風(fēng)切變時進(jìn)近管制區(qū)域運行安全風(fēng)險分析

李 璇

（民航甘肅空管分局，甘肅 蘭州 730087）

0 引言

進(jìn)近管制區(qū)域是塔臺管制和區(qū)域管制的過渡空域，主要負(fù)責(zé)一個或者數(shù)個機場航空器的進(jìn)、離場飛行，以及其他空中交通服務(wù)。由于機場地理位置不同，空域劃設(shè)的側(cè)重點不同，進(jìn)近區(qū)域一般劃設(shè)在機場上空500～3000m以上的空域，空域面積小，飛行流量大，上升下降高度頻繁，是民航安全管理中非常關(guān)注的區(qū)域。

有很多人都對進(jìn)近區(qū)域發(fā)生的事故進(jìn)行了分析研究。Sen.A等通過對航空事故數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，對航空事故發(fā)生的原因進(jìn)行分析[1]。趙奉魯對發(fā)生在2006-2016年民航運輸飛行事故進(jìn)行分解，發(fā)現(xiàn)季節(jié)變化和復(fù)雜氣象條件對民航飛行的影響十分顯著[2]。春夏季天氣變化多端，所以民航事故多發(fā)于春夏季。風(fēng)切變就是春夏季常見的危險天氣。

在上世紀(jì)60～80年代，美國航空總死亡人數(shù)中約有40%死于地空風(fēng)切變事故。最典型的就是1975年、1982年、1985年的美國3次航空事故，總共導(dǎo)致超過400人死亡[3]。風(fēng)切變一般發(fā)生的高度低，直接發(fā)生在機場塔臺空域，但是進(jìn)近空域與塔臺空域相連，一旦前面進(jìn)近的飛機遇到風(fēng)切變，后續(xù)的飛機會在進(jìn)近空域盤旋等待，給進(jìn)近空域的安全運行帶來沉重壓力。當(dāng)進(jìn)近管制員收到氣象部門的風(fēng)切變預(yù)警時，會了解本管制區(qū)內(nèi)的風(fēng)切變的程度、高度和持續(xù)時間，及時通知在本管制區(qū)內(nèi)運行的航空器。由于風(fēng)切變的變化極難準(zhǔn)確預(yù)知，低高度的風(fēng)切變危害又很大，機組多數(shù)會選擇盤旋等待風(fēng)切變消失[4]，這個時間段內(nèi)管制員的通話量和壓力會激增，所以各種風(fēng)險因素和不安全事件會發(fā)生。本文將通過查閱國內(nèi)外有關(guān)風(fēng)切變導(dǎo)致民航安全事故的文獻(xiàn)，利用安全管理的理論模型對進(jìn)近區(qū)域內(nèi)影響安全的因子進(jìn)行全面討論分類，建立風(fēng)切變時進(jìn)近區(qū)域安全風(fēng)險評價的模糊聚類分析模型，得到風(fēng)險評估矩陣，并進(jìn)行K-均值分析，找到風(fēng)險比較大的影響因子，結(jié)合實際運行過程進(jìn)行進(jìn)近管制區(qū)域安全運行分析，提出安全運行建議。

1 研究方法

目前進(jìn)近管制區(qū)域安全運行的研究已經(jīng)比較成熟，但是國內(nèi)有關(guān)進(jìn)近區(qū)域安全管理評價的研究方法中，在風(fēng)切變天氣下解決元素之間相互影響的問題方面存在不足，多數(shù)研究是在結(jié)合管制指揮經(jīng)驗的情況下，對復(fù)雜天氣時的管制指揮預(yù)案進(jìn)行優(yōu)化升級，沒有對整體安全運行分析討論。側(cè)重于機場范圍內(nèi)風(fēng)切變天氣時當(dāng)下的管制指揮策略優(yōu)化[5-7]，側(cè)重管制員利用雷達(dá)引導(dǎo)分散空域壓力，強調(diào)流量控制協(xié)調(diào)備降，對于進(jìn)近區(qū)域整體運行時其他安全隱患過程討論不足。

