1 航母作业特点概述

“尼米兹” 级航空母舰作为一型最具代表性的现代航母，其主要任务是利用有限的空间实施高强度的起飞和回收作业，并完成航空机务和地面保障工作。经过数十年的不断优化完善，“尼米兹” 级航空母舰的安全水平已比早期航母大幅度提高，但飞行甲板作业仍然存在大量的危险因素，属于典型的高残余风险复杂作业过程（见图 1）^[1]。

舰载航空兵的起降作业均在长度不足 300 m、宽不足 70 m的狭小飞行甲板上进行。对于现代重型喷气式作战舰载机来说，由于跑道本身的长度远远无法达到常规起降要求，必须依赖额外的特种辅助设备如弹射器、拦阻装置等才能安全进行起降作业；需要利用机库和升降机对战机进行高效地调度周转管理；同时，作战舰载机的航空勤务保障，包括航空弹药的挂载和卸载、航空油料的加注和排放、供电供氧等移动保障设备和车辆作业也将在这一空间中进行。在起飞作业的高峰时段，每隔 30 s即放飞 1 架舰载机，降落最密集时每隔 5 min完成 1 架固定翼舰载机的降落回收，飞行甲板区域将停放 30~40 架舰载机，容纳近 400 名参与保障作业的空勤人员。上述信息长期以来仅凭调度指挥人员的经验来判断和决策。

由于航母飞行甲板长度远远小于陆上机场跑道，其空间和容量存在物理约束，需要在狭小拥挤的飞行甲板进行舰载机的起降、场面调度和机务勤务等活动，使得飞行甲板成为最危险的工作环境之一。在狭小的作业空间内，各类飞机、航空保障设备、作业人员的位置、状态、构型，其中的风险已经超出了人员的经验和认知能力。Cozzani 认为系统作业布局工作是此类复杂系统预防性和保护性安全设计的关键环节^[2]。恰当合理的布局可减少危险源和潜在危害对象之间的交互，从而保证系统作业尽可能在低风险水平运行。

本文基于 Muther 的系统布局规划方法（System Layout Planning,SLP），将航母作业空间安全布局问题定量化程^[3]，并通过防护屏障和安全距离等手段来实现布局优化^[4]。研究不仅有利于识别系统危险改进空间布局设计，还将有力支持开展智能化的作业安全监控和报警系统设计。

2 航母起飞作业空间安全

针对空间布局问题的安全评价不仅仅需要考察单个因素的异常事件，也不能简单地归咎于2个危险因素因位置相邻而导致事故，还需要将危险因素、系统和环境作为一个整体进行考虑，形成完整的风险评价。

航母起飞作业空间安全分析将基于以下假设和前提：

1）讨论基于航母作业空间二维平面空间开展；

2）对危险因素的方向特性不做考虑；

3）舰载设备的形状一律作为圆形实体考虑；

4）除独立承担现场起飞控制任务的少数人员，将其他设备对应的操作人员与设备作为一个整体考虑；

5）设备的位置不得超出给定的舱室或系统边界；

应用本研究提出的分析流程，对“尼米兹”级航母的飞行作业布局设计进行空间安全性分析。

2.1 作业空间的功能区域划分

首先应识别航母作业空间的系统物理边界。在此基础上开展系统作业空间的划分，围绕同一作业、同一类危险以及有形的物理隔离手段和边界展开。根据作业要求，航母的航空保障作业主要包括以下区域：

1) 机库：用于承担舰载机存放和维护作业；

2) 飞行甲板：承担起飞和降落回收功能，包括存在空间交叉的 4 条起飞跑道和 1 条降落跑道；

3) 舷侧及尾部作业空间：作为人员通道、光电设备及防空系统的安装平台；

4) 舰桥：承担飞行指挥、调度指挥、航行指挥功能。

本案例的分析主要围绕飞行甲板这一子区域开展。

2.2 起飞作业对象清单及危险因素识别

识别当前区域中所有的对象和系统，给出区域内设计的系统、设备的名称和物理尺寸，建立清单。这里的系统包括参与作业的各类设备，以及留在现场但不参与作业的设备系统。

通过传统安全性分析方法，识别各个对象所包含的危险因素。结合以往海军航空兵事故的经验^[5]，本研究调研和开展了大量危险性分析研究，可概括为如表 1 所示的几类危险因素。

2.3 空间安全分析

在起飞作业空间布局安全分析工作中，考虑到正在起飞战机的危险特性与待命、维护状态的战机存在差别，将预备起飞的战机作为一个单独对象，而待命的战机群由于危险性质相似，则可以作为一个整体对象来讨论。由此重新整理可得如下对象：H₁为起飞线上的战机，H₂为待命机群，H₃为航空油料站，H₄为航空保障车辆；H₅为作业人员；H₆为军械弹药车；H₇为警戒直升机。

