全球疫情下的航空安全前沿問(wèn)題與研究趨勢(shì)*

何 鵬 孫瑞山▲

（1.中國(guó)民航大學(xué)民航安全科學(xué)研究所 天津300300；2.中國(guó)民航大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院 天津300300）

0 引 言

新型冠狀病毒肺炎疫情期間，中國(guó)政府采取了隔離病例、關(guān)閉公共休閑場(chǎng)所、禁止公眾集會(huì)，以及實(shí)行交通運(yùn)輸管控等一系列有效的防疫措施[1]。由于交通運(yùn)輸對(duì)疫情的傳播具有顯著的正反饋?zhàn)饔肹2]，因此，實(shí)行交通運(yùn)輸管控是切斷高傳染性病毒跨域傳播途徑最為關(guān)鍵的手段，關(guān)乎公眾生命健康與安全，在疫情沖擊下，公路、軌道、水運(yùn)、航空運(yùn)輸?shù)冉煌ǚ绞降倪\(yùn)行模式與安全問(wèn)題受到了廣泛的關(guān)注。

公交、城市軌道交通作為居民最為頻繁的出行方式，提高了有限道路資源的使用效率，但由于車廂內(nèi)乘客之間的接觸距離較小，因此為病毒提供了極佳的傳播環(huán)境，在疫情期間，公交、軌道交通的運(yùn)營(yíng)數(shù)量都受到大幅度消減，線路方案[3]、載運(yùn)水平[4]都面臨動(dòng)態(tài)調(diào)整與管控；水路航運(yùn)多承擔(dān)著貨運(yùn)的重任，是聯(lián)通全球產(chǎn)業(yè)鏈不可或缺的主要通道[5]，疫情期間中國(guó)航運(yùn)集裝箱航運(yùn)網(wǎng)絡(luò)空間格局受嚴(yán)重沖擊[6]，貨物檢疫技術(shù)與多邊防疫政策的協(xié)調(diào)是航運(yùn)安全的關(guān)注重點(diǎn)；航空運(yùn)輸由于其點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的可達(dá)性優(yōu)勢(shì)，極大縮短了區(qū)域之間的時(shí)空距離，加強(qiáng)航空運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)行管控成為減少境外輸入病例的關(guān)鍵手段，有研究測(cè)算，疫情期間中國(guó)內(nèi)地的航空網(wǎng)絡(luò)對(duì)外連通效率下降幅度可達(dá)39.8%[7]。

航空運(yùn)輸作為各種交通方式中運(yùn)行安全要求最高的行業(yè)，是國(guó)際區(qū)域間的重要連接紐帶，同時(shí)，飛機(jī)相較于鐵路和長(zhǎng)途汽車，是疫情期間較安全的出行方式[8]，因此航空運(yùn)輸成為了疫情期間承擔(dān)運(yùn)輸功能的主力軍。此次疫情危機(jī)對(duì)航空運(yùn)輸帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響，同時(shí)也產(chǎn)生了一系列航空安全領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。筆者分析了疫情危機(jī)對(duì)航空運(yùn)輸?shù)陌踩绊?，綜述疫情危機(jī)下飛行運(yùn)行環(huán)節(jié)中的安全研究熱點(diǎn)與研究進(jìn)展，提出疫情危機(jī)下航空安全的研究趨勢(shì)展望。

1 疫情對(duì)航空運(yùn)輸安全的影響

1.1 全球航空業(yè)的安全趨勢(shì)

疫情下全球的航空運(yùn)輸量驟減，航空安全形勢(shì)仍面對(duì)著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。新冠疫情的沖擊導(dǎo)致全球的航空運(yùn)輸量而大幅度縮減，據(jù)國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)（IATA）估算[9]，2020年全球的客運(yùn)需求相較2019年將下降66%，全球航空公司收入至少下降50%。根據(jù)中國(guó)民航局?jǐn)?shù)據(jù)[10]，2020年全行業(yè)完成旅客周轉(zhuǎn)量6 311.28億人·km，比2019年下降46.1%，其中國(guó)內(nèi)航線旅客周轉(zhuǎn)量下降31.1%，國(guó)際航線旅客周轉(zhuǎn)量下降86.1%。

IATA的事故分類技術(shù)小組（ACTG）統(tǒng)計(jì)了2015—2020年全球范圍內(nèi)的航空事故率變化趨勢(shì)，見(jiàn)圖1?？梢园l(fā)現(xiàn)，2015—2020年全行業(yè)的事故率總體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中IATA會(huì)員企業(yè)的事故率顯著低于非會(huì)員企業(yè)，但2020年新冠疫情危機(jī)下，全行業(yè)事故率卻較2019年上升0.02。國(guó)際民航組織（ICAO）官網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2020年全球定期商業(yè)航班共發(fā)生22起事故，事故死亡人數(shù)為297人，較2019年增加70人。此次疫情期間，全球航空安全水平形勢(shì)不容樂(lè)觀。

