航空公司飛行安全綜合評估方法研究

丁松濱，谷倩倩

(南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，南京 211106)

航空公司飛行安全綜合評估方法研究

丁松濱，谷倩倩

(南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，南京 211106)

人的因素是影響飛行安全的關(guān)鍵因素，并且各決策因素具有難以度量的不確定性。以機(jī)組人為因素為主要研究對象，利用SHELL模型建立飛行安全評估指標(biāo)體系，并利用AHP方法計(jì)算評估指標(biāo)體系中各個指標(biāo)的權(quán)重；運(yùn)用物元理論建立評估模型并利用該模型進(jìn)行飛行安全綜合評估，找出影響飛行安全的主要指標(biāo)；通過實(shí)例驗(yàn)證所用方法的可行性、有效性。結(jié)果表明：所用方法可行、有效，能夠最大限度地解決評估過程中的不確定性，可為航空公司進(jìn)行飛行安全管理提供一個可行的方法。

航空運(yùn)輸；飛行安全；SHELL模型；物元理論；綜合評估

0 引 言

隨著我國民航業(yè)的高速發(fā)展，飛機(jī)已成為人們生活中必不可少的一種交通工具。人們對其安全性也越來越關(guān)注，飛行的安全性不僅與旅客的人身及財(cái)產(chǎn)安全直接相關(guān)，還對航空公司的聲譽(yù)、經(jīng)濟(jì)效益乃至生存產(chǎn)生重大的影響。因此，開展飛行安全分析評估的主要目的是確定飛行安全的安全等級，提前發(fā)現(xiàn)飛行安全系統(tǒng)中存在的薄弱環(huán)節(jié)，找出影響安全的危險(xiǎn)因素，以便于有針對性地采取糾正不安全行為的措施，從而降低飛行事故及飛行事故征候的發(fā)生率，提高安全管理水平。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對如何提高飛行安全的管理水平，做了大量的研究。國外學(xué)者主要采用事件樹[1-3]、故障率[4]等方法以及通過分析飛機(jī)飛行時的飛行包線[5]、飛機(jī)尾流間隔[6]等開展飛行安全研究。國內(nèi)學(xué)者主要是通過確定評價(jià)指標(biāo)，選取灰色系統(tǒng)理論[7-8]、特爾菲法[9]、效用理論[10]、相關(guān)向量機(jī)[11]、改進(jìn)的層次分析法[12]等不同的方法開展飛行安全評估研究。然而，由于事故的發(fā)生率越來越低，導(dǎo)致樣本數(shù)據(jù)減少，限制了依賴數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)理論方法的使用。從我國學(xué)者開展飛行安全研究的成果中可以看出：問題主要體現(xiàn)在評價(jià)方法的選擇上，并且從現(xiàn)有的評價(jià)方法來看存在的主要問題是沒有能夠很好地解決各影響因素之間的不確定性問題以及缺少對關(guān)鍵影響因素的確定與分析。

從世界航空安全歷史發(fā)展趨勢來看，飛行事故萬時率總體呈下降趨勢，早期下降明顯，后期下降緩慢。其中人的因素導(dǎo)致的事故減少與機(jī)械因素導(dǎo)致的事故減少并不同步，人的因素導(dǎo)致的事故下降要緩慢的多[13]。

本文采用以機(jī)組人為因素為中心的SHELL模型，建立飛行安全評估指標(biāo)體系，并借鑒飛行安全評估具有物元可拓性的思想，構(gòu)建飛行安全物元理論評估模型，以改進(jìn)現(xiàn)有評估方法的不足，最后通過實(shí)例驗(yàn)證分析所用方法的可行性和有效性。

1 基于SHELL模型的飛行安全評估指標(biāo)體系的構(gòu)建

1.1 SHELL模型

SHELL模型是由Elwyn Edwards在1972年提出的描述飛行中人的因素的概念模型，它由軟件(S)、硬件(H)、環(huán)境(E)、人員(L)四部分組成[14]。在該模型中，“人員”處于模型的中心，其他要素圍繞在它的周圍。通過該模型可以分析以人為中心構(gòu)成界面的四個要素之間的相互關(guān)系。

