基于Bow-Tie事故模型的军机适航条款选取方法*

崔利杰 ，丁 野 ，孙 超 ，任 博

（1.空军工程大学装备管理与安全工程学院，西安 710051；2.解放军95910部队，甘肃 酒泉 735018）

0 引言

随着军用航空器技术复杂程度不断提升，军用航空器发生事故的故障模式也愈发复杂，由此导致的军用航空事故愈发严重，影响也越来越大。当前，适航是提升航空器安全水平的重要途径，军用适航标准是飞机的最低安全性要求，无论在飞机的设计制造过程中，还是飞机的使用维护阶段都需要选取合理、准确的适航条款与要求。军机适航条款的选取，既要避免过多、过滥导致安全性成本的盲目增大，更要防止不足与缺项而导致出现安全性问题。由于在任务特点、管理方式、目标定位、进度要求等方面与民机存在很大不同，军机适航条款应根据实际需求开展选取和裁剪。因此，如何理清导致航空事故发生的危险要素以及分析事故发生可能导致的不同后果，进而有针对性地选取相关条款开展设计与预防，是军用航空器设计和使用人员所关注的重要问题。针对航空事故建模与分析这一现实问题，2004年美国联邦航空局（FAA）下属的专业科研技术团队开发出了一套“领结图”技术，英文原称Bow-Tie，并以此作为事故分析的主要机制。此套技术亦被其他负责航空安全管理及高危性产业的安全管理机构所推荐使用［1-3］。

目前，Bow-Tie模型已经在工业界风险分析管理领域得到了广泛的应用［4-5］。Refaul Ferdous和Faisal Khan等人建立了在不确定条件下的系统安全性和风险分析的Bow-Tie模型，并针对2005年英国石油公司（BP）在美国德克萨斯州的精炼厂爆炸事故的Bow-Tie风险分析模型，给出了预防事故的针对性措施［6］；Celeste Jacinto和 Cristina Silva运用了半量化的Bow-Tie方法针对船舶故障模式构建了风险分析评价模型，也取得了不错的分析效果［7］；而Nima Khakzad等人结合贝叶斯网络，建立了针对热交换器蒸汽点燃事故的Bow-Tie分析模型［8］。在国内，贾朋美和於孝春等人将Bow-Tie技术引入到城镇燃气管道的风险管理中，通过定性分析导致燃气管道泄漏的原因和后果，针对性地提出预防减缓措施［9］。郑卫东等人统计了美军航母舰载机的161起飞行事故，采用Bow-Tie模型进行了风险分析，提出了防范措施和对策［10］。上述研究证明了Bow-Tie模型能够有效解决传统事故分析模型量化不足、条块分割和直观性、针对性不强的问题［11-12］，为事故分析领域提供了新的思路和方法，目前已在事故分析和风险评估中成为了研究热点。

Bow-Tie模型在工业风险分析中的广泛应用，证实了这种分析方法具有独到的优势。本文将采用这种方法作为分析工具，以航空机轮为例，建立起航空器轮胎爆破事故的Bow-Tie模型，进而针对模型中的具体环节给出预防措施。根据模型中的故障模式以及改进建议，进一步选取与航空机轮相关的适航条款，探究通过Bow-Tie模型的适航条款生成方法。

1 Bow-Tie模型方法简介

Bow-Tie模型结合了故障树分析和事件树分析，第一次把事故的预防以及事故发生后的应急反应统一到一起［13-14］，它以一种可视化的方式，呈现出事故的前因后果。其原理［15-16］如图1所示。

该模型左边为故障树，主要通过故障树的分析方法从事故出发向前推导，寻找导致事故发生的底事件，作为事故发生的危险源。模型右边为事件树，分析该事故可能产生的所有后果。Bow-Tie模型的引入目的是为了进行风险安全评估，一个完整的风险评估过程应当包含以下4个步骤：