圖1 2015—2020年全球范圍內(nèi)航空事故率Fig.1 Worldwide aviation accident rates from 2015 to 2020

1.2 疫情危機(jī)下，航空人員對(duì)安全的感知

為了全面及時(shí)地了解疫情對(duì)航空安全的影響并對(duì)安全水平加以改進(jìn)，2020年10月，國(guó)際航空安全峰會(huì)（International Air Safety Submit，IASS）線上召開(kāi)，會(huì)議主題為“危機(jī)下的安全領(lǐng)導(dǎo)力與全球合作”，參會(huì)方包括各國(guó)/地區(qū)民航局、航空運(yùn)營(yíng)人、航空服務(wù)提供商、航空組織和衛(wèi)生健康部門。

IASS會(huì)議主辦方向全球行業(yè)人員進(jìn)行了廣泛調(diào)查，從行業(yè)人員視角了解疫情下的航空安全情況，圖2展示了全球民航從業(yè)人員在疫情危機(jī)期間的安全顧慮，排在前3位的分別是運(yùn)行環(huán)節(jié)的安全、保持技能熟練與培訓(xùn)、個(gè)人健康。圖3為行業(yè)人員對(duì)疫情期間安全形勢(shì)的感知，其中56%的從業(yè)者認(rèn)為疫情增加了安全相關(guān)的問(wèn)題，34%的從業(yè)者表示疫情帶來(lái)的干擾是顯著的，但是對(duì)安全的影響難以監(jiān)測(cè)；其余10%左右的從業(yè)者認(rèn)為疫情對(duì)行業(yè)安全無(wú)負(fù)面影響。

圖2 疫情期間的安全顧慮Fig.2 Safety concerns during the epidemic

圖3 疫情期間行業(yè)人員的安全感知Fig.3 Perceived safety of industry personnel during the epidemic

可以看出，行業(yè)人員視角下，疫情已經(jīng)對(duì)航空運(yùn)輸系統(tǒng)帶來(lái)了較為明顯的安全影響，運(yùn)行環(huán)節(jié)的安全問(wèn)題是業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。

1.3 疫情危機(jī)下，航空安全中的熱點(diǎn)問(wèn)題

民航系統(tǒng)包含航司、機(jī)場(chǎng)、空管等多個(gè)運(yùn)行主體，各主體均為“飛行運(yùn)行”環(huán)節(jié)所服務(wù)，因此飛行運(yùn)行環(huán)節(jié)的安全保障與運(yùn)行新技術(shù)一直是全球航空安全的關(guān)注重點(diǎn)。通過(guò)分析疫情期間的航空運(yùn)輸行業(yè)的運(yùn)行需求，梳理IASS會(huì)議中行業(yè)專家的安全觀點(diǎn)，追蹤航空安全學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域的研究動(dòng)態(tài)，總結(jié)出全球疫情危機(jī)下的航空安全領(lǐng)域的3個(gè)熱點(diǎn)研究問(wèn)題：飛行疲勞檢測(cè)、安全數(shù)據(jù)分析、單一飛行員駕駛安全性。這3個(gè)問(wèn)題來(lái)自于疫情期間航空運(yùn)行中的安全需求，也是影響未來(lái)航空運(yùn)輸系統(tǒng)安全水平趨勢(shì)與發(fā)展的重要問(wèn)題。

2 疫情下航空安全熱點(diǎn)研究

2.1 飛行疲勞檢測(cè)

飛行疲勞是導(dǎo)致飛行過(guò)程產(chǎn)生人為差錯(cuò)的重要原因。新冠疫情下，各個(gè)國(guó)家防疫隔離政策不一致且不確定性大，執(zhí)飛國(guó)際航線的飛行機(jī)組需要盡可能地縮短國(guó)外駐留時(shí)間，這一運(yùn)行變化將導(dǎo)致機(jī)組疲勞程度加深；此外，不同國(guó)家、地區(qū)的疫情嚴(yán)重程度不一，對(duì)于執(zhí)飛疫情高發(fā)地的機(jī)組，其精神壓力也對(duì)主觀疲勞感受帶來(lái)不利影響。因此，疫情期間如何快速有效檢測(cè)飛行機(jī)組的疲勞程度，并予以有效緩解，是飛行安全保障亟須解決的重要問(wèn)題。

