高 揚(yáng) 侯衍琛

（中國(guó)民航大學(xué)民航安全研究所 天津300300）

0 引言

2013年3月19日，中國(guó)民航局飛行標(biāo)準(zhǔn)司下發(fā)了《連續(xù)下降最后進(jìn)近（CDFA）》咨詢(xún)通告，對(duì)該技術(shù)的運(yùn)行進(jìn)行了規(guī)范，為航空公司的運(yùn)用提供了指南。2013年4月27日，民航局提出了“中國(guó)民航?jīng)Q定在非精密進(jìn)近情況下，全面推廣連續(xù)下 降 最 后 進(jìn) 近 （continuous descent final approach，CDFA）飛行技術(shù)”的總體要求和工作部署。2014年5月，飛行標(biāo)準(zhǔn)司檢查了CDFA技術(shù)的開(kāi)展和普及情況［1］。

CDFA作為1種當(dāng)前國(guó)際較為先進(jìn)的進(jìn)近方式，近幾年在我國(guó)快速普及，眾多航空公司紛紛開(kāi)展了關(guān)于CDFA技術(shù)的飛行培訓(xùn)工作。同時(shí)，航行情報(bào)中心累計(jì)完成了國(guó)內(nèi)190個(gè)機(jī)場(chǎng)的CDFA航圖修改工作，為該技術(shù)的運(yùn)用掃清了障礙。隨著CDFA技術(shù)的廣泛運(yùn)用，關(guān)于該技術(shù)安全性研究顯得愈加重要。

因?yàn)椴糠謾C(jī)組成員缺少對(duì)CDFA的訓(xùn)練，而且我國(guó)部分機(jī)場(chǎng)沒(méi)有支持CDFA的機(jī)場(chǎng)航圖，因此，機(jī)組成員需要自行計(jì)算飛機(jī)下降率等參數(shù)，這些工作步驟在一定程度上增加了機(jī)組成員的工作負(fù)擔(dān)，造成了不必要的工作負(fù)荷，影響了航班運(yùn)行的安全裕度。

根據(jù)國(guó)際民航組織的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在飛機(jī)進(jìn)近過(guò)程中，非精密進(jìn)近和精密進(jìn)近的事故率比為7∶1，非精密進(jìn)近引發(fā)的事故在機(jī)場(chǎng)飛行事故中占有很高的比例。對(duì)于傳統(tǒng)的非精密進(jìn)近方法，由于采用梯級(jí)下降的剖面，非常容易導(dǎo)致進(jìn)近的不穩(wěn)定，所以，當(dāng)CDFA的方法被美歐等航空先進(jìn)國(guó)家提出后［2］，就得到了廣泛驗(yàn)證和運(yùn)用。

1 連續(xù)下降最后進(jìn)近(CDFA)

1.1 研究現(xiàn)狀

首先，CDFA是非精密進(jìn)近的1種，也是當(dāng)前被美國(guó)和歐盟等航空發(fā)達(dá)國(guó)家極力推崇的1種進(jìn)近方式。該技術(shù)在美國(guó)下一代空管運(yùn)行系統(tǒng)（Next Gen）中被稱(chēng)為連續(xù)下降進(jìn)近 （CDA）［3］。在美國(guó)洛杉磯國(guó)際機(jī)場(chǎng)等地，相關(guān)研究人員進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，分別在白天、夜晚和不良天氣條件下，研究了航空器的連續(xù)下降進(jìn)近參數(shù)。經(jīng)過(guò)了大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其結(jié)果表明，在同等情況下，該技術(shù)可以為航空公司節(jié)省大量燃油，并在一定程度上減少了航空器進(jìn)近過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲［4］。

藤?lài)?guó)梁［5］提到了CDFA對(duì)非精密進(jìn)近安全裕度的影響關(guān)系，對(duì)CDFA安全性的問(wèn)題進(jìn)行了分析。