查閱大量國內(nèi)外有關(guān)風(fēng)切變導(dǎo)致民航安全事故的文獻(xiàn)，結(jié)合某進(jìn)近管制單位6年運行數(shù)據(jù)，參考?xì)庀箢A(yù)警機制以及現(xiàn)行氣象預(yù)報能力和設(shè)備配置，在安全管理體制機制評價的框架下，引入模糊綜合評價理論，利用安全管理的理論模型對進(jìn)近區(qū)域內(nèi)影響安全的因子進(jìn)行全面討論分類，建立了風(fēng)切變時進(jìn)近區(qū)域安全風(fēng)險評價的模糊聚類分析模型結(jié)合實際運行過程進(jìn)行進(jìn)近管制區(qū)域安全運行分析。

2 發(fā)生風(fēng)切變時的進(jìn)近管制風(fēng)險評估指標(biāo)體系

2.1 風(fēng)切變時條件影響因子的確定

風(fēng)切變是指空間兩點距離的風(fēng)矢量差，是風(fēng)空間變率的一個特性[8]。在空間任何高度上都有可能產(chǎn)生風(fēng)切變，對飛行威脅最大的是發(fā)生在近地面層的風(fēng)切變，即低空風(fēng)切變。風(fēng)切變表現(xiàn)為氣流運動速度和方向的突然變化，風(fēng)險因子難以確定。如果遇到的是空速突然減少，而飛行員又未能立即采取措施，飛機就要掉高度，以至發(fā)生事故。風(fēng)切變作為一種復(fù)雜天氣對航班造成最常見的影響是拉升復(fù)飛，盤旋等待，或是返航備降。風(fēng)切變的產(chǎn)生會占用管制員大量精力和通話時間，增大區(qū)域內(nèi)安全運行壓力。

然而風(fēng)切變種類雖多，卻只有低空風(fēng)切變才可以探知預(yù)報。在半空中遇到的風(fēng)切變，就是常見的顛簸。在實際運行中，氣象部門會把探知的風(fēng)切變簡單分為五類，即：順風(fēng)過大、亂流、輕度風(fēng)切變、中度風(fēng)切變、未知強度風(fēng)切變，給進(jìn)近管制員進(jìn)行通報。某機場2018年共發(fā)生33起風(fēng)切變[9]，其中亂流3起，順風(fēng)過大1起，其中對進(jìn)近空域航班正常運行的實際影響，如圖1。

圖1 風(fēng)切變對進(jìn)近航班的影響Fig.1 Influence on aircraft on wind shear

可以發(fā)現(xiàn)，33起風(fēng)切變中，未知強度的風(fēng)切變影響航班數(shù)量最多，同時未知強度的風(fēng)切變最難預(yù)報，最常發(fā)生。在實際中多數(shù)航空器會選擇在空中等待風(fēng)切變消失，這種情況會導(dǎo)致進(jìn)近區(qū)域超負(fù)荷運行，給管制員帶來生理和心理的巨大壓力。目前風(fēng)切變的準(zhǔn)確預(yù)報是一項難題，某機場在2018年6月氣象部門共發(fā)布53份風(fēng)切變警報，只有7份命中。

2.2 發(fā)生風(fēng)切變時進(jìn)近管制過程

發(fā)生風(fēng)切變時不僅考驗飛行員的經(jīng)驗技術(shù)和航空器的性能，而且對管制員的管制技能和心理素質(zhì)也有很高要求。

以雷暴天氣來之前有航空器因為風(fēng)切變復(fù)飛為例，氣象部門會根據(jù)天氣雷達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將是否有風(fēng)切變預(yù)警以及風(fēng)切變的程度、風(fēng)切變變化趨勢及持續(xù)時間，最后結(jié)合其他氣象設(shè)備把握整體天氣變化趨勢，告知進(jìn)近管制員。如果風(fēng)切變預(yù)警不準(zhǔn)確，會造成整體運行十分被動。

