基于改進的貝葉斯網(wǎng)絡的機場外來物風險評估方法

董 敏，邵 荃

(南京航空航天大學民航學院，南京 210016)

機場外來物(foreign object debris，F(xiàn)OD)是位于機場內(nèi)的，對經(jīng)過的飛行器有造成損害的潛在可能性的物體[1]。機場FOD不僅威脅生命安全，還會造成經(jīng)濟損失。Potente等[2]考慮到FOD是航空公司運行區(qū)域內(nèi)的短暫干擾物和安全在航空業(yè)的重要性，將機場FOD列為一個重要的風險因素。同時，每年約有120億美元用于機場FOD造成的直接損失和間接損失上面[3]。然而，由于機場外來物的低概率的事故性，很多機場忽略了機場外來物的危害性，直到2000年的法國協(xié)和號事故，機場才開始重視檢視機場外來物的危害性。

目前，對機場FOD的研究涉及以下四個方面。

(1)從經(jīng)濟性和管理性的角度考慮管理機場FOD。比如從安全效益的角度，將管理建立于安全與效益的平衡點上[4]；探究FOD對輪胎的損傷(輪胎損傷是FOD造成的主要直接損失)[5]。肖琴等[6]采用演化博弈的思想，從管理的角度研究機場、航司和政府對于機場外來物的管理。

(2)探究FOD類事故的原因或者影響因素，包括季節(jié)對FOD種類和數(shù)量的影響[7]等，除了對可能引發(fā)FOD的原因和風險因素的探究[8]，還包括不同層級的影響因素之間的相互關系[9]。McCreary[10]還將對跑道FOD的分析結(jié)果，用于跑道FOD檢測系統(tǒng)提出進一步優(yōu)化。

(3)對機場FOD進行預測。這種預測主要包含三個方面，一是預測機場FOD的事故[11]；二是預測機場FOD的數(shù)量或者種類[12]；三是預測擬合機場特征及風險關系[13]。

(4)也有少數(shù)學者對機場FOD的風險做了評估。鄭向平等[14]建立了將機場FOD引發(fā)的事故嚴重程度、FOD分布區(qū)域以及FOD種類作為影響因素的風險評估模型，以滿足機場風險管理的需求；吳軍[15]通過四元集成算法對機場FOD機場風險評價，并基于評價結(jié)果提出相應的風險防控措施。部分研究者偏向于研究機場FOD監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)測設備，以及FOD對發(fā)動機葉片的損害研究。

目前，大部分對機場FOD的研究只停留在FOD風險因素的探索，且過于重視人為因素。少數(shù)評估FOD風險的研究中把機場FOD作為單一評估項目進行風險評估的研究很少，多數(shù)學者把機場FOD作為一個評估選項，放在機場相關系統(tǒng)的安全評估之中。而且，對機場FOD的風險評估只單一考慮區(qū)域影響，F(xiàn)OD的屬性影響或者人為因素的影響等。

將機場FOD設立為獨立的風險評估項目。使用人機環(huán)管模型和魚骨圖學習FOD的背景環(huán)境，識別風險源，進行FOD危險性分析；并分析使用貝葉斯網(wǎng)絡法(Bayesian network，BN)和灰色馬爾可夫(grey Markov，GM)矩陣計算跑道和機坪的FOD事故概率，建立風險評估模型；最后實例驗證模型的可行性。

1 風險評價方法與流程

機坪是飛行區(qū)內(nèi)FOD拾取最多的地方，但跑道是FOD事故概率(FOD跑道事故數(shù)量/跑道FOD數(shù)量)最高的區(qū)域。由于，滑行道上的FOD危險性較之跑道FOD較低且掉落FOD數(shù)量較之機坪也比較少，因此只評估跑道和機坪FOD的風險。

1.1 機場FOD來源分析

危險源識別是確定機場FOD的促使因素的基礎。危險源是有可能對人、設備及基礎設施造成損害的物品或者某種條件。根據(jù)美國聯(lián)邦航空局(Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA)[1]編制的機場FOD管理手冊，F(xiàn)OD的來源有：人員、機場基礎設施、環(huán)境及在機場運行的設備。常見的機場FOD有：螺母、螺栓等緊固件，飛機部件，維修工具，餐飲用品，航線物品，機坪物品，跑道物品，施工雜物，塑料和聚乙烯材料，天然材料，雨雪等污染物。首先在人、機、環(huán)、管(MMEM)模型的基礎上了解機場FOD的產(chǎn)生背景，如圖1所示，將涉及的主要人為因素、設備因素、環(huán)境因素及管理因素列出：接著，基于對背景的了解，運用因果圖(魚骨圖)分析常見的機場FOD和4種類型產(chǎn)生的原因，即風險因素(圖2)。

