基于ANP和證據(jù)理論的MPL培訓(xùn)中TEM效果評估

由 揚(yáng)，潘樂書，楊 虎

（中國民航大學(xué)a.飛行訓(xùn)練管理處；b.安全科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300300）

基于ANP和證據(jù)理論的MPL培訓(xùn)中TEM效果評估

由 揚(yáng)a，潘樂書b，楊 虎b

（中國民航大學(xué)a.飛行訓(xùn)練管理處；b.安全科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300300）

為了定量考核飛行訓(xùn)練機(jī)構(gòu)多人制機(jī)組駕駛員執(zhí)照（multi-crew pilot license，MPL）訓(xùn)練中威脅與差錯管理（threat and error management，TEM）這一知識單元的訓(xùn)練效果，基于ICAO的PANS-TRG文件構(gòu)建了面向MPL訓(xùn)練的TEM評估指標(biāo)體系，采用網(wǎng)絡(luò)層次分析與證據(jù)理論相結(jié)合的方法，對飛行訓(xùn)練機(jī)構(gòu)C教學(xué)中的TEM訓(xùn)練效果進(jìn)行評估。結(jié)果表明：C機(jī)構(gòu)TEM訓(xùn)練效果處于良好與優(yōu)秀之間，其評估量化值為80.105，有較大提升空間，應(yīng)持續(xù)改進(jìn)，所得結(jié)果與C機(jī)構(gòu)實(shí)際情況基本吻合。同時，表明ANP與證據(jù)理論相結(jié)合的方法對TEM訓(xùn)練效果進(jìn)行評估是行之有效的。

安全管理工程；MPL培訓(xùn)；威脅與差錯管理；網(wǎng)絡(luò)層次分析法（ANP）；證據(jù)理論

MPL是國際民航組織（ICAO）于2006年新增加的一種駕駛員執(zhí)照。然而中國的MPL課程設(shè)計(jì)開發(fā)仍處于探索階段，實(shí)際培訓(xùn)應(yīng)用中面臨許多難點(diǎn)，如缺少定量考核MPL所涵內(nèi)容訓(xùn)練效果的方法等。與傳統(tǒng)培訓(xùn)模式不同，ICAO從MPL培訓(xùn)的初始階段就強(qiáng)調(diào)威脅與差錯管理理念，在MPL訓(xùn)練所涵蓋的9項(xiàng)能力單元中有8項(xiàng)能力都要求充分考慮TEM這一能力單元，在一定程度上TEM訓(xùn)練效果的好壞直接反映了MPL訓(xùn)練的效果。

國內(nèi)外已有學(xué)者對TEM進(jìn)行研究，但所側(cè)重的方向不同。中國關(guān)于MPL訓(xùn)練的推行處于世界前列，對TEM理念的重視程度亦較高。然而國內(nèi)外鮮有針對MPL訓(xùn)練中TEM的專項(xiàng)研究。文獻(xiàn)[1-2]對威脅與差錯管理的概念進(jìn)行了界定；文獻(xiàn)[3]通過航空運(yùn)輸嚴(yán)重事故征候來分析航空領(lǐng)域的威脅與差錯；文獻(xiàn)[4-5]研究了TEM分析框架在航線運(yùn)行安全審計(jì)（LOSA）以及空管正常運(yùn)行監(jiān)測（NOSS）過程中的應(yīng)用。以上研究均缺乏定量分析與評估。目前，有些學(xué)者已在對威脅與差錯管理的定量技術(shù)方面進(jìn)行探索，但主要針對空管領(lǐng)域的威脅與差錯事件[6-7]，且這些研究傾向于利用歷年數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對于缺少大量數(shù)據(jù)的飛行訓(xùn)練機(jī)構(gòu)不具備可操作性。目前，還沒有一種推廣性及可操作性均較強(qiáng)且適于對TEM訓(xùn)練效果進(jìn)行評估的定量研究成果。由于缺少定量評估的方法，從而對提高其訓(xùn)練水平無從下手，因此，對TEM訓(xùn)練效果進(jìn)行評估顯得尤為迫切。