進(jìn)近管制員會將得到的信息準(zhǔn)確無誤地告知可能受影響的航空器，提醒機組注意風(fēng)切變。另外，管制員要持續(xù)向氣象部門了解風(fēng)切變的最近變化情況，及時通知飛行員，若是接收到空中某個飛行員的風(fēng)切變報告后，如有必要也要將信息完整準(zhǔn)確地通報給相關(guān)飛行員。如果機場天氣還在起降標(biāo)準(zhǔn)附近，處于邊緣天氣，管制員應(yīng)該及時通報機組，并且了解機組意圖，是返航備降，還是盤旋等待天氣轉(zhuǎn)好，或是機組判斷情況后決定正常進(jìn)近。

風(fēng)切變天氣經(jīng)常造成塔臺頻繁更換跑道，或者航空器遭遇風(fēng)切變復(fù)飛，甚至多次復(fù)飛使得高度層不夠用。如果此時管制員預(yù)案不合理，或者遺忘關(guān)鍵信息沒有通報給機組，會造成更多飛行沖突，外語機組誤聽指令或者某些機組情緒激動會占用波道，此時扇區(qū)容量一般較大，通話量較多，管制員壓力很大，應(yīng)當(dāng)根據(jù)航班計劃內(nèi)容合理發(fā)布流控保證安全裕度。進(jìn)近區(qū)域也會根據(jù)人員配置采取增開扇區(qū)運行，倒班等機制控制扇區(qū)容量和人員高強度工作時間。對于進(jìn)近區(qū)域內(nèi)等待的飛機，管制員需要建立極強的情景意識，及時和飛行員核實等待油量，通報機場保障情況，掌握好飛機的位置，防止由于盤旋等待造成危險接近，或是偏入禁止進(jìn)入的空域。對于選擇去返航備降的飛機，管制員要掌握返航備降的機場天氣以及該機場是否正常接收，還要和相鄰管制單位及時協(xié)調(diào)移交，做好信息通報，如果風(fēng)切變持續(xù)時間較長，協(xié)調(diào)席管制員協(xié)調(diào)不到位沒有盤旋等待空域，周邊機場沒辦法接受備降，對航空器來說是十分危險的。

如果機場天氣低于起降標(biāo)準(zhǔn)，管制員需要向氣象部門明確天氣變化趨勢和持續(xù)時間，通知受影響的航空器，了解機組意圖是繼續(xù)等待還是返航備降。此時如果機場后續(xù)考慮要關(guān)閉，還要聯(lián)系飛行服務(wù)室拍發(fā)航行通告。對于去返航備降的飛機，管制員要掌握返航備降的機場天氣以及該機場是否正常接收，還要和相鄰管制單位及時協(xié)調(diào)移交，做好信息通報。在此過程中，設(shè)備的正常工作是非常重要的，如果VHF頻率故障，雷達(dá)故障，自動化系統(tǒng)故障，都會使航空器進(jìn)入更危險的情況。

綜上所述，發(fā)生風(fēng)切變時管制運行的一般管制過程簡單包括4部分：了解天氣情況、與機組溝通、與其他單位協(xié)調(diào)溝通和發(fā)布流量控制。這4個管制過程需要交換即時信息，交互運行，如圖2。

圖2 風(fēng)切變時管制運行的一般管制過程Fig.2 General operation of air control on wind shear

2.3 進(jìn)近管制區(qū)域風(fēng)險評估模型

根據(jù)發(fā)生風(fēng)切變時進(jìn)近管制運行的一般管制過程以及某進(jìn)近管制單位8年運行的不安全事件統(tǒng)計，通過查閱工作手冊，現(xiàn)識別出以下24個主要風(fēng)險因素：更換跑道；多次復(fù)飛高度層不夠用；管制預(yù)案不合理；管制員遺忘信息；管制員心理壓力過大；管制員管制經(jīng)驗不足；VHF通訊失靈；二次監(jiān)視雷達(dá)受天氣干擾失靈；內(nèi)話系統(tǒng)故障；自動化系統(tǒng)故障；檢查單不合理；氣象培訓(xùn)不到位；信息傳遞失誤；后續(xù)保障不夠；工作環(huán)境干擾大；風(fēng)切變持續(xù)時間長；空軍限制；航空器流量大；協(xié)調(diào)不到位沒有等待空域；周邊機場無法接受備降航班；流控發(fā)布不合理；機組情緒激動占用波道；外籍機組交流時誤聽誤發(fā)；風(fēng)切變預(yù)警不準(zhǔn)確。

