基于分层安全控制结构的导弹装备任务安全性动态评价方法

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28858

固体力学与飞行器总体设计

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基于分层安全控制结构的导弹装备任务安全性动态评价方法

姚博清¹, 陈嘉宇¹(), 谷长超², 陆钦华¹, 王旭航¹, 葛红娟¹

^1.南京航空航天大学民航学院，南京 211106
^2.中国运载火箭技术研究院，北京 100076

收稿日期:2023-04-11 修回日期:2023-06-08 接受日期:2023-07-20 出版日期:2024-03-25 发布日期:2023-07-28
通讯作者: 陈嘉宇 E-mail:jiayu_chen@nuaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52102474);中国博士后科学基金(2023M731663);中央高校基本科研业务(XCXJH-20220725)

A dynamic evaluation method for mission safety of missile equipment based on hierarchical safety control structure

Boqing YAO¹, Jiayu CHEN¹(), Changchao GU², Qinhua LU¹, Xuhang WANG¹, Hongjuan GE¹

^1.College of Civil Aviation，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China
^1.China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing 100076，China

Received:2023-04-11 Revised:2023-06-08 Accepted:2023-07-20 Online:2024-03-25 Published:2023-07-28
Contact: Jiayu CHEN E-mail:jiayu_chen@nuaa.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

长期贮存的多任务环境与复杂工况，对导弹装备的风险有效抑制与安全性准确评价提出了严格的要求。然而，导弹装备是典型的人-机-环耦合复杂系统，传统的安全性分析与评价方法无法满足其动态变化与准确量化的需求。为此，提出基于分层安全控制结构的导弹装备安全性动态评价方法，实现长期贮存任务情境下安全性的准确评价。首先，针对导弹装备的任务剖面特点，构建过程、任务、功能、信息和组织的多视图体系模型，实现任务过程与资源的准确描述。其次，构建分层安全控制结构模型，明确任务的事故致因因素与事故链。同时，针对导弹装备任务特点，构建面向长期贮存复杂多变环境下的人因绩效评价体系，实现人-机-环耦合条件下人因失误率的准确评价。然后，提出了一种融合STAMP和CREAM的安全动态反馈评价方法，以仿真的形式获得导弹任务的事故率。最后，对导弹测试任务进行案例分析，所提方法在人-机-环耦合情境下明确协调、控制和反馈共3类6个典型事故链，同时事故率精度提升70.08%，验证了所提方法的有效性与优越性。

关键词: 长期贮存, 人-机-环耦合, 动态变化, 准确量化, 人因绩效评价体系

Abstract:

The multi-mission environment and complex working conditions of long-term storage put forward strict requirements on the effective risk suppression and accurate safety evaluation of missile equipment. However， missile equipment is a typical man-machine-environment coupling complex system. Traditional safety analysis and evaluation methods cannot meet the requirements of its dynamic change and accurate quantification. Therefore， this paper proposes a safety dynamic evaluation method for missile equipment based on hierarchical safety control structure model to realize accurate safety evaluation under the long-term storage mission situation. First， according to the mission profile characteristics of missile equipment， a multi-view architecture model of process， mission， function， information and organization is constructed to achieve the accurate description of mission process and resource. Then， a hierarchical safety control structure model is proposed to determine the accident causal factors and accident chain of the targeted mission. Meanwhile， based on the mission characteristics of missile equipment， a human performance evaluation system is constructed for long-term storage in a complex and changeable environment， achieving accurate evaluation of human error rate under the man-machine-environment coupling condition. Moreover， a safety dynamic feedback evaluation method integrating STAMP and CREAM is proposed to obtain the accident rate of the missile mission through simulation. Finally， a case study of the missile test mission is performed. The proposed method specifies 6 typical accident chains of 3 categories of coordination， control and feedback in the man-machine-environment coupling scenario. Meanwhile， the accuracy of the accident rate is improved by 70. 08%， which verifies the effectiveness and superiority of the proposed method.

Key words: long-term storage, man-machine-environment coupling, dynamic change, accurate quantification, human performance evaluation system

中图分类号:

姚博清, 陈嘉宇, 谷长超, 陆钦华, 王旭航, 葛红娟. 基于分层安全控制结构的导弹装备任务安全性动态评价方法[J]. 航空学报, 2024, 45(6): 228858-228858.

Boqing YAO, Jiayu CHEN, Changchao GU, Qinhua LU, Xuhang WANG, Hongjuan GE. A dynamic evaluation method for mission safety of missile equipment based on hierarchical safety control structure[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(6): 228858-228858.

