基于零膨脹模型的航空器危險(xiǎn)接近事件安全影響因素研究*

陳 芳，韓美佳，陳 茜

(中國(guó)民航大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，天津 300300)

0 引言

2020—2021年,航空器空中碰撞事故是全球航空5大高風(fēng)險(xiǎn)事故類型之一,涉及交通狀況、空中交通管制員工作量、飛機(jī)設(shè)備和機(jī)組人員等多方面因素，事故一旦發(fā)生，后果極其嚴(yán)重[1]。根據(jù)海因里希法則，在進(jìn)行同一項(xiàng)活動(dòng)中，無數(shù)次意外事件，必然導(dǎo)致重大傷亡事故的發(fā)生。航空器危險(xiǎn)接近是引發(fā)空中碰撞事故必然環(huán)節(jié)之一[2]。因此，研究航空器危險(xiǎn)接近事件安全影響因素及貢獻(xiàn)水平意義重大。

針對(duì)航空器危險(xiǎn)接近事件的研究，學(xué)者利用事故樹、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等[3-5]方法，識(shí)別陸空通話不規(guī)范、飛行指揮員疏忽大意、飛行指揮員疲勞工作、飛行員心理素質(zhì)、飛行指揮員工作壓力大、飛行員駕駛技術(shù)欠缺、飛行員違反操作程序和天氣原因等安全因素。部分學(xué)者探究不同影響因素對(duì)航空器危險(xiǎn)接近事件風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)水平：王潔寧等[6]通過研究任務(wù)差錯(cuò)耦合度與飛行沖突概率變化關(guān)系發(fā)現(xiàn)，當(dāng)交接班或團(tuán)隊(duì)情境意識(shí)出現(xiàn)偏差時(shí)，會(huì)增加飛行沖突發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)；王紅勇等[7]構(gòu)建空中交通態(tài)勢(shì)加權(quán)網(wǎng)絡(luò)模型，利用航空器位置、速度、航路點(diǎn)與航段位置等數(shù)據(jù)，量化空中交通態(tài)勢(shì)風(fēng)險(xiǎn)程度；Valdés[8]在空域特征分析和預(yù)測(cè)航空器分離損失研究中發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)分離損失數(shù)據(jù)存在大量零值情況，并首次在空中交通管理中使用零膨脹負(fù)二項(xiàng)模型估計(jì)飛機(jī)之間分離損失數(shù)量，建立交通流量等空域設(shè)計(jì)變量與事故頻率相關(guān)關(guān)系,但沒考慮到與零值相關(guān)因素對(duì)不同事故發(fā)生后果概率的影響[9]；高比例無碰撞風(fēng)險(xiǎn)事件不代表交通安全改善，與無碰撞風(fēng)險(xiǎn)事件相關(guān)的部分變量可能促使航空器接近事件向更高風(fēng)險(xiǎn)方向發(fā)展[10]；事故數(shù)量中過多的零計(jì)數(shù)屬于“零膨脹”現(xiàn)象[11]。零膨脹有序概率模型(Zioprobit)適合解決存在“零膨脹”現(xiàn)象的多值選擇問題，能夠挖掘其他簡(jiǎn)約模型忽略的統(tǒng)計(jì)影響，識(shí)別零觀測(cè)值潛在來源，并允許事故的影響因素在不同傷害水平間產(chǎn)生不同影響。目前，零膨脹有序模型應(yīng)用于交通事故傷害嚴(yán)重程度研究中[12]，依據(jù)該模型，利用大量無傷害單車事故數(shù)據(jù)，確定事故零傷害狀態(tài)發(fā)生概率的安全影響因素，但研究后果分類側(cè)重交通事故引發(fā)的人身傷害，不適用航空器危險(xiǎn)接近事件研究。

