基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的航空器機(jī)坪運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

黃炬凱， 劉俊杰， 熊 靜

(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 空中交通管理學(xué)院， 四川 廣漢 618300)

機(jī)坪運(yùn)行包括航空器地面運(yùn)行以及機(jī)坪車輛運(yùn)行，車輛、人員、設(shè)備為航空器運(yùn)行提供安全保障。對(duì)航空器機(jī)坪運(yùn)行進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警是監(jiān)控各環(huán)節(jié)的風(fēng)險(xiǎn)因素的重要手段，從事故源著手采取預(yù)防措施能夠有效減少事故的發(fā)生，保障航空器機(jī)坪運(yùn)行安全。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)坪運(yùn)行安全的相關(guān)研究有：劉剛等[1]運(yùn)用灰色系統(tǒng)理論從宏觀角度評(píng)價(jià)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全；杜紅兵等[2]建立了機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)指標(biāo)權(quán)值進(jìn)行確定；張成偉等[3]用未確知數(shù)學(xué)理論系統(tǒng)性地分析了機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全問題，分析面較廣，但對(duì)飛行過程各環(huán)節(jié)的安全研究不具體；Oster[4]對(duì)空難頻發(fā)原因進(jìn)行了多個(gè)角度的研究，得出多數(shù)航空事故的原因與機(jī)場(chǎng)運(yùn)行相關(guān)，但僅從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度進(jìn)行了分析。目前對(duì)機(jī)場(chǎng)安全的研究多定性分析安全管理，且大多分析角度較為宏觀，缺少具有針對(duì)性的、定性與定量結(jié)合的分析。目前機(jī)場(chǎng)安全研究多以靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)為主，如層次分析法通過各指標(biāo)的比較、判斷和賦值得到判斷矩陣，形成風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，該方法應(yīng)用簡(jiǎn)單，但受主觀性影響較大；模糊數(shù)學(xué)方法以模糊原理建立子集[5]，將難以定量的因素量化再評(píng)價(jià)，該方法能夠較好地分析不確定性問題，但在確定評(píng)價(jià)指標(biāo)等方面具有一定的主觀性；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)選定典型評(píng)估單元，將風(fēng)險(xiǎn)因子初始值輸入模型獲取權(quán)值，再將其余單元的數(shù)據(jù)錄入進(jìn)行評(píng)價(jià)，人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)明顯、優(yōu)勢(shì)較大，但因收斂速度使效率受到一定影響，導(dǎo)致結(jié)果存在一定誤差。

動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)具有對(duì)時(shí)間處理的能力[6]，在靜態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上加入時(shí)間變量，構(gòu)建動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。將其引入到機(jī)坪安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，本文基于動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合機(jī)場(chǎng)各項(xiàng)規(guī)章和航空器運(yùn)行特點(diǎn)，全面識(shí)別航空器機(jī)坪運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)，構(gòu)建預(yù)警體系、確定預(yù)警指標(biāo)，對(duì)機(jī)坪運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，給出預(yù)警方案，以期為降低航空器機(jī)坪運(yùn)行事故率提供參考。

1 航空器機(jī)坪運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

航空器機(jī)場(chǎng)運(yùn)行中，航空器與航空器、車輛剮蹭等事故時(shí)有發(fā)生，從推出開車到滑行、進(jìn)入跑道、起飛，航空器機(jī)場(chǎng)運(yùn)行各環(huán)節(jié)都充滿危險(xiǎn)因素。因此，根據(jù)航空器機(jī)坪運(yùn)行過程，針對(duì)各環(huán)節(jié)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別將有助于研究航空器機(jī)坪運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，降低機(jī)坪運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。航空器機(jī)坪運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)源可以從人、設(shè)備、環(huán)境以及管理等4方面分類識(shí)別，以航空器安全為出發(fā)點(diǎn)，分析可能導(dǎo)致航空不安全事件的各種因素，進(jìn)而采取措施消除或控制危險(xiǎn)。

人為因素是造成事故或不安全事件的主要因素之一，負(fù)責(zé)航空器機(jī)坪運(yùn)行安全的人員主要為運(yùn)行指揮中心工作人員，人的因素風(fēng)險(xiǎn)分析如表1所示。

