基元事件在軍事飛行安全分析中的應用

■ 田葵

中國科學院大學經濟與管理學院 北京 100190

0 引言

將飛行活動作為一個系統來研究飛行安全已經得到國內外學者的普遍認可[1]。飛行安全系統是一種動態、多變量、人為因素起主導作用的開放復雜巨系統，系統邏輯關系復雜。對飛行安全系統研究主要是基于事故致因理論，即從大量典型事故本質原因分析中提煉出事故機理和事故模型，用來闡明事故成因、始末過程和后果,以便對事故發生、發展進行明確分析,為事故定性定量分析、預測預防和安全管理改進提供理論依據[2]。事故致因理論主要經歷了3 個階段:以事故頻發傾向論和因果連鎖論為代表的早期事故致因理論、以能量意外釋放論為主要代表的事故致因理論和現代系統安全理論[3]。

當前飛行安全系統研究重點問題是如何有效建立事故致因因素分類體系，是進行數據統計與量化分析的基礎[4]。建立致因因素分類體系的方法很多，其中，代表性的理論模型有事故因果連鎖論、能量意外釋放論、軌跡交叉論和危險源理論等[5]。這些模型雖然誕生于工業生產領域，不能準確反映飛行領域的致因機理，但對飛行安全系統的研究提供理論指導。以此為基礎，在飛行安全領域不斷提出了墨菲定律、SHELL 模型、REASON模型、層次分析法、基元事件分析法以及HFACS 人為因素模型[6]，對飛行事故的人、飛機、環境和管理等各系統要素之間關系進行了闡述和分析，但沒有針對性地反映出軍事飛行事故產生機理的特殊性。

與民航飛行事故相比，由于軍事飛行在飛行任務、飛行環境、飛機裝備和訓練模式等方面的特殊性，軍事飛行事故呈現如下特點：（1）原因不明的事故多；（2）受環境影響大；（3）重復性和集中性事故突出[7]。針對這些特點，陳東峰等[7]將飛行事故致因因素分為直接原因、間接原因和基本原因3 個層次，提出了一種軍事飛行事故致因模型。該模型側重于表達軍事飛行事故發生過程中不安全事件之間邏輯關系，反映了軍事飛行事故致因特點，但是在多因素間的相關性上還停留在定性分析階段，無法擴展為定量分析模型。

本研究在分析軍事飛行事故特點基礎上，借鑒現有事故致因理論思想，分析空軍歷年來嚴重飛行事故數據資料，通過對各類數據梳理整合，結合軍事飛行實際，利用基元事件分析法找出與飛行事故相關的因素集合，提取引發飛行事故的因素，建立軍事飛行致因因素分類模型，進而分析各因素間的相互關系及對飛行安全保障的影響，對有效提高飛行活動組織管理和實施過程的精細化、信息化水平，預防和減少事故發生有著重要的實用價值。

1 基于基元事件的因素分析法

基元事件分析法與其他分析法相比有兩點重要改進：一是提出了“基元事件”概念，使“事件鏈”分解規范化，簡化了步驟；二是建立了基元事件分層次分析體系，使對事件本身的分析規范統一。合理的飛行事故致因因素分類體系是數據量化建模與分析的基礎。運用基元事件方法進行分析包括建立事件鏈模型、區分事件要素類型、確定基元事件及其層次關系等環節。

1.1 事件鏈模型

根據事件鏈理論，將嚴重飛行事故發生分為的不安全事件、一般差錯、嚴重差錯、事故癥候、飛行事故的錯誤累計模型[8]，如圖1所示。

圖1 飛行事故錯誤累計模型

根據這個模型可以將各種不安全事件分解為最簡單的“基元事件”，基元事件是構成事件鏈的基本環節，是一個導致事故的單因素問題，阻斷它就可以預防事故發生。

1.2 事件要素組成模型

基元事件分析法基于“事故/事故征候-基元事件-基元事件歸類”的3層體系結構，每一起嚴重飛行事故可分解為由“人-機-環境-管理”四個要素所構成的系統，飛行事故發生是由于系統中一個或多個要素發生一個或多個錯誤或缺陷的結果，4個要素間相互關系如圖2所示。