綜上，針對(duì)航空器危險(xiǎn)接近事件風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)有序遞進(jìn)關(guān)系及“零膨脹”特點(diǎn)，構(gòu)建航空器危險(xiǎn)接近事件零膨脹有序概率模型，確定無碰撞風(fēng)險(xiǎn)事件向更高風(fēng)險(xiǎn)事件演變的安全影響因素。

1 航空器危險(xiǎn)接近事件零膨脹有序概率模型

航空器危險(xiǎn)接近零膨脹有序概率模型框架由2個(gè)相互獨(dú)立又彼此關(guān)聯(lián)的步驟構(gòu)成：1)利用二元概率函數(shù)，區(qū)分航空器危接近事件有無碰撞危險(xiǎn)狀態(tài)。2)當(dāng)事件處于有碰撞危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，利用有序probit函數(shù)，確定不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)結(jié)果。在有碰撞危險(xiǎn)條件下，允許出現(xiàn)低碰撞風(fēng)險(xiǎn)作為無碰撞危險(xiǎn)的“零值”類型之一[13]。

ICAO(國(guó)際民航組織)4444PANS—ATM《航行服務(wù)程序-空中交通管理》[14]規(guī)定，航空器接近事件分4類：有碰撞風(fēng)險(xiǎn)(航空器存在嚴(yán)重碰撞危險(xiǎn)接近的等級(jí))；安全無保障(航空器接近可能已危及航空器安全的危險(xiǎn)等級(jí))；無碰撞危險(xiǎn)(航空器接近不存在碰撞危險(xiǎn)的等級(jí))；未定危險(xiǎn)(尚無足夠情報(bào)確定有關(guān)危險(xiǎn)性，或排除含有此類危險(xiǎn)性的，或與排除此類危險(xiǎn)性自相矛盾證據(jù)的航空器接近的危險(xiǎn)等級(jí))。英國(guó)航空器接近委員會(huì)(UK Airprox Board)設(shè)置風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別時(shí)新增1類ICAO沒有定義的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別：符合報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)但沒有安全影響[15]?？紤]航空器接近風(fēng)險(xiǎn)有序遞進(jìn)關(guān)系，排除未確定風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重性和沒有安全影響的D、E級(jí)別，僅選取有碰撞風(fēng)險(xiǎn)、安全無保障和無碰撞風(fēng)險(xiǎn)3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別進(jìn)行研究。

航空器危險(xiǎn)接近事件零膨脹有序概率模型框架如圖1所示。

圖1 航空器危險(xiǎn)接近事件零膨脹有序概率模型框架Fig.1 Framework of zero-inflated ordered probit model for aircraft near-midair collision events

1.1 碰撞風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)確定

碰撞風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)分為無碰撞危險(xiǎn)和有碰撞危險(xiǎn)。2者之間分離函數(shù)通過二元概率函數(shù)表示，如式(1)所示：

(1)

1.2 不同碰撞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定

(2)

(3)

式中：Xi為解釋變量向量；β為與Xi相關(guān)可估計(jì)參數(shù)的向量；ε為正態(tài)分布擾動(dòng)項(xiàng)；Zi為與觀察事件i風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)結(jié)果對(duì)應(yīng)的整數(shù)，ki=1時(shí)，允許Zi輸出結(jié)果為0，Zi取值0,1,2；u0和u1為有序概率模型切點(diǎn)估計(jì)值，用于區(qū)分航空器危險(xiǎn)接近事件屬于安全無保障還是有碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

由式(3)可知，有碰撞危險(xiǎn)與無碰撞危險(xiǎn)、安全無保障和有碰撞風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果對(duì)應(yīng)概率分別如式(4)～(6)所示：

P(Zi=0|ki=0)=Φ(-βXi)

(4)

P(Zi=1|ki=0)=Φ(u1-βXi)-Φ(u0-βXi)

(5)

P(Zi=2|ki=0)=1-Φ(u1-βXi)

(6)