表1 人的因素U1風(fēng)險(xiǎn)源分析

設(shè)備因素可能導(dǎo)致事故的原因有以下幾方面：設(shè)備數(shù)量不足、設(shè)備設(shè)施缺陷、設(shè)備管理不當(dāng)、機(jī)坪必要位置缺乏標(biāo)志，標(biāo)志模糊不清或標(biāo)示牌移位、設(shè)備設(shè)施使用不當(dāng)?shù)?。設(shè)備因素風(fēng)險(xiǎn)分析如表2所示。

表2 設(shè)備因素U2風(fēng)險(xiǎn)源分析

機(jī)坪環(huán)境對(duì)航空器運(yùn)行也存在安全影響。大霧、雨雪天氣、高溫天氣、黃昏或者夜間機(jī)坪道路照明不足環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析如表3所示。

表3 環(huán)境因素U3風(fēng)險(xiǎn)源分析

管理因素不會(huì)直接引發(fā)事故，但會(huì)導(dǎo)致不安全行為，使事件處于不安全狀態(tài)，如作業(yè)規(guī)章制度的不完善、組織培訓(xùn)不足、部門協(xié)調(diào)不力導(dǎo)致部門班組之間溝通不暢等[7]。管理因素風(fēng)險(xiǎn)分析如表4所示。

表4 管理因素U4風(fēng)險(xiǎn)源分析

2 航空器機(jī)坪運(yùn)行安全預(yù)警體系

為保證航空器機(jī)坪運(yùn)行安全，機(jī)場(chǎng)應(yīng)將預(yù)警落實(shí)到航空器運(yùn)行過程的每一個(gè)環(huán)節(jié)，構(gòu)建航空器機(jī)坪運(yùn)行安全預(yù)警體系有助于定量的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警研究。首先制定構(gòu)建原則，再結(jié)合航空器運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行分析，預(yù)警體系如圖1所示。

圖1 預(yù)警體系

建立航空器機(jī)坪運(yùn)行安全預(yù)警體系須遵循4條原則：及時(shí)性、全面性、高效性、客觀性。航空器運(yùn)行的隱患是客觀存在的，機(jī)場(chǎng)管理組織和工作人員須積極主動(dòng)加以應(yīng)對(duì)。

機(jī)場(chǎng)的預(yù)警工作應(yīng)以完善的組結(jié)構(gòu)及對(duì)航空器運(yùn)行的全面監(jiān)管作為有力輔助，從而增強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警工作的重要性和強(qiáng)制性。為航空器運(yùn)行預(yù)警工作持續(xù)有效開展，機(jī)場(chǎng)應(yīng)建立預(yù)警工作的監(jiān)督機(jī)制，把控預(yù)警實(shí)施情況，以切實(shí)提升預(yù)警效率。

為確保風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳遞的即時(shí)性以及為風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持，應(yīng)優(yōu)化航空器運(yùn)行預(yù)警流程，具體預(yù)警流程如圖2所示。

圖2 預(yù)警流程

3 機(jī)坪運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)模型

目前機(jī)坪運(yùn)行安全研究多以靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)為主，難以觀測(cè)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)展過程。本文將動(dòng)態(tài)貝葉斯理論引入到研究中，以動(dòng)態(tài)貝葉斯模型實(shí)現(xiàn)機(jī)坪安全風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)[8]。

機(jī)坪運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方式為各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)對(duì)安全的影響程度，其中，風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)是導(dǎo)致機(jī)坪運(yùn)行安全問題的各種因素，即人的因素、設(shè)備因素、自然環(huán)境因素、管理因素的綜合。為避免提取貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的指標(biāo)過多或過少問題，結(jié)合專家建議進(jìn)行選取，首先設(shè)計(jì)靜態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，如圖3所示。

圖3 機(jī)坪運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)靜態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型使用概率積分計(jì)算事件發(fā)生的概率，即事件的聯(lián)合概率表示[9]。

P(XF)=P(X|F)P(F)

(1)

式(1)表示風(fēng)險(xiǎn)F發(fā)生的情況下，人、設(shè)備、環(huán)境或管理風(fēng)險(xiǎn)(式中用X表示)發(fā)生的概率。由貝葉斯網(wǎng)絡(luò)規(guī)則可表示為

(2)

若風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)含多元信息，則可以采用擴(kuò)展貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，設(shè)S為指標(biāo)某時(shí)刻的狀態(tài)，hi為所有時(shí)刻的集合，e為測(cè)量向量，通過轉(zhuǎn)化即可建立動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。

圖4 機(jī)坪運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)示意

根據(jù)式(2)加入時(shí)間變量，形成動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)公式：

(3)

