終端區飛行沖突事件情景演變網絡構建研究 *

程 明，李憶軒

(中國民航大學 安全科學與工程學院，天津 300300)

0 引言

交叉跑道布局正成為超大型和大型機場發展的趨勢，我國2019年投入運行的北京大興機場和2021年投入運營的成都天府機場都采用了交叉跑道的布局[1]。交叉跑道構型，提高了運行的復雜度和危險性，需要分析機場終端區飛行沖突事件的演變情況，提升運行安全。

國外交叉跑道投入運行較早，機場周邊是大多數危險接近發生和報告的地方[2]。美國聯邦航空局[3](FAA)對報告的危險接進行分類，并提出分類的標準。已有學者在預測飛行軌跡[4]、進近階段危急處置技術[5]、TSAA[6]與TCAS[7]告警、軍民航沖突[8]、復飛[9]、跑道侵入[10]等方面取得了一定的研究成果。

“情景—應對”模式是當前突發事件應急領域的研究熱點。王永明[11]提出了情景構建標準體系建議。郄子君等[12]研究了災害情景及其演化推理的區域建模方法。程明等[13]利用重大飛行事故案例提出了多層次情景空間描述模型。梁文娟等[14]構建了面向航空器飛行事故的“情景-任務-績效”應急模型。針對“臺風”[15]、“LNG船舶港口泄漏”[16]、“化工園區火災”[17]等重大突發事件的情景推演，體現了應用價值。

綜上所述，機場終端區域主要關注提高TCAS等系統的性能對飛行沖突風險進行預防與處置，對于飛行沖突的情景演變機理研究相對較少。本文將以北京大興機場的側向交叉跑道布局為環境，采用復雜網絡理論和情景分析方法，對終端區飛行沖突進行風險分析和情景演化網絡構建，探索研究飛行沖突事件的新思路。

1 方法

1.1 理論方法

1)情景構建理論

本文中“情景”構建，是把同類或相似的案例提煉出不同的情景要素，情景節點、片段，并按照飛行沖突事件的時間序列進行分析，組成情景演變網絡。因案例的局限性和個別信息存在缺失特點，引入不同類型的大量案例訓練模型，提取關鍵詞、邏輯關系，形成網狀結構。

2)復雜網絡理論

復雜網絡基于系統理論、圖論和統計理論，通過建立事故場景，可直觀表征系統結構間的聯系性[18-19]。復雜網絡采用帶權有向無環的稀疏矩陣連通圖G=(V,L,W)描述，適用于研究演變機理復雜、影響因素眾多且相互關系復雜的對象。側向交叉跑道飛行沖突成因多變，演變過程復雜，適用于應用復雜網絡進行研究。其基本概念包括：節點度、度中心性、介數中心性、接近度中心性以及最短路徑等主要參數。

最短路徑是起始事件到達結果事件最快的途徑，邊的權重表示前1節點引發后1節點的難易程度，如式(1)所示：

σst(v)=(V,S,A)

(1)

式中：σst(v)表示2個節點之間的最短路徑；V={v1,v2,v3,…,vn}是節點的集合；S={s1,s2,s3,…,sn}是節點之間邊的集合；A是邊權值的集合。

3)風險熵

飛行沖突事件各節點間的風險傳遞過程具有不確定性，需以概率表征，即邊權值。而復雜網絡路徑搜索算法多是通過遍歷加法運算為基礎。由于概率的不可加性，引入具有可加性的概率風險熵對風險傳遞狀態進行度量[20]。如式(2)所示：

I=-lnp

(2)

式中：I表示風險事件的風險熵；p為風險事件發生的概率。

1.2 側向交叉跑道運行風險分析

飛行沖突情景的初始風險因素的擾動將引發多種風險因子的非線性演變，最終引發飛行沖突。基于前期運行經驗及收集國內外類似運行條件(包括：側向交叉跑道、超大型機場、氣象條件等)的飛行沖突案例數據，側向交叉跑道運行環境下的飛行沖突主要安全風險如表1。

表1 側向交叉跑道機場終端區飛行沖突的主要安全風險Table 1 Main safety risk of flight conflict in terminal area of lateral cross runway airport

1.3 模型構建流程

大興機場交叉跑道進近階段飛行沖突情景演化網絡模型構建的步驟如下：

1)收集整理民航涉及交叉跑道運行的法律法規，分析大興機場運行環境和自然環境相關數據資料。

2)整理2010—2019年飛行沖突事件及其相關事件共4 633起[20]。

其中國內飛行沖突案例71起[20]。此類案例主要選取國內與大興機場運行環境類似，且擁有多條跑道的大型國際機場(例如首都機場)終端區的運輸航空事件。

同時，由于全球范圍交叉跑道沖突案例相對稀少，經檢索各國航空事故事件數據庫獲得交叉跑道運行機場的飛行沖突事故/事件共46起[20]，作為飛行沖突案例的補充數據。

相關事件案例包括中止進近、中斷起飛、跑道不可用、航空器地面活動和無人機等共計5類事件的案例集。

3)構建不同類型案例下的情景組及演化模型，確定演化模型的相關參數，包括節點、邊、權重等。

4)結合導致飛行沖突的主要安全風險(表1)，分析其重要程度，優化網絡參數，并繪制復雜網絡圖。

2 實證分析

2.1 實驗假設

大興機場飛行沖突的實驗背景設定，如下：

1)11L/29R跑道投入運行：使用29R跑道進行落地，進近的航空器中止進近并復飛，其航跡與其他跑道上進行起降的航空器出現航跡交叉，可能導致飛行沖突的風險。

2)模型為有向有權網絡，度最大的節點為涉及飛行沖突事件最多的致因因素。

2.2 模型參數

通過節點即關鍵詞，與邊即關鍵詞之間的邏輯聯系，形成情景演化網絡的粗模型，后通過對節點進行篩選與合并等，多次迭代后，形成優化的情景演化復雜網絡模型(見圖1)，參數如表2所示。