針對TEM指標(biāo)間存在相互依賴和反饋關(guān)系的狀況，引入網(wǎng)絡(luò)層次分析法（analyticnetworkprocess，ANP）確定指標(biāo)權(quán)重，用網(wǎng)絡(luò)化的建模方法表示各指標(biāo)之間存在的相互依賴關(guān)系，旨在克服系統(tǒng)中指標(biāo)不完全獨(dú)立的缺陷，準(zhǔn)確反映評估指標(biāo)之間的聯(lián)系。由于評價主體存在差異，為了充分考慮評價者知識結(jié)構(gòu)及偏好的影響，在對TEM訓(xùn)練效果進(jìn)行評估時，引入基于概率分析的信息融合原理，進(jìn)而提出將ANP和證據(jù)理論相結(jié)合的評估方法，并參考PANS-TRG文件，構(gòu)建了適合飛行訓(xùn)練機(jī)構(gòu)C實(shí)際情況的MPL培訓(xùn)中TEM評估指標(biāo)體系，對其訓(xùn)練效果進(jìn)行了有效的評估。

1 威脅與差錯管理訓(xùn)練效果評估指標(biāo)體系

構(gòu)建TEM訓(xùn)練效果評估指標(biāo)體系，關(guān)鍵是要確立反映威脅、差錯與非預(yù)期狀態(tài)各方面的具體指標(biāo)，分析評估問題中所包含的要素及其相互之間的隸屬關(guān)系，明確衡量反映TEM訓(xùn)練效果評估所需考量的要素，以此確立指標(biāo)體系的概念框架。

1.1 MPL培訓(xùn)中威脅、差錯與非預(yù)期狀態(tài)的界定

TEM模型主要由威脅、差錯和非預(yù)期狀態(tài)3部分組成，這三者之間具有一定的因果關(guān)系。但威脅、差錯與非預(yù)期狀態(tài)三者并非僅存在威脅導(dǎo)致差錯進(jìn)而導(dǎo)致非預(yù)期狀態(tài)這一條因果關(guān)系，本文考慮威脅管理、差錯管理與非預(yù)期狀態(tài)管理三者獨(dú)立的情形，且下述定義的中心均為飛行員。

1.1.1 威脅的界定

威脅來自飛行條件和機(jī)組資源，涵蓋人、機(jī)、環(huán)、管4個因素，因而可從系統(tǒng)管理的視角將其劃分為人員、設(shè)備、環(huán)境、管理4個方面。其中人員威脅主要源于空管人員、地面人員的差錯、干擾、語言障礙等；設(shè)備威脅主要是飛機(jī)故障、自動設(shè)備事件/異常、導(dǎo)航設(shè)備失效等；環(huán)境威脅主要有氣象威脅、地理環(huán)境威脅、電磁環(huán)境干擾；管理中的威脅包含對機(jī)組人員排班、時間安排差錯、擁擠空域所帶來的任務(wù)壓力，以及手冊、圖表錯誤。

1.1.2 差錯的界定

差錯來源于人，因而可按引發(fā)事故的緣由將其分為通訊差錯、飛機(jī)操作差錯和程序差錯。通訊差錯表現(xiàn)為機(jī)組向外通訊時，錯過呼叫時機(jī)、錯誤理解指示、不正確地復(fù)述以及機(jī)組間交流或理解錯誤等。飛機(jī)操作差錯包含人工控制或飛機(jī)自動操作所帶來的高度、航向或速度偏差；不正確的襟翼、減速板、反推或功率設(shè)置；不正確的油門設(shè)置；不正確的速度游標(biāo)；不正確的無線電頻率調(diào)諧；滑行過快，該停止等待時未停止等待，錯過滑行道/跑道。程序差錯表現(xiàn)為對于標(biāo)準(zhǔn)操作程序未交叉確認(rèn)自動操作輸入；對于檢查單給予錯誤口令和回應(yīng)，漏項(xiàng)，檢查單執(zhí)行時機(jī)不當(dāng)；喊話時，漏掉喊話或不正確的喊話；執(zhí)行簡令時，遺漏簡令或漏項(xiàng)以及文件差錯。