疲勞被普遍認(rèn)為具有多維結(jié)構(gòu)[11]，是1種復(fù)雜的生理、心理現(xiàn)象或感受。國(guó)際民航組織的《疲勞風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)》[12]將疲勞定義為：由于睡眠不足、長(zhǎng)時(shí)間保持清醒、晝夜節(jié)律或者工作負(fù)荷（腦力、體力活動(dòng)）過(guò)重而導(dǎo)致開(kāi)展腦力或體力活動(dòng)能力降低的生理狀態(tài)，這種狀態(tài)會(huì)損害機(jī)組成員的警覺(jué)度及其安全地操作航空器或者履行安全相關(guān)職責(zé)的能力?？梢钥闯觯核?、覺(jué)醒時(shí)間、晝夜節(jié)律和工作負(fù)荷都是疲勞的重要誘發(fā)因素。疲勞作為具有一定主觀性的人體狀態(tài)量，較難直接進(jìn)行觀測(cè)，為盡可能精確地描述人體的疲勞程度，需要依實(shí)際情況構(gòu)建合理的測(cè)量指標(biāo)或指標(biāo)體系。

目前，疲勞測(cè)量研究可分為：主觀性的量表測(cè)量和客觀性的生理指標(biāo)測(cè)量、行為指標(biāo)測(cè)量和績(jī)效指標(biāo)測(cè)量。主觀測(cè)量方面，常用的疲勞量表包括卡羅琳斯卡嗜睡量表（KSS量表）、任務(wù)負(fù)荷指數(shù)量表（NASA-TLX量表）、多維疲勞量表（MFI-16量表）等；在客觀測(cè)量方面，采集的生理指標(biāo)包括腦電（EEG）、心電（ECG）、肌電（EKG）、呼吸頻率（RSP）、血容量搏動(dòng)（BVP）、皮膚電反應(yīng)（GSR）、皮溫（SKT），閃光融合臨界頻率（CFF）等；行為指標(biāo)，則有眼動(dòng)指標(biāo)、頭部或臉部的特定行為表現(xiàn)；績(jī)效指標(biāo)則有精神運(yùn)動(dòng)警戒任務(wù)（PVT），或駕駛操作績(jī)效指標(biāo)。

上述測(cè)量方法都在實(shí)際應(yīng)用中存在著一定的局限性。量表具有主觀性強(qiáng)，不確定性大，耗時(shí)長(zhǎng)等缺點(diǎn)，并且導(dǎo)致飛行員產(chǎn)生附加的工作負(fù)荷。生理指標(biāo)測(cè)量具有數(shù)據(jù)精度高的特點(diǎn)，但存在指標(biāo)特異性不強(qiáng)的弊端，即疲勞會(huì)引起生理指標(biāo)的變化，但檢測(cè)到的生理指標(biāo)變化不必然歸因于疲勞影響，此外生理指標(biāo)多采用侵入式采集方式，對(duì)任務(wù)執(zhí)行造成較大干擾。行為指標(biāo)測(cè)量依賴于非接觸式的圖像檢測(cè)設(shè)備，這種非侵入式的采集方法具有較好的應(yīng)用性，但時(shí)效性不強(qiáng)，即行為指標(biāo)發(fā)生往往滯后于生理指標(biāo)?？?jī)效指標(biāo)，侵入性低，績(jī)效數(shù)據(jù)直接體現(xiàn)操作能力，但績(jī)效指標(biāo)受到個(gè)人駕駛習(xí)慣、風(fēng)格、任務(wù)形式的影響，導(dǎo)致績(jī)效下降歸因具有一定困難[13]。

現(xiàn)有研究中關(guān)于疲勞的測(cè)量，學(xué)者多采用單一指標(biāo)進(jìn)行量化評(píng)估[14-15]，或采取主觀量表結(jié)合某一客觀指標(biāo)測(cè)量的形式[16-17]。G.D.Roach等[18]研究了短途飛行員值勤時(shí)刻對(duì)其值勤前睡眠時(shí)間和初始疲勞水平的影響。通過(guò)分析70名短途飛行員的值班表和睡眠/清醒的數(shù)據(jù)，值勤時(shí)刻在04：00—05：00，飛行員的睡眠時(shí)間最少，只有5.4 h，且自評(píng)疲勞程度最高；值勤時(shí)刻每推后1 h，就會(huì)增加大約15 min的睡眠時(shí)間。客觀指標(biāo)中，腦電是實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)量疲勞程度的有力的工具，也是近幾年逐漸興起的疲勞測(cè)量工具[19]。腦電信號(hào)由于其非平穩(wěn)特性，具有低信噪比、數(shù)據(jù)特征不明顯等特點(diǎn)，在信號(hào)應(yīng)用層面難度較大，因此在數(shù)據(jù)分析方面還需結(jié)合信號(hào)處理相關(guān)技術(shù)予以解決。基于此問(wèn)題，裘旭益等[20]提出了1種基于功率譜面積耦合腦電波節(jié)律的新型腦疲勞評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了基于貝葉斯參數(shù)推斷方法的深度卷積網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)模型，提高了模型對(duì)于離群樣本分類的魯棒性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛行員疲勞方面腦認(rèn)知的良好識(shí)別效果。Zhong Y.等[21]提出了1種結(jié)合局部線性嵌入（LLE）、支持向量聚類（SVC）和支持向量數(shù)據(jù)描述（SVDD）技術(shù)的新方法對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行分析，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)腦力負(fù)荷的評(píng)估與分類。

