基于BN和Bow-tie模型的飛行訓練重著陸風險研究

翟羽佳， 杜冬， 邢苗英， 劉國建

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

0 引言

波音公司在2017年發布《1959—2016年全球商用噴氣式飛機事故統計》[1]，報告顯示2007—2016年發生的飛行事故都集中在進近著陸階段，在飛行訓練過程中同樣如此。重著陸是指飛機在著陸接地時垂直加速度超過飛機所給定的閾值[2]，過大的垂直加速度會對機身和飛行人員造成安全隱患。目前學者們對重著陸風險的研究主要集中在著陸風險預警、風險分析和風險評估這幾個方面。陳思等[3]在傳統的支持向量機模型基礎上，采用粒子群優化參數尋優改進，實現重著陸風險預警。Ding等[4]應用4種分類算法、9種比較度量，設計了一個通用的評價框架，結合QAR數據集運用7種經典特征去預測重著陸。劉軍凱[5]運用SHELL模型從識別出重著陸的風險因素,再通過風險矩陣對各風險進行風險評估，最終提出建議措施。但是這些研究的內容都集中于運輸航空方面，而對于飛行訓練方面相關研究仍然空缺。鑒此，本文結合貝葉斯網絡和Bow-tie模型對飛行訓練中的重著陸的成因進行研究和分析，根據分析結果提出相應的預防措施來減少事故的發生概率，以及采用控制措施降低事故發生后的不利影響，對提高飛行訓練品質具有重要意義。

1 事故樹模型

事故樹分析法(FTA)從多方面(如人、環境、軟硬件等)角度出發，梳理它們和事故之間的關系，繪制一個帶有邏輯關系且類似于樹狀的圖形，即事故樹模型。根據飛行訓練的實際情況統計分析，結合FTA理論，本文從人、機、環3個角度出發，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 飛行訓練重著陸事故樹

2 貝葉斯網絡

2.1 事故樹模型向貝葉斯網絡的轉化

轉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關系，即建立頂事件、中間事件、基本事件加上邏輯門與網絡中節點之間的關系。文獻[6]科學系統地論述FTA向BN轉化的辦法包括事件、邏輯門與節點的映射關系、邏輯關系(與、或)與條件概率分布的映射關系。結合文獻研究總結，確定轉化步驟如圖2所示，最終繪制出貝葉斯網絡如圖3所示。

表1 基本事件釋義及發生概率

圖2 FTA-BN的轉化

圖3 重著陸貝葉斯網絡

各步驟具體解釋如：① 找到事故樹的各個基本事件，在貝葉斯網絡中建立一個根節點，使其一一對應。若出現重復事件即合并為一個節點。② 將事故樹中相應的各個基本事件，根據統計分析得到其發生的概率，確定BN中根節點的先驗分布。③ 根據事故樹中的邏輯門關系，將輸入事件對應的節點連接到其所在邏輯門對應的節點，使得BN中節點相連接并表明父子事件關系。④ 根據事故樹的邏輯門，確定BN中的連接強度(條件概率分布)。

2.2 貝葉斯網絡分析

貝葉斯網絡[7]是一個有向無環圖，主要包括代表變量的節點和鏈接這些節點的有向邊，是一種概率推理的數學模型，表示變量之間互相依賴的關系。通過利用已獲得的變量信息來計算求解未知變量的概率，根據其網絡結構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]，根據其數學理論基礎得后驗概率的計算方法如式(1)：

(1)

式中，et表示節點E對應的事件是否發生(如不發生用0表示，如發生用1表示)，P(Es=et)表示在et狀態下(發生或不發生)對應事件(節點Es所對應)的發生概率；節點Er對應的事件的先驗概率即式中的P(Er)，P(Es=et|Er)表示節點Er對應的事件發生前提下節點Es對應事件為et狀態的概率。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)的算法進行計算頂事件的發生概率。

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的發生概率。根據某飛行隊伍的歷史訓練數據得到基本事件的發生概率結果見表1。