1.1.3 非預(yù)期狀態(tài)的界定

按非預(yù)期狀態(tài)所發(fā)生的地點(diǎn)不同，可將其分為空中、地面、起降3類。在這3個階段可能發(fā)生的非預(yù)期狀態(tài)如高度、航向或速度偏差，不必要的穿越氣象環(huán)境，穿越未授權(quán)空域，不正確的飛機(jī)形態(tài)；滑向錯誤的滑行道/跑道，錯誤的停機(jī)位、廊橋或等待點(diǎn)；不穩(wěn)定的進(jìn)近，超出飛機(jī)極限操作，著陸目測高、飄擺、重著陸或偏離中心線著陸。

1.2 威脅與差錯管理指標(biāo)體系構(gòu)建

結(jié)合1.1節(jié)概念的界定，以及PANS-TRG文件，將指標(biāo)體系劃分為目標(biāo)層、因素層和指標(biāo)層3個層次，以“威脅管理”、“差錯管理”和“非預(yù)期狀態(tài)管理”為一級指標(biāo)，下設(shè)10個二級指標(biāo)，構(gòu)建出的威脅與差錯管理評估指標(biāo)體系如表1所示。

表1 威脅與差錯管理評估指標(biāo)體系Tab.1 Evaluation indicator system of threat and error management

2 ANP與證據(jù)理論基礎(chǔ)

2.1 ANP方法介紹

2.1.1 ANP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

ANP結(jié)構(gòu)一般分為控制層和網(wǎng)絡(luò)層上下兩個部分?？刂茖影繕?biāo)和準(zhǔn)則，準(zhǔn)則之間相互獨(dú)立，只受目標(biāo)元素的支配，控制層中可以沒有決策準(zhǔn)則，但至少要有一個目標(biāo)；網(wǎng)絡(luò)層由受控制層支配的元素構(gòu)成，它們之間相互影響構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.1.2 ANP超矩陣和加權(quán)超矩陣計(jì)算

設(shè)ANP結(jié)構(gòu)控制層中有準(zhǔn)則P1，P2，…，PN，網(wǎng)絡(luò)層中有元素組C1，C2，…，Cm，Ci中有ni個元素Pi1，Pi2，…，將Ci中每個元素與Cj中的元素Pjl（j=1，2，…，m；l=1，2，…，nj）進(jìn)行重要性兩兩比較，即在控制準(zhǔn)則Ps（s=1，2，…，N）下，以Pjl為次準(zhǔn)則，構(gòu)造出一個判斷矩陣。根據(jù)“方根法”可求出該判斷矩陣的特征向量，將其表征成矩陣形式，即得出準(zhǔn)則Ps下的一個無權(quán)重超矩陣

其中，若兩元素組之間相互獨(dú)立，則Wij=0。同理，將其它元素組中各元素進(jìn)行比較，即可得準(zhǔn)則下各元素對元素組Ci影響大小的超級矩陣

在準(zhǔn)則Ps下，將各組元素對元素組Ci的重要性進(jìn)行比較，即可得權(quán)重矩陣[8-10]

2.2 證據(jù)理論

證據(jù)理論（evidential theory）源于20世紀(jì)60年代美國哈佛大學(xué)數(shù)學(xué)家A.P.Dempster利用上、下限概率來解決多值映射問題方面的研究工作，后期由Dempster的學(xué)生G.Shafer對證據(jù)理論做了進(jìn)一步的發(fā)展，因而也稱Dempster-Shafer理論，它是基于信任度概念處理不確定問題的一種工具。

2.2.1 基本概念

基本概率分配（basic probability assignment，BPA）：在識別框架Θ上的BPA是一個2Θ→[0，1]的集函數(shù)m，該函數(shù)滿足其中，使得m（A）>0的A稱為焦元[11]。其中Θ是一個識別框架，或稱假設(shè)空間。

