基于不確定理論的飛行員應(yīng)急操作可靠性分析

摘 要：隨著航空器設(shè)計(jì)的高度自動(dòng)化，飛行員的操作任務(wù)量越來越少，然而在出現(xiàn)非常規(guī)情況時(shí)，飛行員的應(yīng)急操作至關(guān)重要。所以，研究分析飛行員在執(zhí)行緊急任務(wù)過程中的操作可靠性意義深遠(yuǎn)。本文以不確定理論（UT）為理論依據(jù)，在CREAM模型的基礎(chǔ)上建立了飛行應(yīng)急操作可靠性分析模型，利用基元事件分析方法分析應(yīng)急操作中的認(rèn)知行為，并確定任務(wù)中相應(yīng)的失效模式；通過不確定分布理論來修正CREAM中人的常模基本失誤概率，最后利用不確定理論的串聯(lián)和并聯(lián)原理來量化評(píng)價(jià)飛行員應(yīng)急操作的可靠性。

關(guān)鍵詞：CREAM；飛行員；不確定理論；人的失誤

“安全”是我們民航系統(tǒng)中永恒的主題，隨著現(xiàn)代大型客機(jī)的高度自動(dòng)化，飛行員在執(zhí)行飛行任務(wù)過程中的操作越來越少。然而，飛機(jī)的高度自動(dòng)化往往會(huì)使飛行員養(yǎng)成習(xí)慣，疏于對(duì)飛機(jī)各種狀態(tài)的監(jiān)控，近年來，很多學(xué)者在民航人因?qū)W方面展開了研究[ 1 ]，通過系統(tǒng)的對(duì)比和分析，飛行機(jī)組的失誤比例占據(jù)了事故主要原因的三分之二[ 2 ]。

通過很多相關(guān)文獻(xiàn)的介紹，人因可靠性分析在民航的各個(gè)子領(lǐng)域都應(yīng)用廣泛，尤其是在空管、機(jī)務(wù)、飛行等等方面，但是人因可靠性分析需要在人的可靠性基本數(shù)據(jù)的前提上進(jìn)行分析和處理，縱觀一代人因方法到現(xiàn)在三代人因方法，人的可靠性基本數(shù)據(jù)仍是缺失嚴(yán)重，而且很多現(xiàn)有收集的數(shù)據(jù)與很多客觀因素（數(shù)據(jù)收集方式和人的心理狀態(tài)）有關(guān) [ 3 ]。通過已有的文獻(xiàn)介紹， CREAM模型中失效模式基本概率值數(shù)據(jù)是從整個(gè)工業(yè)環(huán)境[ 4 ]采集的，在服務(wù)業(yè)的民航系統(tǒng)方面應(yīng)用同樣數(shù)據(jù)有些牽強(qiáng)。因此，在分析和量化民航人的行為方面采用合適的方法和建模工具勢在必行。

1 不確定理論

不確定理論（Uncertainty Theory，UT）是2007年由清華大學(xué)劉寶碇教授提出并建立的。在可靠性技術(shù)等眾多領(lǐng)域研究的問題中都存在著主觀的或人為的不確定性[ 5 ]。

不確定理論已成為刻畫這類不確定性問題的一個(gè)新的工具，相當(dāng)一部分的應(yīng)用成果[ 6-8 ]也已得到學(xué)術(shù)界的認(rèn)可。

1.1 不確定分布

不確定理論是用于研究主觀不確定現(xiàn)象。不確定統(tǒng)計(jì)主要需要刻畫不確定變量，該變量是在得到專家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，通過經(jīng)驗(yàn)不確定分布來進(jìn)行計(jì)算[ 9-11 ]。其公式為：

2 CREAM及其失效模式基本概率

CREAM的側(cè)重方向是人在生產(chǎn)活動(dòng)中的績效輸出不是孤立的隨機(jī)性行為，而是依賴于人完成任務(wù)時(shí)所處的環(huán)境或工作條件，人的認(rèn)知控制模式和其在不同認(rèn)知活動(dòng)中的效應(yīng)受到該環(huán)境或工作條件的影響，最終決定人的響應(yīng)行為[ 12 ]。

飛行員在飛機(jī)駕駛艙內(nèi)的操作行為輸出就收到周圍的環(huán)境和工作條件的影響，所以使用該方法對(duì)飛行機(jī)組操作進(jìn)行分析。通過對(duì)大量事故事件的研讀和分析，從中提煉4個(gè)事故和事件，這四個(gè)事故事件的特點(diǎn)就是事故原因最后都?xì)w結(jié)于飛行機(jī)組，同時(shí)在響應(yīng)輸出時(shí)受到周圍環(huán)境的極大影響，即為：1）民航飛行學(xué)院 TB-200型B-8830號(hào)飛機(jī)重大飛行事故；2）美國航空公司MD-82圣路易斯發(fā)動(dòng)機(jī)起火；3）美國西北航空A320著陸時(shí)機(jī)尾擦地；4）阿斯特賴奧斯航空公司B752客機(jī)高空雙發(fā)故障[ 10 ]。

CREAM模型中有十多種失效模式，通過對(duì)以上事故事件的分析和分解，每個(gè)事故或者事件都是以下4種失效模式{O2錯(cuò)誤辨識(shí)（基本概率值為0.07）；I2決策失誤（0.01）；E1動(dòng)作方式錯(cuò)誤（0.003）；E2動(dòng)作時(shí)間錯(cuò)誤（0.003）}系列引起的，之后能以這4種失效模式概率值為未知數(shù)列出4個(gè)方程，以便求解。