圖2 基元事件的“人-機-環境-管理”模型

1.3 基元事件模型

按照這種思想，可以把每個事故分解成若干個基元事件，各基元事件按其發生先后呈串聯形式構成事故發展過程，形成基元事件“事件鏈”。基元事件是導致事故的最小基本單元，每個基元事件對應一個問題，每個問題對應一個主要原因。如果有一個基元事件受控未發生，就可能使事故發展中止或者至少減少事故損失。如圖3所示，從管理組織角度出發，為預防嚴重飛行事故發生，需要找到事故原因的一個基元事件模型。

圖3 基元事件分析法模型

2 事件要素分類組成及其相互關系

基元事件分析法針對飛行事故因素，按責任者、行為、原因和改正措施等不同層次對飛行事故進行歸類。不同的歸類體系是從不同角度看問題，較全面概括了對事故的各種分析，特別是最后歸結到改正措施，把事故分析引導到預防，充分體現了“預防為主”原則，因此，采用基元事件分析方法，可以結合飛行事故屬性特征對致因因素按照“人-機-環-管”進行分類。

2.1 人為因素及其組成

人為因素主要是指引發飛行事故中與人直接相關的那些因素。它是影響飛行安全的重要組成因素之一[9]。人是飛行活動中最活躍的能動性因素，也是保證飛行安全的決定性因素。而人的能動作用發揮，又受以下各種因素影響制約[10]。一是知識。二是技能水平和經驗。三是工作態度和責任心。四是身體素質。五是心理品質。

2.2 機械因素及其組成

機械因素主要是指引發飛行事故中與飛機本身直接相關的那些因素。機械因素主要包括內容：一是飛機自身屬性安全性狀況。飛機現實狀況安全性是影響飛行安全性的主要因素之一。二是飛機生產和設計質量。本研究從組織管理角度分析飛行安全，因此忽略飛機生產設計缺陷，而考慮飛機的使用情況，壽命狀況、老舊程度、飛機各零部件實際失效性和故障率（或完好率），可能的故障模式及其對飛機的影響，平均故障時間、首翻期和翻修間隔期等。三是機務維修狀況。

2.3 環境因素及其組成

環境因素主要是指引發飛行事故中與環境直接相關的那些因素。環境方面影響飛行安全主要有3 個因素。一是保障環境。主要是指飛行場所的機場、航線、通信、導航、燈光、標志等保障飛行的各種固定設施和各種勤務保障。二是自然環境。主要是指飛行地帶和空域、航路及其周圍地區的地形地貌、山川河流以及大氣物理條件。三是生態環境。通過對飛行事故屬性特征統計發現，機場周圍生態環境對飛行影響尤其是鳥類活動對飛行安全的影響近年來日益深刻。

2.4 管理因素及其組成

通過對1950～2015年的飛行事故屬性特征統計分析可以發現，有不少飛行事故都與飛行準備不充分，飛行計劃、組織不嚴密，對特殊情況預先估計不足，沒有預案或對預案不熟，遇事驚惶失措有關。因此，應該將安全管理工作單獨作為一項影響飛行安全的因素提出來進行分析，將“人-機-環境”擴充為“人-機-環-管”。

管理因素主要是指引發飛行事故中與管理直接相關的那些因素。安全管理工作包括飛行安全工作指導思想、規章、制度、安全監察機構、安全管理制度、日常安全管理工作、培訓工作、安全教育和安全文化、部隊的安全記錄和工作質量；領導和機關對安全工作的重視程度；安全教育情況，安全管理機構和制度健全程度；對上級機關的指示和規章制度執行情況等以及飛行的準備與組織等。

2.5 因素間的相互關系

隨著航空事業發展，飛機構造越來越復雜，儀表、設備也越來越多，多因素綜合原因造成飛行事故的情況已逐漸占主導地位，研究飛行安全已不能再局限于單因素研究，而要將單因素研究與多因素綜合研究結合起來，甚至要以多因素綜合研究為主，這樣才能找準事故原因，掌握事故本質，發現事故規律。