式中，p(e|hi)為t時(shí)刻狀態(tài)在測(cè)量向量e條件下的概率，分析條件概率和各節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系后，即可計(jì)算得出風(fēng)險(xiǎn)概率，即

(4)

由于機(jī)坪運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，除了固定的設(shè)備設(shè)施等障礙物還有移動(dòng)的飛機(jī)、車輛、人員等，并且每日航班量有高峰時(shí)期和低谷時(shí)期，因此隨著時(shí)間在不斷發(fā)生變化。風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)在不同時(shí)刻表現(xiàn)出的狀態(tài)也不相同可形成隨著事件變化的動(dòng)態(tài)值，構(gòu)建動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型以實(shí)現(xiàn)不同時(shí)段內(nèi)的機(jī)坪運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，如圖5所示。

圖5 機(jī)坪運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

機(jī)坪運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)貝葉斯計(jì)算流程在靜態(tài)貝葉斯基礎(chǔ)上改進(jìn)，因此，需要確定每一時(shí)刻其風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率，每個(gè)時(shí)段發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)概率受指標(biāo)變化的影響。每個(gè)時(shí)段內(nèi)的模型一致，僅是指標(biāo)的值不同，具體流程如圖6所示。

圖6 機(jī)坪運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程

4 預(yù)警指標(biāo)及模型

從人機(jī)環(huán)管4方面對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行了識(shí)別，全面分析了航空器機(jī)坪運(yùn)行的潛在風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合機(jī)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研，將機(jī)坪運(yùn)行分成停機(jī)位、滑行道、跑道以及凈空4部分，由此建立航空器機(jī)坪運(yùn)行預(yù)警指標(biāo)，如圖7所示。

圖7 航空器機(jī)坪運(yùn)行預(yù)警指標(biāo)

通過對(duì)航空器機(jī)坪運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，專家對(duì)預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)判，危險(xiǎn)等級(jí)分成5個(gè)等級(jí)，值為1～5。由于風(fēng)險(xiǎn)值是動(dòng)態(tài)變化的，因此將其參數(shù)化表示。于是可得到預(yù)警模型，即

W=L×r

(5)

式中：W表示預(yù)警值(warning)；L表示該風(fēng)險(xiǎn)的危險(xiǎn)等級(jí)(level)；r表示該風(fēng)險(xiǎn)值(risk)。根據(jù)式(5)將風(fēng)險(xiǎn)值、危險(xiǎn)等級(jí)以及可能性轉(zhuǎn)化成風(fēng)險(xiǎn)矩陣可更直觀表示3個(gè)數(shù)量的關(guān)系，如表5所示。

根據(jù)表5將各預(yù)警值劃分為四級(jí)預(yù)警(0～25)、三級(jí)預(yù)警(25～50)、二級(jí)預(yù)警(50～75)、一級(jí)預(yù)警(75～100)。不同因素導(dǎo)致航空器機(jī)坪運(yùn)行安全事件的可能性和影響程度不同，但整體應(yīng)取大風(fēng)險(xiǎn)值來制約，因此，預(yù)警等級(jí)采用就高原則。

表5 航空器機(jī)坪運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)矩陣

5 實(shí)例分析

5.1 機(jī)坪布局特點(diǎn)

南京祿口國(guó)際機(jī)場(chǎng)是年旅客吞吐量千萬級(jí)的民用運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)，年起降架次超20萬，于機(jī)坪事故研究有足夠的樣本量。祿口機(jī)場(chǎng)擁有雙跑道，目前兩個(gè)航站樓在使用，停機(jī)位共143個(gè)，其中登機(jī)橋位44個(gè)，預(yù)留橋位7個(gè)，遠(yuǎn)機(jī)位92個(gè)。

2018年9月5日，兩客機(jī)在南京祿口國(guó)際機(jī)場(chǎng)發(fā)生剮蹭。首都航空一架A320客機(jī)滑行入位過程中，左側(cè)翼尖與停放相鄰機(jī)位的東航飛機(jī)風(fēng)擋前側(cè)蒙皮發(fā)生剮蹭，造成航班延誤及航空器損傷。此次事故發(fā)生在有設(shè)計(jì)矛盾的停機(jī)位，具有典型性，因此本文將以此為例進(jìn)行機(jī)坪運(yùn)行預(yù)警研究。

5.2 機(jī)坪運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型可以反映網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而條件概率則可將關(guān)系進(jìn)行量化。根據(jù)靜態(tài)貝葉斯可計(jì)算出祿口機(jī)場(chǎng)航空器機(jī)坪運(yùn)行各風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生的概率，具體計(jì)算值如表6所示。

