基于BN和Bow-tie模型的飛行訓(xùn)練重著陸風(fēng)險(xiǎn)研究

翟羽佳， 杜冬， 邢苗英， 劉國建

(中國民用航空飛行學(xué)院， 民航飛行技術(shù)與飛行安全科研基地， 四川， 廣漢 618300)

0 引言

波音公司在2017年發(fā)布《1959—2016年全球商用噴氣式飛機(jī)事故統(tǒng)計(jì)》[1]，報(bào)告顯示2007—2016年發(fā)生的飛行事故都集中在進(jìn)近著陸階段，在飛行訓(xùn)練過程中同樣如此。重著陸是指飛機(jī)在著陸接地時(shí)垂直加速度超過飛機(jī)所給定的閾值[2]，過大的垂直加速度會(huì)對(duì)機(jī)身和飛行人員造成安全隱患。目前學(xué)者們對(duì)重著陸風(fēng)險(xiǎn)的研究主要集中在著陸風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估這幾個(gè)方面。陳思等[3]在傳統(tǒng)的支持向量機(jī)模型基礎(chǔ)上，采用粒子群優(yōu)化參數(shù)尋優(yōu)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)重著陸風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。Ding等[4]應(yīng)用4種分類算法、9種比較度量，設(shè)計(jì)了一個(gè)通用的評(píng)價(jià)框架，結(jié)合QAR數(shù)據(jù)集運(yùn)用7種經(jīng)典特征去預(yù)測(cè)重著陸。劉軍凱[5]運(yùn)用SHELL模型從識(shí)別出重著陸的風(fēng)險(xiǎn)因素,再通過風(fēng)險(xiǎn)矩陣對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，最終提出建議措施。但是這些研究的內(nèi)容都集中于運(yùn)輸航空方面，而對(duì)于飛行訓(xùn)練方面相關(guān)研究仍然空缺。鑒此，本文結(jié)合貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和Bow-tie模型對(duì)飛行訓(xùn)練中的重著陸的成因進(jìn)行研究和分析，根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的預(yù)防措施來減少事故的發(fā)生概率，以及采用控制措施降低事故發(fā)生后的不利影響，對(duì)提高飛行訓(xùn)練品質(zhì)具有重要意義。

1 事故樹模型

事故樹分析法(FTA)從多方面(如人、環(huán)境、軟硬件等)角度出發(fā)，梳理它們和事故之間的關(guān)系，繪制一個(gè)帶有邏輯關(guān)系且類似于樹狀的圖形，即事故樹模型。根據(jù)飛行訓(xùn)練的實(shí)際情況統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合FTA理論，本文從人、機(jī)、環(huán)3個(gè)角度出發(fā)，繪制故障樹如圖1所示。其中，各項(xiàng)事件符號(hào)含義如表1所示。

圖1 飛行訓(xùn)練重著陸事故樹

2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

2.1 事故樹模型向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)化

轉(zhuǎn)化工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)就是要深刻的理解2個(gè)模型之間的局部和整體的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即建立頂事件、中間事件、基本事件加上邏輯門與網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[6]科學(xué)系統(tǒng)地論述FTA向BN轉(zhuǎn)化的辦法包括事件、邏輯門與節(jié)點(diǎn)的映射關(guān)系、邏輯關(guān)系(與、或)與條件概率分布的映射關(guān)系。結(jié)合文獻(xiàn)研究總結(jié)，確定轉(zhuǎn)化步驟如圖2所示，最終繪制出貝葉斯網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

表1 基本事件釋義及發(fā)生概率

圖2 FTA-BN的轉(zhuǎn)化

圖3 重著陸貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

各步驟具體解釋如：① 找到事故樹的各個(gè)基本事件，在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中建立一個(gè)根節(jié)點(diǎn)，使其一一對(duì)應(yīng)。若出現(xiàn)重復(fù)事件即合并為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。② 將事故樹中相應(yīng)的各個(gè)基本事件，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到其發(fā)生的概率，確定BN中根節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)分布。③ 根據(jù)事故樹中的邏輯門關(guān)系，將輸入事件對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)連接到其所在邏輯門對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，使得BN中節(jié)點(diǎn)相連接并表明父子事件關(guān)系。④ 根據(jù)事故樹的邏輯門，確定BN中的連接強(qiáng)度(條件概率分布)。

2.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[7]是一個(gè)有向無環(huán)圖，主要包括代表變量的節(jié)點(diǎn)和鏈接這些節(jié)點(diǎn)的有向邊，是一種概率推理的數(shù)學(xué)模型，表示變量之間互相依賴的關(guān)系。通過利用已獲得的變量信息來計(jì)算求解未知變量的概率，根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和條件概率表我們可以快速求出每個(gè)基本事件(所有屬性值的一個(gè)集合)的概率[8]，根據(jù)其數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)得后驗(yàn)概率的計(jì)算方法如式(1)：

(1)