1.2 飛行安全評估指標(biāo)體系的構(gòu)建

通過分析總結(jié) ASN(中國民用航空安全信息系統(tǒng))網(wǎng)站[15]提供的飛行事故數(shù)據(jù)庫中的事故描述屬性，從飛行事故數(shù)據(jù)庫中篩選影響飛行安全的主要因素。經(jīng)過不完全統(tǒng)計(jì)與分類暫且將影響因素界定在SHELL模型的4個界面上以及機(jī)組人員自身因素上，建立飛行安全評估指標(biāo)體系，如圖1所示。

①人-人因素：主要是指飛行人員和機(jī)組其他成員，以及和ATC、簽派員等其他人員之間的信息交流與配合度，若飛行員和其他人員之間的信息交流出現(xiàn)偏離、誤解，就會為最終差錯埋下伏筆。

②人-環(huán)境因素：主要是指氣壓、溫度、噪聲、復(fù)雜天氣等，都會增加飛行人員犯錯的機(jī)率。

③人-硬件因素：主要是指機(jī)載設(shè)備顯控界面設(shè)計(jì)和使用理念與人的生理認(rèn)知特點(diǎn)不符，或者對意外情況缺乏考慮等，致使機(jī)組人員的差錯很容易產(chǎn)生。

④人-軟件因素：主要是指軟件設(shè)計(jì)的不合理性、信息顯示的不恰當(dāng)性或?qū)π畔⒌恼`解、誤用等，都會誘發(fā)飛行員產(chǎn)生錯誤。

⑤機(jī)組自身因素：主要是指由于機(jī)組人員自身的性格心理、生理、技能水平等因素誘使飛行人員產(chǎn)生錯誤。

2 物元理論

物元理論的研究對象主要是一些多層次、多目標(biāo)的復(fù)雜不相容問題，即通過系統(tǒng)物元變換處理系統(tǒng)中存在的不相容問題。用物元理論研究問題的核心是通過建立關(guān)聯(lián)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，從而從定性和定量兩個角度來表示事物具有某種性質(zhì)的程度[16]。將物元理論應(yīng)用于飛行安全評估研究，不僅計(jì)算工作量小和計(jì)算過程簡單，并且能夠?qū)⒃u價(jià)對象的質(zhì)與量結(jié)合起來進(jìn)行綜合評價(jià)。

2.1 物元的基本概念

給定研究對象的事物名稱N，其中事物N的特征U用X來度量。因此以R=(N,U,X)有序三元組來描述事物N的元，簡稱物元。若事物N的特性體現(xiàn)在多個方面，即以U1,U2,U3,…,Um個特征的度量值X1,X2,X3,…,Xm來描述事物N的特性，則稱R為m維物元，用矩陣的形式表示為

(1)

2.2 單指標(biāo)評價(jià)

在飛行安全評估指標(biāo)體系中，U={Ui}為評價(jià)指標(biāo)集合，其中Ui(i=1,2,…,m)為影響因素層，Ui={uij}，uij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)為指標(biāo)層。

(1) 經(jīng)典域與節(jié)域的確定

經(jīng)典域是指評估指標(biāo)關(guān)于各個評價(jià)等級的量值范圍，用矩陣的形式表示為

(2)

式中：Uif表示當(dāng)一級影響因素的評價(jià)等級為第f級時，二級指標(biāo)uin的經(jīng)典域?yàn)閇aifn,bifn]。

節(jié)域是指評估指標(biāo)關(guān)于所有評價(jià)等級所規(guī)定的量值范圍，用矩陣的形式表示為

(3)

式中：Uip為一級影響因素的所有評價(jià)等級，p=1,2,…,f；[aipn,bipn]為二級指標(biāo)uin關(guān)于所有評價(jià)等級所規(guī)定的取值范圍。

(2) 確定待評物元

待評物元是指評估指標(biāo)通過物元分析得到的具體數(shù)據(jù)，用矩陣的形式表示為

(4)

式中：Ui為評估指標(biāo)體系中相應(yīng)的一級影響因素；Yin為一影響因素Ui下的二級指標(biāo)uin的具體物元量值。

(3) 關(guān)聯(lián)度

關(guān)聯(lián)度的大小表征了評估指標(biāo)隸屬于某一評價(jià)等級的程度。

單指標(biāo)關(guān)聯(lián)度：一級影響因素Ui中第j項(xiàng)二級指標(biāo)的安全等級為第f級時的關(guān)聯(lián)度為