所有因素間相互關系都是錯綜復雜的。從安全角度上講，這些因素相互制約相互作用，共同影響飛行系統安全。通常情況下，人的因素處于主導地位，引起飛行事故所占比例較大，還有上升趨勢[11]。機械因素對飛行事故影響也不可忽視。不少飛行事故都是由于飛機突然故障，而時間不允許改出而發生。這種情況與飛行員心理或技術都沒有太大關系，有的可能是飛機自身屬性問題，有的則是維修方面問題，這類飛行事故甚至無法抗拒。因此，在研究飛行安全時，我們必須重視飛機對“人-環-管”的制約作用。環境因素也同樣制約著飛行安全。無論是飛機還是人，都在一定環境中活動，受到時空限制和飛行環境影響。管理因素并不直接作用于飛行安全，而是通過掌握控制“人-機-環”系統各個環節對飛行安全進行有機協調，從這個意義上講，管理因素比其它3個因素對飛行安全影響更深刻，也更容易控制。因此，在對導致飛行事故因素進行研究時，不僅要充分考慮這4個因素，更要對因素間相互關系進行分析。

3 事故分析模型的應用

利用基元事件分析方法以將嚴重飛行事故致因因素分為“人-機-環-管”4 個基礎因素并逐一細化，建立相應的實體關系模型，依據對象關系映射，將飛行事故元數據項的所有屬性映射到數據庫，并建立各個基元事件實體間的層次結構、關聯關系。以該數據庫為基礎，建立飛行安全管理系統，錄入1950～2015年的飛行事故數據，提供不同視點的飛行事故因素故數據檢索和統計功能，活化數據資料，確立事故分析應用數據基礎。

飛行安全應用管理系統依托飛行事故基元事件歷史數據提供致因因素的事故頻度分析、耦合度分析和事故預測等功能，為指揮員或飛行員制定防范事故措施提供了量化依據和決策支持。

3.1 致因因素事故頻度分析

針對嚴重飛行事故的數據特點，依據致因因素直接引發事故的數量表現其對飛行安全的破壞性，研究規律發現利用最小二乘法進行系統辨識[12]，分析擬合數據樣本, 將離散的數據點近似擬合成曲線, 反應指引因素與事故之間的變化規律和趨勢。致因因素事故頻度分析可以針對不同的類型依次分析，找到致因因素對事故發生次數及類型的數量關系。

在對數據進行分析時發現，空中動作引發的嚴重飛行事故數量居高不下。依據飛行訓練課目將空中動作歸為特技、空域、編隊、航行、空戰、攻（截）機、轟炸、偵查以及其他等9 類，并進行事故頻度分析。空中動作對飛行事故發生的頻度排序的結果如下：

{“特技”、“編隊”、“攻（截）機”、“空戰”、“偵查”、“航行”、“空域”、“轟炸”、“其它”}

當飛行科目為特技飛行時，發生的飛行事故最多，其次是編隊飛行引發的飛行事故。這與飛行活動技術難度不斷增大關系密切。對特技飛行和編隊飛行中發生飛行事故的致因因素進行事故頻度分析。

在特技飛行中，致因因素頻度排序為：

{“操作錯誤”，“機械故障”，“注意力分配不當”，“錯忘漏”，“意外危害”，“環境惡劣”，“其它”}

在編隊飛行中，致因因素頻度排序為：

{“注意力分配不當”，“操作錯誤”，“錯忘漏”，“環境惡劣”，“機械故障”，“意外危害”，“其它”}因此，進行特技的飛行活動時，需要在組織和實施過程中重點考慮和把握的問題就是“操作錯誤”，而進行編隊的飛行活動時，需要在組織和實施過程中重點考慮和把握的問題就是飛行員的“注意力分配”問題。

3.2 致因因素耦合度分析

針對引起嚴重飛行事故因素不唯一的特點，建立致因因素耦合度分析模型[13]，反映飛行事故中經常伴隨發生的致因因素及其之間的耦合程度關系。利用致因因素耦合度分析模型，可以對嚴重飛行事故進行單因素分析、雙因素分析和多因素分析。