式中，et表示節(jié)點(diǎn)E對(duì)應(yīng)的事件是否發(fā)生(如不發(fā)生用0表示，如發(fā)生用1表示)，P(Es=et)表示在et狀態(tài)下(發(fā)生或不發(fā)生)對(duì)應(yīng)事件(節(jié)點(diǎn)Es所對(duì)應(yīng))的發(fā)生概率；節(jié)點(diǎn)Er對(duì)應(yīng)的事件的先驗(yàn)概率即式中的P(Er)，P(Es=et|Er)表示節(jié)點(diǎn)Er對(duì)應(yīng)的事件發(fā)生前提下節(jié)點(diǎn)Es對(duì)應(yīng)事件為et狀態(tài)的概率。因?yàn)楸疚闹猩婕暗倪壿嬮T連接方式為與門、或門，較為簡(jiǎn)單，所以采用式(2)、式(3)的算法進(jìn)行計(jì)算頂事件的發(fā)生概率。

P(M)=P(X1)×P(X2)

(2)

P(M)=1-[1-P(X1)]×[1-P(X2)]

(3)

式(2)表示用與門連接的2個(gè)基本事件X1和X2，它們的頂上事件M的發(fā)生概率。式(3)表示或門連接的2個(gè)基本事件X1和X2，它們的頂上事件M的發(fā)生概率。根據(jù)某飛行隊(duì)伍的歷史訓(xùn)練數(shù)據(jù)得到基本事件的發(fā)生概率結(jié)果見表1。

采用本小節(jié)所述方法以飛行訓(xùn)練中的重著陸作為頂事件，利用所繪制的BN圖，假設(shè)在頂事件已經(jīng)發(fā)生的情況下，可根據(jù)式(2)、式(3)逆向求得任意基本事件的發(fā)生概率，幫助我們從逆向角度去推斷各基本事件的相對(duì)重要性，并研究它們?cè)诎l(fā)生與不發(fā)生情況下對(duì)頂事件是否發(fā)生的不同影響。利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析軟件GeNIE計(jì)算后得到后驗(yàn)概率的排序結(jié)果如：X8>X6>X5>X7>X13>X2>X14>X15>X1>X4>X12>X3>X11>X16>X10>X17>X9。通過觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn)，X5、X6、X7、X8、X11、X13等對(duì)頂事件發(fā)生的影響較大和先驗(yàn)概率大致上相同。結(jié)合先驗(yàn)概率的分步，不難發(fā)現(xiàn)后驗(yàn)概率較一定程度上受先驗(yàn)條件的影響，因?yàn)樗械幕臼录?duì)于的都是同一個(gè)頂事件，P(Es=et|Er)和后驗(yàn)概率兩者成正比關(guān)系，再因其概率大小主要是受邏輯門連接方式及連接中所包含的基本時(shí)間的數(shù)量來決定，與或門連接時(shí)做比較，它的值在邏輯門為與門連接時(shí)將變大，而數(shù)量越多的基本事件在一個(gè)連接中會(huì)降低該值。

2.3 基本事件重要度分析

重要度分析在概率安全評(píng)估中起到重要作用，它能夠分析事故樹底事件(基本事件)，根據(jù)其概率的變化得出后果(頂事件)發(fā)生概率的變化，進(jìn)而提出針對(duì)性措施改進(jìn)，最大限度地避免風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)生，本文采用Birnbaum提出的概率重要度進(jìn)行綜合分析。Birnbaum measure(BM)重要度用于衡量可靠度(即基本事件)變化對(duì)系統(tǒng)可靠度(頂事件)變化的影響程度，主要表達(dá)式如式(4)～式(6)：

(4)

(5)

(6)

式中，P(outcome=j|ei=1)表示如果某一個(gè)基本事件發(fā)生后其頂事件的發(fā)生概率。P(outcome=j|ei=0)表示頂事件在基本事件不發(fā)生的條件下發(fā)生的概率，BM重要度表示基本事件的發(fā)生，能增加多少頂事件發(fā)生的概率增加量。通過上面小結(jié)的分析討論，結(jié)合各個(gè)基本事件的后驗(yàn)概率和先驗(yàn)概率，結(jié)合本小節(jié)公式計(jì)算所需基本事件的重要度數(shù)值，在分析時(shí)把它們按照人、機(jī)、環(huán)3個(gè)類別進(jìn)行分析。經(jīng)計(jì)算后結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)人因類別的重要度較高，然后將此類別事件重要度進(jìn)一步分析后發(fā)現(xiàn)飛行學(xué)員操縱因素X5、X6、X7、X8排在較靠前順位，再結(jié)合此分析結(jié)果與后驗(yàn)概率分布的情況進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者結(jié)果大致相同，這表明飛行學(xué)員的操縱問題對(duì)造成重著陸起到了較大影響。

3 Bow-tie繪制與分析

根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)影響頂事件發(fā)生的基本事件主要集中在飛行學(xué)員的操作錯(cuò)誤上，這也符合飛行訓(xùn)練的實(shí)際情況，故引入Bow-tie[9]分析法分析學(xué)員的操縱錯(cuò)誤。Bow-tie是由美聯(lián)邦航空局(FAA)所屬的科研團(tuán)隊(duì)精心研發(fā)的一套風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)，包括4個(gè)部分：危險(xiǎn)源、風(fēng)險(xiǎn)事件、潛在結(jié)果、安全保障(事故前預(yù)防措施和事故后控制措施)，是一種綜合性風(fēng)險(xiǎn)分析模型。它不但能形象地將事故的發(fā)生途徑顯示出來，還可以枚舉出事故發(fā)生后導(dǎo)致的一系列后果。據(jù)此可以逐個(gè)提出針對(duì)性較強(qiáng)的措施，一方面把事故的發(fā)生概率拉低，另一方面最大程度地減少事故發(fā)生帶來的不利影響[10]。據(jù)此，繪制該模型見圖4。