3 駕駛艙環(huán)境下的飛行員應(yīng)急操作可靠性模型

該模型的建立方法是在采用雙線并行的基礎(chǔ)上，一條主線是已CREAM模型的分析過程為引導(dǎo)思路，逐個(gè)分析已經(jīng)選取的事故事件；另一條主線是以民航系統(tǒng)中相關(guān)資深飛行員提供的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用不確定分布來處理數(shù)據(jù)，以確定飛行員在駕駛艙環(huán)境下遇到緊急情況時(shí)的可靠度，綜合兩條主線以形成方程組來修正CREAM失效模式基本概率值，最后應(yīng)用不確定理論的串并聯(lián)原理得到飛行員應(yīng)急操作人誤概率。采用的主要技術(shù)路線及各步驟如下（圖1）：

4 飛行員應(yīng)急操作可靠性分析案例

分析第4個(gè)事故（阿斯特賴奧斯航空公司B752客機(jī)高空雙發(fā)故障[ 10 ]）作為案例進(jìn)行過程分析和演示，可得到一個(gè)方程式，其他3個(gè)同樣都會(huì)得到對(duì)應(yīng)的方程式。

4.1 分析和構(gòu)建事件序列

通過對(duì)這起事故的分析和分解，根據(jù)CREAM的分析過程，得到關(guān)于這起事故的認(rèn)知行為和認(rèn)知功能關(guān)系列表。見圖表1所示。

4.2 CPCs因子確定

根據(jù)此次事件報(bào)告，對(duì)9種CPC因子（1.組織的完善性；2.工作條件；3.人機(jī)界面與運(yùn)行支持；4.規(guī)程/計(jì)劃的可用性；5.同時(shí)出現(xiàn)的目標(biāo)數(shù)量；6.可用時(shí)間；7.工作時(shí)間；8.培訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)的充分性；9.班組成員的合作質(zhì)量）進(jìn)行分析[ 11 ]，其中只有培訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)的充分性最有可能對(duì)績效造成影響，要根據(jù)分析CPC對(duì)于績效可靠性影響可得出相應(yīng)的權(quán)重因子。

4.3 識(shí)別認(rèn)知功能失效模式

通過分析確定5個(gè)任務(wù)中最有可能的失效模式[ 11 ]，得到如表2所示的認(rèn)知功能失效模式。

4.4 不確定理論數(shù)據(jù)處理

在不使用CRAM模型中人的可靠性數(shù)據(jù)前提下，必須從民航資深飛行專家得到主觀信度，從而才能對(duì)事件發(fā)生的可能性進(jìn)行量化，每個(gè)專家給出的事件刻度值以及信度值（主觀概率）為專家1給出的五個(gè)主管概率值為{（0.1，0.4）（0.3，0.8）（0.5，0.4）（0.7，0.2）（0.9，0.1）（1，0）}；專家2{（0.1，0.3）（0.3，0.9）（0.5，0.6）（0.7，0.4）（0.9，0.2）（1，0）}；專家3{（0.1，0.2）（0.3，0.8）（0.5，0.5）（0.7，0.3）（0.9，0.1）（1，0）}。

該事件的主觀概率值根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)后通過不確定分布而得為P4=0.180。通過同樣的方法確定其他3個(gè)事故事件的主觀概率值分別為P1=0.165，P2=0.272，P3=0.250。

將6），7），8），9）組成方程組，以 matlab作為數(shù)學(xué)計(jì)算工具，從而，得到了民航人因系統(tǒng)中的4種失效模式基本概率值，分別為O2錯(cuò)誤辨識(shí)（0.039）；I2決策失誤（0.014）；E1動(dòng)作方式錯(cuò)誤（0.00014）；E2動(dòng)作時(shí)間錯(cuò)誤（0.006）。

4.5 飛行員應(yīng)急操作人誤概率

該事件的應(yīng)急操作的邏輯關(guān)系（見圖2）：

據(jù)此，可得到該事件的可靠性量值為：

通過應(yīng)用不確定串并聯(lián)原理得到該事件的操作可靠度為0.99972，也就是說該事故的其人為失效概率為0.00028，而通過應(yīng)用CREAM計(jì)算駕駛艙失誤概率，飛行員在緊急情況下執(zhí)行飛行任務(wù)操作失效概率都在10-1 ～ -2數(shù)量級(jí)，通過對(duì)專家走訪，實(shí)際出現(xiàn)異常情況的數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)要小于這個(gè)數(shù)量級(jí)，所以該結(jié)果更具有實(shí)際意義。

5 結(jié)論

本文對(duì)飛行員在駕駛艙環(huán)境下的執(zhí)行緊急任務(wù)時(shí)的人為因素進(jìn)行了分析和量化，建構(gòu)了 挖掘和量化模型。

1）構(gòu)建了以不確定理論和CREAM方法的飛行員應(yīng)急操作可靠性模型；

2）模型的建立過程中也得到了一種新的、適合相應(yīng)系統(tǒng)的人為因素?cái)?shù)據(jù)收集和量化的方法；

3）得到民航領(lǐng)域人為因素?cái)?shù)據(jù)后，應(yīng)用不確定理論串并聯(lián)原理計(jì)算飛行員人誤差錯(cuò)概率，更高效地對(duì)飛行員應(yīng)急操作可靠性進(jìn)行評(píng)估。

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作者簡介：王義龍（1988-），男，滿族，遼寧丹東人，中國民航飛行學(xué)院，碩士研究生，研究方向：民航安全管理、人為因素。