采用本小節所述方法以飛行訓練中的重著陸作為頂事件，利用所繪制的BN圖，假設在頂事件已經發生的情況下，可根據式(2)、式(3)逆向求得任意基本事件的發生概率，幫助我們從逆向角度去推斷各基本事件的相對重要性，并研究它們在發生與不發生情況下對頂事件是否發生的不同影響。利用貝葉斯網絡分析軟件GeNIE計算后得到后驗概率的排序結果如：X8>X6>X5>X7>X13>X2>X14>X15>X1>X4>X12>X3>X11>X16>X10>X17>X9。通過觀察結果發現，X5、X6、X7、X8、X11、X13等對頂事件發生的影響較大和先驗概率大致上相同。結合先驗概率的分步，不難發現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)，根據其概率的變化得出后果(頂事件)發生概率的變化，進而提出針對性措施改進，最大限度地避免風險事件的發生，本文采用Birnbaum提出的概率重要度進行綜合分析。Birnbaum measure(BM)重要度用于衡量可靠度(即基本事件)變化對系統可靠度(頂事件)變化的影響程度，主要表達式如式(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生后其頂事件的發生概率。P(outcome=j|ei=0)表示頂事件在基本事件不發生的條件下發生的概率，BM重要度表示基本事件的發生，能增加多少頂事件發生的概率增加量。通過上面小結的分析討論，結合各個基本事件的后驗概率和先驗概率，結合本小節公式計算所需基本事件的重要度數值，在分析時把它們按照人、機、環3個類別進行分析。經計算后結果分析發現人因類別的重要度較高，然后將此類別事件重要度進一步分析后發現飛行學員操縱因素X5、X6、X7、X8排在較靠前順位，再結合此分析結果與后驗概率分布的情況進行對比發現，兩者結果大致相同，這表明飛行學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

根據貝葉斯網絡的分析結果，發現影響頂事件發生的基本事件主要集中在飛行學員的操作錯誤上，這也符合飛行訓練的實際情況，故引入Bow-tie[9]分析法分析學員的操縱錯誤。Bow-tie是由美聯邦航空局(FAA)所屬的科研團隊精心研發的一套風險分析技術，包括4個部分：危險源、風險事件、潛在結果、安全保障(事故前預防措施和事故后控制措施)，是一種綜合性風險分析模型。它不但能形象地將事故的發生途徑顯示出來，還可以枚舉出事故發生后導致的一系列后果。據此可以逐個提出針對性較強的措施，一方面把事故的發生概率拉低，另一方面最大程度地減少事故發生帶來的不利影響[10]。據此，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建立正確的看法和視線轉移。

A2:在保證安全的前提下，盡可能做到余光對學生落地視線的全程觀察。

A3:中線意識要強調，跑道面、中線、機頭三者缺一不可。

B1:結合飛機下沉趨勢調節收油門快慢。

B2:培養學生主動判斷收油門的時機和快慢意識，回顧入口條件、收油門時機動作。

B3:手把手示范正確收油門節奏，結合對比示范粗猛動作產生的不利影響。

B4:檢查學生油門摩擦調節器松緊是否合適，避免過緊影響動作。

C1:檢查學生帶桿發力姿態，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生對飛機下沉趨勢的判斷。

C3:應強調和示范考慮飛機高度對應姿態，下沉趨勢確定帶桿節奏。

C4:糾正穩桿動作，需強調拉開始后飛機是一個減速和能量減小過程，此時穩桿會讓飛機迅速下沉導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也會伴隨機頭自動下俯迅速下沉，這時應該看清下沉趨勢增大帶桿量而不是穩桿。

D1：在機場地面設置醫療站，對于受傷人員第一時間進行診斷和治療。

E1：機務組全面檢修飛機結構，并對存在問題的部件進行及時更換和修復。

F1：在訓練結束后，加強對學員的心理輔導，擴大訓練間隔，補充休息，減少其精神壓力。

G1：教員及時提醒并協助學員回歸到正確的訓練航線上，繼續進行訓練。

在構建的模型中，直觀展示了引起學員操縱錯誤的3種原因和可能導致的4項后果。而且，結合資深飛行教員的教學經驗，提出了十余項安全措施，這些措施有多年的理論教學依據，具有很強的科學性和完整性。本文重點在著陸過程中容易發生重著陸部分的操作建議進行了歸納提升總結，結合實飛情況最終確定上述15項安全措施，便于應用在實際飛行訓練中從而有效地降低風險，保障飛行安全、延長訓練機使用壽命。

4 總結

本文將重著陸事故樹模型轉化成貝葉斯網絡進行分析，發現學員錯誤操作對引起訓練中重著陸的巨大影響。后引入Bow-tie模型分析其發生的原因和可能導致的后果，整合出針對性較強的相關措施，對飛行學員和教員都提出了相關的要求，具有很強的實際應用價值，可在訓練中進行推廣應用，進而達到降低重著陸事故發生概率的目的，確保飛行教學在安全的前提下平穩進行，保證教學質量和訓練品質，也為下一步研究建立著陸飛行品質評估系統提供理論參考。