到2013年底，歐洲100多個(gè)機(jī)場(chǎng)采取連續(xù)下降進(jìn)近，傳統(tǒng)梯級(jí)下降進(jìn)近方式將被取代。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，歐洲國(guó)際機(jī)場(chǎng)協(xié)會(huì)、歐洲航管中心和國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)將聯(lián)合采取行動(dòng)計(jì)劃。該項(xiàng)技術(shù)在歐盟統(tǒng)一空域中心被稱(chēng)為連續(xù)下降運(yùn)行（continuous descent operation，CDO），該技術(shù)在法國(guó)巴黎戴高樂(lè)機(jī)場(chǎng)已經(jīng)得到了廣泛的運(yùn)用，該技術(shù)可以降低30%的碳排放，并將進(jìn)近噪聲下降3.9～6.5dB［6］。2014年，荷蘭研究人員研發(fā)了1種新的連續(xù)下降進(jìn)近安全技術(shù)，該理念被命名為時(shí)間燃料管理操作（TEMO），TEMO采用優(yōu)化算法來(lái)減少推力和減速板的使用，保證CDFA過(guò)程的軌跡精確性和運(yùn)行的安全穩(wěn)定性［7］。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)CDFA技術(shù)研究主要集中在噪音和燃油效率方面，對(duì)該技術(shù)安全性的研究卻較少。從人為因素安全性的角度入手，以機(jī)組成員為研究重點(diǎn)，根據(jù)機(jī)組成員的工作負(fù)荷的大小來(lái)衡量CDFA操作的安全裕度，分析CDFA的安全性，具有一定的創(chuàng)新性。

1.2 CDFA技術(shù)與階級(jí)下降方式的區(qū)別

非精密進(jìn)近是1種有方位引導(dǎo)，但卻沒(méi)有垂直引導(dǎo)的進(jìn)近方式。非精密進(jìn)近和精密進(jìn)近最大的區(qū)別在于非精密進(jìn)近缺少垂直引導(dǎo)。連續(xù)下降最后進(jìn)近和階級(jí)下降進(jìn)近都屬于非精密進(jìn)近的范疇，同時(shí)，兩者存在著較大的差別。CDFA和階級(jí)下降技術(shù)的主要區(qū)別如圖1所示。

圖1 CDFA和階級(jí)下降進(jìn)近的對(duì)比圖Fig.1 Comparison between CDFA and conventional approach

根據(jù)相關(guān)理論，按照傳統(tǒng)的階級(jí)下降方式進(jìn)近，航空器飛過(guò)最后進(jìn)近定位點(diǎn)（FAF）后，可以馬上下降到最低決斷高度（MDA），并在航空器快速下降后執(zhí)行平飛。在平飛的過(guò)程中根據(jù)相關(guān)的機(jī)場(chǎng)終端區(qū)情況，航空器選擇保持一定的下降率完成進(jìn)近，或者在到達(dá)復(fù)飛點(diǎn)（MAPT）前執(zhí)行復(fù)飛。這種方式在國(guó)外已經(jīng)逐漸取消，但是國(guó)內(nèi)的非精密進(jìn)近仍保留著下降至MDA后改為平飛的方法。航空器在到達(dá)復(fù)飛點(diǎn)之前繼續(xù)下降著陸，直到建立目視參考，否則執(zhí)行復(fù)飛。

CDFA是1種與穩(wěn)定進(jìn)近相關(guān)的飛行技術(shù)，在非精密儀表進(jìn)近程序的最后進(jìn)近階段連續(xù)下降，沒(méi)有平飛，從高于或等于最后進(jìn)近定位點(diǎn)下降到高于著陸跑道入口大約15m（50ft）的點(diǎn)或者到該機(jī)型開(kāi)始拉平操作的點(diǎn)。CDFA與階級(jí)下降進(jìn)近的主要區(qū)別在于沒(méi)有平飛。

