基于單一聚類(lèi)方法的航空器相撞HFACS誘發(fā)模式分析

甘旭升，曲虹，婁淵位，李華平

（1.西京學(xué)院，西安710123；2.空軍工程大學(xué)空管領(lǐng)航學(xué)院，西安710051；3.空軍西安飛行學(xué)院，西安710306）

基于單一聚類(lèi)方法的航空器相撞HFACS誘發(fā)模式分析

甘旭升1，曲虹2，婁淵位2，李華平3

（1.西京學(xué)院，西安710123；2.空軍工程大學(xué)空管領(lǐng)航學(xué)院，西安710051；3.空軍西安飛行學(xué)院，西安710306）

為了有效防控航空器相撞事故的發(fā)生，保證航空系統(tǒng)安全、有序和高效運(yùn)行，提出一種基于單一聚類(lèi)過(guò)程的人為因素分析分類(lèi)系統(tǒng)（HFACS）誘發(fā)模式分析方法。在該方法中，首先，根據(jù)航空器相撞的具體特點(diǎn)建立了HFACS。然后，利用HFACS對(duì)發(fā)生的航空器相撞事故/事故征候進(jìn)行量化，構(gòu)建歷史信息的數(shù)據(jù)表。最后，采用單一聚類(lèi)方法對(duì)得到的數(shù)據(jù)表進(jìn)行誘發(fā)模式分析，識(shí)別出重要的誘發(fā)模式及模式中包含的重要影響因素，并據(jù)此提出防相撞的管控措施。實(shí)例分析表明，所提出方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)便，定性定量結(jié)合，形式易于理解，分析結(jié)果也更加貼近實(shí)際，對(duì)于提升防相撞的管理和決策水平，防范航空器相撞及減少造成的損失具有重要的實(shí)用價(jià)值。

航空器相撞，單一聚類(lèi)方法，人為因素分析分類(lèi)系統(tǒng)，誘發(fā)模式

0 引言

防止航空器相撞（簡(jiǎn)稱(chēng)為防相撞），是指航空單位（包括轄有航空器的個(gè)人）、航空管理部門(mén)及其人員，綜合運(yùn)用技術(shù)和管理手段，按照一定的程序、標(biāo)準(zhǔn)和制度，對(duì)飛行活動(dòng)、有關(guān)人員、技術(shù)設(shè)備及其運(yùn)行環(huán)境等進(jìn)行計(jì)劃控制、監(jiān)督管理和運(yùn)行協(xié)調(diào)，最大限度地減少或降低航空器相撞事故發(fā)生的防范活動(dòng)，見(jiàn)文獻(xiàn)［1-6］。本文基于已有成果，提出了一種定性和定量相結(jié)合的航空器相撞誘發(fā)模式分析方法，即在“瑞士奶酪”模型基礎(chǔ)上構(gòu)建科學(xué)合理的航空器相撞人為因素分析分類(lèi)系統(tǒng)（Human Factors Analysis and Classification System，HFACS），進(jìn)而采用單一聚類(lèi)方法對(duì)按HFACS量化后的航空器相撞事故/事故征候數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出利于改善防相撞安全水平的建議和措施。

1 單一聚類(lèi)分析方法

聚類(lèi)作為數(shù)據(jù)挖掘與統(tǒng)計(jì)分析的一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，近年來(lái)倍受關(guān)注。從機(jī)器學(xué)習(xí)的角度看，聚類(lèi)是一種無(wú)監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，即事先對(duì)數(shù)據(jù)集分布無(wú)任何了解，將物理或抽象對(duì)象集合劃分為由類(lèi)似對(duì)象組成的多個(gè)類(lèi)的過(guò)程［7］。在空中相撞的人為因素分析中，經(jīng)常要解決的是二進(jìn)制變量表征的聚類(lèi)問(wèn)題，即事故數(shù)據(jù)信息僅包含兩個(gè)值“1”和“0”，分別對(duì)應(yīng)某些屬性的“有”和“無(wú)”。

在聚類(lèi)分析過(guò)程中，對(duì)于同時(shí)使用所有變量來(lái)劃分對(duì)象子集的，稱(chēng)為多元聚類(lèi)分析；而對(duì)于每次劃分對(duì)象子集時(shí)僅使用一個(gè)變量的，稱(chēng)為單一聚類(lèi)分析［7-8］。以表1所示的數(shù)據(jù)集實(shí)例來(lái)簡(jiǎn)述單一聚類(lèi)分析的過(guò)程。

