基于層次分析法的影響民機使用的設計問題評估方法研究

孫雨辰 /

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

0 引言

在民用飛機設計、生產、制造以及實際運營的過程中會發(fā)現，設計層面存在的問題直接影響飛機的使用及使用者的體驗，這些問題并不影響飛機取得型號合格審定，但可能對航空公司的使用產生直接影響。通過初步評估與篩選，可以將此類問題分為影響飛機的使用(包括影響運營限制和影響簽派)和影響使用者的體驗(包括影響飛行員、機務和乘務員的使用)兩類。針對影響使用的不同問題，應用檢查單進行評估，采用層次分析法將評估判斷指標影響權重量化，并按指標清晰地劃分影響等級，從而明確問題對使用影響的嚴重程度，為系統(tǒng)設計權衡是否需要優(yōu)化設計提供支撐。

1 影響飛機使用的設計問題類型

飛機在運營階段出現影響使用的問題，對飛機本身而言，可能增加額外運營限制和影響飛機簽派，對飛機的使用者而言，飛機設計中存在的問題會給飛行員、機務人員和乘務員的操作帶來不便。

1.1 影響運營限制

所設計的飛機應滿足適航運行規(guī)章已規(guī)定的及預計會遇見的運行條件和環(huán)境下的簽派，并完成相應的飛行任務。如果由于設計因素，對飛機運營環(huán)境、系統(tǒng)正常工作條件產生額外的限制，而這種限制對飛機正常運營簽派產生不利影響，此時，則需要對導致該種額外限制產生的設計因素進行分析與評估，發(fā)現導致問題產生的根本原因，并評估問題是否能夠被客戶或飛機的使用者接受，如不能，則需要對設計進行更改。

1.2 影響簽派

簽派放行是飛機運行控制的重要組成部分，飛機簽派放行要綜合考慮的因素有很多，如何在低成本消耗的情況下高效處理飛行事務成為航空公司遵循的重要飛行原則，在確保飛行安全的前提下，最大限度實現飛機的簽派放行，是保證航空公司能夠獲取最大的經營利潤的有效途徑。

與飛機設計直接相關的是飛機故障情況，在不影響飛行安全的前提下，設計制定了飛機的主最低設備清單(MMEL)和構型偏離清單(CDL)項目，其中項目失效或缺損在滿足一定限制的條件下不影響飛行安全，視為飛機帶故障飛行的依據。因此，制定全面而完善的MMEL和CDL項目能夠在一定程度提高飛機的簽派率。

根據民用飛機的設計目標與要求論證報告，其過站離站時間為40 min，成熟期的短停維護時間目標值為25 min。在過站的過程中，機組、機務和勤務人員需要完成的工作任務包括：滑梯預位、準備地面設備、組織乘客離機、卸載行李、加油、廢物箱清理、廢水處理、飲用水處理、盥洗室清掃、客艙清掃、維修檢查、裝載貨物組織乘客登機、起動發(fā)動機、獲得飛機放行許可。

如果由于飛機設計的原因，導致在飛機過站或短停維護期間執(zhí)行必要工作所需工時時間較長，或對執(zhí)行維護任務的人員數量有額外要求，則同樣視為其對飛機簽派有影響。

1.3 影響使用者體驗

飛機使用人員包括飛行員、乘務員和地面維護保障人員。飛機設計要保證在運營過程中避免對其工作與使用造成不便的影響。以下分別對其影響評估方法進行詳細描述。

對于影響人員使用的問題，需要按照影響對象的不同分別進行定性分析，明確問題產生的后果，完整地評估其對運營影響的嚴重程度，以權衡是否進行更改。

1.3.1 影響機組使用

飛行員的工作空間在駕駛艙之內，需要按照飛行任務執(zhí)行正常、非正常、應急的操作程序，對駕駛艙內的開關、按鈕、操縱手柄、腳蹬、剎車、油門臺等控制器件進行操作，同時接收聲、光、電、動、告警的反饋形式做出相應的操作。因此，駕駛艙應設計成理念明確、符合飛行員習慣、便于操作、形式統(tǒng)一、故障信息顯示明確的形式。同時，國際民用航空界對于人為因素的考慮也日臻成熟，EASA于2007年率先在適航標準修訂時增加了關于人為因素的條款CS-25.1302條。FAA也于2013年在其137號修正案中增加了FAR-25.1302條款。根據CS-25.1302條款要求，在駕駛艙設計中必須考慮到飛機機組人為因素的影響。

