基于貝葉斯網絡的通用航空安全風險評估研究?

（南京航空航天大學 南京 211106）

1 引言

通用航空業是以通用航空飛行活動為核心，涵蓋通用航空器研發制造、市場運營、綜合保障以及延伸服務等全產業鏈的戰略性新興產業體系，具有產業鏈條長、服務領域廣、帶動作用強等特點。但通用航空具有飛行高度低、飛行速度慢、作業空域廣、作業環境復雜、依賴目視飛行等諸多特點，導致通用航空安全態勢嚴峻。與通用航空的快速發展相比較，通用航空業的安全態勢嚴峻。相關數據表明，在通航快速發展的同時，安全生產作業飛行小時反而下降，安全態勢嚴峻，如不采取有效措施，扭轉這種安全形勢，將對通用航空發展帶來的影響。針對通用航空的情況，2017年2月3日，國務院辦公廳印發了《安全生產“十三五”規劃》，通用航空部分明確指出“規范通用航空作業管理，完善安全管理機制”。

如何分析和評估通用航空航空風險也是國內外研究的熱點之一。Xue YjY，Fu G采用瑞士奶酪模型分析通用航空安全風險，能夠揭示出事故數據之后所蘊含的信息。Patriarca R，Di Gravio G，Cio?ponea R&Licu A認為應該注重差異性和變化對安全的影響，這一點尤其適合于通過運輸航空安全，研究通用航空安全問題。于思璇研究了通用航空安全風險，運用深度學習方法進行了通用航空安全風險建模。張攀科、羅帆為探析安全監管機構、通用航空企業、作業層員工在通用航空安全監管中的策略選擇規律，基于三方互動關系的概念模型，構建通用航空安全監管演化博弈模型，并分析其穩定策略。周長春、蔣瀾、趙新宇對飛行品質監控進行了分析，完成了通用航空飛行品質監控的實施。郝愛民、魏亞飛、余月圓通過對通用航空業較為發達的美國、澳大利亞、加拿大的通用航空產業安全管理體系進行分析，從完善通用航空安全法律法規、健全政府安全監管機構、增強通用航空基礎設施建設和加強專業人才培訓等方面提出我國構建通用航空安全管理體系的對策建議。

2 通用航空安全問題

與運輸航空相比，具有其自身安全規律和特點，主要表現在以下幾方面：

1）通用航空所使用的航空器機型繁多，飛行任務時間不定，并且飛行高度差異較大，飛行任務多樣化；

2）通用航空保障條件和作業環境復雜，涉及安全問題眾多，必須采用系統工程方法加以識別、分析和控制；

3）飛行高度低、飛行速度慢、依賴目視飛行、飛機可靠性較大飛機低；

4）通航飛行任務的復雜性和多樣性，導致飛行員壓力大，易疲勞等；

5）通用航空企業規模較小，抗風險能力低，企業安全管理體系不健全，導致通用航空飛行事故和事故征候高于運輸航空；

6）通用航空法規的適應性。通用航空法律法規體系有別與一般運輸類航空，因此不能一概而論，要將通用航空法規體系從現有的航空規章體系中剝離出來，這在一定程度上增加了安全風險。

3 通用航空安全風險分析

通用航空安全的影響因素，包括人、機、環境與管理，涉及到通用航空器可靠性、飛行安全、通用機場安全、面向低空空域的空管安全、通航維修保障安全及通用航空安全監管安全等諸多領域。

1）通用航空飛行安全

通用航空飛行安全受到飛行員人為因素、通用航空器可靠性、通航設施、飛行情報和氣象條件及地理環境影響。

2）通用機場安全

通用航空機場安全管理是安全管理的重要組成部分，通航機場區域范圍內的安全和管理，尤其是飛行區、油庫區、維修區等敏感區域的安全管理，直接關系到空中飛行安全和地面保障的政策允許。

3）面向低空空域的空管安全

低空空域開放不足是制約我國通航發展的政策痛點，也是目前空域改革的主要突破口。影響因素主要包括：現行的低空空域法規及管理、監控技術與基礎設備、低空空域管理審批與協調、低空空域管理機制與管制隊伍規模和航務人力資源等。

4）通用航空器維修保障安全

航空器維修目標是保障航空器滿足適航性要求和處于安全運行。影響通用航空器維修保障安全的影響因素包括通用航空器機型種類、通航作業種類、維修企業規模小，維修設施設備、通用行業維修能力及通航維修從業人員數量。