表1 二進(jìn)制變量表征的數(shù)據(jù)集實(shí)例

單一聚類(lèi)分析在處理二進(jìn)制變量的數(shù)據(jù)矩陣時(shí)，不同于以往方法，無(wú)需處理非相似矩陣和間隔尺度變量矩陣。其基本思想，是選擇一個(gè)變量并將對(duì)象集按變量屬性值“1”和“0”分成兩個(gè)對(duì)象子集。然后在每個(gè)子集中，選擇一個(gè)剩余變量以同樣方法將子集分成兩個(gè)更小的子集，此過(guò)程一直持續(xù)到子集包含一個(gè)對(duì)象或剩余變量不能將子集再分開(kāi)時(shí)為止。

要進(jìn)行單一聚類(lèi)分析，最為關(guān)鍵的是如何選擇變量來(lái)劃分對(duì)象子集?；舅悸肥沁x擇與所有其他變量的相似性之和盡可能大的變量。目前，刻畫(huà)二進(jìn)制變量間的相似性主要采用關(guān)聯(lián)度量標(biāo)準(zhǔn)，而在單一聚類(lèi)分析方法中，關(guān)聯(lián)度量標(biāo)準(zhǔn)主要使用了兩個(gè)變量屬性值各個(gè)組合的對(duì)象個(gè)數(shù)值。首先，計(jì)算兩變量屬性值都為“0”對(duì)象個(gè)數(shù)與屬性值都為“1”對(duì)象個(gè)數(shù)的乘積；然后計(jì)算第一變量為“0”且第二變量為“1”的對(duì)象個(gè)數(shù)與第一變量為“1”而第二變量為“0”的對(duì)象個(gè)數(shù)的乘積。此時(shí)，關(guān)聯(lián)度量標(biāo)準(zhǔn)即可定義為上述兩個(gè)乘積結(jié)果差的絕對(duì)值。在表中，變量1和變量2的屬性值完全相同，理應(yīng)得到較大的關(guān)聯(lián)度量值。通過(guò)計(jì)算不難得出兩個(gè)乘積的結(jié)果分別為16（4×4）和0（0×0），故變量1和變量2的關(guān)聯(lián)度量值為|16-0|=16。而對(duì)于變量1與變量3的屬性值不相同的情況，兩變量的關(guān)聯(lián)度量值可通過(guò)一個(gè)2×2列聯(lián)表計(jì)算得出。圖1（a）為廣義列聯(lián)表，變量f與變量g的關(guān)聯(lián)度量值由式Afg=|afg·dfg-bfg·cfg|計(jì)算；圖1（b）對(duì)應(yīng)于變量1和3變量，其關(guān)聯(lián)度量值；另外，如果對(duì)于所有對(duì)象兩變量的屬性值都不相同，將會(huì)給出相同信息，關(guān)聯(lián)度量值會(huì)變大，如圖1（c）所示。

圖1 列聯(lián)表

圖2 單一聚類(lèi)分析的結(jié)果

先計(jì)算對(duì)象集的一個(gè)變量f與所有其他變量的關(guān)聯(lián)量度值之和

再找出關(guān)聯(lián)量度值之和最大值所對(duì)應(yīng)的變量

可得出t=5，即對(duì)包含A～H的對(duì)象集選擇變量5來(lái)劃分子集，依此類(lèi)推，可得出選擇變量1劃分對(duì)象子集{A，C，D，H}，選擇變量4劃分對(duì)象子集{B，E， F，G}，這一過(guò)程直到子集由一個(gè)單一對(duì)象或者剩余變量無(wú)法分開(kāi)（如對(duì)象C和D）時(shí)為止。

2 空中相撞的人因分析分類(lèi)體系

2.1 人為因素分析分類(lèi)系統(tǒng)構(gòu)建

HFACS是Shappell和Wiegmann在REASON模型基礎(chǔ)上構(gòu)建的［10-11］，它對(duì)各層面上的“漏洞”進(jìn)行了具體定義，克服了REASON模型的不足，促進(jìn)了其使用推廣。

HFACS將人為差錯(cuò)劃分為4個(gè)層次，第1層為處于最低層次的不安全行為層，第2～4層分別為不安全行為的前提條件、不安全的監(jiān)督和組織管理，其理論層次框架及其最底層影響因素代碼如圖3所示。不安全行為層屬于顯性差錯(cuò)，其直接導(dǎo)致事故發(fā)生，第2～4層屬于隱性差錯(cuò)，不安全行為的前提條件是指直接導(dǎo)致不安全行為發(fā)生的主客觀條件。不安全的監(jiān)督和組織管理是導(dǎo)致事故發(fā)生的潛在根源。各層又細(xì)化為若干的影響因素，各影響因素又有它的具體表現(xiàn)形式。HFACS從高層次開(kāi)始向下逐層施加影響，并強(qiáng)調(diào)最高層次的組織管理對(duì)事故的影響作用。當(dāng)各層次都同時(shí)出現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)，系統(tǒng)的多層次防御作用失效，從而引發(fā)事故。