由于人為因素造成的嚴重飛行事故比重很大，針對人為因素進行致因因素耦合度分析。在人為因素中，可能導致嚴重的飛行事故的因素很多，而飛行員的身體健康情況、精神狀態、身體的局限性、疲勞、注意力的分配、經驗及應對突變情況的能力、特情處理能力、工作負荷能力等方面的因素對飛行事故的發生影響比較嚴重，根據致因因素的頻度排序，將這些因素提取出來，通過分析由其轉化的致因因素比例矩陣，可提取重要的單項致因因素和兩兩致因因素組合，分析結果如表1所示。

根據表1 的結果可以得知，在導致嚴重飛行事故的人為因素中，特情處理和經驗的聯系是密不可分的，只有在訓練中加強經驗的積累，才能在遇到問題時及時的處理；而經驗與注意力分配之間的耦合度則是最低的，注意力的合理分配與飛行員的身體狀況密切相關，同時影響飛行員對特情的處理能力。

表1 嚴重飛行事故人為因素關聯度分析

3.3 致因因素事故預測

采用Bootstrap方法[1]預測致因因素及其耦合對嚴重飛行事故的影響度。盡管嚴重飛行事故達兩千多起，但從統計學的角度看，仍屬于小樣本數據。而Bootstrap 方法具有樣本容量需求小的特點，能夠充分利用樣本信息，為實現由致因因素導致飛行事故的預測提供了一種有效的方法。應用Bootstrap 方法進行致因因素引發飛行事故的預測時，輸入參數主要包括：致因因素矩陣、事故總起數、事故萬時率均值、抽樣次數、待仿真的主要因素及模式向量，得到輸出結果包括：致因因素出現次數、置信區間、抽樣分布直方圖，進而確定引發飛行事故的因素及其組合。

將1992～2013年的人因飛行事故歷史數據輸入事故預測算法，預測2014年的17 種事故致因人為因素出現次數和置信區間，并與2014年實際統計數據作對比。表2 給出了2007年的事故單因素和兩兩組合的仿真輸出結果。

表2 嚴重飛行事故人為因素關聯度分析

人因飛行事故的單因素、兩兩組合以及誘發模式的預測仿真結果與實際值總體吻合比較好，盡管個別偏差略大，但考慮到人因飛行事故的隨機性、不確定性和小概率特點，誤差是可以接受的。

4 結論

利用1950～2015年的空軍嚴重飛行事故相關數據，依據基元事件模型建立飛行事故致因因素的基礎元數據庫。從軍事飛行安全組織管理與實施角度出發，將飛行安全問題聚焦在事故數據分析對比上，從事故原因逆向推理安全保障，分析飛行事故致因因素分類組成和相互關系，進而分析各因素對飛行安全保障的影響，以及對單因素和多因素導致飛行事故的預測仿真驗證，由測試結果可得出以下結論：

（1）基于基元事件分析法所行形成的結構化事故數據能有效的支撐對軍事飛行安全因素的定量化分析。

（2）提出的飛行事故致因因素的事故頻度分析方法，通過分析嚴重飛行事故發生的關鍵因素排序，能發現飛行事故致因因素間的相關性，明確飛行活動中需要重點關注的關鍵點，為飛行安全風險管控提供決策支持。

（3）提出的致因因素耦合度分析方法，通過有目的地調整嚴重飛行事故的因素輸入，觀察和識別嚴重飛行事故發生概率的變化規律，獲取嚴重飛行事故致因因素對飛行事故的影響程度，找到在飛行系統中需要重點訓練和防范的要素，為飛行訓練安全提供量化依據。

（4）提出的基于Bootstrap 的致因因素事故預測方法，能對單因素和多因素組合對嚴重飛行事故的影響進行預測，便于飛行安全管理和決策時抓住主要矛盾和重點，增加了事故防控的針對性、合理性、科學性和易操作性。

在研究中還發現，有些飛行事故中各項因素僅略高于事故發生的臨界值，仍然導致嚴重飛行事故的發生，這種“臨界值因素”有待納入到研究范疇。

綜上所述，軍事飛行活動的安全工作是一項長期的、可持續發展的任務，隨著需求的變化、航空裝備技術的發展，軍事飛行安全系統需要不斷的完善“人-機-環-管”間的相互關系，充分挖掘基元事件分析方法的潛力，揭示指引因素的內在規律，有助于謀求“人-機-環-管”的最佳配合關系，充分發揮管理環節效能。