證據(jù)理論提供了一個廣泛應(yīng)用的證據(jù)合成公式，它能夠合成多個信息源提供的證據(jù)。設(shè)有兩個證據(jù)是完全獨(dú)立的，它們在辨識框上的集函數(shù)分別表示為m1和m2，有下述定義的函數(shù)

其中：m12是識別框Θ上的一個集函數(shù)，它反映了m1和m2對應(yīng)的兩個證據(jù)對命題A的聯(lián)合支持程度。其中k稱為沖突因子，反映了證據(jù)之間的沖突程度，其計(jì)算式如下

2.2.2 D-S證據(jù)融合過程

D-S證據(jù)融合過程[12-13]分為4個步驟：

步驟1 確定底層子指標(biāo)基本可信度

為保證評估過程的一致性，將評估等級劃分為優(yōu)、良、中、差4個級別，并將其分別賦值為90、80、70、60，分別用H1、H2、H3、H4表示，即有評估等級 {H}= {H1，H2，H3，H4}={90，80，70，60}。設(shè)βij（Hk）表示底層子指標(biāo)Pij被評為Hk的初始可信度，k=1，2，3，4。在底層子指標(biāo)初始可信度確定后，求出證據(jù)融合過程中底層子指標(biāo)Pij的相對可靠度，可按下式求得

其中：γ是一個反映偏好的系數(shù)，一般取0.9～1；ωij為第i個子系統(tǒng)的第j個底層子指標(biāo)的權(quán)重。

設(shè)第i個子系統(tǒng)Pi底層子指標(biāo)Pij的基本可信度分配為mij（Hk），表示第i個子系統(tǒng)Pi在底層子指標(biāo)Pij相對于評估等級Hk的基本可信度，各底層子指標(biāo)的基本可信度分配、未知基本可信度分配可分別由下面兩式確定

步驟2 確定子系統(tǒng)基本可信度

以第i個子系統(tǒng)Pi在底層子指標(biāo)Pij相對于評估等級Hk的基本可信度為基礎(chǔ)，將n個底層子指標(biāo)的基本可信度分配按證據(jù)合成算法融合，得到第i個子系統(tǒng)Pi的基本可信度分配，由下式逐步遞推得到第i個子系統(tǒng)被評定為Hk的基本可信度mi（Hk），k=1，2，3，4，以及未知基本可信度分配mi（H）

KiJ(j+1)為沖突因子。

步驟3 確定系統(tǒng)基本可信度分配

在獲得第i個子系統(tǒng)的基本可信度基礎(chǔ)上，重復(fù)上述兩個步驟即可得到整個系統(tǒng)的基本可信度分配m（Hk），以及未知基本可信度分配m（H）。

步驟4 確定評估結(jié)果量化值

由下述公式得出全系統(tǒng)的管理能力評估量化值為

其中：z=4。

3 實(shí)例分析

以開展MPL培訓(xùn)的飛行訓(xùn)練機(jī)構(gòu)C為例，運(yùn)用上述構(gòu)建的指標(biāo)體系，根據(jù)ANP與證據(jù)理論結(jié)合的方法對其培訓(xùn)過程中威脅與差錯管理單元進(jìn)行評估。

3.1 構(gòu)建ANP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

考慮到評估指標(biāo)間的相互依賴和相互影響，基于以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行邏輯分析：如果A指標(biāo)對B指標(biāo)存在影響，即A的存在導(dǎo)致B的發(fā)生率或后果嚴(yán)重度增大，則用由A指向B的箭線表示；如果不存在影響則沒有A到B的箭線；如果A和B之間存在相互影響，則用雙向箭線表示。結(jié)合C機(jī)構(gòu)實(shí)際情況，依據(jù)表1的指標(biāo)體系，構(gòu)建如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)。

3.2 利用ANP對評估指標(biāo)賦權(quán)

請MPL方面專家5名以及C機(jī)構(gòu)內(nèi)部資深MPL培訓(xùn)教員5名對3個一級指標(biāo)和10個二級指標(biāo)分別進(jìn)行兩兩比較并打分，借助Super Decisions決策軟件[14]計(jì)算10位人員給出的各指標(biāo)權(quán)重（軟件操作：Computations-Priorities-Normalizedbycluster，直接讀取數(shù)據(jù)），將權(quán)重求平均值作為最后的指標(biāo)權(quán)重，如表2所示（保留3位有效數(shù)字）。