圖3 航空器相撞的人為因素分析分類(lèi)系統(tǒng)

需要說(shuō)明的是，HFACS中的各影響因素之間并非相互獨(dú)立，而是具有一定程度的關(guān)聯(lián)性。根據(jù)各層之間的隸屬關(guān)系，下一層中任一因素及其因素組合的發(fā)生，都可認(rèn)為上一層因素發(fā)生了。例如：第2層差錯(cuò)的發(fā)生，是由第3層決策差錯(cuò)、技能差錯(cuò)和認(rèn)知差錯(cuò)或者它們的組合引起的。

HFACS不僅僅能夠分析誘發(fā)航空事故的表面原因，而且還可以幫助找出深層次原因以及潛在根源。到目前為止，業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，該系統(tǒng)適用于分析各類(lèi)航空事故，當(dāng)然，也囊括了航空器相撞事故的各個(gè)方面和各種情況，鑒于90%以上航空器相撞事故涉及人為差錯(cuò)的實(shí)際，采用HFACS分析航空器相撞的誘發(fā)模式是完全可行的。

2.2 航空器相撞事故/事故征候的量化表征

對(duì)航空器相撞的人為因素進(jìn)行定量分析，圖3中的HFACS是基礎(chǔ)。根據(jù)收集到的歷史信息和調(diào)查報(bào)告，逐起對(duì)航空器相撞事故／事故征候進(jìn)行分析，確定HFACS中所涉及的影響因素，并通過(guò)“1”和“0”的形式來(lái)量化描述，其中，“1”代表影響因素發(fā)生，“0”代表沒(méi)有發(fā)生。以2006年9月9日發(fā)生在巴西帕拉省卡欣布的波音737航班與Legacy公務(wù)機(jī)的空中相撞事故為例［12］，根據(jù)事故分析與調(diào)查結(jié)果可知，這起空中相撞事故涉及的影響因素分別為：不安全行為層中的技能差錯(cuò)（C2）；不安全行為的前提層中的班組資源管理不善（C9）和個(gè)人準(zhǔn)備狀態(tài)差（C10）；不安全的監(jiān)督層的監(jiān)督不充分（C11）；組織管理層的資源管理（C15）。對(duì)于這起事故的量化，即將涉及的5個(gè)影響因素C2，C9，C10，C11，C15用“1”來(lái)描述，沒(méi)有涉及的12個(gè)影響因素用“0”來(lái)描述，即可完成。

按照數(shù)據(jù)的完整性和權(quán)威性原則，選取某航空管制區(qū)1990年～2009年的航空器相撞事故／事故征候調(diào)查報(bào)告。按照HFACS對(duì)這些報(bào)告逐起進(jìn)行分析，逐一確定所涉及的影響因素，并根據(jù)前述方法對(duì)它們進(jìn)行量化。由于HFACS第3層中的影響因素完全能夠刻畫(huà)航空器相撞事故／事故征候的人為因素，因此，僅需考慮HFACS的第3層中的影響因素。這樣對(duì)1990年～2009年的航空器相撞事故／事故征候的分析，就轉(zhuǎn)化為對(duì)C1，C2，…，C17因素構(gòu)成的136×17數(shù)據(jù)矩陣（表2）XC的分析，其中，行代表具體的某起相撞事故／事故征候；列代表涉及到的具體影響因素。

表2 某航空管制區(qū)1990年～2009年的航空器相撞事故／事故征候量化表

3 航空器相撞的HFACS誘發(fā)模式分析

由于航空器相撞HFACS的底層有17個(gè)因素，總共有217個(gè)組合，要揭示航空器相撞事故/事故征候誘發(fā)的基本模式，需對(duì)最底層的C1，C2，…，C17因素構(gòu)成的136×17二進(jìn)制矩陣XC進(jìn)行單一聚類(lèi)分析。通過(guò)對(duì)XC進(jìn)行單一聚類(lèi)分析，共得到124個(gè)獨(dú)立影響因素組合，即124種航空器相撞事故/事故征候誘發(fā)模式，也就是說(shuō)已發(fā)生的136起航空器相撞事故/事故征候是由124種誘發(fā)模式引起的。在這124種誘發(fā)模式中，有115種模式僅引起一起事故/事故征候，有9種模式造成兩起或兩起以上事故/事故征候，如表3所示。