1）对于危险源的识别；

2）对于后果的分析；

3）对于可能性的评估；

4）对于风险的评价。

通过建立故障树实现了对于危险源的识别，通过事件树实现了对于事件结果的分析，但是还要对风险和结果建立评价，并给出针对性的预防解决措施。因此，完整的Bow-Tie模型还应当包含风险管理措施。在Bow-Tie模型中，应当含有防止顶层风险事件发生的保护性或前瞻性屏障，其在顶层事件的左边，同时，纠正或体现控制机构，其在顶层事件的右边。这些机构用于防止顶层事件导致产生不必要的结果或减轻该结果的严重影响程度［1］。

2 航空机轮的Bow-Tie事故模型研究

机轮作为航空器起落系统中的重要部件，对于飞机能否安全起降起着至关重要的作用，一旦飞机轮胎发生爆破，将会严重影响飞机的安全性水平。通过统计历史上发生由于机轮产品导致的军用航空事故，发现导致轮胎爆破是导致飞机发生严重事故的主要原因。该事件发生的危险源涵盖面广，基本包括了人为、环境以及机械原因中的要素。另外，轮胎爆破所产生的后果也比较复杂，如果控制不当，甚至会导致机毁人亡的严重事故。因此，本文主要针对轮胎爆破事故构建航空机轮的Bow-Tie事故模型，研究导致事故的各类风险和事故后果，并提出针对性的风险控制建议。

2.1 危险源分析

要建立起以轮胎爆破为顶事件的故障树，首先就要确定可能导致顶事件发生的危险源，也就是通过统计确定故障树的底事件，分析危险源之间的关系，为故障树的构建提供资料的支撑。

直接造成轮胎爆破的原因有轮胎故障、刹车系统故障以及机轮故障。导致轮胎故障的原因有充气压力低、充气嘴断裂、机轮磨损和轮胎本身的质量问题等，在这几个因素中，充气压力低主要是由于维护不当导致，轮胎质量问题则是制造厂商的问题，这些都是人为原因导致机械故障的发生；机轮磨损既会直接导致机轮的失效，也会对轮胎造成直接的影响。导致机轮故障的因素中，由于人为的维护不当造成刹车片误装，进而造成机轮损坏。刹车盘掉块则是由于刹车系统的问题而对机轮造成不良影响。在导致刹车系统故障的因素中，沙尘导管内的异物是由于机务人员检查时疏漏导致，同样是人为因素导致机械故障的发生。异物的存在同时还会对放气活门以及惯性传感器造成不利影响，而放气活门和惯性传感器故障也会直接对刹车系统造成影响。由于环境原因导致的轮胎过热漏气，如果不及时维护，同样会造成轮胎爆破。各种因素之间相互作用，层层递进共同导致事故发生。

通过以上分析，不难看出在导致轮胎爆破的各种危险因素中，包含了人为因素、机械因素以及环境因素。因此，在探讨对于危险源的风险控制时，要从人、机、环3个完整的角度入手，从各个环节入手预防危险源状态的转移。

表1 轮胎爆破故障树基本事件

2.2 后果分析

轮胎爆破事件发生后，飞机由于无法掌控方向，很容易出现冲出跑道、飞机侧翻以及飞行员由于操作慌乱而导致二次事故的情况。人们针对事故所采取的不同的动作会导致不同后果的发生。根据对历史上飞机轮胎爆破事件后果的统计，主要有以下几类不安全后果：

1）由于轮胎爆破碎片造成人员伤亡；

2）轮胎爆破后，由于飞行员操纵失误，处置不当所导致的飞机失控；

3）由于地面指挥失误而导致的飞机失控；

4）由于地面准备不充分而导致的二次事故的发生。

通过对以上后果的分析，不难发现，对于轮胎爆破这起事件而言，不安全后果大多数都是由于人为的因素所造成的。因此，控制不安全事件向不好的方向发展，主要的控制措施应当从人员的控制入手。

2.3 Bow-Tie模型的建立

前文中，研究分析了导致飞机轮胎爆破事故发生的危险源以及该事故可能造成的后果。根据积累的资料［17-18］，能够建立起关于轮胎爆破事故的Bow-Tie模型，如图2所示。表1列出了故障树的基本事件。通过Bow-Tie模型的建立，比较清晰地呈现了轮胎爆破的危险源以及不同的后果。下面将对识别出的风险进行分析，给出预防措施。

