基于ISM—CRITIC法的通用航空可控飛行撞地影響因素分析*

孫瑞山，占　欣

(1.中國民航大學(xué) 飛行技術(shù)學(xué)院，天津 300300；2. 中國民航大學(xué) 民航安全科學(xué)研究所，天津 300300)

0　引言

可控飛行撞地(Controlled Flight Into Terrain，CFIT)是指一架完全滿足適航要求的飛機(jī)，在非失效、可控的狀態(tài)下撞到地面、山體、水面或其他障礙物而導(dǎo)致的事故[1]。相比于公共運(yùn)輸航空在固定的時(shí)間段內(nèi)將客貨運(yùn)到規(guī)定的目的地即可，通用航空具有飛行高度低、飛機(jī)時(shí)間靈活、在飛行中往往要完成各種飛行作業(yè)任務(wù)的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)往往會增加通用航空不安全事件發(fā)生幾率。中國民航安全辦公室不安全數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明：2006—2015年10 a間中國境內(nèi)共發(fā)生30起通用航空可控飛行撞地事故，其中，50%的事故發(fā)生在巡航/作業(yè)階段，共造成19人死亡和重傷。通用航空可控飛行撞地(General Aviation controlled flight into terrain，GACFIT)往往會造成機(jī)毀人亡的后果，嚴(yán)重威脅通航飛行安全。因此，研究其致因?qū)τ跍p少事故的發(fā)生具有重要的意義。

在航空業(yè)的歷史上，CFIT已成為引起航空重大傷亡事故的重要事件。1974年，近地警告系統(tǒng)(Ground Proximity Warning System，GPWS)被強(qiáng)制要求安裝在大型客機(jī)上，用來告知飛行員飛機(jī)是否已接近地面[2]。自1995年以來，國際民航組織、各國際組織、航空制造廠商和飛行安全基金會利用各種機(jī)會來提高人們對CFIT問題的認(rèn)識，提請注意能夠改善飛機(jī)運(yùn)行安全的措施。自2001年以來，國際民航組織在其附件空中航行服務(wù)程序中納入了一些與預(yù)防可控飛行撞地相關(guān)的規(guī)定。在我國，對CFIT的理論研究和硬件應(yīng)用相對較晚。2002年9月，民航總局批準(zhǔn)頒發(fā)了“地形提示和警告系統(tǒng)規(guī)定”。與此同時(shí)，國內(nèi)外的很多學(xué)者都開展了對CFIT的研究。杜紅兵等[3]運(yùn)用事故樹分析了CFIT的主要原因，用貝里斯網(wǎng)絡(luò)模型對失誤進(jìn)行分析并計(jì)算概率；張曉全等[4]利用功能共振事故模型對CFIT事故進(jìn)行分析，從系統(tǒng)功能性能波動的角度出發(fā)，識別了導(dǎo)致CFIT事故的功能共振和影響功能共振的因素；LOOMIS JP和PORTER RF[5]檢驗(yàn)了GPWS和最低安全高度警告系統(tǒng)(Minimum Safe Altitude Warning，MSAW)這2種告警系統(tǒng)對CFIT的預(yù)防和控制效果。Arthur III J J等[6]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證合成視像系統(tǒng)(Synthetic Vision System ，SVS)可以提高飛行員發(fā)現(xiàn)和避免潛在的CFIT事件的能力。綜合看來，國內(nèi)外對于CFIT的研究大部分集中在公共航空運(yùn)輸領(lǐng)域，而對于通用航空CFIT的研究相對較少。對于CFIT事件的成因，大部分都是直接給出，并未說明依據(jù)且缺少層次性和條理性。

鑒于此，為了更深入地研究GACFIT的影響因素，采用基元事件分析法對2006—2015年間在中國境內(nèi)發(fā)生的30起通用航空可控飛行撞地事故事件進(jìn)行分析，建立通用航空可控飛行撞地影響因素體系；在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用解釋結(jié)構(gòu)模型對這些影響因素進(jìn)行分析，建立層次性的通用航空可控飛行撞地影響因素模型，通過模型進(jìn)而得出影響GACFIT的表層直接原因、中層間接原因和深層根本原因；運(yùn)用CRITIC(Criteria Importance Through Intercriteria Correlation)法進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，得出影響GACFIT的主要因素，為下一步的預(yù)防提供借鑒。