民航在進(jìn)行安全分析時，風(fēng)險評估指標(biāo)的建立常用SHEL模型[10]，如圖3。1972年，愛德華教授首次提出了安全工作中“人”所處的特定系統(tǒng)界面的原理，組成這個界面的元素包括：軟件(Software)、硬件(Hardware)、環(huán)境(Environment)和人(Liveware)，分別用其首字母S、H、E、L來代表，這4個元素組成的模型即是SHEL模型。

圖3 SHEL模型Fig.3 SHEL Model

從21世紀(jì)初開始，民航很多事故和事故征候的例子都表明，正是模塊之間的不完美的耦合界面導(dǎo)致了負(fù)面結(jié)果的發(fā)生。這些界面如下所述：

（1）人件—硬件（L-H）指人與設(shè)備、機器和設(shè)施之間的關(guān)系。例如：設(shè)施使用的方便程度，設(shè)備的使用流程等。

（2）人件—軟件（L-S）是人與工作場合中各種支持系統(tǒng)之間的關(guān)系。例如：規(guī)章，手冊，檢查單，輔助軟件等。

（3）人件—人件（L-L）是指工作中人與人之間的關(guān)系，包括組織內(nèi)部的互動和不同組織之間承擔(dān)不同責(zé)任的個人交流。例如：工作人際交往、班組資源搭配、組織文化、外部交流等。

（4）人件—環(huán)境（L-E）是指人與物理環(huán)境的關(guān)系。例如：溫度、光線、噪音干擾等。

民航歷年的不安全的事件多發(fā)在人為因素。SHEL模型的建立也是基于關(guān)注一線運行人員，然而這是模型的所有維度中最不可預(yù)測、最容易受到內(nèi)部（饑餓、疲倦、情緒、動機等）和外部（溫度、噪音、干擾等）影響的因素。盡管人具有很強的適應(yīng)性，但是人的表現(xiàn)會有變化起伏。人的表現(xiàn)無法同硬件一樣有標(biāo)準(zhǔn)化的衡量指標(biāo)，所以代表人的方框邊界不是簡單的直線，是不規(guī)則的線條，既代表與其他因素緊張生硬的關(guān)系會損害到人的表現(xiàn)，也表明了模塊間不完美的耦合。

根據(jù)日常工作中24個主要風(fēng)險因素發(fā)生概率由大到小排序，利用SHEL模型的4個主要界面，將24個風(fēng)險因素分為以下4類：

A類：更換跑道，多次復(fù)飛高度層不夠用，VHF通訊失靈，二次監(jiān)視雷達(dá)受天氣干擾失靈，自動化系統(tǒng)故障，內(nèi)話系統(tǒng)故障。

B類：管制預(yù)案不合理，檢查單不合理，航空器流量大，流控發(fā)布不合理，氣象培訓(xùn)不到位，后續(xù)保障不夠。

C類：管制員遺忘信息，管制員心理壓力過大，管制員管制經(jīng)驗不足，機組情緒激動占用波道，信息傳遞失誤，協(xié)調(diào)不到位沒有等待空域。

D類：外籍機組交流時誤聽誤發(fā)，風(fēng)切變持續(xù)時間長，空軍限制，周邊機場無法接受備降航班，工作環(huán)境干擾大，風(fēng)切變預(yù)警不準(zhǔn)確。