5）通用航空安全監管

借鑒美國等通用航空發達國家經驗，有效的航空安全監管，對于保障通用航空安全發揮了作用。影響通用航空安全監管主要因素包括安全監管的法規和體系標準的缺失及安全監管模式規范性的缺失。

4 基于貝葉斯網絡的通用航空安全風險建模

4.1 通用航空安全風險建模方法選擇

通用航空安全風險受到多種因素的綜合作用，涉及到通用航空器的可靠性、通用航空的飛行安全、通用機場安全、面向低空空域的空管安全之間等因素，且邏輯關系復雜。貝葉斯網絡方法又被稱做概率因果網絡，其理論是概率分析、圖論和貝葉斯方法，這就決定了這種方法可以用圖形的方式表示變量之間的關聯關系，形象直觀，而采用貝葉斯方法決定了其可以處理小樣本信息，并可以對不同來源的信息加以融合處理，這也符合通用航空產業發展發展初期，數據不完備，主觀和客觀信息均需要共同使用，加以推斷。

貝葉斯網絡的建模包括定性建模和定量建模兩個部分，其中定性建模就是采用邏輯推理方式獲取的要素之間的邏輯關系，定量建模主要是通過確定貝葉斯網絡圖中各根節點的先驗概率和各子節點的條件概率共同確定。

4.2 貝葉斯網絡風險仿真建模流程

貝葉斯網絡由節點和有向弧構成，針對通用航空安全風險進行評估建模中，貝葉斯網絡中的節點表示通用航空安全風險影響因素，第3節中本文提出的通用航空安全影響因素及通用航空安全風險，有向弧表明通用航空安全風險影響因素彼此之間的關聯關系及與安全風險之間映射關系，共同構成了貝葉斯網絡的拓撲結構。貝葉斯網絡的賦值包括各根節點的賦值和子節點的條件概率賦值，在此基礎上就可以統計推斷計算得到通用航空安全風險評估。基于貝葉斯網絡的通用航空安全風險評估如圖1所示。

圖1 基于貝葉斯網絡的通用航空安全風險評估流程圖

4.3 通用航空安全風險評估的貝葉斯網絡拓撲結構

依據第3節確定的通用航空安全影響因素，本文在分析通用航空安全風險規律的基礎上，繪制通用航空安全風險貝葉斯網絡拓撲結構如圖2所示。

圖2 通用航空安全風險貝葉斯網絡拓撲結構圖

5 算例

為說明本方法的應用，本文收集了2015年～2019年通用航空安全事故及不安全事件數據，依據事故（征候）原因分析，對比通用航空運行數據，初步確定各根節點發生風險的概率。對于各子節點的條件概率，以根節點有風險和正常兩種狀態為例，需要確定2n個條件概率，本文中條件概率的確定采用靈敏度分析方法，測算對輸出結果影響比較大的條件概率，加以精確確定，而對于結果影響不大的條件概率，則結合專家經驗加以確定。表1給出了通用航空安全評估建模中各節點的符號表。

表1 通用航空安全風險評估變量符號及說明

根據確定的貝葉斯網絡拓撲結構和概率取值，整個貝葉斯網絡的推斷過程和評估結果如表2所示。

由圖2所示，本文可以得到以下結論。

1）通用航空安全風險作用機制復雜，實際的安全風險是多種風險要素相互作用的結果，表現在安全風險具有非線性的特點。

2）從整個通用航空安全風險評估來看，整個風險的形成過程具有傳遞性，隨著風險傳遞的鏈條越長，其導致風險的概率越大。

3）從各種通用航空安全風險來看，影響該種風險的要素要多，導致風險的概率越大。

4）從目前通用航空安全來看，低空空域安全風險更為突出，安全監管風險不僅可以單獨導致通用航空安全風險，還有可能誘發其他類型的通用航空安全風險，因此加強通用航空監管風險意義重大。

6 結語

本文討論了通用航空安全對于保障和推動通用航空產業發展的重要作用。分析了通用航空安全與運輸類通用航空安全的不同，分析了通用航空安全的影響因素，研究了各影響因素彼此之間的關聯及與通用航空安全風險之間的關系，通過采集近5年的通用航空不安全事件數據，及通過專家經驗獲取條件概率，推斷通用航空安全風險，評估通用航空安全風險水平，對于針對性的加強通用航空安全風險管理具有重要意義。