1　基于基元事件分析法的GACFIT影響因素分析

基元事件分析法(Element Event Analysis Method，EEAM)[7]是中國民航大學(xué)安全科學(xué)研究所于1996年提出的，它是在事故鏈的基礎(chǔ)上發(fā)展而形成的。由于航空事故的發(fā)生往往不是由單一原因造成的，基元事件分析法按照特定的“人、機(jī)、環(huán)境”的思想將不安全事件分解成最簡單的“基元事件”，基元事件是構(gòu)成事件鏈的基本環(huán)節(jié)，是1個(gè)導(dǎo)致事故的單因原因，阻斷它就可以預(yù)防事故的發(fā)生。“人、機(jī)、環(huán)境”中“人”指執(zhí)行飛行任務(wù)的人，即飛行機(jī)組；“機(jī)”指飛機(jī)和與飛機(jī)相關(guān)的機(jī)務(wù)維修等，其中包括飛機(jī)維護(hù)人員；“環(huán)境”指所有的飛行環(huán)境，包括自然環(huán)境以及飛行保障的硬環(huán)境和軟環(huán)境。在特定的人、機(jī)、環(huán)系統(tǒng)中，將每起不安全事件按基元事件、責(zé)任者、問題、原因、整改措施進(jìn)行逐級分類。基元事件分析法不僅能夠分析航空事故發(fā)生的原因，還能指出預(yù)防事故的措施，有利于航空安全數(shù)據(jù)庫的建設(shè)，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文采用基元事件分析法，分析了中國民航安全辦公室不安全數(shù)據(jù)庫中2006—2015年10 a間在中國境內(nèi)共發(fā)生的30起通用航空可控飛行撞地事故，總結(jié)并提煉了影響GACFIT事故的15個(gè)影響因素。各因素見表1。

2　GACFIT的層次結(jié)構(gòu)分析

解釋結(jié)構(gòu)模型(Interpretation Structure Model，ISM)[8-9]是現(xiàn)代系統(tǒng)工程中廣泛應(yīng)用的1種分析方法，它是將復(fù)雜的系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng)要素，利用人們的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、知識和計(jì)算機(jī)的幫助，最終構(gòu)成1個(gè)多級遞階的結(jié)構(gòu)模型。ISM的具體操作是用圖形和矩陣來描述各種元素的已知關(guān)系，通過矩陣做近一步的迭算，并推導(dǎo)出結(jié)論來解釋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

2.1　確定各指標(biāo)的相互關(guān)系，建立鄰接矩陣

通過對國內(nèi)16家通用航空公司共32名通航飛行員發(fā)放調(diào)查問卷(其中回收問卷32份，有效問卷29份)，對上述總結(jié)的GACFIT事故15個(gè)影響因素進(jìn)行兩兩比較，確定其二元關(guān)系。若為主要關(guān)聯(lián)關(guān)系用1表示，反之，若不是主要關(guān)聯(lián)關(guān)系用0表示。建立鄰接矩陣A。

圖1　基元事件分析體系結(jié)構(gòu)Fig.1　Element event analys method architecture

表1　通用航空可控飛行撞地影響因素體系

圖2　GACFIT影響因素的解釋結(jié)構(gòu)模型Fig.2　ISM diagrams of GACFIT influencing factors

2.2　生成可達(dá)矩陣

可達(dá)矩陣是用矩陣形式來描述有向連接圖各節(jié)點(diǎn)之間經(jīng)過一定長度的通路后可達(dá)到的程度。根據(jù)布爾矩陣運(yùn)算規(guī)則求得可達(dá)矩陣，即由鄰接矩陣A與單位矩陣I求和，并對(A+I)進(jìn)行冪運(yùn)算，直至(A+I)k-1≠(A+I)k=(A+I)k+1，矩陣M=(A+I)k稱為可達(dá)矩陣[5]。得到的可達(dá)矩陣為M=(A+I)4。

2.3　分解可達(dá)矩陣，進(jìn)行級位劃分

從可達(dá)矩陣中找出可達(dá)集和前因集，可達(dá)集R(Si)表示要素Si出發(fā)可到達(dá)的全部要素集合，前因集A(Si)表示可到達(dá)要素Si的全部要素集合，可達(dá)集和前因集的交集記為：C(Si)=R(Si)∩A(Si)，如表2所示。

級位劃分即確定各要素所處的層次地位。為此，令L0=φ(最高級要素集合為L1，設(shè)零級L0為空集)，則有

L1={Si|Si∈P-L0,C0(Si)=R0(Si),i=1,2,…,n}

L2={Si|Si∈P-L0-L1,C1(Si)=R1(Si),i

?