圖1 飛行沖突事件演變復雜網絡Fig.1 Complex network diagram for evolution of flight conflict incidents

表2 模型參數Table 2 Model parameters

優化的結果如表2：

1)模型網絡較為松散，節點相互間的聯系不緊密，少量節點具有較大的度，符合無標度網絡的特征；

2)優化后的網絡平均度為5.017，即每個節點平均與5個其他節點相連，符合復雜網絡的小世界特性；

3)迭代后的網絡平均路徑長度為3.273和網絡直徑為9，均顯著增加，網絡邏輯性增強；同時，平均聚類系數為0.331，節點之間聚集效應有所降低，演化性增強。

3 實驗結果討論

1)度及度分布

飛行運行中，航空器是飛行任務的主要承載體。入度方面，“航空器”入度124,為最大值，可以作為風險演化過程的起始節點。

表3中，多個涉及高度的節點度值較大，結果完全符合飛行沖突發生與高度強相關的實際情況。

表3 節點度及度中心性Table 3 Nodes degree and degree centrality

2)介數中心性

由表4可知，“航空器”和“起飛”節點的介數中心性值最大，表明從這2個節點經過的最短路徑條數最多，在整個網絡的風險傳導過程中起著“起始點”作用，符合現實。

表4 介數中心性Table 4 Betweenness centrality

表4中，節點“高度1 000～2 000 m”、“高度2 000～3 000 m”、“高度3 000～4 000 m”和“高度5 000～6 000 m”的介數中心性明確了飛行沖突發生的最短路徑所涉及的主要高度，對于運行中飛行沖突的預防具有重要的參考。

3)接近度中心性

接近度中心性值反映出節點位于網絡當中的位置，值越大節點越靠近網絡中心，對于實際而言，這類節點與其他節點聯系最多，能夠更快地到達網絡的其他地方。

表5中“下降至5 000 m”的接近度中心性為1，在表3、表4中，節點“高度5 000～6 000 m”也在其中具有較高的重要性，說明在預防飛行沖突事件的過程中應重點關注5 000～6 000 m高度層。

表5 接近度中心性Table 5 Closeness centrality

航空器在運行過程中需要管制人員通過監視雷達對其飛行狀態進行監視，所以“監視雷達”處于網絡重要位置。

“潛在火災或煙霧”、“航跡不穩定”和“GPS間歇性不工作”均與設備故障有關，“緊急定位發射器信號”是在管制員無法聯系到航空器時使用，該節點也與無線電設備故障有關。在介數中心性(表4)的結果中，“發動機故障”在其中具有較高重要性，屬于設備故障。

4)綜合值

本文節點的綜合值定義為度中心性、介數中心性和接近度中心性相加取平均值，以綜合值描述各節點在網絡中的重要程度如表6所示。

從綜合值的結果來看“監視雷達”、“潛在火災或煙霧”、“緊急定位發射器信號”和“航跡不穩定”均與設備故障有關，表明設備故障是導致飛行沖突事件發生的主要致因因素。

高度是導致飛行沖突的重要因素，“高度1 000～2 000 m”在度中心性、介數中心性和綜合值的結果中均有節點涉及。

5)最短路徑

指定“起飛”、“進場”節點作為起始節點，將可能導致飛行沖突發生的風險因素：“中止進近”、“避讓”、“沖突”、“復飛”和“重新進近”節點作為終止點，如表7。采用Dijkstra算法[21]計算飛行沖突情景演化的最短路徑，并引用案例集所在地區的航班起降架次計算風險熵和概率值，結果如表8、表9。

表7 最短路徑的節點標簽Table 7 Node labels of shortest path

表8 邊權值Table 8 Edges weights

表9 最短路徑Table 9 Shortest path

表9結果顯示：

1)進場航空器在高度4 000～5 000 m的下降過程中最容易造成中止進近，起飛航空器的減速最容易引發中止進近；

2)“盤旋等待”最容易導致進場航空器“沖突”，“雷陣雨”最容易導致進場航空器“復飛”，并且“中止進近”和“復飛”具有因果關系；

3)進場航空器在“下降到4 800 m”時有避讓的情況發生，該節點接近高度5 000 m，結合前文，飛行沖突事件的預防應重點關注高度在5 000 m范圍內的情況；

4)起飛過程中“發動機故障”直接造成航空器復飛，在“跑道入口”會直接引發飛行沖突；

5)最短路徑V1→V7的概率為3.39×10-7排在首位，表明起飛過程中導致落地航空器重新進近，最可能引發飛行沖突的風險，而且其概率值處于“偶然的”(1×10-7<1×10-5)等級，結合嚴重度，風險屬于“不可接受”等級[22]。因此，交叉跑道構型的機場終端區應加強對起飛過程中航空器位置的監控，避免飛行沖突情況發生。

4 結論

1)飛行沖突類事件的案例分析、關鍵詞提取、情景演變網絡模型構建所需的過程和繪圖均可由計算機程序完成，當有新的案例引入，或產生新的節點時，模型將自動構建新的網絡。

2)識別出飛行沖突控制的關鍵節點主要為設備故障有關節點，包括“監視雷達”、“潛在火災或煙霧”、“航跡不穩定”和“緊急定位發射器信號”。

3)機場終端區飛行沖突多發的高度，進場為1 000 m及其以下、2 000～3 000 m、3 000～4 000 m；離場為5 000 m附近。

4)最短路徑發生概率最大為：“起飛→重新進近”，概率值為3.39×10-7，實現了對風險等級的量化。