(5)

其中

(6)

(7)

2.3 綜合評估

①一級影響因素對各安全等級的關(guān)聯(lián)度

當(dāng)一級影響因素Ui(例如人-人因素)的安全等級為第f級時的關(guān)聯(lián)度為

(8)

②綜合關(guān)聯(lián)度

計(jì)算待評事物N(航空公司飛行安全)當(dāng)飛行安全等級為第f級時的關(guān)聯(lián)度為

(9)

③安全等級評定

由上文得到的航空公司飛行安全對各安全等級的關(guān)聯(lián)度數(shù)值，根據(jù)最大隸屬度原則可知，整體航空公司飛行安全的安全等級，即

K0=maxKf(N)

(10)

3 實(shí)例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證此方法的可行性和有效性，以國內(nèi)某航空公司飛行安全的實(shí)際情況為例進(jìn)行說明。在確定出評估指標(biāo)體系權(quán)重的基礎(chǔ)上，利用物元理論建立模型開展飛行安全定量化評價(jià)分析，得到航空公司飛行安全等級以及影響飛行安全的關(guān)鍵指標(biāo)(違規(guī)操作發(fā)生率、機(jī)組人員培訓(xùn)不合格率)以便于航空公司有針對性的采取措施，加強(qiáng)防范，保證飛行安全。

3.1 基于物元理論的單指標(biāo)評價(jià)

首先，將評估指標(biāo)的安全等級化分為很安全、安全、較安全、不安全四個等級，針對每個評估指標(biāo)的經(jīng)典域有專家根據(jù)專業(yè)的知識以及經(jīng)驗(yàn)來確定其安全等級。其次，由15名民航領(lǐng)域的專家根據(jù)評估指標(biāo)的經(jīng)典域，給出每個二級評估指標(biāo)的物元值，并取所有物元值的平均作為此二級評估指標(biāo)最終的物元值。現(xiàn)以人-人因素下的評估指標(biāo)為例進(jìn)行具體的分析。

①評估指標(biāo)的經(jīng)典域

②評估指標(biāo)的節(jié)域

③評估指標(biāo)的物元值

④評估指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度

由①、②、③確定出評估指標(biāo)的經(jīng)典域、節(jié)域、物元量值以后，利用式(5)～式(7)分析計(jì)算人-人因素(U1)下的二級評估指標(biāo)：機(jī)組配合不利程度(u11)、飛行人員與管制人員的配合度(u12)、違規(guī)操作發(fā)生率(u13)、關(guān)鍵指令誤用率(u14)4個評估指標(biāo)對“很安全(p1)、安全(p2)、較安全(p3)、不安全(p4)”四個評估等級的關(guān)聯(lián)度值，如表1所示，且從表中的數(shù)據(jù)可知，飛行人員與管制員的配合度(u12)與關(guān)鍵指令誤用率(u14)這兩個評估指標(biāo)是需要重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)。

表1 人-人因素指標(biāo)各等級關(guān)聯(lián)度

同理，采用相同的方法來確定其他評估指標(biāo)對四個安全等級的關(guān)聯(lián)度。

3.2 評估指標(biāo)權(quán)重的確定

采用AHP法確定評估指標(biāo)的權(quán)重，因篇幅有限，本文將不再詳細(xì)論述確定權(quán)重的過程。由AHP法計(jì)算得到評估指標(biāo)的權(quán)重如下：

W=(0.327,0.116,0.253,0.184,0.120)

二級評估指標(biāo)權(quán)重：

3.3 綜合評估結(jié)果

①一級影響因素對各安全等級的關(guān)聯(lián)度

將得到的二級評估指標(biāo)對四個安全等級的關(guān)聯(lián)度以及評估指標(biāo)的權(quán)重代入式(8)，可計(jì)算出5項(xiàng)一級影響因素對四個安全等級的關(guān)聯(lián)度數(shù)值，如表2所示。

②綜合關(guān)聯(lián)度

將表2中的關(guān)聯(lián)度數(shù)據(jù)代入式(9)，計(jì)算出航空公司飛行安全對四個安全等級的關(guān)聯(lián)度，如表3所示。

