基于多因素分析的航班運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系

王巖韜，李 蕊，盧 飛，王皎皎，趙嶷飛

（1.中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院，天津 300300；2.北京首都航空有限公司金鹿公務(wù)機(jī)運(yùn)行控制部，北京101300）

基于多因素分析的航班運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系

王巖韜1，李 蕊1，盧 飛1，王皎皎2，趙嶷飛1

（1.中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院，天津 300300；2.北京首都航空有限公司金鹿公務(wù)機(jī)運(yùn)行控制部，北京101300）

以航班運(yùn)行多因素分析為基礎(chǔ)，使用事故樹分析和基元分析法將簽派放行評(píng)估體系中氣象、航路、機(jī)場(chǎng)、飛機(jī)、機(jī)組等方面的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，利用模糊歸屬函數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系矩陣進(jìn)行運(yùn)算，得出相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的參考值，從而建立了一套適用于多級(jí)指標(biāo)的、實(shí)用性的航班運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系.該體系可大幅減少簽派員的工作負(fù)荷，提高航空公司運(yùn)行安全.最后利用該評(píng)估體系對(duì)國(guó)內(nèi)某航空公司特定航班進(jìn)行了評(píng)估，得到了航班風(fēng)險(xiǎn)值，評(píng)估結(jié)果與飛行、簽派專家判斷一致，驗(yàn)證了評(píng)估方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)的可行性.

多因素分析；航班運(yùn)行；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系；簽派放行；模糊歸屬函數(shù)；風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系矩陣；多級(jí)指標(biāo)

航班運(yùn)行工作的管理綜合性強(qiáng)，信息傳遞繁雜，出錯(cuò)幾率高.目前，國(guó)內(nèi)航空公司的航班運(yùn)行工作依賴于簽派員的水平和經(jīng)驗(yàn)，人為因素影響極其顯著.由于人員的差異化，潛在運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)在數(shù)量上和復(fù)雜度上呈幾何式增長(zhǎng).因此，急需對(duì)現(xiàn)有個(gè)人化的風(fēng)險(xiǎn)控制機(jī)制和手段從根本上進(jìn)行升級(jí)和改造，緩解航班運(yùn)行的安全壓力.對(duì)于航空公司的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，20世紀(jì)80年代末在美國(guó)Wichita州立大學(xué)開發(fā)了Airline Quality Rating（AQR），對(duì)美國(guó)的航空公司質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，其主要依據(jù)旅客的信息和公司結(jié)構(gòu)等，其中安全作為質(zhì)量評(píng)估的內(nèi)容之一[1].中國(guó)民航大學(xué)孫瑞山等[2]基于“人、機(jī)、環(huán)境”系統(tǒng)工程，用定性和定量相結(jié)合的方法建立了航空公司宏觀層面上的安全評(píng)估方法，首次將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作引入航空公司體系中.在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型和方法上，勒慧斌等[3]使用模糊層次分析法來確定安全評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重.陳團(tuán)生等[4]通過改進(jìn)的熵權(quán)法，降低了傳統(tǒng)TOPSIS方法主觀判斷的不確定性和隨意性.馬國(guó)忠等[5]采用模糊綜合評(píng)判方法探討了評(píng)估指標(biāo)體系和評(píng)估方法.曾亮[6]采用層次分析、模糊評(píng)判和加權(quán)平均相結(jié)合的方法，計(jì)算了不安全事件發(fā)生的可能性和后果嚴(yán)重度，建立了民航企業(yè)不安全事件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法.丁松濱等[7]改進(jìn)了航空公司安全系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，提出了基于證據(jù)理論的航空公司安全系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的模型和算法.王永剛等[8]在“可能性”與“嚴(yán)重性”二維風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)上融入了安全管理水平的評(píng)估，提出了三維風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型并確定了評(píng)價(jià)規(guī)則.張?jiān)猍9]建立了民航安全風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)模型，并提出指數(shù)型權(quán)重的概念，用以考慮風(fēng)險(xiǎn)的直接損失和間接損失.葛志浩等[10]以事故統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，根據(jù)獨(dú)立性假設(shè)，推導(dǎo)了飛行風(fēng)險(xiǎn)的概率分布和飛行安全重要指標(biāo)間的關(guān)系.國(guó)內(nèi)學(xué)者在航空公司風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面取得了較大進(jìn)展，但總體尚有不足：①研究面：普遍著眼于航空公司安全文化或安全管理等宏觀層面，而針對(duì)直接影響航空器飛行安全的航班運(yùn)行角度鮮有涉及；②研究方法：由于航空公司工作的復(fù)雜性，模糊數(shù)學(xué)通常是研究此類問題的理想方法.此前研究過程中使用的方法如模糊層次分析、三角模糊數(shù)等，一方面由于計(jì)算量大，在確定權(quán)重時(shí)的判斷指標(biāo)多限于兩級(jí)或三級(jí)指標(biāo)體系，使得評(píng)價(jià)因素過于籠統(tǒng)；更為重要的是，指標(biāo)選取過于理論，與航空公司中飛行員與簽派員日常工作的評(píng)估指標(biāo)出入較大，使得評(píng)價(jià)體系難以實(shí)踐應(yīng)用.本文以每架飛機(jī)執(zhí)行的每一航班任務(wù)為出發(fā)點(diǎn)，將航空公司風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作細(xì)化至航班運(yùn)行層面；在研究方法上，引入中國(guó)民用航空規(guī)章（CCAR）121部中簽派放行的評(píng)估體系[11]，使用模糊歸屬函數(shù)，將各因素評(píng)價(jià)指標(biāo)與航空公司航班運(yùn)行評(píng)估指標(biāo)統(tǒng)一，并采用國(guó)際民航通用的風(fēng)險(xiǎn)矩陣評(píng)價(jià)方式[12]，建立一套適用于多層級(jí)多指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，力求將國(guó)際民航組織與中國(guó)民用航空局力推的安全管理體系實(shí)踐化、可行化.