由于疲勞研究中的選取指標(biāo)不一致，指標(biāo)門檻值定義不一致，大多數(shù)研究中的疲勞測(cè)量較難形成橫向?qū)Ρ?。P.H.Gander等[22]基于飛行機(jī)組睡眠情況、操作績(jī)效（PVT）、主觀疲勞程度和嗜睡程度等疲勞測(cè)量指標(biāo)，對(duì)5條長(zhǎng)航線航班的133名機(jī)組人員在值勤前、飛行下降點(diǎn)的疲勞程度進(jìn)行了測(cè)量。研究發(fā)現(xiàn)：對(duì)于相似的航班，采用不同指標(biāo)的測(cè)量結(jié)果呈現(xiàn)顯著的差異性，他建議疲勞測(cè)量過(guò)程中需要比較多個(gè)測(cè)量指標(biāo)，用更全面的指標(biāo)集合去確定疲勞程度。

2.2 安全數(shù)據(jù)分析

疫情期間，全球航空事故率上升，非典型進(jìn)近等不安全事件率提高。數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)狀態(tài)與運(yùn)行過(guò)程的客觀反映，有效的數(shù)據(jù)分析手段可以提取、分析出不安全事件產(chǎn)生的原因，從而有策略的制定風(fēng)險(xiǎn)緩解措施。因此，針對(duì)疫情下嚴(yán)峻的安全形勢(shì)，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)多維多源數(shù)據(jù)明晰不安全事件的發(fā)生機(jī)理，并據(jù)此作出主動(dòng)型的安全預(yù)測(cè)，將有力提升疫情下的航空安全水平。

民航運(yùn)行作為1個(gè)多方主體強(qiáng)耦合、多任務(wù)強(qiáng)關(guān)聯(lián)的復(fù)雜過(guò)程，系統(tǒng)中蘊(yùn)含著大量未被充分挖掘利用的數(shù)據(jù)。其中包括快速存取記錄器數(shù)據(jù)（quick access recorder，QAR）、訓(xùn)練數(shù)據(jù)、飛行員心理測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)、排班數(shù)據(jù)、疲勞數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等等。由于QAR可記錄整個(gè)飛行過(guò)程中的飛機(jī)參數(shù)、飛行員操作參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和報(bào)警信息，具有數(shù)據(jù)量大，參數(shù)種類多，客觀性強(qiáng)的特點(diǎn)，目前安全數(shù)據(jù)分析中的數(shù)據(jù)源多為QAR數(shù)據(jù)。QAR數(shù)據(jù)的研究一方面集中在對(duì)于飛行參數(shù)的特征提取，與數(shù)據(jù)約減[23-24]；另一方面，鑒于飛行事故或事故征候多集中于起飛與進(jìn)近著陸階段，有大量研究還聚焦于對(duì)這2個(gè)階段超限事件的QAR數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘[25-26]，研究不安全事件下飛行參數(shù)的關(guān)聯(lián)性和作用關(guān)系，探究不安全事件的數(shù)據(jù)變化規(guī)律，從而建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型或預(yù)測(cè)模型對(duì)不安全事件進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)。鄭磊等[27]從QAR飛行參數(shù)多元時(shí)間序列的特征提取及相似性度量入手，使用聚類方法挖掘QAR數(shù)據(jù)中的飛行操作模式，并依據(jù)飛行操作模式與QAR監(jiān)控指標(biāo)值之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，量化了不同飛行操作模式的風(fēng)險(xiǎn)水平。Wang等[28]通過(guò)對(duì)293個(gè)QAR數(shù)據(jù)樣本中的飛行參數(shù)進(jìn)行方差分析，發(fā)現(xiàn)了拉平過(guò)程中導(dǎo)致異常著陸的飛行參數(shù)特征，并建立了2個(gè)回歸模型分析拉平操作和著陸性能之間的相關(guān)性，結(jié)果表明：駕駛桿和油門操作對(duì)著陸距離和著陸垂直加速度有重大影響。孫瑞山等[29]基于大量QAR數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，模擬出飛機(jī)起飛離地仰角值的可能分布，并根據(jù)其分布特征，參照飛機(jī)起飛離地的監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測(cè)了飛機(jī)起飛擦機(jī)尾事件發(fā)生的可能性。

