基于不確定理論的飛行員應急操作可靠性分析

摘 要：隨著航空器設計的高度自動化，飛行員的操作任務量越來越少，然而在出現非常規情況時，飛行員的應急操作至關重要。所以，研究分析飛行員在執行緊急任務過程中的操作可靠性意義深遠。本文以不確定理論（UT）為理論依據，在CREAM模型的基礎上建立了飛行應急操作可靠性分析模型，利用基元事件分析方法分析應急操作中的認知行為，并確定任務中相應的失效模式；通過不確定分布理論來修正CREAM中人的常模基本失誤概率，最后利用不確定理論的串聯和并聯原理來量化評價飛行員應急操作的可靠性。

關鍵詞：CREAM；飛行員；不確定理論；人的失誤

“安全”是我們民航系統中永恒的主題，隨著現代大型客機的高度自動化，飛行員在執行飛行任務過程中的操作越來越少。然而，飛機的高度自動化往往會使飛行員養成習慣，疏于對飛機各種狀態的監控，近年來，很多學者在民航人因學方面展開了研究[ 1 ]，通過系統的對比和分析，飛行機組的失誤比例占據了事故主要原因的三分之二[ 2 ]。

通過很多相關文獻的介紹，人因可靠性分析在民航的各個子領域都應用廣泛，尤其是在空管、機務、飛行等等方面，但是人因可靠性分析需要在人的可靠性基本數據的前提上進行分析和處理，縱觀一代人因方法到現在三代人因方法，人的可靠性基本數據仍是缺失嚴重，而且很多現有收集的數據與很多客觀因素（數據收集方式和人的心理狀態）有關 [ 3 ]。通過已有的文獻介紹， CREAM模型中失效模式基本概率值數據是從整個工業環境[ 4 ]采集的，在服務業的民航系統方面應用同樣數據有些牽強。因此，在分析和量化民航人的行為方面采用合適的方法和建模工具勢在必行。

1 不確定理論

不確定理論（Uncertainty Theory，UT）是2007年由清華大學劉寶碇教授提出并建立的。在可靠性技術等眾多領域研究的問題中都存在著主觀的或人為的不確定性[ 5 ]。

不確定理論已成為刻畫這類不確定性問題的一個新的工具，相當一部分的應用成果[ 6-8 ]也已得到學術界的認可。

1.1 不確定分布

不確定理論是用于研究主觀不確定現象。不確定統計主要需要刻畫不確定變量，該變量是在得到專家經驗數據基礎之上，通過經驗不確定分布來進行計算[ 9-11 ]。其公式為：

2 CREAM及其失效模式基本概率

CREAM的側重方向是人在生產活動中的績效輸出不是孤立的隨機性行為，而是依賴于人完成任務時所處的環境或工作條件，人的認知控制模式和其在不同認知活動中的效應受到該環境或工作條件的影響，最終決定人的響應行為[ 12 ]。

飛行員在飛機駕駛艙內的操作行為輸出就收到周圍的環境和工作條件的影響，所以使用該方法對飛行機組操作進行分析。通過對大量事故事件的研讀和分析，從中提煉4個事故和事件，這四個事故事件的特點就是事故原因最后都歸結于飛行機組，同時在響應輸出時受到周圍環境的極大影響，即為：1）民航飛行學院 TB-200型B-8830號飛機重大飛行事故；2）美國航空公司MD-82圣路易斯發動機起火；3）美國西北航空A320著陸時機尾擦地；4）阿斯特賴奧斯航空公司B752客機高空雙發故障[ 10 ]。

CREAM模型中有十多種失效模式，通過對以上事故事件的分析和分解，每個事故或者事件都是以下4種失效模式{O2錯誤辨識（基本概率值為0.07）；I2決策失誤（0.01）；E1動作方式錯誤（0.003）；E2動作時間錯誤（0.003）}系列引起的，之后能以這4種失效模式概率值為未知數列出4個方程，以便求解。

3 駕駛艙環境下的飛行員應急操作可靠性模型

該模型的建立方法是在采用雙線并行的基礎上，一條主線是已CREAM模型的分析過程為引導思路，逐個分析已經選取的事故事件；另一條主線是以民航系統中相關資深飛行員提供的數據為基礎，應用不確定分布來處理數據，以確定飛行員在駕駛艙環境下遇到緊急情況時的可靠度，綜合兩條主線以形成方程組來修正CREAM失效模式基本概率值，最后應用不確定理論的串并聯原理得到飛行員應急操作人誤概率。采用的主要技術路線及各步驟如下（圖1）：