Lk={Si|Si∈P-L0-L1…Lk-1,Ck-1(Si)=Rk-1(Si),i

式中：P表示所有因素的集合，L1,L2,…,Ln表示從高到低的各級要素集合。

按照上述規(guī)則，分解可達(dá)矩陣M得到第一級因素L1={4,5,6,7,9,10,13,15}，劃去M中第一級因素對應(yīng)的行和列后，重復(fù)上述的運(yùn)算，得到第二級因素L2={1,2,8,11,12}，依次類推，得到L3={3,14}。

2.4　生成解釋構(gòu)模型

用上述方法進(jìn)行分析和整理，得出GACFIT影響因素的ISM圖，如圖2所示。

3　確定GACFIT影響因素權(quán)重

常見的客觀賦權(quán)法主要有3種：熵權(quán)法、標(biāo)準(zhǔn)離差法和CRITIC法。熵權(quán)法[10]首先計(jì)算指標(biāo)的信息熵，如果某個(gè)指標(biāo)的信息熵越小，表示該指標(biāo)取值差距越大，包含信息量越多，其權(quán)重也就越大，反之信息熵越小，表示該指標(biāo)對結(jié)果的影響程度越小。標(biāo)準(zhǔn)離差法[11]通過衡量指標(biāo)的變異程度，計(jì)算指標(biāo)各數(shù)據(jù)離平均數(shù)的距離，來表示數(shù)據(jù)的離散程度。CRITIC法[12-13]通過評價(jià)指標(biāo)的變異大小和指標(biāo)間的沖突性，來綜合衡量指標(biāo)的客觀權(quán)重。變異大小表示同一指標(biāo)取值差距的大小，用標(biāo)準(zhǔn)差來表現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)差越大說明反映的信息量越大，權(quán)重越大；指標(biāo)之間的沖突性，以其相關(guān)性為基礎(chǔ)。若2個(gè)評價(jià)指標(biāo)之間具有較強(qiáng)的正相關(guān)性，則這2個(gè)指標(biāo)的沖突性較低。由于熵權(quán)法和標(biāo)準(zhǔn)離差法只考慮了指標(biāo)值的變異程度，而GACFIT影響因素間具有一定的相關(guān)性，因此，CRITIC法得到的結(jié)果比其他2種客觀賦權(quán)法更客觀。

表2　可達(dá)集和前因集

根據(jù)表3的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用CRITIC法對GACFIT影響因素進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，最后得出GACFIT影響因素的權(quán)重排序。其計(jì)算步驟如下。

3.1　對數(shù)據(jù)無綱化處理

若對某事件，第j個(gè)影響因素?cái)?shù)量越低越好，則采用公式：

(1)

進(jìn)行無綱化處理。式中：standad_resultij表示無綱化后的數(shù)據(jù)，fij表示第i個(gè)5a內(nèi)第j個(gè)因素發(fā)生的次數(shù)，i=1,2;j=1,2,…,15。無綱化處理的數(shù)據(jù)如表4所示。

表4　數(shù)據(jù)的無綱化

3.2　求相關(guān)系數(shù)，建立相關(guān)系數(shù)矩陣

相關(guān)系數(shù)是用來反應(yīng)變量之間關(guān)系密切程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，其計(jì)算公式為：

(2)

式中：rij表示影響因素i和j之間的相關(guān)系數(shù)。

將數(shù)據(jù)帶入公式(2)中得相關(guān)系數(shù)矩陣R。

3.3　求影響因素包含的信息量Cj

Cj表示第j個(gè)影響因素所包含的信息量，其計(jì)算公式為：

(3)

式中：δj表示第j個(gè)指標(biāo)影響因素的標(biāo)準(zhǔn)差。

通過SPSS軟件求得：δj=[1.41，1.41，0.71，0.71，1.41，1.41，0.71，0.71，0.71，0.71，0.71，1.41，0.71，0.71 2.12]，進(jìn)而求得Cj=[19.80，22.63，11.31，11.31，19.80，22.63，9.90，11.31，9.90，11.31，11.31，19.80，9.90，9.90，29.70]

3.4　根據(jù)Cj求影響因素權(quán)重

一般Cj越大，第j個(gè)影響因素所包含的信息就越大，則其相對的重要性就越大，權(quán)重計(jì)算公式為

(4)

