基于ISM—CRITIC法的通用航空可控飛行撞地影響因素分析*

孫瑞山，占　欣

(1.中國民航大學 飛行技術學院，天津 300300；2. 中國民航大學 民航安全科學研究所，天津 300300)

0　引言

可控飛行撞地(Controlled Flight Into Terrain，CFIT)是指一架完全滿足適航要求的飛機，在非失效、可控的狀態下撞到地面、山體、水面或其他障礙物而導致的事故[1]。相比于公共運輸航空在固定的時間段內將客貨運到規定的目的地即可，通用航空具有飛行高度低、飛機時間靈活、在飛行中往往要完成各種飛行作業任務的特點。這些特點往往會增加通用航空不安全事件發生幾率。中國民航安全辦公室不安全數據庫中的數據統計表明：2006—2015年10 a間中國境內共發生30起通用航空可控飛行撞地事故，其中，50%的事故發生在巡航/作業階段，共造成19人死亡和重傷。通用航空可控飛行撞地(General Aviation controlled flight into terrain，GACFIT)往往會造成機毀人亡的后果，嚴重威脅通航飛行安全。因此，研究其致因對于減少事故的發生具有重要的意義。

在航空業的歷史上，CFIT已成為引起航空重大傷亡事故的重要事件。1974年，近地警告系統(Ground Proximity Warning System，GPWS)被強制要求安裝在大型客機上，用來告知飛行員飛機是否已接近地面[2]。自1995年以來，國際民航組織、各國際組織、航空制造廠商和飛行安全基金會利用各種機會來提高人們對CFIT問題的認識，提請注意能夠改善飛機運行安全的措施。自2001年以來，國際民航組織在其附件空中航行服務程序中納入了一些與預防可控飛行撞地相關的規定。在我國，對CFIT的理論研究和硬件應用相對較晚。2002年9月，民航總局批準頒發了“地形提示和警告系統規定”。與此同時，國內外的很多學者都開展了對CFIT的研究。杜紅兵等[3]運用事故樹分析了CFIT的主要原因，用貝里斯網絡模型對失誤進行分析并計算概率；張曉全等[4]利用功能共振事故模型對CFIT事故進行分析，從系統功能性能波動的角度出發，識別了導致CFIT事故的功能共振和影響功能共振的因素；LOOMIS JP和PORTER RF[5]檢驗了GPWS和最低安全高度警告系統(Minimum Safe Altitude Warning，MSAW)這2種告警系統對CFIT的預防和控制效果。Arthur III J J等[6]通過實驗驗證合成視像系統(Synthetic Vision System ，SVS)可以提高飛行員發現和避免潛在的CFIT事件的能力。綜合看來，國內外對于CFIT的研究大部分集中在公共航空運輸領域，而對于通用航空CFIT的研究相對較少。對于CFIT事件的成因，大部分都是直接給出，并未說明依據且缺少層次性和條理性。

鑒于此，為了更深入地研究GACFIT的影響因素，采用基元事件分析法對2006—2015年間在中國境內發生的30起通用航空可控飛行撞地事故事件進行分析，建立通用航空可控飛行撞地影響因素體系；在此基礎上，運用解釋結構模型對這些影響因素進行分析，建立層次性的通用航空可控飛行撞地影響因素模型，通過模型進而得出影響GACFIT的表層直接原因、中層間接原因和深層根本原因；運用CRITIC(Criteria Importance Through Intercriteria Correlation)法進行權重計算，得出影響GACFIT的主要因素，為下一步的預防提供借鑒。

1　基于基元事件分析法的GACFIT影響因素分析

基元事件分析法(Element Event Analysis Method，EEAM)[7]是中國民航大學安全科學研究所于1996年提出的，它是在事故鏈的基礎上發展而形成的。由于航空事故的發生往往不是由單一原因造成的，基元事件分析法按照特定的“人、機、環境”的思想將不安全事件分解成最簡單的“基元事件”，基元事件是構成事件鏈的基本環節，是1個導致事故的單因原因，阻斷它就可以預防事故的發生。“人、機、環境”中“人”指執行飛行任務的人，即飛行機組；“機”指飛機和與飛機相關的機務維修等，其中包括飛機維護人員；“環境”指所有的飛行環境，包括自然環境以及飛行保障的硬環境和軟環境。在特定的人、機、環系統中，將每起不安全事件按基元事件、責任者、問題、原因、整改措施進行逐級分類。基元事件分析法不僅能夠分析航空事故發生的原因，還能指出預防事故的措施，有利于航空安全數據庫的建設，其體系結構如圖1所示。

本文采用基元事件分析法，分析了中國民航安全辦公室不安全數據庫中2006—2015年10 a間在中國境內共發生的30起通用航空可控飛行撞地事故，總結并提煉了影響GACFIT事故的15個影響因素。各因素見表1。