1.3 零膨脹有序概率模型構(gòu)建

零膨脹有序概率模型是統(tǒng)計(jì)無碰撞危險(xiǎn)狀態(tài)2種不同類型的零。零膨脹狀態(tài)下,無碰撞危險(xiǎn)事件2種可能類型包括：無碰撞危險(xiǎn)事件，ki=1；低碰撞風(fēng)險(xiǎn)事件，不會(huì)導(dǎo)致明顯后果，即ki=0，Zi=0。因此，無碰撞危險(xiǎn)事件的無條件概率P(Z=0|Ci,Xi)由無碰撞危險(xiǎn)事件概率和低碰撞風(fēng)險(xiǎn)事件概率相加得到，如式(7)所示：

(7)

有碰撞風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率取決于事件屬于何種有碰撞危險(xiǎn)狀態(tài)的概率。因此，空中危險(xiǎn)接近事件安全無保障和有碰撞風(fēng)險(xiǎn)的無條件概率如式(8)～(9)所示：

P(Zi=1|Ci,Xi)=P(ki=0|Ci)P(Zi=1|Xi)

(8)

P(Zi=2|Ci,Xi)=P(ki=0|Ci)P(Zi=2|Xi)

(9)

2 航空器危險(xiǎn)接近事件安全影響因素分析

2.1 數(shù)據(jù)來源及描述性統(tǒng)計(jì)

本文數(shù)據(jù)選自2018—2020年因素類別標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)一致的617起航空器危險(xiǎn)接近事件統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[16]?？紤]航空器接近風(fēng)險(xiǎn)有序遞進(jìn)關(guān)系，剔除D、E級(jí)風(fēng)險(xiǎn)航空器接近事件及事故報(bào)告中信息不完整事件，共收集到341起事件及安全影響因素?cái)?shù)據(jù)。航空器危險(xiǎn)接近風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果類型描述見表1。由表1可知，所有事件中無碰撞危險(xiǎn)事件占51.32%，具有“零膨脹”結(jié)果特點(diǎn)。

表1 風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果類型及描述Table 1 Types and description of risk results

1)航空器危險(xiǎn)接近事件安全影響因素類別確定

這個(gè)設(shè)備利用晶體管取代開關(guān)。與上述的裝置一樣，開啟和關(guān)閉電壓用來檢測(cè)傳感器的工況。與利用開關(guān)的裝置一樣，由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU提供一個(gè)5V電壓給傳感器，當(dāng)晶體管打開或關(guān)閉時(shí)會(huì)產(chǎn)生端子電壓的變化，ECU使用端子電壓的變化來檢測(cè)傳感器的工況。另外，有些裝置使用12V的電源。

航空器危險(xiǎn)接近事件安全影響因素包括地面因素和飛行因素。

地面因素包括空管人員法規(guī)、流程、程序的符合性，人員和設(shè)備，空管人員對(duì)沖突的情景意識(shí)和行動(dòng)，電子警告系統(tǒng)操作和遵守。分析地面因素時(shí),空管人員法規(guī)、流程、程序和遵從性表現(xiàn)在行動(dòng)中，因此將“空管人員法規(guī)、流程和程序的符合性”納入“空管人員對(duì)沖突的情景意識(shí)和行動(dòng)”中；“人員和設(shè)備”具體表現(xiàn)為人員指導(dǎo)不佳、人員調(diào)配不及時(shí)及機(jī)場(chǎng)空管設(shè)備缺乏，出現(xiàn)頻率較少，因此刪除該類別；“電子警告系統(tǒng)操作和遵守”主要體現(xiàn)在飛行員操作過程中，刪除該類別。最終確定航空器危險(xiǎn)接近事件地面因素類別為空管人員對(duì)沖突的情景意識(shí)和行動(dòng)。