圖1 基于人機環(huán)管的背景分析Fig.1 The analysis of context based on MMEM

圖2 機場FOD的影響因素Fig.2 Contributing factors of airport FOD

評估機場FOD的風險大小需要考慮兩個方面：FOD可能造成的損害及吸入FOD的可能性。

1.2 嚴重性分析

機場FOD對飛行器造成的損害主要包括對飛行器輪胎的損傷和對發(fā)動機的損傷。而機場FOD損害飛行器有兩個基本條件，一是FOD在機場內(nèi)；二是航空器碰到FOD。根據(jù)FOD可能造成的損害，可以知道機場FOD的危險性主要由FOD的位置和FOD的質(zhì)量和數(shù)量決定。

評估的區(qū)域有：跑道和機坪。在不同的區(qū)域內(nèi)，機場FOD的危險程度主要由飛行器的動能決定。和飛行器運行速度相比，飛行器的質(zhì)量在FOD的危險程度的探討中可以被忽略。每個區(qū)域的危險值W等于運行參考速度。

FOD自身屬性也會影響其危險程度，即FOD本身的大小和FOD的數(shù)量(N)，其中N是高危FOD的數(shù)量Nh、中危FOD的數(shù)量Nm和低危FOD的數(shù)量Nl的和。質(zhì)量小的機場FOD危害性小，因為它們不直接損害飛行器發(fā)動機，但可能會被吸入發(fā)動機，損害發(fā)動機葉片，或者嵌入輪胎造成輪胎破損等，從而增加航空公司的運行成本。

1.3 事故概率分析

事故概率分析相應的在不同的區(qū)域采用不同，的分析方法。

1.3.1 BN模型計算事故概率

跑道FOD的事故分析選用BN法，具體步驟如下。

(1)分析事故，確定并分類貝葉斯網(wǎng)絡節(jié)點，給每個節(jié)點分配標號，如N1表示頂層事件，N21表示位于節(jié)點N2下面的基本事件。

(2)繪制貝葉斯網(wǎng)絡圖。

(3)接著，確定各根節(jié)點的邊緣概率以及條件概率，用于獲得需要的風險概率。

(4)選用GeNIe軟件對BN圖進行參數(shù)學習。

(5)因項目中的貝葉斯網(wǎng)絡不涉及隱形變量，所以采用期望最大化(EM)算法。算取各影響因素的后驗概率。

(6)同時，考慮到事故的發(fā)生都不是單個因素造成的，通常是不同中層事件下的底層事件的耦合影響。因此，將不同層級下面的基本事件進行耦合，求得兩件事件的耦合作用下頂層事件發(fā)生的概率。

事件A和事件B共同作用下的事件C的概率可以表示為PC=PAPBPAB，其中，PA和PB分別表示事件A和事件B發(fā)生的概率，PAB表示事件A和事件B耦合作用下C事件發(fā)生的概率，PC表示C事件發(fā)生的總概率。所以，跑道FOD事故發(fā)生的總概率表達式為

(1)

式(1)中：Prunway為跑道FOD損害航空器的概率；n表示風險因素的數(shù)量；Pxi和Pyj分別表示頂層事件Nxi和Nyj發(fā)生的概率，x、y表示中層事件的編號，與i、j組合可以表示基本事件；Pxi·yj表示風險因素Nxi和Nyj作用下事故發(fā)生的概率。

1.3.2 灰色馬爾可夫預測事故概率

機坪FOD損傷飛行器事件有不確定性，因此采用GM模型來預測事故發(fā)生的概率。步驟如下。

(1)原始事件為

X(0)={x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(t)}

(2)

式(2)中：X(0)為原始事件集；x(0)(t)為事件數(shù)，其中，t=1，2，…,n為原始事件數(shù)據(jù)序列。

(2)通過累加，生成新的數(shù)列：

X(1)={x(1)(1),x(1)(2),…,x(1)(t)}

(3)