表2 威脅與差錯管理指標(biāo)權(quán)重評估結(jié)果Tab.2 Evaluation results of threat and error management index weight

3.3 基于證據(jù)理論的威脅與差錯管理能力評估

邀請C機(jī)構(gòu)內(nèi)部專家和飛行教員以及由局方委派曾擔(dān)任過C機(jī)構(gòu)10級學(xué)生考試員的人員共10名，請他們根據(jù)10級畢業(yè)學(xué)生在校檔案所記錄的學(xué)生日常表現(xiàn)及相應(yīng)科目考試成績的加權(quán)值作為考核依據(jù)，按照2.2.2節(jié)所述評估等級對底層指標(biāo)進(jìn)行評估，最后按照可信度確定方法分析整理，獲得底層指標(biāo)可信度，如表3所示。

圖1 威脅與差錯管理的ANP結(jié)構(gòu)模型Fig.1 ANP structure model of threat and error management

對3.2節(jié)所得結(jié)果利用Matlab軟件計(jì)算可得各指標(biāo)權(quán)重的規(guī)范化值（文中的偏好系數(shù)γ取0.9），則整個系統(tǒng)指標(biāo)權(quán)重的規(guī)范化值：α=（0.9，0.3734，0.1574）；威脅管理子系統(tǒng)的權(quán)重規(guī)范化值：α1j=（0.2257，0.1162，0.109 5，0.9）；差錯管理子系統(tǒng)的權(quán)重規(guī)范化值：α2j=（0.434 3，0.9，0.622 2）；非預(yù)期狀態(tài)管理子系統(tǒng)的權(quán)重規(guī)范化值：α3j=（0.9，0.074 5，0.045 9）。結(jié)合2.2.2節(jié)所述公式可分別求得二級指標(biāo)的可信度分配值，分別如表4～表6所示。

表3 底層指標(biāo)可信度Tab.3 Reliability of bottom index

表4 威脅管理子系統(tǒng)可信度分配Tab.4 Reliability assignment of threat management subsystem

表5 差錯管理子系統(tǒng)可信度分配Tab.5 Reliability assignment of error management subsystem

表6 非預(yù)期狀態(tài)管理子系統(tǒng)可信度分配Tab.6 Reliability assignment of undesired state management subsystem

結(jié)合2.2.2節(jié)步驟1的評分標(biāo)準(zhǔn)以及步驟4中系統(tǒng)量化值的計(jì)算方法可分別求出威脅管理、差錯管理以及非預(yù)期狀態(tài)管理的量化值：威脅管理量化值S1= 77.369；差錯管理量化值S2=76.723；非預(yù)期狀態(tài)管理量化值S3=75.907。重復(fù)2.2.2節(jié)的步驟3、步驟4可得整個系統(tǒng)的威脅與差錯管理能力量化值S=80.105。

3.4 結(jié)果分析

由3.2及3.3節(jié)所得結(jié)果可知，飛行訓(xùn)練機(jī)構(gòu)C的威脅與差錯管理水平處于評估等級的良好與優(yōu)秀之間但偏于良好，處于持續(xù)改進(jìn)的狀態(tài)，具有較大的提升空間。

1）在一級指標(biāo)中，威脅管理權(quán)重最高，符合目前業(yè)內(nèi)主張的“安全管理關(guān)口前移”的思想。在二級指標(biāo)中，威脅管理指標(biāo)下的管理最為重要，其次是人員影響，而設(shè)備、環(huán)境的影響相對較弱；在差錯管理中，程序差錯所占權(quán)重較大，通訊差錯次之，飛機(jī)操作差錯權(quán)重最小；在非預(yù)期狀態(tài)管理中，空中非預(yù)期狀態(tài)管理的權(quán)重顯著高于地面非預(yù)期狀態(tài)管理和起降非預(yù)期狀態(tài)管理。