1.3.2 影響維修人員使用

根據國際民航維修協會(IAMA)統(tǒng)計資料顯示，歷史上飛行事故80%都是由人的原因導致的。維修機務人員逐漸成為人為因素重要的一環(huán)。因此，飛機設計要保證維修人員的防差錯設計，同時確保工作的便利性。

1.3.3 影響乘務員使用

乘務員的主要工作場所為客艙，按照工作職責，乘務員需要對駕駛艙門、登機門、應急艙門、廚房、手推車、客艙廣播裝置、儲物箱等設備進行操作，其設計狀態(tài)直接影響到乘務員操作的便利性。影響乘務員使用的設計狀態(tài)可以分為影響客艙安全和應急撤離、影響乘務員工作職責和影響乘務員使用舒適度三類。

2 影響使用問題評估流程

使用運營影響評估檢查單能夠對以上提到的問題進行全面核查，具體評估流程如圖1所示。

圖1 影響使用的設計問題評估流程

3 基于層次分析法的問題影響權重系數確定方法

影響使用問題的層級和變量繁多，為了對其中各個因素的重要度做出正確評估，需要確定每個問題的影響權重，因此采用系統(tǒng)工程理論中的層次分析法，將多層定性分析模型通過專家打分和數學的方法轉化為定量分析模型。采用層次分析法對影響使用的運營問題進行分析的過程詳述如下。

3.1 劃分影響使用問題層次結構

對影響使用的多層次多變量問題，首先要對問題進行系統(tǒng)深入地分析，找出每種問題之間的層級隸屬關系，按照不同的屬性進行區(qū)分，并根據隸屬關系將其建立成一個從高層次到低層次的模型，具體如表1所示。

表1 影響使用問題指標分析

3.2 建立比較標度

建立比較標度是為了使人對問題的嚴重度之間定性比較的結果量化。通常采用的是A.L.Satty的1～9標度，1～9級的標度法是將思維判斷數量化的一種方法。首先，在區(qū)別事物的差別時，人們總是用相同、較強、強、很強、極端強的語言進行描述，再進一步細分，可以在相鄰的兩極之間插入折中的提法。因此對大多數評價判斷來說，1～9級的標度是合適的。其次，心理學的實踐表明大多數人對不同事物在相同屬性上的分辨能力在5～9級之間。因此，對不同事物在相同屬性的區(qū)分采用1～9級的標度是合適的，能夠反映大多數人的判斷。具體重要度定義見表2。

類似地，如兩兩比較中一個問題比另一個問題次重要，則分別用1、1/3、1/5、1/7、1/9標度次重要梯度，介于之間的判斷則可以分別用1/2、1/4、1/6、1/8標度。

表2 兩兩比較重要度定義

3.3 構建兩兩比較關系矩陣

為了評價第一層指標對使用問題及第二層指標對第一層指標的影響權重，邀請飛機使用、維護運營方面專家對影響因素進行比較打分。對表1中的第一層指標進行對比分析，可以得出如表3所示的打分表，建立影響使用問題對比矩陣O。

同樣，為了對第二層指標開展分析，可以按照表3形式建立問題a1、a2、a3、a4對第一層指標A影響對比矩陣A-a，問題b1、b2、b3對第一層指標B影響對比矩陣B-b，問題c1、c2、 c3、c4、c5、c6對第一層指標C影響對比矩陣C-b，問題d1、d2、d3、d4、d5對第一層指標D影響對比矩陣D-d，問題e1、e2、e3對第一層指標E影響對比矩陣E-e，同樣請專家開展影響度比較分析。