表3 造成兩起以上航空器相撞事故/事故征候的誘發(fā)模式

根據(jù)單一聚類(lèi)分析，可得出如下有益的建議：

（1）如果某種模式誘發(fā)一起航空器相撞事故/事故征候是偶然的，那么，誘發(fā)兩起或兩起以上的模式就具有頻發(fā)性和傾向性特征，因此，表3中這9種模式應(yīng)是研究和防范的重點(diǎn)。

（2）在124種誘發(fā)模式中，同時(shí)包含影響因素C2、C6、C10、C11和C15的模式有46種，這5個(gè)影響因素是管理和決策中重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。

（3）在包含C2、C6、C10、C11和C15的模式中，各影響因素彼此具有一定的關(guān)聯(lián)性，如：對(duì)于C2和C6，根據(jù)HFACS思想，C6是C2的前提條件；C2是C6的直接體現(xiàn)，兩個(gè)影響因素關(guān)系密切，經(jīng)常相伴而出。要防止出現(xiàn)C2，應(yīng)該將著眼點(diǎn)放在精神狀態(tài)的幾種表現(xiàn)上，即失去情景意識(shí)、自滿、自負(fù)、警惕性低、精神疲勞松懈、生理節(jié)律紊亂、注意范圍狹窄、精神不集中等，使防相撞工作，不僅僅停留于事故的直接影響因素，更應(yīng)該關(guān)注深層次影響因素和潛在根源。

（4）實(shí)際上，聚類(lèi)分析得到了9條經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致相撞事故/事故征候的特殊形式的事件鏈。如：模式C2，C6，C7，C10，C11，C12，C15可被視為一條經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致事故/事故征候的事件鏈。防相撞工作除了關(guān)注該鏈條上的各因素，尤其應(yīng)注意切斷各因素之間的聯(lián)系，同時(shí)也應(yīng)強(qiáng)調(diào)“資源管理”的基礎(chǔ)性作用，在人員的選拔培訓(xùn)、設(shè)備的防差錯(cuò)設(shè)計(jì)、資金投入等方面下足功夫，從而從根本上消除這一鏈條存在的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

為了更好地挖掘出航空器相撞的主要誘發(fā)模式，在HFACS分析與量化的基礎(chǔ)上引入了一種單一聚類(lèi)分析方法。從實(shí)例分析結(jié)果來(lái)看，所提出方法邏輯縝密，易于實(shí)現(xiàn)，能夠準(zhǔn)確辨識(shí)航空器相撞事故/事故征候的重要誘發(fā)模式，找出模式中經(jīng)常出現(xiàn)的影響因素及其關(guān)聯(lián)。根據(jù)誘發(fā)模式分析的結(jié)果制定防控措施，既可改善防相撞管理的科學(xué)性和有效性，又能為安全管理的有效實(shí)施提供技術(shù)支撐。

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HFACS Inducement Mode Analysis for Aircraft Collision Based on Monothetic Clustering Method

GAN Xu-sheng1，QU Hong2，LOU Yuan-wei2，LI Hua-ping3
（1.Xijing College，Xi’an 710123，China；2.School of Air Traffic Control and Navigation，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China；3.Air Force Xi’an Flight Academy，Xi’an 710306，China）

In order to effectively prevent and control the occurrence of aircraft collision accidents for safe，orderly and efficient operation of aviation system，an inducement mode analysis method about Human Factor Analysis and Classification System（HFACS）based on monothetic clustering process is proposed.In this method，first，according to the specific characteristics of aircraft collision，HFACS is established.Then，the aircraft collision accidents/incidents that happened are quantified in terms of HFACS，constructing historical information data table.Finally，a monothetic clustering method is used to analyze the inducement modes in the data table obtained，and identify the important inducement modes and influence factors in the modes，and then put forward the control measures.An example analysis shows that the proposed method has many advantages in simple implement，understand，combination qualitative and quantitative analysis.The analysis results are more close to the reality.It has important practical value for improving the management and decision-making level of anti-collision and preventing the loss of aircraft collision.

aircraft collision，monothetic clustering method，human factor analysis and classification system，inducement mode

X913.4

A

1002-0640（2016）12-0125-05

2015-10-05

2015-12-21

甘旭升（1972-），男，黑龍江海倫人，博士。研究方向：飛行安全及非線性系統(tǒng)建模。