4 飛行員應急操作可靠性分析案例

分析第4個事故（阿斯特賴奧斯航空公司B752客機高空雙發故障[ 10 ]）作為案例進行過程分析和演示，可得到一個方程式，其他3個同樣都會得到對應的方程式。

4.1 分析和構建事件序列

通過對這起事故的分析和分解，根據CREAM的分析過程，得到關于這起事故的認知行為和認知功能關系列表。見圖表1所示。

4.2 CPCs因子確定

根據此次事件報告，對9種CPC因子（1.組織的完善性；2.工作條件；3.人機界面與運行支持；4.規程/計劃的可用性；5.同時出現的目標數量；6.可用時間；7.工作時間；8.培訓和經驗的充分性；9.班組成員的合作質量）進行分析[ 11 ]，其中只有培訓和經驗的充分性最有可能對績效造成影響，要根據分析CPC對于績效可靠性影響可得出相應的權重因子。

4.3 識別認知功能失效模式

通過分析確定5個任務中最有可能的失效模式[ 11 ]，得到如表2所示的認知功能失效模式。

4.4 不確定理論數據處理

在不使用CRAM模型中人的可靠性數據前提下，必須從民航資深飛行專家得到主觀信度，從而才能對事件發生的可能性進行量化，每個專家給出的事件刻度值以及信度值（主觀概率）為專家1給出的五個主管概率值為{（0.1，0.4）（0.3，0.8）（0.5，0.4）（0.7，0.2）（0.9，0.1）（1，0）}；專家2{（0.1，0.3）（0.3，0.9）（0.5，0.6）（0.7，0.4）（0.9，0.2）（1，0）}；專家3{（0.1，0.2）（0.3，0.8）（0.5，0.5）（0.7，0.3）（0.9，0.1）（1，0）}。

該事件的主觀概率值根據專家經驗數據后通過不確定分布而得為P4=0.180。通過同樣的方法確定其他3個事故事件的主觀概率值分別為P1=0.165，P2=0.272，P3=0.250。

將6），7），8），9）組成方程組，以 matlab作為數學計算工具，從而，得到了民航人因系統中的4種失效模式基本概率值，分別為O2錯誤辨識（0.039）；I2決策失誤（0.014）；E1動作方式錯誤（0.00014）；E2動作時間錯誤（0.006）。

4.5 飛行員應急操作人誤概率

該事件的應急操作的邏輯關系（見圖2）：

據此，可得到該事件的可靠性量值為：

通過應用不確定串并聯原理得到該事件的操作可靠度為0.99972，也就是說該事故的其人為失效概率為0.00028，而通過應用CREAM計算駕駛艙失誤概率，飛行員在緊急情況下執行飛行任務操作失效概率都在10-1 ～ -2數量級，通過對專家走訪，實際出現異常情況的數值遠遠要小于這個數量級，所以該結果更具有實際意義。

5 結論

本文對飛行員在駕駛艙環境下的執行緊急任務時的人為因素進行了分析和量化，建構了 挖掘和量化模型。

1）構建了以不確定理論和CREAM方法的飛行員應急操作可靠性模型；

2）模型的建立過程中也得到了一種新的、適合相應系統的人為因素數據收集和量化的方法；

3）得到民航領域人為因素數據后，應用不確定理論串并聯原理計算飛行員人誤差錯概率，更高效地對飛行員應急操作可靠性進行評估。

參考文獻：

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[2] 羅曉利.飛行中人的因素[M].西南交通大學出版社，2002：22.

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[4] 彭錦，劉寶碇.不確定規劃的研究現狀與發展前景[J].運籌與管理，2002，11（2）：1-10.

[5] Baoding Liu， Fuzzy Process， Hybrid Process and Uncertain Process， Journal of Uncertain Systems， Vol.2， No.1， 3-16， 2008.

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[7] Bo Zhang，and Jin Peng，Uncertain Programming Model for Chinese Postman Problem with Uncertain Weights，Industrial Engineering & Management Systems，Vol.11，No.1，18-25，2012.

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[10] 中國民航大學安全科學研究所.世界民航事故調查跟蹤.2010，3（2）.

[11] 孫瑞山，王鑫.CREAM失誤概率預測法在駕駛艙機組判斷與決策過程中的應用.中國安全生產科學技術，2010，12（6）.

[12] 郭永基.可靠性工程原理[M].北京：清華大學出版社，2002：145-149.

作者簡介：王義龍（1988-），男，滿族，遼寧丹東人，中國民航飛行學院，碩士研究生，研究方向：民航安全管理、人為因素。