危险因素之间的最小安全距离可进行量化，形成矩阵表格。按照系统对象的两两位置关系，将其可能的安全距离关系划分为几类，并定义其安全距离系数如表 2所示。

对上述 7 类作业对象的空间关联关系进行分析，得到对象两两之间的安全距离要求等级如表 3 所示。

将它们转化为安全距离系数矩阵 s_i,j，如表 4 所示。

对上述各安全距离系数按照同一对象 H_i 进行综合，得到每一种对象在作业空间中的综合危险指数，由此可获知空间危险关系的排序为：H₁>H₂>H₃>H₄>H₅>H₆>H₇，即对航母起飞作业空间安全影响最大的因素为警戒直升机，其次为待命起飞的固定翼舰载机。

2.4 评估备选的安全布局

在系统进行针对作业安全的布局规划中，存在若干约束和限制条件：1）系统的功能流程此时已经基本设计完成，在布局规划中基本无法更改系统所包含的对象类型和数量，能够调整的只有对象自身位置和相邻关系；2）系统中一部分设备的布局位置也有可能已经确定，包括已经固定安装、成为作业场地一部分的航空辅助设备，如航空油料保障站位。这类设备会与作业场所形成固定的组合，因而成为其他设备的布局禁区；例如升降机在升起时成为飞行甲板的一部分，在其运转时禁止其他设备进入相应的甲板区域；3）系统作业空间的边界和形状也是安全布局规划必须考虑的约束。

初始的起飞作业布局如图 2 所示。这一布局方案的特点是一架固定翼舰载机在弹射器上预备起飞，起飞控制指挥人员位于舰载机前侧方进行起飞保障；待命战机全部在起飞线后方待命，所有航空油料车辆、航空保障车辆和航空弹药车辆伴随待命战机进行各类航空机务任务。警戒直升机在飞行甲板左舷值守，承担事故搜救的功能。

对这一布局进行分析，得到布局方案中对象之间的空间关系（在此表征为间距）如表 5 所示。

根据表 6 起飞作业布局设计方案 A 的实际布局设计，参照表 4 分系统之间的空间危险关系系数，识别其中空间位置冲突的空间关系，统计该布局方案的总危险值为：

${S_{}}{\rm{ = }}\sum\limits_{j = 1}^n {{c_{ij}}{s_{ij}}}\text{，}$

(1)

其中，

${c_{ij}} = \left\{ \begin{array}{l} 1\text{，}\text{当}{d_{ij}} < {H_i}\text{与}{H_j}\text{的安全距离}\text{，}\\ [10pt] 0\text{，}\text{其他}\text{。} \end{array} \right.$

(2)

可得到这一方案的空间危险值为 S = 5.00，其中军械弹药保障车辆等属于超限的冲突项。

为消除系统使用布局中的冲突，降低系统风险水平，对起飞作业的甲板布局进行调整，得到作业布局方案 B 的空间关系，如表 7 所示。这一方案的特点是：待命机群位于起飞线的侧前方；将航空保障车辆和军械弹药保障设备等布置于远离起飞线的舰岛后方，不仅保证较远的距离，同时还利用舰岛建筑为车辆提供起飞飞机高温高速燃气的屏蔽防护。经过评估发现这一方案的空间危险分值明显降低。

这一方案实际也是目前“尼米兹”级航母的作业空间布局。

3 讨 论

本研究通过建立量化的空间影响关系，识别航母起飞作业中对空间影响最大的危险因素，并对不同的作业布局方案的安全性进行了量化评估。通过分析结果可见，美国海军“尼米兹”级航母的现有的甲板作业空间布局比较成熟，吸取了多年来各类事故的经验教训，作战飞机、保障战位、保障车辆和人员的位置分隔合理，防护措施和距离能够满足正常作业和特情情况下的空间安全性要求。

研究还发现，对于航母等空间狭窄的舰艇空间安全性设计问题，存在以下特点：

1）航母作业空间中已有的危险源，通常很难采用移除或替代设计。原因在于航空保障系统设计为满足具体功能需求，子系统、设备、材料等要素必须保留，工程上完全消除危险源不具备可行性；

2）对航母空间进行布局优化是有效的危险控制措施。虽然航母各个子系统和作业过程已经设计固化，但可以通过对设备人员布局的调整优化，降低可能的危险水平。其中最典型的策略包括作业时序上的隔离以及空间上的隔离。

3）航母作业空间布局还可降低危险的后果，通过建立物理屏蔽和安全距离，减少或消除危险事件对作业人员和航空保障设备的损伤。

4）空间利用效率与安全性存在矛盾。2个布局方案中，A 方案提供的飞行甲板活动空间更大，作业效率最佳，但安全性较差。

4 结语

在工程实践中，航母的空间作业安全面临诸多挑战。首先，飞行作业现场设计通常优先考虑出动架次率等效率问题，要求相关的航空保障设备和人员等对象之间的移动距离尽可能缩短；同时，由于起飞作业区域的甲板空间已经相对确定，作业范围和边界存在物理约束，将对空间安全问题的解决带来限制。此外，由于航母作战任务需求的变化，需要利用有限的空间对飞行作业流程相关的装备、系统和部件进行重新布局，以便适应不同的任务要求。布局的变化不仅可能导致飞行作业暂停或中止，而且变更之后的空间布局会存在安全冲突的隐患。因此在下一步的研究中，还需要航母飞行作业管理系统具备实时、动态的安全布局规划能力。