2）依據(jù)概率分配法則，3項(xiàng)一級指標(biāo)被評為優(yōu)的概率最大，但通過實(shí)際合成運(yùn)算得出三者均處于中等偏向良好的水平，3項(xiàng)一級指標(biāo)中威脅管理的量化值相對最高，其次為差錯管理。盡管TEM的整體水平處于良好與優(yōu)秀之間，但單獨(dú)考察每項(xiàng)一級指標(biāo)并不理想，各一級指標(biāo)子系統(tǒng)的管理水平亟需提升。

從權(quán)重值大小可以得出哪些指標(biāo)更為重要，這為課程安排確立了側(cè)重點(diǎn)；依據(jù)量化值隸屬的等級可以對課程效果進(jìn)行整體把握，保證訓(xùn)練機(jī)構(gòu)時刻了解訓(xùn)練效果，為其持續(xù)改進(jìn)提供依據(jù)。評估結(jié)果表明：C機(jī)構(gòu)應(yīng)大力落實(shí)TEM的改進(jìn)工作，因?yàn)槠湔w及子系統(tǒng)的評估結(jié)果并不理想。該訓(xùn)練機(jī)構(gòu)在開展MPL訓(xùn)練過程中應(yīng)不斷測評其核心環(huán)節(jié)的進(jìn)展?fàn)顩r，并能夠“對癥下藥”，以期用更少的成本投入獲得更好的MPL訓(xùn)練效果。

4 結(jié)語

1）根據(jù)國際民航組織（ICAO）推出的指導(dǎo)文件PANS-TRG，構(gòu)建了威脅與差錯管理的評估指標(biāo)體系。

2）提出了基于ANP和證據(jù)理論相結(jié)合的針對TEM訓(xùn)練效果評估的方法，解決了指標(biāo)間存在相互依賴和反饋關(guān)系的狀況，同時解決了評估過程中存在不完整、不確定信息的問題，有效解決了TEM評估中的復(fù)雜性和不確定性，豐富了MPL訓(xùn)練領(lǐng)域的評估方法。

3）運(yùn)用所構(gòu)建的TEM指標(biāo)體系，結(jié)合飛行訓(xùn)練機(jī)構(gòu)C的實(shí)際情況對其TEM訓(xùn)練效果進(jìn)行評估，得出相應(yīng)量化值為80.105，處于良好與優(yōu)秀之間，當(dāng)前狀態(tài)為“持續(xù)改進(jìn)”狀態(tài)。所得結(jié)果與C機(jī)構(gòu)實(shí)際情況基本吻合，同時表明，采用ANP與證據(jù)理論相結(jié)合的方法對TEM進(jìn)行評估是行之有效的。

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（責(zé)任編輯：楊媛媛）

Evaluation of TEM effect in MPL training based on ANP and evidential theory

YOU Yanga，PAN Le-shub，YANG Hub
（a.Flight Training Management Department；b.College of Safety Science&Engineering，CAUC，Tianjin 300300，China）

In order to check every flight training agency’s training effect about the knowledge unit of threat and error management which faces multi-crew pilot license（MPL），an index system based on ICAO’s file named PANSTRG is established to evaluate the threat and error management which goes through MPL training all the while. The analytic network process method which is in combination with evidential theory is then proposed to evaluate the threat and error management training effect of flight training agency C.Results show that flight training agency C’s training effect of threat and error management is evaluated between good and excellent.The assessment of its quantitative value is equal to 80.105， which represents great room for continuously improvement.And the experimental result is basically in consistent with the flight training agency C’s actual condition.At the same time，it shows that the combination method of analytic network process and evidential theory for the evaluation of threat and error management’s training effect is effective.

safety management engineering；MPLtraining；threatand errormanagement；analytic network process（ANP）；evidential theory

V328

：A

：1674-5590（2015）04-0059-06

2014-05-08；

：2014-06-21

：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（3122013X001）

由揚(yáng)（1972—），女，黑龍江虎林人，講師，碩士，研究方向?yàn)轱w行訓(xùn)練與飛行安全.