表3 影響使用問題對比矩陣O

3.4 計算每一問題影響權值

根據各位專家的兩兩比較結果，得到判斷矩陣A=(aij)n×n，需進一步計算各指標的相對權值，一般可按以下步驟采用和積法計算矩陣的特征值和近似值。

1)將矩陣A按列歸一化

(1)

2)將每一列歸一化的判斷矩陣按行相加

(2)

3)將得到的向量歸一化，即得權重向量

(3)

3.5 一致性檢驗

由于各個權重比通常通過專家組打分得到，因此必須進行一致性檢查，以防止指標間出現矛盾。通過以下步驟完成對每位專家打分的兩兩對比矩陣的檢驗。

1)計算判斷矩陣最大特征值λmax

(4)

2)計算一致性指數CI

(5)

3)利用表4平均隨機數一致性指數表查出同階矩陣的平均一致性指數RI

表4 平均隨機數一致性指數

4)計算一致性比率CR

(6)

5)結果判定

當CR=0時，判斷矩陣具有完全一致性；

當CR≤0.1時，判斷矩陣具有滿意的一致性；

當CR>0.1時，判斷矩陣具有非滿意的一致性，此時應對判斷矩陣中數據進行調整或舍棄。

經過檢驗，每個判斷矩陣都具有滿意的一致性。

3.6 求均值

對于多位專家評定的結果，需要對影響權值進行求均值計算，以保證評估的合理性。

3.7 計算結果

對多位專家評分結果進行一致性檢驗后，保留合理結果并求取均值，各個評價指標的影響權重計算結果如表5所示。

表5 影響權重計算結果

4 問題影響等級劃分方法

影響使用的具體問題可以按照其在檢查單中影響問題的權重積分劃分影響等級，具體可分為影響程度嚴重、影響程度一般、影響較輕三類，權重區(qū)間如表6所示。

表6 各類問題影響等級權重區(qū)間

5 采用使用問題運營影響檢查單評估飛機使用問題

在具體評估影響飛機使用的問題時，可以按照以下步驟填寫表7使用問題運營影響評估檢查單。

1)填寫問題名稱，按照團隊問題管理方法進行編號，對具體問題的現象及原因進行簡要說明。

2)核查問題是否有相關適航條款要求并在檢查單相應位置進行填寫。

3)針對具體問題，依次使用子檢查單A、B、C、D、E中的檢查項目分別核查對運營限制的影響、對簽派影響、對機組影響、對機務影響和對乘務員影響，如存在相應影響，則勾選“是”選項，無影響則勾選“否”選項。

4)在子檢查單中勾選“是”的評估項的具體影響進行說明，對勾選“否”的評估項影響填寫“N/A”。

5)對每個子檢查單A、B、C、D、E中勾選“是”的評估項的影響權重進行求和，填寫在“影響系數”項下。

6)按照表6中規(guī)定的影響等級權重區(qū)間，劃分影響等級，并以●●●的直觀形式進行劃分。

7)對五個子檢查問題影響進行總結，并以●●●標記的個數直觀體現使用問題影響的嚴重程度。

表7使用問題運營影響評估檢查單

6 結論

飛機在全壽命周期內都會不斷發(fā)現影響飛機使用和使用者體驗的設計問題，通過對這些問題的確認與全面評估，才能做出是否改設計或進行設計優(yōu)化的決策。本文通過層次分析法，將復雜評價指標量化，并通過專家打分的方法制定了每個評價指標的影響權重，并劃分問題影響等級，最終形成使用問題運營影響評估檢查單。在對具體影響飛機使用問題進行評價時，通過填寫該檢查單即可清晰明確地看出問題的影響及嚴重程度，從而權衡對問題進行設計更改的必要性。在設計的過程中不斷解決并減少影響飛機使用的問題、改善使用者的體驗，是保證飛機設計不斷完善、使用性優(yōu)良的唯一途徑。

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