式中：wj表示第j個(gè)影響因素的權(quán)重。

通過計(jì)算得權(quán)重集為：W=[0.09,0.10,0.05,0.05,0.09,0.10,0.04,0.05,0.04,0.05,0.05,0.09,0.04,0.04,0.13]，進(jìn)而可得：

w15>w2=w6>w1=w5=w12>w3=w4=w8=w10>w11>w7=w9=w13=w14。

4　GACFIT事件的預(yù)防

通過ISM分析可得，影響GACFIT事件的深層根本原因是疲勞駕駛、公司違規(guī)違法組織飛行。通過CRITIC法分析可得：公司飛行保障不利和組織混亂、機(jī)組航前準(zhǔn)備不足、機(jī)組安全意識淡薄、機(jī)組駕駛技能不足、機(jī)組違反標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行程序是影響通用航空可控飛行撞地的主要因素。針對這7個(gè)影響因素，提出如下預(yù)防措施：

1)良好的身心狀態(tài)，科學(xué)合理的排班是預(yù)防駕駛疲勞的重要措施。疲勞駕駛主要受飛行環(huán)境、作業(yè)任務(wù)、飛行員的身心狀態(tài)等因素的影響。良好的身心狀態(tài)可以提高飛行員在飛行過程中的警覺性和反應(yīng)能力。科學(xué)合理的排班制度，可以保證飛行員充足的睡眠和保持充沛體力和精力。

2)合理合法的組織飛行是安全飛行的底線。航管部門應(yīng)健全通用航空違規(guī)違法飛行排查機(jī)制，加強(qiáng)對通航各類違法違規(guī)飛行行為的排查和處罰力度。鼓勵(lì)單位和個(gè)人對違法違規(guī)飛行行為的舉報(bào)。

3)做好飛行計(jì)劃，加強(qiáng)組織建設(shè)。通用航空公司工作流程是：通航公司向航務(wù)管理部門申報(bào)飛行計(jì)劃，獲批后在飛行前1日將飛行計(jì)劃申報(bào)給民航地區(qū)管理局和相應(yīng)的機(jī)場。空管部門將飛機(jī)計(jì)劃報(bào)給軍航管制單位，并將申報(bào)結(jié)果告知通航公司。相關(guān)機(jī)場負(fù)責(zé)飛機(jī)的場地保障、航務(wù)保障和燃油供應(yīng)。做好飛行計(jì)劃有利于通航公司有條不紊的開展作業(yè)任務(wù)，為公司的安全飛行提供很好的保障基礎(chǔ)。同時(shí)還要加強(qiáng)通航公司的組織建設(shè)，做到各部門職責(zé)明晰，分工明確，加強(qiáng)公司的制度建設(shè)，完善、健全公司制度。

4)做好航前準(zhǔn)備，做到心中有數(shù)。機(jī)組在飛行前要做好相應(yīng)的準(zhǔn)備工作，檢查和確認(rèn)飛機(jī)的適航性，要及時(shí)準(zhǔn)確完整的獲取航行情報(bào)服務(wù)和天氣氣象預(yù)報(bào)。在復(fù)雜地形和低空飛行的作業(yè)環(huán)境中要提前了解地形環(huán)境，做好標(biāo)記和記錄，在整個(gè)飛行階段中，機(jī)組始終要做到心中有數(shù)。努力落實(shí)好“預(yù)先準(zhǔn)備、直接準(zhǔn)備、飛行實(shí)施和飛行后講評”飛行4個(gè)階段的工作。

5)學(xué)習(xí)和遵守各項(xiàng)安全法規(guī)是保障飛行安全的基礎(chǔ)。通航公司要加強(qiáng)對機(jī)組的安全教育，做好公司安全文化的建設(shè)。機(jī)組人員要養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)、有序的工作作風(fēng)，定期學(xué)習(xí)通航安全法規(guī)。

6)精湛的飛行技術(shù)是保障飛行安全的必要條件。通用航空飛行是1項(xiàng)技術(shù)性很強(qiáng)的工作，飛行員在空中既要兼顧飛機(jī)飛行，同時(shí)還有完成各項(xiàng)飛行作業(yè)任務(wù)，對飛行員的飛行技術(shù)提出了很高的要求。因此，要有針對性的加強(qiáng)對飛行員的飛行訓(xùn)練。

7)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行程序是飛行安全的重要保障。飛行員在飛行過程中要嚴(yán)格遵守標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行程序，包括公司和行業(yè)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。由于通航飛行具有速度小、高度底的特點(diǎn)，大多數(shù)通航事故都是由于飛行員違反飛行高度而引起的，所以在飛行過程中切記不要違反高度標(biāo)準(zhǔn)。通航公司要做好機(jī)組安全飛行檔案記錄，將標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行程序的執(zhí)行情況納入到機(jī)組的安全績效考核當(dāng)中。