式(3)中：X(1)為新事件集；x(1)(t)為x(0)(t-1)+x(0)(t)的累加數(shù)據(jù)，t=1,2,…,n-1。

(3)建立模型：

(4)

(5)

B′=[x(0)(2)x(0)(3) …x(0)(t)]T

(6)

(7)

1.4 機場FOD事故風險概率模型

基于對以上兩個區(qū)域的事故風險概率分析，可以得到機場FOD的風險概率模型。

RRisk=(PrunwaySrunway+PapronSapron)W

(8)

式(8)中：Prunway、Papron分別為跑道和機坪FOD損害飛行器風險概率；Srunway、Sapron分別為與FOD自身性質(zhì)相關的跑道及機坪FOD的危險性；W為區(qū)域危險值；RRisk為機場FOD的風險。

2 實例分析

2.1 嚴重性分析

因為對飛行器在跑道上最大運行的速度并沒有統(tǒng)一并明確的規(guī)定，所以選用波音公司建議的運行速度為參數(shù)，跑道為286.75 km/h。考慮到飛行器在機坪上的常態(tài)為靜止，所以飛行器在機坪上的速度定為1.85 km/h，只考慮速度的影響，則跑道區(qū)域為高危區(qū)域，機坪為低危區(qū)域。每個評估區(qū)塊的危險值W等于運行參考速度的比值，如表1所示。

表1 區(qū)域危險性Table 1 The severity of different areas

根據(jù)對英國機場FOD的記錄調(diào)查[15]，機場FOD的質(zhì)量為2～5 000 g，尺寸區(qū)間為2～130 cm。機場FOD根據(jù)其質(zhì)量可分為高危外來物，中危外來物和低危外來物，并參考文獻[9]量化危險程度，用S表示，具體如表2所示。

表2 機場外來物危險程度Table 2 The severity of airport FOD

2.2 事故概率分析

2.2.1 跑道FOD事故概率分析

選取澳大利亞機場2009—2018年的由跑道FOD引發(fā)的事故數(shù)據(jù)為例，采用BN模型計算事故概率。首先，確定并分類貝葉斯網(wǎng)絡的節(jié)點。這些節(jié)點被分為三類。頂層事件：跑道FOD引發(fā)事故(N1)；中層事件：人為因素(N2)、設備故障(N3)、環(huán)境影響(N4)、管理因素(N5)；底層事件：乘客遺落物品(N21)、巡場人員遺漏道面FOD(N22)、機務未擰緊蓋子(N23)、機務遺落維修工具(N24)、道面維修人員未及時維修道面(N25)、不停航施工(N31)、輪胎破損(N32)、運行設備干擾(N33)、飛行器老化(N34)、天氣因素(N41)、鳥類等侵擾(N42)、缺乏培訓(N51)、缺乏檢測設備(N52)、監(jiān)管不足(N53)、缺乏FOD防控意識(N54)。各節(jié)點之間的關系如圖3所示。

圖3 跑道FOD引發(fā)事故因素的貝葉斯網(wǎng)絡Fig.3 Graphical representation of contributing factors of runway FOD occurrences with Bayesian network

選取ATSB數(shù)據(jù)庫2009—2018年的49例符合定義的機場FOD引發(fā)的發(fā)生在跑道上的事故為訓練樣本，設頂層事件N1的概率為1，計算出各底層節(jié)點的后驗概率，如圖4所示。

圖4 風險因素的后驗概率Fig.4 The posterior probabilities of contributing factors

從計算的結(jié)果上看，底層事件巡場人員遺漏FOD，飛行器老化以及監(jiān)管不足的后驗概率遠高于其他底層事件。防控跑道FOD時應該重點從這三個方面突破。

表3 耦合風險因素下的事故概率Table 3 Probabilities of occurrences affecting by coupling contributing factors

結(jié)合危險性分析，可以計算跑道FOD的風險值為RRisk=PrunwaySrunway=40.92。

2.2.2 機坪事故概率分析

機坪機場FOD拾取率最高的區(qū)域，但事故發(fā)生率最低。因此，只選取某機場2015年9月的機坪FOD拾取數(shù)據(jù)為例，分析機坪FOD的主要風險因素，并選取該機場9個月的機坪FOD拾取數(shù)據(jù)和輪胎損傷等事故為例分析事故概率。依據(jù)圖5和八二法則，80%的機坪FOD中，大部分是中低危外來物，其中包括泡沫、包裝袋、紙條、報紙、紙板、手套、小毛巾、塑料及高危的石子混凝土。從這些物品推測來源涉及貨物機坪、工作人員滯留物品、施工及道面破損。防治機坪FOD時，也應該重點注意上面羅列的來源。