1 模糊歸屬函數(shù)

民航運(yùn)輸系統(tǒng)是一種動(dòng)態(tài)、多變量、開放的、人為因素起主要作用的復(fù)雜大系統(tǒng).系統(tǒng)不確定的因素多，邏輯關(guān)系復(fù)雜，基本事件的發(fā)生概率難以確定.因此，正如錢學(xué)森教授所指出的，唯一有效處理開放復(fù)雜大系統(tǒng)的方法就是定性和定量相結(jié)合的綜合集成方法.

模糊歸屬函數(shù)是典型的定性和定量相結(jié)合的判斷方法.航空公司飛行和簽派專家可以根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)及認(rèn)知，界定出的不同風(fēng)險(xiǎn)程度的邊界值，再將權(quán)重分配模糊化，建立適用于評(píng)價(jià)航班運(yùn)行的歸屬函數(shù).

假設(shè)機(jī)組風(fēng)險(xiǎn)分為疲勞和經(jīng)驗(yàn)兩個(gè)影響因素，如圖1，兩者皆為終端風(fēng)險(xiǎn)因素.通過疲勞的模糊歸屬函數(shù)和經(jīng)驗(yàn)的模糊歸屬函數(shù)2個(gè)數(shù)學(xué)模型來界定出風(fēng)險(xiǎn)程度，2個(gè)數(shù)學(xué)模型分別如圖2和圖3所示.

圖1 機(jī)組風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系圖Fig.1 Rrew risk diagram

圖2 疲勞模糊歸屬函數(shù)Fig.2 Fatigue fuzzy membership function

圖3 經(jīng)驗(yàn)歸屬函數(shù)Fig.3 Experience fuzzy membership function

此數(shù)學(xué)模型X軸的數(shù)值可由航空公司的飛行數(shù)據(jù)資料庫所提供，單位則根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因素決定，如疲勞根據(jù)執(zhí)勤時(shí)間判定，經(jīng)驗(yàn)則根據(jù)飛行員總飛行小時(shí)數(shù)界定，單位為“h”.X軸邊界點(diǎn)數(shù)值是由航空公司根據(jù)本身情況，由飛行和簽派專家確定.Y軸則代表所屬程度的歸屬度（權(quán)重）.非終端的風(fēng)險(xiǎn)因素則是根據(jù)下一層的風(fēng)險(xiǎn)因素所計(jì)算出的風(fēng)險(xiǎn)值而定.

2 多因素分析

中國(guó)民用航空規(guī)章（CCAR）121部中簽派放行的評(píng)估體系是航班運(yùn)行多因素分析的基礎(chǔ)，而事故樹分析（fault tree analysis，F(xiàn)TA）也是本文安全評(píng)價(jià)的重要分析方法[12].同時(shí)，借鑒基元事件分析法[13]，完善航班運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的多因素分析工作，建立航班運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的結(jié)構(gòu)圖.

