基于BN和Bow-tie模型的飛行訓(xùn)練重著陸風(fēng)險研究

翟羽佳， 杜冬， 邢苗英， 劉國建

(中國民用航空飛行學(xué)院， 民航飛行技術(shù)與飛行安全科研基地， 四川， 廣漢 618300)

0 引言

波音公司在2017年發(fā)布《1959—2016年全球商用噴氣式飛機(jī)事故統(tǒng)計》[1]，報告顯示2007—2016年發(fā)生的飛行事故都集中在進(jìn)近著陸階段，在飛行訓(xùn)練過程中同樣如此。重著陸是指飛機(jī)在著陸接地時垂直加速度超過飛機(jī)所給定的閾值[2]，過大的垂直加速度會對機(jī)身和飛行人員造成安全隱患。目前學(xué)者們對重著陸風(fēng)險的研究主要集中在著陸風(fēng)險預(yù)警、風(fēng)險分析和風(fēng)險評估這幾個方面。陳思等[3]在傳統(tǒng)的支持向量機(jī)模型基礎(chǔ)上，采用粒子群優(yōu)化參數(shù)尋優(yōu)改進(jìn)，實現(xiàn)重著陸風(fēng)險預(yù)警。Ding等[4]應(yīng)用4種分類算法、9種比較度量，設(shè)計了一個通用的評價框架，結(jié)合QAR數(shù)據(jù)集運用7種經(jīng)典特征去預(yù)測重著陸。劉軍凱[5]運用SHELL模型從識別出重著陸的風(fēng)險因素,再通過風(fēng)險矩陣對各風(fēng)險進(jìn)行風(fēng)險評估，最終提出建議措施。但是這些研究的內(nèi)容都集中于運輸航空方面，而對于飛行訓(xùn)練方面相關(guān)研究仍然空缺。鑒此，本文結(jié)合貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和Bow-tie模型對飛行訓(xùn)練中的重著陸的成因進(jìn)行研究和分析，根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的預(yù)防措施來減少事故的發(fā)生概率，以及采用控制措施降低事故發(fā)生后的不利影響，對提高飛行訓(xùn)練品質(zhì)具有重要意義。

1 事故樹模型

事故樹分析法(FTA)從多方面(如人、環(huán)境、軟硬件等)角度出發(fā)，梳理它們和事故之間的關(guān)系，繪制一個帶有邏輯關(guān)系且類似于樹狀的圖形，即事故樹模型。根據(jù)飛行訓(xùn)練的實際情況統(tǒng)計分析，結(jié)合FTA理論，本文從人、機(jī)、環(huán)3個角度出發(fā)，繪制故障樹如圖1所示。其中，各項事件符號含義如表1所示。

圖1 飛行訓(xùn)練重著陸事故樹

2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

2.1 事故樹模型向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)化

轉(zhuǎn)化工作的重點和難點就是要深刻的理解2個模型之間的局部和整體的對應(yīng)關(guān)系，即建立頂事件、中間事件、基本事件加上邏輯門與網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[6]科學(xué)系統(tǒng)地論述FTA向BN轉(zhuǎn)化的辦法包括事件、邏輯門與節(jié)點的映射關(guān)系、邏輯關(guān)系(與、或)與條件概率分布的映射關(guān)系。結(jié)合文獻(xiàn)研究總結(jié)，確定轉(zhuǎn)化步驟如圖2所示，最終繪制出貝葉斯網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

表1 基本事件釋義及發(fā)生概率

圖2 FTA-BN的轉(zhuǎn)化

圖3 重著陸貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

各步驟具體解釋如：① 找到事故樹的各個基本事件，在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中建立一個根節(jié)點，使其一一對應(yīng)。若出現(xiàn)重復(fù)事件即合并為一個節(jié)點。② 將事故樹中相應(yīng)的各個基本事件，根據(jù)統(tǒng)計分析得到其發(fā)生的概率，確定BN中根節(jié)點的先驗分布。③ 根據(jù)事故樹中的邏輯門關(guān)系，將輸入事件對應(yīng)的節(jié)點連接到其所在邏輯門對應(yīng)的節(jié)點，使得BN中節(jié)點相連接并表明父子事件關(guān)系。④ 根據(jù)事故樹的邏輯門，確定BN中的連接強(qiáng)度(條件概率分布)。

2.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[7]是一個有向無環(huán)圖，主要包括代表變量的節(jié)點和鏈接這些節(jié)點的有向邊，是一種概率推理的數(shù)學(xué)模型，表示變量之間互相依賴的關(guān)系。通過利用已獲得的變量信息來計算求解未知變量的概率，根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和條件概率表我們可以快速求出每個基本事件(所有屬性值的一個集合)的概率[8]，根據(jù)其數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)得后驗概率的計算方法如式(1)：