3 基于Bow-Tie模型适航条款选取方法

3.1 风险控制分析

前文基于轮胎爆破事故建立了Bow-Tie分析模型，确定危险源和研究事故后果，根本目的还是为了对风险进行防范，减少不期望的事故后果出现。因此，在图2的基础上，针对危险事件和时间后果，对轮胎爆破事故进行风险控制分析。

从故障树中不难发现，导致顶事件发生的各级事件之间的逻辑运算都是或门，这就意味着每一个底事件都可能单独导致顶事件的发生。因此，在进行风险控制时，必须综合考虑每个危险源可能导致的后果，阻断危险源向顶事件转化的路径。建立基于风险控制的Bow-Tie航空机轮事故模型所图3所示。

根据前文中建立的轮胎爆破事故分析Bow-Tie模型，针对每一种危险源提供风险预防控制建议，反映到Bow-Tie结构图上，就是防止危险源向事故发展的控制手段。进一步针对事故可能导致的后果给出预防措施。

3.2 基于Bow-Tie模型的轮胎爆破适航条款选取

通过基于Bow-Tie模型的轮胎爆破风险控制分析，不难看出导致该类事故发生主要是由机轮故障、轮胎失效以及刹车系统所导致。因此，预防轮胎爆破事故的发生，就要从这3个主要因素入手，结合相对应的适航标准［19］，即可有针对性地选取相关条款。其中，关于机轮有如下可选取以下条款要求：

1）每一机轮的最大静载荷额定值，不得小于如下情况对应的地面静反作用力。

a）设计最大重量；

b）临界重心位置。

2）每一机轮的最大限制载荷额定值，必须不小于按本部中适用的地面载荷要求确定的最大径向限制载荷。

3）过压爆裂保护。每一机轮必须提供防止机轮和轮胎组件因过度压力引起机轮失效和轮胎爆裂的措施。

4）刹车机轮。每一刹车机轮必须满足适用要求。

由于轮毂裂纹、机轮破裂等是进一步导致轮胎爆破的重要危险源之一。生产厂家和维护单位应当贯彻适航要求，对于机轮强度进行试验和校核。

关于轮胎应选取的条款有：

1）当起落架轮轴上装有单个机轮和轮胎的组件时，机轮必须配以合适的轮胎，其速度额定值应经批准，且在临界条件下不会被超过，其载荷额定值应经适航当局批准，且不会被下列载荷超过：

a）主轮轮胎上的载荷，对应于飞机重量（直到最大重量）和重心位置的最临界组合；

b）前轮轮胎上的载荷，应按照对应的地面反作用力分析。

2）对于最大起飞重量超过34 050 kg的飞机，装在有刹车的机轮上的轮胎必须用干燥氮气或表明为惰性的其他气体充气，使轮胎内混合气体的氧体积含量不超过5%，除非能表明轮胎衬垫材料在受热后不会产生挥发性气体或采取了防止轮胎温度达到不安全程度的措施。

对于轮胎正常承受的载荷和轮胎充气量，均应做出明确的规定，严格遵守标准要求，能够减少不必要事件的发生。

根据CCAR 25.735条，关于刹车有以下要求：

1）每一包含机轮和刹车的组件都必须经批准。

2）刹车系统能力刹车系统及其相关系统必须设计和构造成。

如果任何电气、气动、液压或机械连接元件或传动元件损坏，或者任何单个液压源或其他刹车能源失效，能使飞机停下且滑行距离不超过规定的滑行距离的两倍。

3）过热爆裂保护。对于每个带刹车的机轮，必须提供措施防止由于刹车温度升高导致的机轮失效和轮胎爆裂。并且，所有机轮必须满足要求。

关于轮胎爆破的适航条款基本覆盖了对于危险源的识别，并给出了相应的预防方法。因此，通过对适航条款的贯彻，能够实现对于危险源的控制。

4 结论

作为一种新生的分析理论，Bow-Tie模型能够直观清晰地反映出导致飞机发生事故的危险源以及危险后果，形成对特定事故一种“前因后果”式的分析模式。通过对各类危险源的识别，人们能够针对导致事故的成因和后果采取控制措施，实现了从问题认识到问题解决的完整过程。