圖4給出了航班運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的基本結(jié)構(gòu).航班運(yùn)行總風(fēng)險(xiǎn)包含機(jī)組方面風(fēng)險(xiǎn)（標(biāo)號(hào)C1）、飛機(jī)方面風(fēng)險(xiǎn)（A1）、著陸進(jìn)近階段威脅的風(fēng)險(xiǎn)（S1）.

圖4 航班運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的基本結(jié)構(gòu)Fig.4 Basic structure of flight operation risk

其中，以機(jī)組方面風(fēng)險(xiǎn)程度C1為例，可分解為機(jī)組間配合程度C2、機(jī)組經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰Σ蛔愠潭菴3、機(jī)長(zhǎng)精神壓力程度C4共3個(gè)因素進(jìn)行判斷，如圖5；以機(jī)組經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰Σ蛔愠潭菴3為例，可由機(jī)組經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰Σ蛔愠潭菴5與其他機(jī)組經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰Σ蛔鉉6程度2個(gè)因素進(jìn)行判斷，如圖6；并以此依次類推，可完成簽派放行中所有風(fēng)險(xiǎn)因素的結(jié)構(gòu)分析.

圖5 機(jī)組方面的風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Basic structure of crew aspect

圖6 機(jī)組經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰Ψ矫娴娘L(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Risk structure diagram of crew experience ability

3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系

根據(jù)多因素分析，通過與TJ航空公司和CR航空公司的簽派與飛行專家反復(fù)調(diào)整與修改，評(píng)估指標(biāo)體系內(nèi)化為機(jī)場(chǎng)、飛機(jī)和著陸進(jìn)近階段三大方面風(fēng)險(xiǎn)，60余個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo).

將每一終端因素的風(fēng)險(xiǎn)度分為low、medium、high三級(jí).建立模型，程度為“l(fā)ow”的為Z模型，程度“medium”的為∏模型，程度“high”的為S模型.設(shè)置不同邊界點(diǎn)會(huì)有不同的Z、∏、S模型.中間線性交叉的地方就是模糊處，可以運(yùn)用重心法或線性比例法計(jì)算得出歸屬度.以該機(jī)型的經(jīng)驗(yàn)T10為例，以CCAR121中規(guī)定的機(jī)長(zhǎng)飛行經(jīng)歷時(shí)間為依據(jù)，建立模糊歸屬函數(shù)如圖7所示.

圖7 機(jī)型經(jīng)驗(yàn)的模糊歸屬函數(shù)Fig.7 Crew experience fuzzy membership function

使用風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系矩陣，評(píng)估非終端因素的風(fēng)險(xiǎn)值，定義1為無風(fēng)險(xiǎn)（僅具備潛在風(fēng)險(xiǎn)），定義10為風(fēng)險(xiǎn)最大值.以總風(fēng)險(xiǎn)為例，由一線簽派專家與飛行員確立專家風(fēng)險(xiǎn)矩陣如圖8所示.

圖8 總風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣Fig.8 Total risk assessment matrix

最終層層向上推演得出的結(jié)果，即為航班的總風(fēng)險(xiǎn)值.將風(fēng)險(xiǎn)值分為3個(gè)等級(jí)：風(fēng)險(xiǎn)值1至5之間為“可接受的”；風(fēng)險(xiǎn)值介于5到8之間的為“緩解后可接受的”，風(fēng)險(xiǎn)值大于8的即為“不可接受的”[14].

其中，“可接受的”指航班運(yùn)行各影響因素均符合要求，且有一定的安全裕度；“不可接受的”指不符合民航規(guī)章或運(yùn)行安全有遭遇嚴(yán)重威脅；“緩解后可接受的”指部分因素在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的邊緣，但不確定性強(qiáng).此狀態(tài)可以轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱山邮艿摹保谖礊橛行ｋU(xiǎn)源之前，應(yīng)不予放行.

4 實(shí)證分析

航班信息：航班號(hào)XXX，機(jī)號(hào)/機(jī)型BXXXX/738，定期航班，北京0830-1015浦東，備降場(chǎng)杭州.機(jī)上有VIP.由于當(dāng)日首都機(jī)場(chǎng)下小雪，飛機(jī)出港延誤1個(gè)小時(shí).