飛行因素包括機(jī)組法規(guī)、流程、程序的符合性，機(jī)組的策略規(guī)劃與執(zhí)行，機(jī)組對(duì)沖突的情景意識(shí)和行動(dòng)，機(jī)組的看和避免，電子警告系統(tǒng)操作和遵守。交通密集程度也是影響因素之一，因此，最終確定飛行因素類別包括以下6類：交通狀況，機(jī)組法規(guī)、流程、程序的符合性，機(jī)組的策略規(guī)劃與執(zhí)行，機(jī)組對(duì)沖突的情景意識(shí)和行動(dòng)，機(jī)組的看和避免，電子警告系統(tǒng)的操作和遵守。

2)航空器危險(xiǎn)接近事件安全影響因素確定

通過分析英國(guó)航空器危險(xiǎn)接近事件報(bào)告，確定6類因素類別下具體安全影響因素。對(duì)存在交叉關(guān)系的因素進(jìn)行合并：將“個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)感知事件”和“情景意識(shí)和感知事件”合并為“管制員態(tài)勢(shì)感知差”；將“未監(jiān)測(cè)到?jīng)_突”和“沖突發(fā)現(xiàn)晚”合并為“未發(fā)現(xiàn)沖突或發(fā)現(xiàn)沖突不及時(shí)”；將“沒有遵守規(guī)則和程序”和“對(duì)空管人員的程序執(zhí)行有偏差”合并為“機(jī)組人員程序執(zhí)行偏差”；將“應(yīng)答機(jī)選擇或使用錯(cuò)誤”、“誤讀”和“執(zhí)行操作不正確或無效”合并為“執(zhí)行操作不正確或無效”；將“ACAS/TCAS 系統(tǒng)故障”和“2個(gè)系統(tǒng)不兼容”合并為“未提供警示信息”。

最終確定以下17個(gè)安全影響因素。其中，空管人員對(duì)沖突的情景意識(shí)包括：提供信息不充分或不及時(shí)、管制員態(tài)勢(shì)感知差、未發(fā)現(xiàn)沖突或發(fā)現(xiàn)沖突不及時(shí)、空管指令不恰當(dāng)、不遵守標(biāo)準(zhǔn)通話；交通狀況中包括交通密集；機(jī)組法規(guī)、流程、程序的符合性包括：機(jī)組人員程序執(zhí)行偏差、侵犯領(lǐng)空(無人駕駛飛機(jī)在未獲許可的情況下在管制空域飛行)；機(jī)組的策略規(guī)劃與執(zhí)行包括：計(jì)劃或決策不充分、飛行計(jì)劃信息資源不充分、執(zhí)行操作不正確或無效、缺乏行動(dòng)或行動(dòng)晚；機(jī)組對(duì)沖突的情景意識(shí)和行動(dòng)包括：意圖溝通無效或不充分、機(jī)組缺乏態(tài)勢(shì)感知能力；機(jī)組的看和避免包括：未監(jiān)控其他飛機(jī)或監(jiān)控不及時(shí)、視覺信息知覺(飛行員擔(dān)心其他飛機(jī)離得太近)；電子警告系統(tǒng)的操作和遵守包括未提供警示信息。

采用STATA軟件，利用有序概率模型(oprobit模型)和有序零膨脹概率模型(zioprobit模型)對(duì)17個(gè)因素初步篩選,刪除結(jié)果不顯著的“缺乏行動(dòng)或行動(dòng)晚”因素，得到與碰撞風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)顯著性的16個(gè)安全影響因素。對(duì)應(yīng)得到的16個(gè)變量均為二分類變量，因素具體描述性統(tǒng)計(jì)見表2。

2.2 結(jié)果與分析

為驗(yàn)證零膨脹有序概率模型對(duì)航空器危險(xiǎn)接近事件分析的有效性，首先，根據(jù)模型估計(jì)結(jié)果，對(duì)與無碰撞危險(xiǎn)相關(guān)安全影響因素進(jìn)行分析；其次，分析與無碰撞危險(xiǎn)相關(guān)安全影響因素對(duì)無碰撞危險(xiǎn)事件風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)水平；最后，對(duì)比分析模型擬合效果。