通过统计航空机轮引起的轮胎爆破历史事故资料和Bow-Tie模型分析，本文分析了导致事故发生的人、机、环3个层次的危险因素，并分析了在事故发生后不同行为所导致的危险后果，针对各种风险提出了控制措施，通过对适航规章中相关条款的分析，构建了相应的适航条款体系，实现了适航条款与风险控制措施的对接，形成了较为完整的定性航空事故分析与预防研究机制。在对特定航空事故进行分析时，可以将适航分析与Bow-Tie模型相结合，提出一种航空器适航分析与条款选取的新模式。

参考文献：

［1］孙殿阁，孙佳，王淼，等.基于Bow-Tie技术的民用机场安全风险分析应用研究［J］.中国安全生产科学技术，2010，6（4）：85-89.

［2］COURONNEAU J C，TRIPATHI A.Implementation of the new approach of risk analysis in france［C］//Proceedings of the 41st International Petroleum Conference，Bratislava，Slovakia，2003.

［3］BELLAMY L J.Exploring the relationship between major hazard，fatal and non-fatal accidents through outcomes and causes［J］.Safety Science，2015，71（2）：93-103.

［4］SAUD Y E，ISRANL K，GODDARD J.Bow-tie diagrams in downstream hazard identification and risk assessment［J］.Process Safety Progress，2014，33（1）：26-35.

［5］MARKOWSKI ADAM S，KOTYNIA A.Bow-tie model in layer of protection analysis［J］.Process Safety and Environment Protection，2011，89（4）：205-213.

［6］FERDOUS R，KHAN F，SADIQ R，et al．Analyzing system safety and risks under uncertainty using a bow-tie diagram：an innovative approach［J］.Process Safety and Environmental Protection，2013，91（8）：1-18.

［7］JACINTO C，SILVA C.A semi-quantitative assessment of occupational risks using boe-tie representation ［J］.Safety Science，2010，48（8）：973-979.

［8］KHAKZAD N，KHAN F，AMYOTTE P.Dynamic safety analysis of process systems by mapping boe-tie into Bayesian network ［J］.Process Safety and Environmental Protection，2013，91（1）：46-53.

［9］贾朋美，於孝春，宋前甫.Bow-tie技术在城镇燃气管道风险管理中的应用［J］.工业安全与环保，2014，40（2）：14-17.

［10］郑卫东，万辉，张孝强，等.基于Bow-Tie模型的美军航母舰载航飞行安全风险分析［J］.职业与健康，2014，30（23）：3352-3355.

［11］DELVOSALLE C，FIEVEZ C，PIPART A，et al.ARAMIS project：a comprehensive methodology for the identification of reference accident scenarios in process industries［J］.J.Hazard.Mater，2006，130（3），200-219.

［12］FERDOUS R，KHAN F，SADIQ R，et al.Analyzing system safety and risks under uncertainty using a Bow-tie diagram：an innovative approach［J］.Process Safety and Environmental Protection，2013，91（1）：1-18.

［13］COCKSHOTT J E.Probability bow-ties a transparent risk management tool［J］.Process Safety and Environmental Protection，2005，83（3）：307-316.

［14］FERDOUS R，KHAN F，SADIQ R，et al.Handling and updating uncertain information in bow-tie analysis［J］.Journal of Loss Prevention in the Process industries，2012，20（1）：8-19.

［15］KHAKZAD N，KHAN F，AMYOTTE P.Dynamic risk analysis using bow-tie approach［J］.Reliability Engineering and System Safety，2012，104（4）：36-44

［16］刘茂.事故风险分析理论与方法［M］.北京：北京大学出版社，2011.

［17］TERRYN W C.Accidents and incidents involving military aircraft（2000-present）［M］.Shenzhen：Cypt Publishing，2011.

［18］DAVID R E.Location of commercial aircraft accidents/incidents relative to runways［R］.Washington DC：Federal Aviation Administration，1990.

［19］中国民航总局.CCAR-25-R4.运输类飞机适航标［S］.北京：中国民航总局，2011.