CDFA技術(shù)的另外1個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)在于不需要復(fù)雜的設(shè)備要求。除去執(zhí)行非精密進(jìn)近程序所需要的基本航空器設(shè)備外，CDFA不需要添加其他的設(shè)備。飛行員從數(shù)據(jù)庫(kù)中選定相應(yīng)的儀表進(jìn)近程序時(shí)，一般會(huì)獲取航圖所公布的下降角度或下滑角度。擁有飛行航跡角（FPA）模式的航空器允許飛行員根據(jù)航圖所公布的垂直下降梯度或下滑角度輸入下滑角的數(shù)值。若航空器沒(méi)有配備此類(lèi)設(shè)備，那么飛行員須自行計(jì)算下降率。

在計(jì)算下降率和CDFA程序的操作時(shí)，對(duì)飛行員造成的工作負(fù)荷會(huì)明顯高于飛機(jī)的巡航階段，因此對(duì)CDFA過(guò)程飛行員工作負(fù)荷的研究顯得尤為重要。

2 CDFA安全裕度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

2.1 CDFA過(guò)程的安全裕度

飛機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的安全裕度主要指飛行員工作能力和當(dāng)前飛行任務(wù)強(qiáng)度的差值。當(dāng)飛行員的身體狀態(tài)和駕駛水平高于飛行駕駛過(guò)程中的工作負(fù)荷時(shí)，飛行員擁有較高的安全裕度，可以保證飛行的安全性。因?yàn)槠诨蛘咂渌蛩?，?dāng)飛行員身體狀態(tài)低于正常水平時(shí)，或者工作強(qiáng)度過(guò)高時(shí)，安全裕度區(qū)間值會(huì)降低，飛行員產(chǎn)生人為因素差錯(cuò)的可能性會(huì)顯著提升，從而影響飛行安全。合理的控制飛行員的安全裕度值，對(duì)提高飛機(jī)運(yùn)行安全性和減少人為因素差錯(cuò)具有重要研究意義。圖2為全階段飛行安全裕度圖。

圖2 全階段飛行安全裕度圖Fig.2 All-stages of flight safety margin

由圖2可知，飛機(jī)的起飛階段和進(jìn)近階段是飛行員工作負(fù)荷強(qiáng)度較大的2個(gè)階段［8］。特別是飛機(jī)的進(jìn)近和著陸階段，飛行員因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)工作，自身的身體狀態(tài)出現(xiàn)下滑，伴隨著高強(qiáng)度的飛行進(jìn)近任務(wù)，安全裕度值隨之降低，因此該階段極易發(fā)生人為因素差錯(cuò)而引發(fā)事故。

2.2 基于CDFA安全影響因素分析的指標(biāo)體系

對(duì)CDFA過(guò)程的安全性影響因素進(jìn)行分析，在連續(xù)下降最后進(jìn)近階段，機(jī)組成員工作負(fù)荷方面可能影響飛行安全裕度的研究因素主要包括以下3個(gè)主要方面：常規(guī)狀態(tài)下，連續(xù)下降最后進(jìn)近的工作負(fù)荷對(duì)安全裕度的研究；非常規(guī)情況下，連續(xù)下降最后進(jìn)近的工作負(fù)荷對(duì)安全裕度的研究；連續(xù)下降最后進(jìn)近過(guò)程中，機(jī)組成員配合度對(duì)工作負(fù)荷影響的安全裕度研究。

常規(guī)狀態(tài)下，連續(xù)下降最后進(jìn)近的工作負(fù)荷對(duì)安全裕度的研究主要包括以下幾個(gè)方面：機(jī)組成員參照CDFA最后進(jìn)近定位點(diǎn)的工作負(fù)荷；機(jī)組成員判斷CDFA特定決斷高度的工作負(fù)荷；機(jī)組成員參照CDFA航圖下降梯度的工作負(fù)荷；機(jī)組成員計(jì)算CDFA下降率的工作負(fù)荷。