3 模糊綜合評價的進(jìn)近管制風(fēng)險評估模型

根據(jù)某機場2010-2018年風(fēng)切變天氣的管制特情統(tǒng)計數(shù)據(jù)，邀請7位專家對這4大類風(fēng)險因素打分，按照進(jìn)近區(qū)域內(nèi)運行危險程度最高為100分，毫無危險為0分。然后將專家打分經(jīng)過篩選，去掉最高分，去掉最低分，將平均值逢5，0取整，見表1。

表1 專家打分Tab.1 Expert scoring

對四類風(fēng)險因素進(jìn)行賦值，設(shè)：

xA=（75,95,80,95,60,35）

xB=（55,30,15,5,25,20）

xC=（80,70,60,30,50,30）

xD=（90,50,35,10,15,25）

可得特性指標(biāo)矩陣為：

將矩陣進(jìn)行轉(zhuǎn)制，在SPSS中利用K-均值進(jìn)行聚類分析，見表2。

表2 初始聚類中心Tab.2 Initial clustering center

將表2再迭代運算，見表3。

表3 最終聚類中心Tab.3 Final clustering center

由最終聚類中心原理可知，XA類風(fēng)險的數(shù)據(jù)都聚合在比較高風(fēng)險的范圍，XC和XD類風(fēng)險相似，XB風(fēng)險最低。考慮到兩個聚類中心的綜合評價，將A,B,C,D類風(fēng)險進(jìn)行排序，可知A類＞C類＞D類＞B類。A類風(fēng)險是與設(shè)備、機器和設(shè)施之間的風(fēng)險因素，是最嚴(yán)重的風(fēng)險，說明人與設(shè)備、機器和設(shè)施之間的融合還非常不夠，機器設(shè)備的安全性和精度還需要很大的提升；C類是工作中人與人之間的關(guān)系；D類是人與物理環(huán)境的關(guān)系；B類人與工作場合中各種支持系統(tǒng)之間的因子；他們的安全風(fēng)險依次遞減。

4 結(jié)論和建議

通過模糊聚類分析風(fēng)切變時進(jìn)近管制風(fēng)險評估模型，我們可以發(fā)現(xiàn)，人與設(shè)備、機器和設(shè)施之間的也存在最巨大的風(fēng)險；工作中人與人之間的關(guān)系，人與物理環(huán)境的關(guān)系，人與工作場合中各種支持系統(tǒng)之間的安全風(fēng)險程度依次遞減。

這與我們?nèi)粘０踩芾砉ぷ鞯恼J(rèn)知有些偏差。在民航實際運行中，往往認(rèn)為我們的設(shè)備、機器和設(shè)施非常先進(jìn)、非常可靠，已經(jīng)與世界接軌，工作中人與人之間有最大的安全隱患。但是在風(fēng)切變天氣運行時，進(jìn)近區(qū)域內(nèi)人與設(shè)備、機器和設(shè)施之間的安全風(fēng)險偏大，有可能是由于風(fēng)切變的難以準(zhǔn)確預(yù)報才導(dǎo)致風(fēng)險的上升。如果升級氣象設(shè)備，風(fēng)切變預(yù)報的準(zhǔn)確性就能提升，就能極大提升進(jìn)近區(qū)域運行的安全裕度，這說明，從技術(shù)層面還存在很多需要解決的問題，通過設(shè)備改進(jìn)和機器性能的提升能帶來安全水平的提升。

綜上所述，為提升進(jìn)近管制區(qū)域在風(fēng)切變時的安全水平，以關(guān)注設(shè)備和人為因素為重心，提出以下3條建議：

（1）加大設(shè)備投入，升級氣象雷達(dá)，改良自動化設(shè)備，做好設(shè)備備份，氣象部門提升風(fēng)切變預(yù)警能力。

（2）加強培訓(xùn)，增強管制員對風(fēng)切變天氣的認(rèn)識，提升管制技能；加深與航空公司的交流，了解飛行員處置風(fēng)切變天氣的原則，從而實施正確而果斷的管制指揮。

（3）做好應(yīng)急處置，在發(fā)生風(fēng)切變天氣時，及時通報相關(guān)管制單位，做好流量實時控制。