從上述研究可以看出，在QAR數(shù)據(jù)挖掘方面，大量研究仍集中在對(duì)單一不安全事件的參數(shù)特征分析與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，即對(duì)不安全事件的事后分析。由于不安全事件總數(shù)占運(yùn)行總數(shù)的比例極低，因此目前的不安全事件的數(shù)據(jù)樣本還較為有限。在大數(shù)據(jù)技術(shù)的趨勢(shì)下，小樣本挖掘的信息量還具有局限性。此外，民航系統(tǒng)多維多源數(shù)據(jù)還沒(méi)有得到有效的融合利用，QAR數(shù)據(jù)能直觀反映出飛行員操作方面的特征，但是飛行過(guò)程中不安全事件的發(fā)生不但有外顯的操作因素、還有內(nèi)隱的心理因素、以及組織層面的管理因素，因此僅依靠QAR數(shù)據(jù)挖掘進(jìn)行事故致因與事故預(yù)防仍缺乏全面性，民航安全的系統(tǒng)性提升有賴于民航系統(tǒng)多源多維數(shù)據(jù)的融合分析。

2.3 單一飛行員駕駛（SPO）安全性

面對(duì)航空市場(chǎng)的巨大增長(zhǎng)潛力，飛行員短缺是國(guó)際上的一致共識(shí)。據(jù)波音公司統(tǒng)計(jì)，至2035年，中國(guó)飛行員缺口將達(dá)到11萬(wàn)人。在商用飛機(jī)智能化、經(jīng)濟(jì)性的發(fā)展趨勢(shì)下，單一飛行員駕駛成為提升運(yùn)行效率、解決飛行員短缺的重要技術(shù)。新冠疫情期間，執(zhí)飛機(jī)組的防疫、落地隔離措施都對(duì)機(jī)組運(yùn)行效率帶來(lái)極大的影響，SPO在重大疫情場(chǎng)景下又再次展現(xiàn)出其獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

SPO指在大型民機(jī)駕駛艙中僅配置1名飛行員（機(jī)長(zhǎng)），借助機(jī)載設(shè)備自動(dòng)化，或遠(yuǎn)程地面站操作員的支持，完成在各種飛行場(chǎng)景中的航線飛行任務(wù)[30]。直觀來(lái)看，SPO運(yùn)行失去了雙人制機(jī)組運(yùn)行中的交叉檢查并加重了飛行員的工作負(fù)荷，降低了雙人制運(yùn)行中的安全冗余，但有學(xué)者和機(jī)構(gòu)認(rèn)為“機(jī)載設(shè)備與地面站組合的方式”能夠彌補(bǔ)這一安全冗余損失[31]。目前，SPO運(yùn)行安全性研究與驗(yàn)證仍是制約該模式應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題，集中體現(xiàn)復(fù)雜或非正常飛行任務(wù)中的工作負(fù)荷分配，以及飛行員失能情況下的飛行決策與操作。

現(xiàn)有關(guān)于SPO安全性研究較為分散，研究方多為歐美飛機(jī)制造商、適航當(dāng)局，研究集中于為SPO運(yùn)行中的工作負(fù)荷問(wèn)題，對(duì)飛行員失能的研究還較為有限。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局于2014年啟動(dòng)了ALIAS項(xiàng)目（座艙機(jī)組人員自動(dòng)化系統(tǒng)）[32]，旨在為現(xiàn)有的飛機(jī)，打造1種用于安裝、調(diào)試和拆除的全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，使起飛、巡航和降落等一系列操作均實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。2017年，該自動(dòng)化系統(tǒng)通過(guò)機(jī)器人手臂和機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)替代副駕駛，在波音737模擬器中完成自動(dòng)化飛行實(shí)驗(yàn)，從而讓飛行員從執(zhí)行飛行操作的角色轉(zhuǎn)換成為了監(jiān)測(cè)飛行任務(wù)的角色，極大降低了單一飛行員的工作負(fù)荷。針對(duì)飛行員失能，2016年，Liu等[33]首次提出了監(jiān)測(cè)飛行員健康和/或行為的飛行員-飛機(jī)認(rèn)知界面（CPAI），通過(guò)測(cè)量不同的生理變量，例如，心率、呼吸率和眨眼率，來(lái)評(píng)估單一飛行員的認(rèn)知能力，實(shí)現(xiàn)在飛行員失能情況下的多方提醒。歐洲方面，歐盟（EU）的降低壓力和工作負(fù)荷的先進(jìn)駕駛艙項(xiàng)目（ACROSS項(xiàng)目），開(kāi)發(fā)了1個(gè)運(yùn)行機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)使用近紅外光譜學(xué)（FNRI）來(lái)測(cè)量飛行員的認(rèn)知工作量[34]，該系統(tǒng)經(jīng)評(píng)估能夠提高飛行安全性?？湛凸窘陙?lái)啟動(dòng)了“顛覆性駕駛艙技術(shù)”項(xiàng)目（DISCO項(xiàng)目），研發(fā)了一系列減輕飛行員工作負(fù)荷的新技術(shù)，保證單一飛行員駕駛的安全性。此外，空客還通過(guò)“自主滑行、起飛和著陸”項(xiàng)目（ATTOL項(xiàng)目），并在2019年實(shí)現(xiàn)了基于機(jī)器視覺(jué)的客機(jī)自主滑行、起飛和降落，為單一飛行員駕駛的未來(lái)應(yīng)用提供了技術(shù)鋪墊[35]。目前，國(guó)內(nèi)研究主體同樣關(guān)注SPO運(yùn)行中的新興技術(shù)[36]，中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司于2018年著手在國(guó)內(nèi)牽頭開(kāi)展SPO相關(guān)技術(shù)的研發(fā)[37]，提出了SPO模式與系統(tǒng)架構(gòu)，并研制了人機(jī)協(xié)同駕駛系統(tǒng)功能樣機(jī)，在仿真駕駛艙中的測(cè)試結(jié)果表明，機(jī)上輔助-空地協(xié)同的SPO模式可以基本應(yīng)對(duì)已知的多種復(fù)雜場(chǎng)景。