非常規(guī)狀態(tài)下，連續(xù)下降最后進(jìn)近的工作負(fù)荷對(duì)安全裕度的研究主要包括以下幾個(gè)方面：CDFA過(guò)程中，機(jī)組成員確定復(fù)飛點(diǎn)的工作負(fù)荷；CDFA過(guò)程中，機(jī)組成員執(zhí)行復(fù)飛過(guò)程的工作負(fù)荷；CDFA過(guò)程中遇特殊情況，需對(duì)下降率進(jìn)行調(diào)整時(shí)，機(jī)組成員的工作負(fù)荷；飛行員經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，首次執(zhí)行CDFA過(guò)程時(shí)的工作負(fù)荷；夜間執(zhí)行CDFA過(guò)程時(shí)的工作負(fù)荷。

影響CDFA過(guò)程工作負(fù)荷的是1個(gè)多因素、多層次的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系。假設(shè)機(jī)組成員短期能力不變的前提下，安全裕度可以通過(guò)飛行員工作負(fù)荷的大小進(jìn)行簡(jiǎn)單量化，即用工作負(fù)荷大小表示安全裕度大小。通過(guò)對(duì)機(jī)組成員執(zhí)行CDFA過(guò)程的工作負(fù)荷進(jìn)行建模分析，可以建立1個(gè)關(guān)于CDFA過(guò)程的工作負(fù)荷指標(biāo)體系，見(jiàn)圖3。

圖3 飛行員工作負(fù)荷指標(biāo)體系圖Fig.3 The pilot workload indicators diagram

在2014年7月份召開(kāi)的飛行疲勞風(fēng)險(xiǎn)管理研討會(huì)上，向飛行員和航空公司相關(guān)工作人員發(fā)放了調(diào)查問(wèn)卷。因CDFA技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚處于推廣階段，所以相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜逸^少，難以進(jìn)行多樣本評(píng)價(jià)。因此共發(fā)放問(wèn)卷20份，每份問(wèn)卷包括10個(gè)問(wèn)題，分別評(píng)估了CDFA過(guò)程中各階段工作負(fù)荷大小。問(wèn)卷問(wèn)題選項(xiàng)包含5檔，每一檔選項(xiàng)對(duì)應(yīng)的分值如表1所示。專(zhuān)家根據(jù)相應(yīng)的CDFA工作負(fù)荷指標(biāo)進(jìn)行打分，根據(jù)問(wèn)卷完成情況，共回收有效問(wèn)卷16份，其打分結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 測(cè)量問(wèn)卷分值選項(xiàng)對(duì)應(yīng)表Tab.1 Measurement questionnaire score table

表2 問(wèn)卷打分表Tab.2 Measurement questionnaire playing table

3 基于云模型算法的算例

3.1 云模型概念

云用期望值（Ex）、熵（En）和超熵（He）來(lái)表征其數(shù)字特征，其在模型中的具體含義為：

1）Ex代表定性概念的值，表示的是概念在論域的中心值，其隸屬度1，即離期望Ex越近，云滴越集中；

2）En用來(lái)度性概念的模糊度，是定性概念不確定性的度量，代表了這個(gè)定性概念的云滴的離散程度，也是可被接d受云滴的取值范圍；

3）He為熵的熵，它用于表征云滴離散的程度，He越大，云滴更趨于離散。

3.2 逆向云發(fā)生器

逆向云發(fā)生器（BCG）是實(shí)現(xiàn)從定量值到定性概念的轉(zhuǎn)換模型。它可以將一定數(shù)量的精確數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為以數(shù)字特征（Ex，En，He）表示的定性概念，其概念圖見(jiàn)圖4。

圖4 逆向云發(fā)生器Fig.4 Reverse cloud generator

其主要的計(jì)算方法為，獲取大量的真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)逆向云發(fā)生器獲得相關(guān)數(shù)據(jù)的期望值Ex，En，He，將定量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為定性的概念。其公式為

Matlab軟件是一款較為簡(jiǎn)單實(shí)用的仿真模擬軟件。在Matlab軟件下，分別對(duì)二級(jí)指標(biāo)的打分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，其在Matlab中逆向云發(fā)生器的運(yùn)行代碼如圖5所示。

圖5 逆向云模型代碼圖Fig.5 The code of reverse cloud generator

3.3 云模型分析

根據(jù)專(zhuān)家組打分結(jié)果，分別求各指標(biāo)體系的Ex，En，He，其計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表3。