(1)

式中，et表示節(jié)點E對應(yīng)的事件是否發(fā)生(如不發(fā)生用0表示，如發(fā)生用1表示)，P(Es=et)表示在et狀態(tài)下(發(fā)生或不發(fā)生)對應(yīng)事件(節(jié)點Es所對應(yīng))的發(fā)生概率；節(jié)點Er對應(yīng)的事件的先驗概率即式中的P(Er)，P(Es=et|Er)表示節(jié)點Er對應(yīng)的事件發(fā)生前提下節(jié)點Es對應(yīng)事件為et狀態(tài)的概率。因為本文中涉及的邏輯門連接方式為與門、或門，較為簡單，所以采用式(2)、式(3)的算法進(jìn)行計算頂事件的發(fā)生概率。

P(M)=P(X1)×P(X2)

(2)

P(M)=1-[1-P(X1)]×[1-P(X2)]

(3)

式(2)表示用與門連接的2個基本事件X1和X2，它們的頂上事件M的發(fā)生概率。式(3)表示或門連接的2個基本事件X1和X2，它們的頂上事件M的發(fā)生概率。根據(jù)某飛行隊伍的歷史訓(xùn)練數(shù)據(jù)得到基本事件的發(fā)生概率結(jié)果見表1。

采用本小節(jié)所述方法以飛行訓(xùn)練中的重著陸作為頂事件，利用所繪制的BN圖，假設(shè)在頂事件已經(jīng)發(fā)生的情況下，可根據(jù)式(2)、式(3)逆向求得任意基本事件的發(fā)生概率，幫助我們從逆向角度去推斷各基本事件的相對重要性，并研究它們在發(fā)生與不發(fā)生情況下對頂事件是否發(fā)生的不同影響。利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析軟件GeNIE計算后得到后驗概率的排序結(jié)果如：X8>X6>X5>X7>X13>X2>X14>X15>X1>X4>X12>X3>X11>X16>X10>X17>X9。通過觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn)，X5、X6、X7、X8、X11、X13等對頂事件發(fā)生的影響較大和先驗概率大致上相同。結(jié)合先驗概率的分步，不難發(fā)現(xiàn)后驗概率較一定程度上受先驗條件的影響，因為所有的基本事件對于的都是同一個頂事件，P(Es=et|Er)和后驗概率兩者成正比關(guān)系，再因其概率大小主要是受邏輯門連接方式及連接中所包含的基本時間的數(shù)量來決定，與或門連接時做比較，它的值在邏輯門為與門連接時將變大，而數(shù)量越多的基本事件在一個連接中會降低該值。

2.3 基本事件重要度分析

重要度分析在概率安全評估中起到重要作用，它能夠分析事故樹底事件(基本事件)，根據(jù)其概率的變化得出后果(頂事件)發(fā)生概率的變化，進(jìn)而提出針對性措施改進(jìn)，最大限度地避免風(fēng)險事件的發(fā)生，本文采用Birnbaum提出的概率重要度進(jìn)行綜合分析。Birnbaum measure(BM)重要度用于衡量可靠度(即基本事件)變化對系統(tǒng)可靠度(頂事件)變化的影響程度，主要表達(dá)式如式(4)～式(6)：

(4)

(5)

(6)

式中，P(outcome=j|ei=1)表示如果某一個基本事件發(fā)生后其頂事件的發(fā)生概率。P(outcome=j|ei=0)表示頂事件在基本事件不發(fā)生的條件下發(fā)生的概率，BM重要度表示基本事件的發(fā)生，能增加多少頂事件發(fā)生的概率增加量。通過上面小結(jié)的分析討論，結(jié)合各個基本事件的后驗概率和先驗概率，結(jié)合本小節(jié)公式計算所需基本事件的重要度數(shù)值，在分析時把它們按照人、機(jī)、環(huán)3個類別進(jìn)行分析。經(jīng)計算后結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)人因類別的重要度較高，然后將此類別事件重要度進(jìn)一步分析后發(fā)現(xiàn)飛行學(xué)員操縱因素X5、X6、X7、X8排在較靠前順位，再結(jié)合此分析結(jié)果與后驗概率分布的情況進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，兩者結(jié)果大致相同，這表明飛行學(xué)員的操縱問題對造成重著陸起到了較大影響。