2　GACFIT的層次結構分析

解釋結構模型(Interpretation Structure Model，ISM)[8-9]是現代系統工程中廣泛應用的1種分析方法，它是將復雜的系統分解為若干子系統要素，利用人們的實踐經驗、知識和計算機的幫助，最終構成1個多級遞階的結構模型。ISM的具體操作是用圖形和矩陣來描述各種元素的已知關系，通過矩陣做近一步的迭算，并推導出結論來解釋系統結構的關系。

2.1　確定各指標的相互關系，建立鄰接矩陣

通過對國內16家通用航空公司共32名通航飛行員發放調查問卷(其中回收問卷32份，有效問卷29份)，對上述總結的GACFIT事故15個影響因素進行兩兩比較，確定其二元關系。若為主要關聯關系用1表示，反之，若不是主要關聯關系用0表示。建立鄰接矩陣A。

圖1　基元事件分析體系結構Fig.1　Element event analys method architecture

表1　通用航空可控飛行撞地影響因素體系

圖2　GACFIT影響因素的解釋結構模型Fig.2　ISM diagrams of GACFIT influencing factors

2.2　生成可達矩陣

可達矩陣是用矩陣形式來描述有向連接圖各節點之間經過一定長度的通路后可達到的程度。根據布爾矩陣運算規則求得可達矩陣，即由鄰接矩陣A與單位矩陣I求和，并對(A+I)進行冪運算，直至(A+I)k-1≠(A+I)k=(A+I)k+1，矩陣M=(A+I)k稱為可達矩陣[5]。得到的可達矩陣為M=(A+I)4。

2.3　分解可達矩陣，進行級位劃分

從可達矩陣中找出可達集和前因集，可達集R(Si)表示要素Si出發可到達的全部要素集合，前因集A(Si)表示可到達要素Si的全部要素集合，可達集和前因集的交集記為：C(Si)=R(Si)∩A(Si)，如表2所示。

級位劃分即確定各要素所處的層次地位。為此，令L0=φ(最高級要素集合為L1，設零級L0為空集)，則有

L1={Si|Si∈P-L0,C0(Si)=R0(Si),i=1,2,…,n}

L2={Si|Si∈P-L0-L1,C1(Si)=R1(Si),i

?

Lk={Si|Si∈P-L0-L1…Lk-1,Ck-1(Si)=Rk-1(Si),i

式中：P表示所有因素的集合，L1,L2,…,Ln表示從高到低的各級要素集合。

按照上述規則，分解可達矩陣M得到第一級因素L1={4,5,6,7,9,10,13,15}，劃去M中第一級因素對應的行和列后，重復上述的運算，得到第二級因素L2={1,2,8,11,12}，依次類推，得到L3={3,14}。

2.4　生成解釋構模型

用上述方法進行分析和整理，得出GACFIT影響因素的ISM圖，如圖2所示。

3　確定GACFIT影響因素權重

常見的客觀賦權法主要有3種：熵權法、標準離差法和CRITIC法。熵權法[10]首先計算指標的信息熵，如果某個指標的信息熵越小，表示該指標取值差距越大，包含信息量越多，其權重也就越大，反之信息熵越小，表示該指標對結果的影響程度越小。標準離差法[11]通過衡量指標的變異程度，計算指標各數據離平均數的距離，來表示數據的離散程度。CRITIC法[12-13]通過評價指標的變異大小和指標間的沖突性，來綜合衡量指標的客觀權重。變異大小表示同一指標取值差距的大小，用標準差來表現，標準差越大說明反映的信息量越大，權重越大；指標之間的沖突性，以其相關性為基礎。若2個評價指標之間具有較強的正相關性，則這2個指標的沖突性較低。由于熵權法和標準離差法只考慮了指標值的變異程度，而GACFIT影響因素間具有一定的相關性，因此，CRITIC法得到的結果比其他2種客觀賦權法更客觀。

表2　可達集和前因集

根據表3的統計數據，采用CRITIC法對GACFIT影響因素進行權重計算，最后得出GACFIT影響因素的權重排序。其計算步驟如下。

3.1　對數據無綱化處理

若對某事件，第j個影響因素數量越低越好，則采用公式：

(1)

進行無綱化處理。式中：standad_resultij表示無綱化后的數據，fij表示第i個5a內第j個因素發生的次數，i=1,2;j=1,2,…,15。無綱化處理的數據如表4所示。

表4　數據的無綱化

3.2　求相關系數，建立相關系數矩陣

相關系數是用來反應變量之間關系密切程度的統計指標，其計算公式為：

(2)

式中：rij表示影響因素i和j之間的相關系數。

將數據帶入公式(2)中得相關系數矩陣R。

3.3　求影響因素包含的信息量Cj

Cj表示第j個影響因素所包含的信息量，其計算公式為：

(3)

