后，两台发动机均发生停车现象。因此，该事故的风险度可以两台发动机故障为输入进行计算。根据机型以及上述风险度模型可分析，该机型发动机的层级影响程度K＝4，设备权值N＝23.78，设备冗余数a＝2，由于发动机对于飞机而言没有功能冗余，因此依据风险度模型的假设可知，发动机故障跃迁系数k＝1。
上式可计算出此时发动机故障对飞机造成的风险度为95.12，已经处于很危险的状态了。此时，综合告警系统会以警告级别给出发动机故障告警，并进行相应告警信息排序，并提示机组人员下降高度，尽快逃离暴雨区域。在此过程中提示机组执行非正常和应急程序中的双发失效快速检查单，并向塔台报告情况，准备迫降。进而可避免最后撞上加油站发生爆炸的空难事故。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于风险度模型的综合告警等级跃迁方法，其特征在于，包括：
确定风险度评估所需要考虑的因素，建立风险度模型，所述风险度模型为Risk＝αRperson+βRplane，式中，Risk表示多系统故障并发后的综合风险度，Rperson为故障发生后飞行员安全的风险度，Rplane为故障发生后飞机安全的风险度，常数α，β分别为Rperson、Rplane的影响因子；
根据风险度模型分别建立飞行员安全风险度模型和飞机风险度模型，所述飞行员安全风险度模型通过驾驶舱温度、压力和含氧量进行风险评价，所述飞机风险度模型通过对机载设备进行分类、分级并分别施加不同的权重进行风险评价；
实时收集飞行故障信息；
根据飞行员安全风险度模型和飞机风险度模型实时评估风险等级，对告警信息进行排序并告警、登记；
根据不同的告警登记分别做出不同的处置决策，根据不同的处置决策处理飞机不同的告警信息。
2.如权利要求1所述的基于风险度模型的综合告警等级跃迁方法，其特征在于，所述飞行员安全风险度模型为：
Rperson＝ctRT+cpRp+c0RO
式中，Rperson为飞行员的风险度，RT为驾驶舱温度对飞行员造成的风险度，Rp为驾驶舱压力对飞行员造成的风险度，ct，cp，co分别为RT，Rp和RO的影响因子，RO为驾驶舱含氧量对飞行员造成的风险度。
3.如权利要求2所述的基于风险度模型的综合告警等级跃迁方法，其特征在于，飞行员不戴氧气面罩时，驾驶舱含氧量对飞行员造成风险的风险度模型为：
式中，H为海拔高度，单位为m；
飞行员佩戴氧气面罩时，飞行员氧气面罩的总使用时间T的范围内驾驶舱含氧量对飞行员造成风险的风险度模型为：
当飞行员氧气耗尽时，驾驶舱含氧量对飞行员造成风险的风险度与不带氧气面罩的风险度模型一致。
4.如权利要求3所述的基于风险度模型的综合告警等级跃迁方法，其特征在于，所述大气压力对飞行员造成风险的风险度模型为：
式中，RP表示大气压力对飞行员造成的风险度，P大气压力，单位为kPa；RP表示大气压力对飞行员造成的风险度，P大气压力，单位为kPa；
大气压力与海拔高度的关系式为：
P＝P0(1-H/443000)5.256
式中，P为海拔高度为H时的气压值，P0为标准大气压。
5.如权利要求4所述的基于风险度模型的综合告警等级跃迁方法，其特征在于，所述环境温度对飞行员造成风险的风险度模型为：
式中，RT为温度对飞行员造成的风险度，T为温度，单位为℃；
根据大气压力P与海拔高度的关系得到温度与大气压力、海拔高度的关系为：
式中，H为海拔高度，单位是m；R为摩尔气体常量，值为8.51，g为重力加速度，为9.8m/s2；M为气体的相对分子量，空气的相对分子量为28.959。
6.如权利要求1所述的基于风险度模型的综合告警等级跃迁方法，其特征在于，所述飞机风险度模型的分析方法为：
进行设备故障评估分析，对机载设备的风险度按照从大至小进行划分；
根据机载设备特性的重要程度及产品故障对飞行安全、任务完成的影响程度对机载设备进行分类，并对不同类别的机载设备进行分级，同级之内以权值表示对飞机的威胁程度，同时判断机载设备是否进行风险度跃迁；
根据机载设备的类别和层级，建立飞机风险度模型。
7.如权利要求6所述的基于风险度模型的综合告警等级跃迁方法，其特征在于，所述飞机风险度模型为：
根据设备的层级和权重建立飞机安全的风险度：
式中，Rplane是飞机安全的风险度，Ki是第i层设备发生故障时对飞机安全的影响程度，Pi为各设备的威胁度，n为风险层级；
结合每个层级中的多个设备，得到每个层级中多个设备威胁度的表达式：
式中，αj表示第i层第j个设备的权值，N(i，j)表示第i层第j个设备的功能集合的权值，O(i，j)表示第i层第j个设备功能的集合，k(i，j)表示第i层第j个设备功能所在集合越升系数，a(i，j)表示第i层第j个设备的冗余数量；
第i层第j个设备的故障表达式：
飞机设备发生故障后的风险度：
8.如权利要求7所述的基于风险度模型的综合告警等级跃迁方法，其特征在于，当设备功能面临完全丧失而导致飞机无备用的设备或相关数据，进行风险度的跃迁，所述风险度跃迁的计算方法为：
如果当前层的风险度超过更高一层的设备的最小风险度时发生层间跃迁，则数学表达式为：
式中，Ki-1表示第i-1层的层影响程度，(Pi-1)min表示第i-1层中最小的威胁度，Ki表示第i层的层影响程度，P(i，j)为第i层第j个设备的威胁度；
同类设备的层间跃迁表达式为：
9.如权利要求8所述的基于风险度模型的综合告警等级跃迁方法，其特征在于，所述层级影响程度的确定方法为：
无功能冗余的设备的威胁度Pi，j为：
有功能冗余的设备的威胁度Pi，j为：
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|---|---|---|---|
| CN202111666791.8A CN114240247A (zh) | 2021-12-31 | 2021-12-31 | 一种基于风险度模型的综合告警等级跃迁方法 |
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|---|---|---|---|---|
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2021
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| CN116414097B (zh) * | 2023-05-15 | 2023-09-29 | 广东思创智联科技股份有限公司 | 基于工业设备数据的告警管理方法及系统 |
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