圖5 帕累托圖Fig.5 Pareto chart

表4中的事故率為每月的航空器損傷事件與機坪FOD的拾取數(shù)量的比值，這里假設機坪FOD的實際情況與拾取情況一致。建立的灰色馬爾可夫模型為

表4 事故發(fā)生率Table 4 Rates of occurrences

Papron(k+1)=0.011 765e-0.0 286k

(9)

式(9)中：k為序號，k>0且為整數(shù)；Papron為機坪FOD損傷航空器的概率。

進行雙尾t-檢驗，檢驗結(jié)果如表5所示。檢驗結(jié)果顯示，預測結(jié)果與實際結(jié)果相關性高。

表5 t-檢驗結(jié)果Table 5 Results of t-test

k=8時，Papron= 0.009 4。使用該時期拾取的FOD情況，經(jīng)過計算，該時期機坪FOD的風險RRisk2=(244+2×593+8×0)×0.009 4=13.442。

2.3 機場FOD事故風險概率模型

計算結(jié)果顯示，跑道FOD的風險性比機坪FOD的風險性高很多，與FAA的FOD研究組的調(diào)查結(jié)果一致[15]。此外，t-檢驗也驗證了GM模型的可靠性。綜上，本文模型具有可行性。

3 機場FOD防控措施

3.1 區(qū)域性措施

跑道的區(qū)域危險性很高，不管是安全性的角度還是經(jīng)濟性角度，都需要為跑道設置FOD檢測設備以發(fā)現(xiàn)人員巡場遺留的FOD；跑道FOD風險分析中暴露的飛行器老化的問題也許要引起重視，在飛行前和飛行后要對航空器進行合理的檢查。機坪FOD，一方面危險性小，另一方面雖然機坪是FOD拾取率最高的地方，但事故率較低，從經(jīng)濟性的角度，應當設置合理的機坪FOD容忍值。

3.2 整體措施

風險因素分析是基于MMEM模型，因此整體防控建議也基于這個模型。

(1)人為因素角度和管理角度：首先，機場相關工作人員提供充分且有效的培訓；其次，機場管理者不僅要制定相關的FOD防治規(guī)章，還要積極有效的監(jiān)管機場工作人員，確保工作的順利實施，尤其是涉及跑道安全的巡場工作；與此同時要建設機場安全文化，給機場工作人員和乘客建立FOD防控和安全意識，從根源上消除FOD；此外，還需要建立FOD數(shù)據(jù)庫，記錄拾取的FOD的大小、形狀、拾取地點等涉及FOD風險的信息。從兩個區(qū)域的風險因素分析來看，機場需要提高FOD監(jiān)管力度，保證FOD管理任務的實施。

(2)環(huán)境因素：機場因根據(jù)氣象環(huán)境的變化，靈活的調(diào)整FOD防控管理措施，比如大風天氣需要注意低危險區(qū)的FOD的移動。

(3)設備因素：在風險概率分析的部分，發(fā)現(xiàn)飛行器老化是主要風險因素之一，因此，機場應該注意飛行前和飛行后的航空器裝備檢查，尤其是輪胎和發(fā)動機葉片等容易被FOD損壞的地方。同時，要合理規(guī)劃場面上面車輛等設備的運行，不要干擾飛行器內(nèi)航空器的正常運作。尤其是對于不停航施工，這種容易產(chǎn)生FOD的情況。

4 結(jié)論

經(jīng)分析研究，得出如下結(jié)論。

(1)構建一種定量機場FOD風險評估模型。該模型考慮了區(qū)域性，機場FOD自身屬性以及不同區(qū)域的事故概率對機場FOD風險的影響。

(2)通過案例分析，證實了模型的可行性。

(3)基于對機場FOD的原因因素的分析的基礎上，結(jié)合模型，提出了區(qū)域性以及整體性的機場外來物管理措施戰(zhàn)略和建議。