3 Bow-tie繪制與分析

根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)影響頂事件發(fā)生的基本事件主要集中在飛行學(xué)員的操作錯誤上，這也符合飛行訓(xùn)練的實際情況，故引入Bow-tie[9]分析法分析學(xué)員的操縱錯誤。Bow-tie是由美聯(lián)邦航空局(FAA)所屬的科研團(tuán)隊精心研發(fā)的一套風(fēng)險分析技術(shù)，包括4個部分：危險源、風(fēng)險事件、潛在結(jié)果、安全保障(事故前預(yù)防措施和事故后控制措施)，是一種綜合性風(fēng)險分析模型。它不但能形象地將事故的發(fā)生途徑顯示出來，還可以枚舉出事故發(fā)生后導(dǎo)致的一系列后果。據(jù)此可以逐個提出針對性較強(qiáng)的措施，一方面把事故的發(fā)生概率拉低，另一方面最大程度地減少事故發(fā)生帶來的不利影響[10]。據(jù)此，繪制該模型見圖4。

圖4 Bow-tie模型

其中，各項字母的含義具體如下。

A1:盡可能利用每次落地盡早引導(dǎo)建立正確的看法和視線轉(zhuǎn)移。

A2:在保證安全的前提下，盡可能做到余光對學(xué)生落地視線的全程觀察。

A3:中線意識要強(qiáng)調(diào)，跑道面、中線、機(jī)頭三者缺一不可。

B1:結(jié)合飛機(jī)下沉趨勢調(diào)節(jié)收油門快慢。

B2:培養(yǎng)學(xué)生主動判斷收油門的時機(jī)和快慢意識，回顧入口條件、收油門時機(jī)動作。

B3:手把手示范正確收油門節(jié)奏，結(jié)合對比示范粗猛動作產(chǎn)生的不利影響。

B4:檢查學(xué)生油門摩擦調(diào)節(jié)器松緊是否合適，避免過緊影響動作。

C1:檢查學(xué)生帶桿發(fā)力姿態(tài)，是否隨帶桿力增大，下意識抵舵、座椅前后、高低是否合適。

C2:著陸配平，過重的帶桿力會影響學(xué)生對飛機(jī)下沉趨勢的判斷。

C3:應(yīng)強(qiáng)調(diào)和示范考慮飛機(jī)高度對應(yīng)姿態(tài)，下沉趨勢確定帶桿節(jié)奏。

C4:糾正穩(wěn)桿動作，需強(qiáng)調(diào)拉開始后飛機(jī)是一個減速和能量減小過程，此時穩(wěn)桿會讓飛機(jī)迅速下沉導(dǎo)致下降趨勢難以控制甚至三點接地:即使拉飄，停止帶桿動作，隨著速度和能量消耗飛機(jī)也會伴隨機(jī)頭自動下俯迅速下沉，這時應(yīng)該看清下沉趨勢增大帶桿量而不是穩(wěn)桿。

D1：在機(jī)場地面設(shè)置醫(yī)療站，對于受傷人員第一時間進(jìn)行診斷和治療。

E1：機(jī)務(wù)組全面檢修飛機(jī)結(jié)構(gòu)，并對存在問題的部件進(jìn)行及時更換和修復(fù)。

F1：在訓(xùn)練結(jié)束后，加強(qiáng)對學(xué)員的心理輔導(dǎo)，擴(kuò)大訓(xùn)練間隔，補(bǔ)充休息，減少其精神壓力。

G1：教員及時提醒并協(xié)助學(xué)員回歸到正確的訓(xùn)練航線上，繼續(xù)進(jìn)行訓(xùn)練。

在構(gòu)建的模型中，直觀展示了引起學(xué)員操縱錯誤的3種原因和可能導(dǎo)致的4項后果。而且，結(jié)合資深飛行教員的教學(xué)經(jīng)驗，提出了十余項安全措施，這些措施有多年的理論教學(xué)依據(jù)，具有很強(qiáng)的科學(xué)性和完整性。本文重點在著陸過程中容易發(fā)生重著陸部分的操作建議進(jìn)行了歸納提升總結(jié)，結(jié)合實飛情況最終確定上述15項安全措施，便于應(yīng)用在實際飛行訓(xùn)練中從而有效地降低風(fēng)險，保障飛行安全、延長訓(xùn)練機(jī)使用壽命。

4 總結(jié)

本文將重著陸事故樹模型轉(zhuǎn)化成貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)員錯誤操作對引起訓(xùn)練中重著陸的巨大影響。后引入Bow-tie模型分析其發(fā)生的原因和可能導(dǎo)致的后果，整合出針對性較強(qiáng)的相關(guān)措施，對飛行學(xué)員和教員都提出了相關(guān)的要求，具有很強(qiáng)的實際應(yīng)用價值，可在訓(xùn)練中進(jìn)行推廣應(yīng)用，進(jìn)而達(dá)到降低重著陸事故發(fā)生概率的目的，確保飛行教學(xué)在安全的前提下平穩(wěn)進(jìn)行，保證教學(xué)質(zhì)量和訓(xùn)練品質(zhì)，也為下一步研究建立著陸飛行品質(zhì)評估系統(tǒng)提供理論參考。