表2 航空器危險(xiǎn)接近事件安全影響因素描述性統(tǒng)計(jì)Table 2 Descriptive statistics on safety influencing factors of aircraft near-midair collision events

1)航空器危險(xiǎn)接近事件安全影響因素分析

利用STATA軟件分別得到oprobit模型和zioprobit模型估計(jì)結(jié)果，見表3。

由表3可知，運(yùn)用零膨脹有序概率模型，可確定機(jī)組人員程序執(zhí)行偏差X7、侵犯領(lǐng)空(無人駕駛飛機(jī)在未獲許可的情況下在管制空域飛行)X8、意圖溝通無效或不充分X12、未監(jiān)控其他飛機(jī)或監(jiān)控不及時(shí)X14，4個(gè)解釋變量會(huì)顯著影響航空器危險(xiǎn)接近事件風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)入無碰撞危險(xiǎn)狀態(tài)的可能性。

2)無碰撞危險(xiǎn)相關(guān)安全影響因素貢獻(xiàn)水平

邊際效應(yīng)(marginal effect)可解釋變量對(duì)結(jié)果發(fā)生的可能性影響。為確定X7、X8、X12和X14對(duì)無碰撞危險(xiǎn)事件風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)水平，利用STATA軟件計(jì)算4個(gè)解釋變量在發(fā)生(Xi=1)和不發(fā)生(Xi=0)時(shí)的邊際效應(yīng)，見表4。

由表4可知，當(dāng)機(jī)組人員程序執(zhí)行發(fā)生偏差時(shí)(X7=1)，無碰撞危險(xiǎn)事件發(fā)生概率48.32%,當(dāng)機(jī)組人員程序執(zhí)行未發(fā)生偏差時(shí)(X7=0)，無碰撞危險(xiǎn)事件發(fā)生概率55.35%，“機(jī)組人員程序執(zhí)行偏差”使無碰撞危險(xiǎn)事件發(fā)生概率降低7.03%，即“安全無保障”和“有碰撞風(fēng)險(xiǎn)”事件發(fā)生概率增加7.03%；同理，無人駕駛飛機(jī)未獲許可在管制空域飛行、意圖溝通無效或不充分、未監(jiān)控其他飛機(jī)或監(jiān)控不及時(shí)的發(fā)生，均會(huì)增大“安全無保障”和“有碰撞風(fēng)險(xiǎn)”事件發(fā)生概率，概率分別增加4.25%、7.14%和6.03%。

表4 無碰撞危險(xiǎn)相關(guān)解釋變量的邊際效應(yīng)Table 4 Marginal effect of zero collision risk related explanatory variables

3)對(duì)比分析模型擬合效果

為檢驗(yàn)計(jì)數(shù)模型適用于傳統(tǒng)計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)模型還是零膨脹計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)模型，考慮到模型非嵌套性，采用赤池信息準(zhǔn)則(AIC)和貝葉斯信息準(zhǔn)則(BIC)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，檢驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5可知，zioprobit模型的AIC和BIC值更小，說明zioprobit模型擬合效果更好。

表5 模型檢驗(yàn)結(jié)果Table 5 Verification results of models

3 結(jié)論

1)構(gòu)建具有“零膨脹”特點(diǎn)、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)存在有序遞進(jìn)關(guān)系的航空器危險(xiǎn)接近事件的零膨脹有序概率模型。

2)與無碰撞危險(xiǎn)事件相關(guān)的4個(gè)安全影響因素會(huì)促使航空器接近事件向更高風(fēng)險(xiǎn)方向發(fā)展；機(jī)組人員程序執(zhí)行偏差、侵犯領(lǐng)空(無人駕駛飛機(jī)在未獲許可的情況下在管制空域飛行)、意圖溝通無效或不充分、未監(jiān)控其他飛機(jī)或監(jiān)控不及時(shí)會(huì)增大航空器危險(xiǎn)接近時(shí)碰撞風(fēng)險(xiǎn)，增加概率分別為7.03%、4.25%、7.14%和6.03%。