5　結(jié)論

1)從機(jī)組、飛機(jī)、自然環(huán)境、飛行保障環(huán)境等4個(gè)方面構(gòu)建了通用航空可控飛行撞地影響因素體系。

2)通用航空可控飛行撞地ISM模型闡釋了各影響因素間的層次關(guān)系。影響GACFIC事件的表層直接原因分別是注意力分配不當(dāng)、違反標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行程序、安全意識淡薄、應(yīng)急能力弱、導(dǎo)航設(shè)備失效、發(fā)動機(jī)失效、其他天氣意外、飛行保障不利和組織混亂；中層間接原因分別是駕駛技能不足、航前準(zhǔn)備不足、機(jī)組資源管理欠缺、地形復(fù)雜、能見度和光線刺激；深層根本原因分別是疲勞駕駛、公司違規(guī)和違法組織飛行。

3)影響通用航空可控飛行撞地事件發(fā)生的主要因素分別是飛行保障不利和組織混亂、航前準(zhǔn)備不足、安全意識淡薄、駕駛技能不足和違反標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行程序。

[1]Controlled Flight Into Terrain Accident Analysis Report[R]. International Air Transport Association，2014.

[2]A Study of Terrain Awareness Warning System Capability and Human Factors in CFIT Accidents 2005-2014[R]. International Air Transport Association，2015.

[3]杜紅兵,王雪莉. 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的可控飛行撞地事故原因分析方法[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2009，9(5):136-139.

DU Hongbing，WANG Xueli. Cause analysis of the controlled flight into terrain based on the Bayesian network[J].Journal Safety and Environment，2009，9(5):136-139.

[4]張曉全，吳貴鋒. 功能共振事故模型在可控飛行撞地事故分析中的應(yīng)用[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2011，7(4):65-70.

ZHANG Xiaoquan，WU Guifeng. Application of FRAM model in CFIT accident analysis[J].China Safety Science Journal，2011，7(4):65-70.

[5]LOOMIS J P, PORTER R F. The performance of warning systems in avoiding controlled-flight-into-terrain accidents[J]. Aviation Space & Environmental Medicine, 1982, 53(11):1085.

[6]ARTHUR III J J, PRINZEL III L J, KRAMER L J, et al. CFIT prevention using synthetic vision[C]// SPIE.Enhanced and Synthetic Vision 2003. Bellingham: SPIE，2003: 146-157.

[7]劉漢輝，孫瑞山，張秀山. 基元事件分析法[J]. 中國民航大學(xué)學(xué)報(bào)，1997(3):1-9.

LIU Hanhui，SUN Ruishan, ZHANG Xiushan.A method of basic element analysis of aviation acci-dents[J].Journal of Civil Aviation university of China,1997(3):1-9.

[8]田水承，梁清，馬文賽，等. 煤礦瓦斯爆炸險(xiǎn)兆事件致因模型構(gòu)建[J]. 煤礦安全，2017，48(4):226-229，233.

TIAN Shuicheng，LIANG Qing，MA Wensai，et al. Causal model construction of coal mine gas explosion near-miss accidents[J].Safety in Coal Mines，2017，48(4): 226-229，233.

[9]BEIKKHAKHIAN Y, JAVANMARDI M, KARBASIAN M, et al. The application of ISM model in evaluating agile suppliers selection criteria and ranking suppliers using fuzzy TOPSIS-AHP methods[J]. Expert Systems with Applications, 2015, 42(15): 6224-6236.

[10]趙志峰,文虎,樊恒,等.粗糙集和熵權(quán)計(jì)算法在多因素指標(biāo)評價(jià)中的應(yīng)用[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2017，13(9): 180-184.

ZHAO Zhifeng，WEN Hu，F(xiàn)AN Heng，et al. Application of rough set and entropy weight calculation method in the multi-factor index evaluation[J].Journal of Safety Science and Technology,2017,13(9):180-184.

[11]孫捷. 組合賦權(quán)法在線性工程線路方案環(huán)境比選中的應(yīng)用[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2012,35(7):202-205.

SUN Jie.Application of combination weighting method for environmental comparison and selection of Line schemes in linear engineering[J]. Environmental Science & Technology, 2012, 35(7):202-205.

[12]DIAKOULAKI D，MAVROATAS G, PAPAYANNAKIS L. Determining objective weights in multiple criteria problems: The critic method[J]. Computers & Operations Research，1995, 22(7):763-770.

[13]王昆, 宋海洲. 三種客觀權(quán)重賦權(quán)法的比較分析[J]. 技術(shù)經(jīng)濟(jì)與管理研究, 2003(6):48-49.

WANG Kun，SONG Haizhou. A comparative analysis of three kinds of objective weighting method [J]. Technoeconomics & Management Research, 2003(6): 48-49.