式中：δj表示第j個指標影響因素的標準差。

通過SPSS軟件求得：δj=[1.41，1.41，0.71，0.71，1.41，1.41，0.71，0.71，0.71，0.71，0.71，1.41，0.71，0.71 2.12]，進而求得Cj=[19.80，22.63，11.31，11.31，19.80，22.63，9.90，11.31，9.90，11.31，11.31，19.80，9.90，9.90，29.70]

3.4　根據Cj求影響因素權重

一般Cj越大，第j個影響因素所包含的信息就越大，則其相對的重要性就越大，權重計算公式為

(4)

式中：wj表示第j個影響因素的權重。

通過計算得權重集為：W=[0.09,0.10,0.05,0.05,0.09,0.10,0.04,0.05,0.04,0.05,0.05,0.09,0.04,0.04,0.13]，進而可得：

w15>w2=w6>w1=w5=w12>w3=w4=w8=w10>w11>w7=w9=w13=w14。

4　GACFIT事件的預防

通過ISM分析可得，影響GACFIT事件的深層根本原因是疲勞駕駛、公司違規違法組織飛行。通過CRITIC法分析可得：公司飛行保障不利和組織混亂、機組航前準備不足、機組安全意識淡薄、機組駕駛技能不足、機組違反標準運行程序是影響通用航空可控飛行撞地的主要因素。針對這7個影響因素，提出如下預防措施：

1)良好的身心狀態，科學合理的排班是預防駕駛疲勞的重要措施。疲勞駕駛主要受飛行環境、作業任務、飛行員的身心狀態等因素的影響。良好的身心狀態可以提高飛行員在飛行過程中的警覺性和反應能力。科學合理的排班制度，可以保證飛行員充足的睡眠和保持充沛體力和精力。

2)合理合法的組織飛行是安全飛行的底線。航管部門應健全通用航空違規違法飛行排查機制，加強對通航各類違法違規飛行行為的排查和處罰力度。鼓勵單位和個人對違法違規飛行行為的舉報。

3)做好飛行計劃，加強組織建設。通用航空公司工作流程是：通航公司向航務管理部門申報飛行計劃，獲批后在飛行前1日將飛行計劃申報給民航地區管理局和相應的機場。空管部門將飛機計劃報給軍航管制單位，并將申報結果告知通航公司。相關機場負責飛機的場地保障、航務保障和燃油供應。做好飛行計劃有利于通航公司有條不紊的開展作業任務，為公司的安全飛行提供很好的保障基礎。同時還要加強通航公司的組織建設，做到各部門職責明晰，分工明確，加強公司的制度建設，完善、健全公司制度。

4)做好航前準備，做到心中有數。機組在飛行前要做好相應的準備工作，檢查和確認飛機的適航性，要及時準確完整的獲取航行情報服務和天氣氣象預報。在復雜地形和低空飛行的作業環境中要提前了解地形環境，做好標記和記錄，在整個飛行階段中，機組始終要做到心中有數。努力落實好“預先準備、直接準備、飛行實施和飛行后講評”飛行4個階段的工作。

5)學習和遵守各項安全法規是保障飛行安全的基礎。通航公司要加強對機組的安全教育，做好公司安全文化的建設。機組人員要養成嚴謹、有序的工作作風，定期學習通航安全法規。

6)精湛的飛行技術是保障飛行安全的必要條件。通用航空飛行是1項技術性很強的工作，飛行員在空中既要兼顧飛機飛行，同時還有完成各項飛行作業任務，對飛行員的飛行技術提出了很高的要求。因此，要有針對性的加強對飛行員的飛行訓練。

7)標準運行程序是飛行安全的重要保障。飛行員在飛行過程中要嚴格遵守標準運行程序，包括公司和行業運行標準。由于通航飛行具有速度小、高度底的特點，大多數通航事故都是由于飛行員違反飛行高度而引起的，所以在飛行過程中切記不要違反高度標準。通航公司要做好機組安全飛行檔案記錄，將標準運行程序的執行情況納入到機組的安全績效考核當中。

5　結論

1)從機組、飛機、自然環境、飛行保障環境等4個方面構建了通用航空可控飛行撞地影響因素體系。

2)通用航空可控飛行撞地ISM模型闡釋了各影響因素間的層次關系。影響GACFIC事件的表層直接原因分別是注意力分配不當、違反標準運行程序、安全意識淡薄、應急能力弱、導航設備失效、發動機失效、其他天氣意外、飛行保障不利和組織混亂；中層間接原因分別是駕駛技能不足、航前準備不足、機組資源管理欠缺、地形復雜、能見度和光線刺激；深層根本原因分別是疲勞駕駛、公司違規和違法組織飛行。

3)影響通用航空可控飛行撞地事件發生的主要因素分別是飛行保障不利和組織混亂、航前準備不足、安全意識淡薄、駕駛技能不足和違反標準運行程序。

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