【技术分析】挑战者号航天飞机破损相关的风险评估的失败

1986 年 1 月 28 日，挑战者号航天飞机从佛罗里达州发射升空。挑战者起飞后，右侧固体火箭助推器（SRB）的O型密封圈失效，相邻的外部油箱在泄漏火焰的高温下发生结构性失效，使航天处于高速飞行状态。由于空气阻力挑战者号 o形环失效，飞机在发射后 73 秒解体，机上七名宇航员全部遇难。

结果让观看飞机起飞的宇航员家属、NASA 的航空工程师、任务工作人员以及 NASA 的项目本身就是一场悲剧。而我们这些在电视上看到这场悲剧的全球观众只能想象当时的恐怖。

对于那些经历过挑战者号事故的人来说，这是一次工程故障。这么想当然是对的，但更重要的是，这是未能解决问题，未能评估与 O 形圈断裂相关的风险。

现在我们知道用贝叶斯统计评估它是最好的方法。贝叶斯思想实际上是关于条件概率的，它指的是在另一个事件B已经发生的条件下，事件A的概率。事件 B 也有一个概率，称为“先验概率”。举个简单的例子，如果天气多云（先验概率），分析下雨的概率；如果现在天气晴朗，分析下雨的概率。在这两种情况下都可能下雨，但在天气多云时更有可能下​​雨。

贝叶斯统计在数据不完整的环境中很有用，尤其是在复杂情况下评估条件概率时。当一组可能的结果又取决于另一组也是概率的条件时，就会出现条件概率。下雨的概率取决于天上是否有云，这本质上是概率性的。

让我们用这种思维来分析挑战者号航天飞机的例子，看看这种分析如何帮助您评估风险。

在低温条件下的 O 形环故障可能导致挑战者号航天飞机在起飞后不久发生爆炸。为防止热气泄漏，Challenger 上使用了橡胶 O 形圈。它被设计为随着温度的变化而收缩和膨胀。然而，人们对冷 O 形环的弹性提出了质疑，因为在 31 度发射时温度异常低，比上次发射时的最低温度低 22 华氏度。此外，事故调查人员发现，收缩的 O 形圈在 75 华氏度时的响应是在 30 华氏度时的 5 倍。在这种情况下，O 形圈失效的概率（部分）取决于经历特定温度范围的概率。

研究人员重新检查 O 型圈故障，他们的结论证实了对 O 型圈的担忧，但专门针对 1986 年 1 月 28 日发射前采集的数据进行分析和解决问题。他们争辩说，如果使用贝叶斯统计数据并正确采样，他们会得出这样的结论：假设预计的发射温度为 31 华氏度，失败的概率几乎是 100%。

当时让工程师难以分析的原因是，他们的飞行数据在发射时介于 53 华氏度和 81 华氏度之间，而挑战者号将处于异常寒冷的 31 华氏度。在华氏条件下发射。他们观察了 O 型圈损坏的温度，注意到 O 型圈的热损伤程度发生在 53 华氏度和 75 华氏度之间。他们确实研究了低于此温度范围的有限数据，但无法看到清晰的模式（见图 1）。工程师团队在发射前向 NASA 报告了这一结论，并表示他们担心低排放温度可能会影响O 形圈的性能。

图1 O型圈破损及温度对飞行的影响

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但是，他们应该查看的数据都是与温度和 O 形圈损坏有关的飞行数据。从下面的数据我们可以清楚地看到，当你把所有的O型圈损坏事故算上所有的航班时，情况就完全不同了：温度低于65华氏度，4个航班都发生了事故，或者说100%发生事故的机会！只有 3 架飞机受损，概率为 15%。综合分析所有数据，温度与O型圈性能的关系就更清晰了（见图2）。

图2 O型圈损坏和温度对飞行的影响

悉尼大学贝叶斯统计学家 Sally Cripps 教授是罗伯特在澳大利亚管理研究生院的前同事。他将这些数据与之前 30% 的故障概率（23 次飞行中 7 次 O 形环故障）结合起来挑战者号 o形环失效，得出后验故障概率（假设发射时的温度为 31 华氏度）是一个惊人的 99.@ >8%，与另一个同样使用贝叶斯分析的研究团队的预测几乎完全相同。

从航天飞机事故的挑战中，我们可以从使用强大的数据分析工具中吸取一些教训。

此外，多元回归、模拟方法、模拟实验、众包、博弈论等方法，可以帮助我们分析问题并最终做出正确的决策。

（摘自《所有问题，七步解决》）

作者：[美国] Charles Conn，[澳大利亚] Robert McLean