機(jī)組信息：

機(jī)長(zhǎng)：XXX，新機(jī)長(zhǎng)，在該機(jī)型的機(jī)長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)僅70小時(shí)，此前執(zhí)飛A320機(jī)型，英語等級(jí)為ICAO四級(jí)，近期一直執(zhí)飛北京到浦東的航班，班表穩(wěn)定.距30天前累計(jì)飛行85小時(shí)，距今365天前累計(jì)飛行700小時(shí).距今最近一次復(fù)訓(xùn)是在4個(gè)日歷月之前.本次航班值勤時(shí)間為6.5小時(shí)，在飛行前從前一天下午4點(diǎn)開始休息，休息時(shí)間為14小時(shí).

副駕駛：XXX，資深副駕駛，在該機(jī)型的經(jīng)驗(yàn)1600小時(shí)，英語等級(jí)為ICAO四級(jí)，距今最近一次復(fù)訓(xùn)是在2個(gè)日歷月之前.距30天前累計(jì)飛行72小時(shí)，距今365天前累計(jì)飛行650小時(shí).本次航班值勤時(shí)間為6.5小時(shí)，在飛行前從前一天下午3點(diǎn)開始休息，休息時(shí)間為15小時(shí).

飛機(jī)信息：沒有與著陸進(jìn)近相關(guān)聯(lián)的MEL項(xiàng)目.

天氣與機(jī)場(chǎng)信息：

ZBAA SA

METAR ZBAA 062300Z 12004MPS 1500-SN FEW020 OVC040 01/M01 Q0997 NOSIG

ZBAA FC

ZBAA 062245Z 070009 15004MPS 1500-SN OVC040 TEMPO 0103 0600 SN BKN040

C1818/11 ZBAA 2011/12/05 00：30-2011/12/09 06：30

18L/36R跑道關(guān)閉因施工.期間航空器可由A8和A9滑行道穿越跑道，A0和A1滑行道禁止穿越跑道.

C1851/11 ZBAA 2011/12/07 05：00-2011/12/09 09：00

RWY01ILS不工作.設(shè)備識(shí)別：INJ頻率：108.5MHZ.

METAR ZSPD 072300Z 31007MPS 1700-RA SCT009 BKN005 09/06 Q1027 NOSIG

ZSPD FC

ZSPD 072247Z 080009 31006G12MPS 1700-RA FEW006 SCT010 OVC033

C3094/11 ZSPD 2011/05/01 23：59-永久

C3094/11 ZSPD

1130-1300 DLY由于機(jī)場(chǎng)特殊活動(dòng)，機(jī)場(chǎng)關(guān)閉.

使用前文建立的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，從終端因素向上逐層計(jì)算，根據(jù)機(jī)組風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣，如圖9所示，機(jī)組方面風(fēng)險(xiǎn)程度即C1風(fēng)險(xiǎn)值=[（6+6）×75%+（7+8）×25%]×50%=6.375，高風(fēng)險(xiǎn)歸屬度為18.75%，中風(fēng)險(xiǎn)歸屬度為81.25%.

圖9 機(jī)組風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣Fig.9 Crew risk assessment matrix

實(shí)例中沒有與著陸進(jìn)近相關(guān)聯(lián)的MEL項(xiàng)，A1= 1，屬于低風(fēng)險(xiǎn)程度；737-800機(jī)型飛浦東沒有任何停機(jī)位等地面保障的限制，A2屬于低風(fēng)險(xiǎn)程度.根據(jù)飛機(jī)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣，如圖10所示，飛機(jī)方面風(fēng)險(xiǎn)程度即A1風(fēng)險(xiǎn)值=1，屬于低風(fēng)險(xiǎn)程度.

圖10 飛機(jī)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣Fig.10 Aircraft risk assessment matrix

根據(jù)進(jìn)近階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣，如圖11所示，著陸進(jìn)近階段威脅即S1風(fēng)險(xiǎn)值=7×30%+9×70%=8.4，屬于高風(fēng)險(xiǎn)程度.

圖11 進(jìn)近著陸階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣Fig.11 Approach and landing phase risk assessment matrix

根據(jù)總風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣，如圖12所示，ALR總風(fēng)險(xiǎn)值=6×18.75%+8×81.25%=7.625.

圖12 樣例總風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣Fig.12 Sample risk assessment matrix

根據(jù)計(jì)算，該航班的風(fēng)險(xiǎn)值為7.625，屬于緩解后可接受的范圍，必須引起簽派員的注意，并盡量采取措施盡可能的降低風(fēng)險(xiǎn).