綜上，目前國(guó)際上關(guān)于單一飛行員駕駛技術(shù)，多圍繞著自動(dòng)化硬件和總體設(shè)計(jì)框架進(jìn)行研究。SPO運(yùn)行的系統(tǒng)可靠性的量化研究還鮮有報(bào)道，由于運(yùn)行過(guò)程中的飛行員失能問(wèn)題還沒(méi)有得到廣泛研究，SPO技術(shù)試點(diǎn)應(yīng)用與安全驗(yàn)證并未系統(tǒng)性開(kāi)展，這些問(wèn)題都是制約SPO研究向前推進(jìn)的瓶頸問(wèn)題。

3 航空安全研究趨勢(shì)展望

3.1 疲勞的跨指標(biāo)快速測(cè)量技術(shù)

飛行運(yùn)行環(huán)節(jié)中的機(jī)組人員的疲勞風(fēng)險(xiǎn)管理一直都是實(shí)際運(yùn)行中的關(guān)注重點(diǎn)。在重大疫情背景下，飛行排班的不確定性增大，影響運(yùn)行安全的非傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)愈發(fā)增多，在飛行運(yùn)行前快速有效地監(jiān)測(cè)管控飛行員的疲勞程度，從而預(yù)防飛行過(guò)程中人為差錯(cuò)的產(chǎn)生，是航空運(yùn)輸業(yè)的重大應(yīng)用需求。

疲勞的跨指標(biāo)快速測(cè)量，一方面依賴于明晰疲勞的致因機(jī)理，開(kāi)發(fā)有效的疲勞測(cè)量指標(biāo)體系，建立非侵入式的快速測(cè)量方法；另一方面，可參考人體生物節(jié)律、工作負(fù)荷實(shí)驗(yàn)、借助睡眠科學(xué)中的生物數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)評(píng)估、預(yù)測(cè)機(jī)組疲勞的生物數(shù)學(xué)模型。

1）建立疲勞快速測(cè)量體系?，F(xiàn)有的疲勞測(cè)量指標(biāo)非常多元化，鑒于疲勞的多維度特征，首先，應(yīng)當(dāng)明晰疲勞致因機(jī)理，確定測(cè)量指標(biāo)與疲勞維度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其次，明確可觀測(cè)指標(biāo)與疲勞之間是否存在特異性聯(lián)系，如果不存在特異性聯(lián)系，需考慮通過(guò)控制條件或變量，使得指標(biāo)與疲勞之間建立起特異性。再次，還需要開(kāi)展測(cè)量指標(biāo)間的比較研究，明確指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系及相互作用機(jī)制；通過(guò)建立指標(biāo)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，使得疲勞狀態(tài)能夠做到跨指標(biāo)測(cè)量。最后，在建立特異性指標(biāo)、明晰多指標(biāo)關(guān)系的基礎(chǔ)上，要考慮降低疲勞測(cè)量過(guò)程的侵入性，通過(guò)結(jié)合新型傳感技術(shù)、信號(hào)傳輸技術(shù)開(kāi)發(fā)硬件設(shè)備采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)疲勞狀態(tài)的跨指標(biāo)、無(wú)感、短時(shí)、客觀測(cè)量。

2）疲勞的仿真與建模。除了通過(guò)硬件設(shè)備快速測(cè)量疲勞狀態(tài)，利用生物數(shù)學(xué)模型對(duì)疲勞進(jìn)行預(yù)測(cè)與仿真也是疲勞風(fēng)險(xiǎn)管理的有效工具。國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)與晝夜節(jié)律和休息、清醒或工作時(shí)間相關(guān)的潛在機(jī)制，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多疲勞的生物數(shù)學(xué)模型，其中大部分模型都借鑒參考了Borbély的睡眠調(diào)節(jié)兩階段模型的思路[38]，以預(yù)測(cè)疲勞的可能性和/或程度。但現(xiàn)有的疲勞模型的輸入、輸出變量的數(shù)量和類型都不盡相同，且模型中的參數(shù)設(shè)置還缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證支撐，故其疲勞仿真能力存在相當(dāng)大的差異，尤其對(duì)個(gè)體的疲勞情況進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)時(shí)的精度不高。因此，當(dāng)前還需要圍繞著飛行任務(wù)特征、操作特征、機(jī)組生理特征進(jìn)行模型參數(shù)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，不斷進(jìn)行模型開(kāi)發(fā)與迭代優(yōu)化。