表2 一級影響因素對四個安全等級的關(guān)聯(lián)度

表3 航空公司飛行安全綜合評估結(jié)果

從表3可以看出：航空公司飛行安全的安全等級為安全。并且從表2可以看出：人-軟件因素(U4)的安全等級為較安全，關(guān)聯(lián)度數(shù)值為0.091 8。人-人因素(U1)的安全等級為安全，關(guān)聯(lián)度數(shù)值為0.093 1，與人-硬件因素、人-環(huán)境因素、機(jī)組自身因素相比其關(guān)聯(lián)度數(shù)值最小。因此，航空公司應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注人-軟件因素與人-人因素中的評估指標(biāo)。

3.4 結(jié)果分析

考慮人-軟件因素(U4)與人-人因素(U1)中的二級評估指標(biāo)的不同物元取值進(jìn)行模擬分析，尋求影響飛行安全的主要指標(biāo)，以便于航空公司有關(guān)安全管理部門針對查找出的影響指標(biāo)，有目的性的采取措施，加強(qiáng)安全管理，避免飛行事故及事故征候的發(fā)生，從而提高航空公司飛行安全水平。其中，所選取評估指標(biāo)的物元值在原物元值的基礎(chǔ)上按照一定比例(5%)在節(jié)域范圍內(nèi)逐漸增大，而其他評估指標(biāo)的物元值和權(quán)重值保持不變。通過對二級評估指標(biāo)的物元值這一變量進(jìn)行多次模擬分析，得到航空公司飛行安全隨著不同指標(biāo)物元值的增加對p1(很安全)和p2(安全)這兩個安全等級的隸屬度曲線，如圖2～圖5所示。

從圖2～圖5可以看出：隨著人-人因素和人-軟件因素下二級評估指標(biāo)的物元值逐漸增加，航空公司飛行安全對p1、p2的關(guān)聯(lián)度呈同樣的趨勢，即先上升后下降的趨勢;評估指標(biāo)u13、u41對航空公司飛行安全影響最大。因此，航空公司應(yīng)從u13(違規(guī)操作發(fā)生率)、u41(機(jī)組人員培訓(xùn)不合格率)兩個方面采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，加強(qiáng)管理。

4 結(jié) 論

(1) 以SHELL模型為基礎(chǔ)，系統(tǒng)分析了有關(guān)影響飛行安全的因素，建立了飛行安全評估指標(biāo)體系。

(2) 運(yùn)用物元理論建立了航空公司飛行安全綜合評估模型，不僅可以解決決策因素之間“部分確定，部分不確定”的模糊性，而且可以正確反映事物質(zhì)與量的內(nèi)在聯(lián)系與變化規(guī)律。

(3) 通過分析計(jì)算得到了航空公司飛行安全的安全等級為安全，以及通過多次模擬分析得到了違規(guī)操作發(fā)生率、機(jī)組人員培訓(xùn)不合格率兩個指標(biāo)是影響飛行安全的主要指標(biāo)。通過實(shí)例的驗(yàn)證分析，表明所用方法的實(shí)用性與有效性。為航空公司進(jìn)一步加強(qiáng)安全管理，提升安全水平，提供了參考。

[1] Ahmadi A, Soderholm P. Assessment of operational consequences of aircraft failures: Using event tree analysis[C]. Big Sky, MT, USA: Aerospace Conference, 2008.

[2] Catalyurek U, Rutt B, Metzroth K, et al. Development of a code-agnostic computational infrastructure for the dynamic generation of accident progression event trees[J]. Reliability Engineering and System Safety, 2010, 95(3): 278-294.

[3] Brissaud F, Smidts C, Barros A, et al. Dynamic reliability of digital-based transmitters[J]. Reliability Engineering and System Safety, 201l, 96(7): 793-813.

[4] Milan J. An assessment of risk and safety in civil aviation[J]. Journal of Air Transport Management, 2000, 6(1): 43-50.

[5] Richardson J, Kabamba P T, Atkins E M, et al. Safety margins for flight through stochastic gusts[J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2014, 37(6): 2026-2030.

[6] Bobylev A V, Vyshinsky V V, Soudakov G G, et al. Aircraft vortex wake and flight safety problems[J]. Journal of Aircraft, 2010, 47(2): 663-674.