图/表 21

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表 1

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表 5

表 6

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参考文献 35

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可能性等级	严重性等级
可能性等级	Ⅰ（灾难的）	Ⅱ（严重的）	Ⅲ（轻度的）	Ⅳ（轻微的）
A（频繁）	1A（不可接受）	2A（不可接受）	3A（不可接受）	4A（评审后可接受）
B（很可能）	1B（不可接受）	2B（不可接受）	3B（不希望有的）	4B（评审后可接受）
C（有时）	1C（不可接受）	2C（不希望有的）	3C（不希望有的）	4C（立刻接受）
D（极少）	1D（不希望有的）	2D（不希望有的）	3D（评审后可接受）	4D（立刻接受）
E（不可能）	1E（评审后可接受）	2E（评审后可接受）	3E（评审后可接受）	4E（立刻接受）

认知功能	失效模式	人因失误率基本值
观察	O1观察目标错误	0.001
	O2辨识错误	0.07
	O3观察没有进行	0.07
解释	I1诊断失败	0.02
	I2决策失误	0.01
	I3延迟解释	0.01
计划	P1优先权错误	0.01
计划	P2不适当的计划	0.01
执行	E1动作方式错误	0.003
	E2动作时间错误	0.003
	E3动作目标错误	0.000 5
	E4动作顺序错误	0.003
	E5动作遗漏	0.003

风险评价因素Y_S	人因绩效评价因子
风险评价因素Y_S	观察	解释	计划	执行
（0， X₁）	B₀	C₀	D₀	E₀
（X₁， X₂）	B₁	C₁	D₁	E₁
…	…	…	…	…
（X_n_-1， X_n ）	B_n-₁	C_n-₁	D_n-₁	E_n-₁
（X_n， 1）	B_n	C_n	D_n	E_n

安全约束级别		安全约束
系统级		防止导弹燃烧爆炸
人员	一岗人员	按照测试操作规程对相关设备进行测试活动，出现意外及时报告
	二岗人员	按照操作规程对一岗人员的操作行为进行监督
	保障人员	按照操作规程对所负责设备进行保障，出现意外及时报告
	管理人员	对操作层人员进行监督，制定测试计划、安全培训等活动
设备	供气、配电、接地、温湿度、照明、测试	按照人员设定正常执行功能；不唱声漏电、火源等危险
	告警、消防、避雷、防爆	在危险发生时功能正常并遏制危险或事故后果的扩大
	导弹装备	确保结构体不出现结构体损坏

序号	类型	关键层次	事故链路
A1	协调类	设计层-操作层	④（P1）—②（O2）—①（E3）—③（I3）—⑧—⑮
A4	协调类	操作层-操作层	②（O2）—①（E1）—③（I3）—⑥—⑮
A2	控制类	设计层-操作层	④（I3）—②（O2）—①（E3）—③（P1）—⑦—⑮
A3	控制类	操作层-辅助设备层	③（E3）—②（O2）—①（E3）—⑭—⑮
A5	反馈类	辅助设备层-操作层	③（P1）—①（I3）—②（O3）—⑩—⑮
A6	反馈类	操作层-辅助设备层	②（O2）—①（E3）—③（E3）—⑨—⑮

基于分层安全控制结构的导弹装备任务安全性动态评价方法

A dynamic evaluation method for mission safety of missile equipment based on hierarchical safety control structure

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风险评价因素	影响	观察	解释	计划	执行
产品智能化程度	环境因素
（0.85， 1）	提高	0.8	0.8	1.0	0.8
（0.6， 0.85）	持平	1.0	1.0	1.0	1.0
（0， 0.6）	降低	2.0	2.0	2.0	2.0
产品智能化程度	装备因素
（0.85， 1）	提高	0.5	1.0	1.0	0.5
（0.7， 0.85）	持平	1.0	1.0	1.0	1.0
（0， 6， 0.7）	持平	1.0	1.0	1.0	1.0
（0， 0.6）	降低	2.0	1.0	1.0	2.0
经验水平	个体因素
（0.85， 1）	提高	0.8	0.5	0.5	0.8
（0.6， 0.85）	持平	1.0	1.0	1.0	1.0
（0， 0.6）	降低	2.0	5.0	5.0	2.0
经验水平	操作能力
（0.85， 1）	持平	1.0	1.0	1.0	1.0
（0.6， 0.85）	持平	1.0	1.0	1.0	1.0
（0， 0.6）	降低	2.0	2.0	5.0	2.0
经验水平	生理因素
（0.6， 1）	持平	1.0	1.0	1.0	1.0
（0， 0.6）	降低	1.2	1.2	1.2	1.2
安全意识	心理因素
（0.85， 1）	提高	0.5	0.5	0.5	0.5
（0.6， 0.85）	持平	1.0	1.0	1.0	1.0
（0， 0.6）	降低	2.0	2.0	2.0	2.0
安全意识	协作水平
（0.85， 1）	提高	0.5	0.5	0.5	0.5
（0.7， 0.85）	持平	1.0	1.0	1.0	1.0
（0，6， 0.7）	持平	1.0	1.0	1.0	1.0
（0， 0.6）	降低	2.0	2.0	2.0	5.0
任务压力	管理因素
（0.85， 1）	提高	1.0	1.0	0.8	0.8
（0.7， 0.85）	持平	1.0	1.0	1.0	1.0
（0， 6， 0.7）	降低	1.0	1.0	1.2	1.2
（0， 0.6）	降低	1.0	1.0	2.0	2.0
任务压力	流程合理性
（0.85， 1）	提高	0.8	1.0	0.5	0.8
（0.6， 0.85）	持平	1.0	1.0	1.0	1.0
（0， 0.6）	降低	2.0	1.0	5.0	2.0