事件树+随机混杂自动机：面向低空安全的无人机降落伞系统确信可靠性建模新方法

低空经济快速发展，无人机正逐渐应用于物流运输、农业作业、城市交通和应急救援等场景。然而随着无人机运行范围不断扩大，其失控坠落可能对地面人员、建筑物和公共设施造成严重威胁。

无人机降落伞系统是飞行器失去动力后保障安全的“最后一道防线”。但从故障发生、降落伞触发，到引导伞弹出、主伞拉直、伞衣充气，再到最终稳定下降，整个过程包含多个快速连续的动态环节。任何一个环节出现异常，都可能导致任务失败。

传统可靠性分析通常关注某个部件是否失效，或者通过单项试验验证伞绳、伞衣等部件的强度，难以完整描述降落伞系统在不同工作阶段之间的动态演化以及各类失效事件如何在不同工作阶段间影响最终着陆结果。

北航确信可靠性团队近日在《Reliability Engineering & System Safety》发表了《Reliability modeling and analysis of unmanned aerial vehicle parachute systems considering falling dynamics and failure causality》，提出了一种融合下降动力学和失效因果关系、基于事件树和随机混杂自动机模型的动态可靠性建模方法，为动态系统的确信可靠性建模、低空领域风险控制提供了新思路。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ress.2026.113082

同时，为民可靠性研究院院长、北航康锐教授近期在厦门给上百家企业开展的《无人航空器安全性和可靠性培训》中，重点详解了无人机降落伞安全性分析和无人机可靠性正向设计两个案例应用。

面向低空安全的无人机降落伞系统确信可靠性建模新方法，先拆分自由落体、爆破开伞、主伞拉直、充气、稳降全阶段动力学建立学科交叉方程，再用事件树梳理各环节拉力、速度裕量失效因果，通过随机混杂自动机搭建状态转移模型，结合材料温贮退化方程与蒙特卡洛仿真算出系统可靠度，还能定位伞绳、火工弹射等薄弱环节。

康锐教授指出无人机也需要走确信可靠性正向设计全流程，以退化、裕量、不确定三大原理为核心，在需求、研制、生产、使用全周期开展场景剖面分析、关键参数裕量分配、分层级时空验证，把降落伞这套动态量化建模思路融入整机正向设计，从根源提前识别贮存温度、弹射冲量等不确定性风险，为低空无人机防护系统设计、指标优化提供可落地的定量评价工具。

依据无人机降落伞系统的实际工作原理，将整个过程划分为六个阶段，分别建立各阶段的连续动力学方程，将系统的工作状态与速度、位移、冲击载荷、伞绳张力和伞衣张力等物理量关联，构建各个阶段的学科交叉方程。

图：无人机降落伞系统工作阶段划分

无人机降落伞系统在不同工作阶段中的失效并不相互孤立，前序阶段的失效会影响后序阶段的过程演化。为此，团队引入事件树分析方法，按照真实工作时序构建系统的失效因果链。以“无人机失去动力”为起始事件，依时序判断各个工作状态的失效是否发生。

然而仅使用传统事件树，难以描述连续物理量对状态转移的影响，也难以描述多种失效事件形成的状态转移路径。因此团队基于随机混杂自动机模型，依据事件树的分析结果对系统的状态转移进行建模，描述了系统各个工作阶段的连续物理变化和离散状态转移路径。在状态转移过程中分别比较引导伞绳冲击载荷与其强度阈值、主伞绳拉直载荷与其强度阈值、主伞衣开伞载荷与其强度阈值，以及最终稳定下降速度与安全速度阈值，并将不同阶段的裕量判据作为随机混杂自动机的状态转移条件。

本研究的核心突破在于将事件树分析与随机混杂自动机模型结合，实现在构建无人机降落伞系统多阶段失效因果链的同时，完整描述系统离散-连续耦合的动态演化过程。

无人机降落伞通常长期折叠储存在伞舱中。虽然没有持续暴露在外部环境中，但在日照和高温条件下，伞舱内部温度的升高依然会引起贮存退化。研究团队采用Arrhenius退化模型描述材料强度保持率，并将退化后的材料强度作为随机混杂自动机中的状态转移阈值，构建其退化方程。

图：材料退化下的材料强度保持率和系统可靠性变化

团队以最终稳定下降速度裕量大于0作为任务成功判据，并采用蒙特卡洛方法对度量方程进行仿真求解。

图：度量方程求解算法和结果

本文从系统贮存时间、贮存温度、主伞伞面质量三个方面对系统进行了敏感性分析。在保持其他参数不变的情况下判断各因素对系统可靠性的影响程度。结果表明，在贮存时间、贮存温度和主伞面质量三个因素中，贮存温度对系统可靠性的影响最为显著。

图：针对贮存时间、贮存温度、主伞伞面质量的敏感性分析

为评估不确定性对无人机降落伞系统安全性能的影响，本文选取了系统工作过程中三类主要随机输入变量开展不确定性影响分析，结果表明，爆破开伞装置弹射冲量的不确定性对系统可靠度影响最大。

图：针对弹射冲量、主伞有效面积和主伞阻力系数的不确定性分析

本文基于确信可靠性理论框架提出的ETA–SHA动态可靠性建模方法，为复杂动态系统可靠性分析、设计提供了新的分析工具。通过模型识别关键薄弱环节，指导材料选择、结构加强和安全裕量配置。