[7] 文軍. 基于灰色多層次的航空公司飛行安全評價(jià)研究[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 20(2): 29-34.

Wen Jun. Airline flight safety risk assessment based on grey hierarchy method [J]. China Safety Science Journal, 2010, 20(2): 29-34.(in Chinese)

[8] 孫瑞山, 楊繹暄, 汪磊. QAR數(shù)據(jù)在飛行安全評價(jià)中的應(yīng)用[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 25(7): 87-92.

Sun Ruishan, Yang Yixuan, Wang Lei. Study on flight evaluation based on QAR data[J]. China Safety Science Journal, 2015, 25(7): 87-92.(in Chinese)

[9] 曲慶龍, 宋家文, 王翩翩. 基于AHP方法的飛行安全風(fēng)險(xiǎn)評估模型[J]. 計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程, 2015, 43(5): 864-866.

Qu Qinglong, Song Jiawen, Wang Pianpian. Flight safety risk assessment model based on AHP method[J]. Computer and Digital Engineering, 2015, 43(5): 864-866.(in Chinese)

[10] 高建國, 端木京順, 甘旭升. 效用理論在飛行安全風(fēng)險(xiǎn)評估中的應(yīng)用[J]. 價(jià)值工程, 2010, 29(23): 107-108.

Gao Jianguo, Duanmu Jingshun, Gan Xusheng. Application of utility theory in the evaluation of flight safety risk[J]. Value Engineering, 2010, 29(23): 107-108.(in Chinese)

[11] 甘旭升, 端木京順, 高建國. 基于相關(guān)向量機(jī)的飛行安全評價(jià)方法[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2012, 8(12): 143-148.

Gan Xusheng, Duanmu Jingshun, Gao Jianguo. Flight safety evaluation method based on relevance vector machine[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2012, 8(12): 143-148.(in Chinese)

[12] Zhang Xiaoyu, Chen Jiusheng. Decision model of flight safety based on flight event[J]. Physics Procedia, 2011, 33: 462-469.

[13] 陳東鋒, 嬌正剛, 張國正. 人的因素與飛行安全[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2016: 12-48.

Chen Dongfeng, Jiao Zhenggang, Zhang Guozheng. Human factors and flying safety[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2016: 12-48.(in Chinese)

[14] 杜俊敏. 人為因素與飛行安全[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2016: 43-45.

Du Junmin. Human factors and flight safety[M]. Beijing: Beihang University Press, 2016: 43-45.(in Chinese)

[15] Flight Safety Foundation. ASN aviation safety database[EB/OL].[2017-07-10]. http:∥aviation-safety.net.

[16] 李玲玲, 劉敬杰, 凌躍盛, 等. 物元理論與證據(jù)理論相結(jié)合的電能質(zhì)量綜合評估[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(12): 383-391.

Li Lingling, Liu Jingjie, Ling Yuesheng, et al. Power quality comprehensive evaluation based on matter-element theory and evidence theory[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(12): 383-391.(in Chinese)

丁松濱(1964-)，男，博士，教授。主要研究方向：飛行系統(tǒng)安全與人為因素、飛行性能工程。谷倩倩(1991-)，女，碩士研究生。主要研究方向：飛行系統(tǒng)安全與人為因素、飛行性能工程。

(編輯：趙毓梅)

ResearchonComprehensiveEvaluationMethodofAirlineFlightSafety

Ding Songbin, Gu Qianqian

(College of Civil Aviation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China)

Human factors are the key factors which affect flight safety, and the factors of decision-making possess are of the characteristic of uncertainty, and difficult to measure. The human factors of the aircrew are the main research object. The flight safety evaluation index system is established by the SHELL model, and the weights of the related index in the evaluation index system are calculated by AHP method. The evaluation model is established by the matter-element theory, which is used to evaluate the flight safety and find out the main indexes that affect flight safety. The rationality and feasibility of this method are validated from the application. The results show that the method is feasible and effective, and can solve the uncertainty in the evaluation process to the maximum extent, which can provide a feasible method for airline flight safety management.

air transportation; flight safety; SHELL model; matter-element theory; comprehensive evaluation

2017-07-11；

2017-09-07

谷倩倩,1281962130@qq.com

1674-8190(2017)04-381-07

U8; X949

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2017.04.003