圖4 Bow-tie模型

其中，各項(xiàng)字母的含義具體如下。

A1:盡可能利用每次落地盡早引導(dǎo)建立正確的看法和視線轉(zhuǎn)移。

A2:在保證安全的前提下，盡可能做到余光對(duì)學(xué)生落地視線的全程觀察。

A3:中線意識(shí)要強(qiáng)調(diào)，跑道面、中線、機(jī)頭三者缺一不可。

B1:結(jié)合飛機(jī)下沉趨勢(shì)調(diào)節(jié)收油門快慢。

B2:培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)判斷收油門的時(shí)機(jī)和快慢意識(shí)，回顧入口條件、收油門時(shí)機(jī)動(dòng)作。

B3:手把手示范正確收油門節(jié)奏，結(jié)合對(duì)比示范粗猛動(dòng)作產(chǎn)生的不利影響。

B4:檢查學(xué)生油門摩擦調(diào)節(jié)器松緊是否合適，避免過緊影響動(dòng)作。

C1:檢查學(xué)生帶桿發(fā)力姿態(tài)，是否隨帶桿力增大，下意識(shí)抵舵、座椅前后、高低是否合適。

C2:著陸配平，過重的帶桿力會(huì)影響學(xué)生對(duì)飛機(jī)下沉趨勢(shì)的判斷。

C3:應(yīng)強(qiáng)調(diào)和示范考慮飛機(jī)高度對(duì)應(yīng)姿態(tài)，下沉趨勢(shì)確定帶桿節(jié)奏。

C4:糾正穩(wěn)桿動(dòng)作，需強(qiáng)調(diào)拉開始后飛機(jī)是一個(gè)減速和能量減小過程，此時(shí)穩(wěn)桿會(huì)讓飛機(jī)迅速下沉導(dǎo)致下降趨勢(shì)難以控制甚至三點(diǎn)接地:即使拉飄，停止帶桿動(dòng)作，隨著速度和能量消耗飛機(jī)也會(huì)伴隨機(jī)頭自動(dòng)下俯迅速下沉，這時(shí)應(yīng)該看清下沉趨勢(shì)增大帶桿量而不是穩(wěn)桿。

D1：在機(jī)場(chǎng)地面設(shè)置醫(yī)療站，對(duì)于受傷人員第一時(shí)間進(jìn)行診斷和治療。

E1：機(jī)務(wù)組全面檢修飛機(jī)結(jié)構(gòu)，并對(duì)存在問題的部件進(jìn)行及時(shí)更換和修復(fù)。

F1：在訓(xùn)練結(jié)束后，加強(qiáng)對(duì)學(xué)員的心理輔導(dǎo)，擴(kuò)大訓(xùn)練間隔，補(bǔ)充休息，減少其精神壓力。

G1：教員及時(shí)提醒并協(xié)助學(xué)員回歸到正確的訓(xùn)練航線上，繼續(xù)進(jìn)行訓(xùn)練。

在構(gòu)建的模型中，直觀展示了引起學(xué)員操縱錯(cuò)誤的3種原因和可能導(dǎo)致的4項(xiàng)后果。而且，結(jié)合資深飛行教員的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出了十余項(xiàng)安全措施，這些措施有多年的理論教學(xué)依據(jù)，具有很強(qiáng)的科學(xué)性和完整性。本文重點(diǎn)在著陸過程中容易發(fā)生重著陸部分的操作建議進(jìn)行了歸納提升總結(jié)，結(jié)合實(shí)飛情況最終確定上述15項(xiàng)安全措施，便于應(yīng)用在實(shí)際飛行訓(xùn)練中從而有效地降低風(fēng)險(xiǎn)，保障飛行安全、延長(zhǎng)訓(xùn)練機(jī)使用壽命。

4 總結(jié)

本文將重著陸事故樹模型轉(zhuǎn)化成貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)員錯(cuò)誤操作對(duì)引起訓(xùn)練中重著陸的巨大影響。后引入Bow-tie模型分析其發(fā)生的原因和可能導(dǎo)致的后果，整合出針對(duì)性較強(qiáng)的相關(guān)措施，對(duì)飛行學(xué)員和教員都提出了相關(guān)的要求，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可在訓(xùn)練中進(jìn)行推廣應(yīng)用，進(jìn)而達(dá)到降低重著陸事故發(fā)生概率的目的，確保飛行教學(xué)在安全的前提下平穩(wěn)進(jìn)行，保證教學(xué)質(zhì)量和訓(xùn)練品質(zhì)，也為下一步研究建立著陸飛行品質(zhì)評(píng)估系統(tǒng)提供理論參考。