其中著陸進(jìn)近階段威脅S1的風(fēng)險(xiǎn)程度達(dá)到8.4，達(dá)到不可容忍的范圍，需告警提醒簽派員注意.S1值過大的原因在于著陸標(biāo)準(zhǔn)S7風(fēng)險(xiǎn)值達(dá)到7.4（原因在于能見度處于邊緣），交通擁堵情況S6風(fēng)險(xiǎn)值達(dá)到10.機(jī)組方面風(fēng)險(xiǎn)程度C1達(dá)到6.375，屬于緩解后可接受的范圍.原因在于機(jī)組經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰Σ蛔愠潭菴3風(fēng)險(xiǎn)值達(dá)到7（新機(jī)長(zhǎng)），工作量C14風(fēng)險(xiǎn)值達(dá)到8.4，累積疲勞程度C11風(fēng)險(xiǎn)值達(dá)到7，疲勞程度C7風(fēng)險(xiǎn)值達(dá)到7.

降低風(fēng)險(xiǎn)的措施為更換機(jī)長(zhǎng)，非新機(jī)長(zhǎng)可顯著降低著陸標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)值S7與機(jī)組經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰Σ蛔愠潭菴3風(fēng)險(xiǎn)值.更換新機(jī)長(zhǎng)后，再次計(jì)算，風(fēng)險(xiǎn)值降為3.2，屬于可接受范圍.

且根據(jù)大量案例反復(fù)驗(yàn)證，最終判定此風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系符合飛行和簽派專家的共同判斷，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系有效.

5 結(jié) 論

（1）本文引入CCAR121部中的簽派放行評(píng)估體系，將各因素評(píng)價(jià)指標(biāo)與航空公司航班運(yùn)行評(píng)估指標(biāo)統(tǒng)一.通過梳理風(fēng)險(xiǎn)因素，結(jié)合模糊歸屬函數(shù)與風(fēng)險(xiǎn)矩陣，建立的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系適用于多層級(jí)多指標(biāo)評(píng)價(jià)，具有實(shí)用性.

（2）本文所構(gòu)建的指標(biāo)體系可根據(jù)不同類型、不同大小、不同情況的航空公司進(jìn)行調(diào)整和擴(kuò)展，刪減或增加風(fēng)險(xiǎn)因素均可進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性.

（3）本文中的評(píng)估體系已嵌入CR航空公司的運(yùn)行控制系統(tǒng)中，可對(duì)每一航班進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并以此為長(zhǎng)效機(jī)制，對(duì)體系中不適當(dāng)環(huán)節(jié)持續(xù)改進(jìn)，最大程度地發(fā)揮評(píng)估體系的功效.

（4）由于評(píng)估體系的指標(biāo)眾多，各指標(biāo)間還可能會(huì)相互影響，因此還需進(jìn)一步對(duì)指標(biāo)體系中風(fēng)險(xiǎn)因素的耦合性進(jìn)行分析.

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Risk assessment system of flight operation based on multiple factor analysis

WANG Yan-tao1，LI Rui1，LU Fei1，WANG Jiao-jiao2，ZHAO Yi-fei1
（1.College of Air Traffic Managerment，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China；2.Deer Jet Operation Control Department，Beijing Capital Airlines Co Ltd，Beijing 101300，China）

Based on flight operation multiple factor analysis，through the potential risk analysis and evaluation of the meteorology，air route，airports，aircraft and crew aspects in dispatch release assessment system using fault tree analysis and basic element analysis，utilizing the fuzzy membership function and risk matrix to calculate the reference value of relative risk，a practicable risk assessment system which is applicable to multilevel index is established.This system can largely reduce the work load of dispatchers，improve the airlines′operation safety. An evaluation for one particular flight of certain domestic airline is performed by this assessment system and the flight risk value is obtained，the result is consistent with the judgment of flight and dispatch experts and verify the feasibility of proposed evaluation methods and assessment indexes.

multiple factor analysis；flight operation；risk assessment system；fispatch release；fuzzy membership function；risk matrix；multilevel index

O212.4；V328.1

A

1671-024X（2014）03-0084-05

2013-07-11

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAH24B10）

王巖韜（1982—），男，碩士，講師.E-mail：yt-wang@cauc.edu.cn