3.2 基于安全I(xiàn)I與多源多維數(shù)據(jù)融合的數(shù)據(jù)分析技術(shù)

民航系統(tǒng)作為高可靠性組織，其事故率已經(jīng)低于10-6/飛行架次，因此采取被動(dòng)式的、基于已知異常事件、不安全事件的QAR數(shù)據(jù)分析已經(jīng)不能滿足安全水平的持續(xù)提高。此外，由于飛行運(yùn)行過(guò)程是1個(gè)高度耦合、高度復(fù)雜的過(guò)程，受到多個(gè)維度因素的共同影響，因此只通過(guò)QAR數(shù)據(jù)進(jìn)行事故致因、事故預(yù)防并預(yù)測(cè)，得到的結(jié)果的有效性與全面性仍存在局限于制約。在數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)快速發(fā)展的趨勢(shì)下，民航系統(tǒng)的安全數(shù)據(jù)分析可以從以下2個(gè)方面進(jìn)行展開(kāi)。

1）基于安全I(xiàn)I理論的飛行數(shù)據(jù)挖掘。整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中的海量QAR數(shù)據(jù)下潛隱著豐富的可挖掘信息。根據(jù)安全信息的長(zhǎng)尾理論[39]，不安全事件中的信息密度大，但是由于樣本量較少，因此能夠提供的總信息量較為有限。如果在QAR數(shù)據(jù)分析中能夠關(guān)注具有極大樣本量的非超限飛行數(shù)據(jù)，挖掘安全事件下數(shù)據(jù)規(guī)律，通過(guò)“安全的表現(xiàn)”來(lái)提升“安全”，則不但可以突破超限事件樣本量局限性，還打破了安全的“悖論”即“safety is measured by its absence rather than its presence”。這種QAR數(shù)據(jù)研究思路是現(xiàn)代安全管理理念——丹麥Eric Hollnagel等[40]提出的安全Ⅱ理論的具體體現(xiàn)，同時(shí)體現(xiàn)了ICAO在《安全管理手冊(cè)》中所提倡的“Proactive”型的風(fēng)險(xiǎn)管理方法[41]。基于安全Ⅱ理論的飛行數(shù)據(jù)分析具有極大的研究空間，也是今后保證飛行安全持續(xù)改進(jìn)的研究重點(diǎn)。

2）民航多源多維數(shù)據(jù)的融合分析。民航系統(tǒng)中飛行員的訓(xùn)練/復(fù)訓(xùn)、心理測(cè)評(píng)、作風(fēng)考核、排班、疲勞自評(píng)、以及QAR都是重要的數(shù)據(jù)源，并且各個(gè)數(shù)據(jù)源都反映出互補(bǔ)的維度特征。民航安全觀已從機(jī)械時(shí)代、人因時(shí)代走向組織時(shí)代[42]，組織事故理論從本質(zhì)上說(shuō)明在航空系統(tǒng)的層層防護(hù)機(jī)制下，單點(diǎn)故障、單一因素難以造成重大安全事件，不安全事件的發(fā)生需要多種促成因素結(jié)合在一起，每個(gè)因素都必不可少。因此通過(guò)多元多維數(shù)據(jù)融合技術(shù)，探尋不同維度數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性及數(shù)據(jù)之間的動(dòng)力演變過(guò)程，可以為事件致因分析、安全預(yù)測(cè)、安全管理帶來(lái)更全面的視角，這也是未來(lái)航空安全數(shù)據(jù)研究的發(fā)展趨勢(shì)。

3.3 SPO系統(tǒng)可靠性與驗(yàn)證性研究

運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和效率使得單一飛行員駕駛技術(shù)受到飛機(jī)制造商與航司的極大關(guān)注。從技術(shù)層面來(lái)講，現(xiàn)代民機(jī)的高自動(dòng)化技術(shù)，使得SPO運(yùn)行具有很強(qiáng)的可行性，從長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，SPO運(yùn)行模式很大程度上是實(shí)現(xiàn)飛行運(yùn)行無(wú)人駕駛的過(guò)渡方案。關(guān)于SPO運(yùn)行安全性的研究，目前需要關(guān)注總體設(shè)計(jì)方案的可靠性研究，在解決飛行員失能問(wèn)題的基礎(chǔ)上，開(kāi)展安全性驗(yàn)證試驗(yàn)。