表6 條件概率

利用靜態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算結(jié)果，再加入時(shí)間變量，將參數(shù)帶入模型中，通過Netica軟件對(duì)航空器機(jī)坪運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。按照祿口機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行特征將24 h上述劃分為4個(gè)時(shí)段，00：00—06：00為第1個(gè)時(shí)段T，則第2個(gè)時(shí)刻狀態(tài)為T+1。

5.3 機(jī)坪運(yùn)行預(yù)警

根據(jù)5.2中對(duì)南京祿口機(jī)場(chǎng)機(jī)坪運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別可得到各預(yù)警指標(biāo)的預(yù)警值(圖8)及實(shí)地調(diào)研結(jié)果分析，找出了航空器在祿口機(jī)場(chǎng)機(jī)坪運(yùn)行的高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)為停機(jī)位、滑行道以及跑道。因此，這3部分為重點(diǎn)預(yù)警對(duì)象。

圖8 預(yù)警指標(biāo)預(yù)警值折線圖

在祿口機(jī)場(chǎng)首航和東航飛機(jī)擦剮事件中，東航飛機(jī)停放在原有的74號(hào)機(jī)位，首航飛機(jī)從滑行道劃入73號(hào)機(jī)位時(shí)左側(cè)翼尖剮蹭到東航飛機(jī)的風(fēng)擋蒙皮。因?yàn)橥C(jī)位設(shè)計(jì)時(shí)，74號(hào)機(jī)位的停止線(前輪停止點(diǎn))設(shè)在73號(hào)機(jī)位的紅線區(qū)域內(nèi)，機(jī)位之間存在干涉，因此在祿口機(jī)場(chǎng)的NAIP中規(guī)定74號(hào)機(jī)位停飛機(jī)時(shí)，72、73機(jī)位不允許停放飛機(jī)。

在此事件中，主要責(zé)任為機(jī)場(chǎng)運(yùn)行指揮中心未按照規(guī)定，指揮飛機(jī)滑入錯(cuò)誤機(jī)位導(dǎo)致事故。

5.4 安全對(duì)策

針對(duì)此類事件，采取預(yù)警措施則可避免事故的發(fā)生，利用預(yù)警系統(tǒng)發(fā)布預(yù)警信息，第一時(shí)間將信息傳送給一線工作人員，進(jìn)行預(yù)防處理。具體預(yù)警措施：74號(hào)機(jī)位為主要預(yù)警點(diǎn)，在機(jī)位安裝紅外感應(yīng)裝置，若有飛機(jī)停入即可被感應(yīng)。此時(shí)，預(yù)警系統(tǒng)隨即發(fā)出預(yù)警信號(hào)，表示74號(hào)機(jī)位已有飛機(jī)停入，此時(shí)72、73號(hào)機(jī)位不可使用。

祿口機(jī)場(chǎng)同樣停機(jī)要求的還有：①使用 13A 復(fù)合型機(jī)位時(shí)，13 號(hào)橋位不得停放航空器；②使用67A復(fù)合型機(jī)位時(shí)，67、68、69 號(hào)機(jī)位不得停放航空器；③92 號(hào)停機(jī)位已停放航空器，91號(hào)停機(jī)位不得滑入航空器；93號(hào)停機(jī)位已停放航空器，92號(hào)停機(jī)位不得滑入航空器；④使用4號(hào)機(jī)坪時(shí)，278、279 號(hào)機(jī)位不得停放航空器。

6 結(jié)論

針對(duì)航空器機(jī)坪運(yùn)行安全問題，利用貝葉斯理論進(jìn)行運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，提出改進(jìn)的動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，利用netica軟件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算，對(duì)機(jī)坪運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。建立預(yù)警指標(biāo)體系和預(yù)警模型，以南京祿口機(jī)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)為樣本，進(jìn)行預(yù)警值的計(jì)算。實(shí)例分析結(jié)果表明，停機(jī)位、滑行道以及跑道預(yù)警值較高，為重點(diǎn)預(yù)警對(duì)象，通過建立預(yù)警系統(tǒng)、即時(shí)發(fā)布預(yù)警信息從理論上可避免事故的發(fā)生。下一階段的主要研究應(yīng)集中在預(yù)警系統(tǒng)的規(guī)劃與開發(fā)，為將預(yù)警系統(tǒng)投入航空器機(jī)坪運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。