1）SPO總體設(shè)計(jì)方案的可靠性研究。目前“機(jī)載自動(dòng)化+地面站支持”的SPO設(shè)計(jì)方案受到研究界的高度認(rèn)可，地面站中操作員（或簽派員、潛在飛行員）的支持被認(rèn)為減輕了機(jī)上飛行員的工作負(fù)荷，并在飛行員失能情況下實(shí)現(xiàn)飛行操作代管，從而提高了飛行運(yùn)行過(guò)程的安全冗余。但同時(shí)值得注意的是，地面基站的設(shè)計(jì)極大地增加了運(yùn)行系統(tǒng)的整體復(fù)雜性，隨著系統(tǒng)的復(fù)雜程度的提高,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相互影響,強(qiáng)關(guān)聯(lián)性與耦合性使得元素之間的協(xié)調(diào)變得越來(lái)越困難,導(dǎo)致增大整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生失效的可能性和不可預(yù)測(cè)性,系統(tǒng)可靠性也會(huì)隨之降低。因此，在SPO整體設(shè)計(jì)框架中，需要深入分析安全冗余和復(fù)雜性之間的平衡關(guān)系，全面研究增加系統(tǒng)復(fù)雜性的衍生風(fēng)險(xiǎn)。

2）SPO運(yùn)行中的飛行員失能問(wèn)題研究。ICAO將飛行員失能定義為“可能危及飛行安全的健康程度或任何能力下降”，飛行員失能問(wèn)題目前仍然是在商業(yè)航空中引入SPO時(shí)要應(yīng)對(duì)的最重大挑戰(zhàn)。在雙人制機(jī)組中，駕駛艙內(nèi)的機(jī)組配合和標(biāo)準(zhǔn)喊話程序可以有效發(fā)現(xiàn)飛行員的失能情況。在SPO運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)探測(cè)飛行員不利生理或心理狀態(tài)，建立飛行員失能的評(píng)估監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用非侵入式的機(jī)載監(jiān)測(cè)設(shè)備，是解決飛行員失能的前提，進(jìn)而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)飛行決策的權(quán)限分配與接管流程，建立飛行員失能場(chǎng)景下的多主體行為仿真實(shí)驗(yàn)，提出飛行員失能下的解決方案，并迭代優(yōu)化。

3）SPO驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。在解決飛行員失能問(wèn)題的基礎(chǔ)上，開(kāi)展SPO運(yùn)行的應(yīng)用場(chǎng)景研究與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。SPO模式相較于地面交通中的無(wú)人駕駛技術(shù)，飛行過(guò)程中面對(duì)的航路環(huán)境更為簡(jiǎn)單，無(wú)復(fù)雜的交通沖突情形，因此SPO模式的試點(diǎn)運(yùn)行具有一定程度的可行性。由于SPO運(yùn)行極大地改變了原雙人制機(jī)組運(yùn)行模式下旅客與航司、旅客與飛行員之間的倫理關(guān)系，且這種改變帶來(lái)的倫理障礙在短期內(nèi)勢(shì)必?zé)o法解決，因此SPO模式在航空客運(yùn)運(yùn)輸中的試運(yùn)行將存在巨大挑戰(zhàn)。為避免SPO在客運(yùn)運(yùn)輸中的倫理問(wèn)題，2018年，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）向美國(guó)國(guó)會(huì)提交了1份關(guān)于SPO貨機(jī)的適航研究的預(yù)算草案。由于貨航航班不涉及乘客倫理，且在夜晚運(yùn)行，航路環(huán)境更為簡(jiǎn)單，因此現(xiàn)階段可以在貨運(yùn)航航班上試行SPO運(yùn)行（為保證安全，試運(yùn)行過(guò)程中仍可保留2位飛行員，但其中1位飛行員在非必要情況下并不參與飛行操作）。通過(guò)在SPO試運(yùn)行的過(guò)程中不斷增加安全性驗(yàn)證研究，將具有巨大的現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

安全水平提升是航空運(yùn)輸系統(tǒng)持續(xù)追求的目標(biāo)。飛行疲勞監(jiān)測(cè)、安全數(shù)據(jù)是民航安全運(yùn)行中的關(guān)注重點(diǎn)，單一飛行員駕駛是未來(lái)航空運(yùn)行的發(fā)展趨勢(shì)，上述3個(gè)問(wèn)題都是近年來(lái)航空安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。疫情危機(jī)下，航空運(yùn)行產(chǎn)生了一系列新的挑戰(zhàn)與安全需求，通過(guò)分析綜述行業(yè)熱點(diǎn)安全問(wèn)題的進(jìn)展，指出未來(lái)的研究趨勢(shì)，期望航空運(yùn)輸?shù)陌踩侥軌蛴瓉?lái)重大突破。