表3 云參數(shù)表Tab.3 The table of cloud parameters

根據(jù)對(duì)整體云模型貢獻(xiàn)度的不同，云模型可以分為：骨干元素、基本元素、外圍元素和弱外圍元素4個(gè)區(qū)間。見(jiàn)表4。

表4 云模型區(qū)間表Tab 4 The table of cloud range

采用Matlab軟件對(duì)正常狀態(tài)下的CDFA過(guò)程操作云參數(shù)進(jìn)行模擬分析。因樣本數(shù)量較小，利用逆向云發(fā)生器生成各項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)云模型圖，建立1個(gè)基數(shù)為5 000的云模型，其云分布見(jiàn)圖6。

圖6 正常情況下飛行員工作負(fù)荷云模型圖Fig.6 The cloud model of pilot workload（normal）

跟據(jù)圖6中云模型的相關(guān)特性，當(dāng)飛行員執(zhí)行正常狀態(tài)下的CDFA過(guò)程時(shí)，云模型貢獻(xiàn)度區(qū)間為［2.515，6.235］，其分布基本符合專(zhuān)家的打分結(jié)果；熵的值為1.86，超熵的值為0.49，云分布離散情況較小，即正常運(yùn)行時(shí)，飛行員的普遍負(fù)荷情況偏小。在正常情形下，飛行員執(zhí)行CDFA時(shí)工作負(fù)荷低于自身負(fù)荷極限，存在較大的安全裕度。

同理分別根據(jù)機(jī)組人員配合熟練度對(duì)飛行員執(zhí)行CDFA影響的相關(guān)指標(biāo)參數(shù)和執(zhí)行非正常狀態(tài)的CDFA過(guò)程時(shí)的工作負(fù)荷參數(shù)建立云模型，見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 機(jī)組成員配合對(duì)工作負(fù)荷影響的云模型圖Fig.7 The cloud model of pilot workload（team）

圖8 非正常情況下飛行員工作負(fù)荷云模型圖Fig.8 The cloud model of pilot workload（abnormal）

由圖7分析可知，云滴數(shù)據(jù)分布的隨機(jī)性較大，云模型貢獻(xiàn)度區(qū)間為［4.76，8.99］，其分布基本符合專(zhuān)家的打分結(jié)果；；其中熵的值為2.115，超熵的值為0.76，云分布離散情況較大，即機(jī)組人員配合熟練度對(duì)飛行員執(zhí)行CDFA過(guò)程的工作負(fù)荷影響較大。因離散程度較大，在個(gè)別條件下，機(jī)組人員在CDFA過(guò)程中配合不當(dāng)所造成的工作負(fù)荷可能超過(guò)自身負(fù)荷極限，其安全裕度值低。

由圖8分析可知，當(dāng)飛行員執(zhí)行非正常狀態(tài)下的CDFA過(guò)程時(shí)，云模型貢獻(xiàn)度區(qū)間為［3.083，7.367］，基本符合專(zhuān)家的打分結(jié)果；熵的值為2.142，超熵的值為0.553，云分布離散情況較小。由此分析可得，在執(zhí)行非正常狀態(tài)的CDFA過(guò)程時(shí)飛行員的工作負(fù)荷的問(wèn)題上專(zhuān)家分歧較大。根據(jù)云滴的分布情況可以判斷，在執(zhí)行非正常狀態(tài)的CDFA過(guò)程時(shí)飛行員的工作負(fù)荷較大，略高于正常狀態(tài)下的工作負(fù)荷，安全裕度處于可接受范圍之內(nèi)。

根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦航空局關(guān)于CDFA預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間誤差的相關(guān)數(shù)據(jù)［9］可知：4 000組模擬 CDFA進(jìn)近過(guò)程的時(shí)間誤差均值為0.043s，基本符合進(jìn)近的安全要求，但仍有部分誤差數(shù)據(jù)值較大。因到達(dá)時(shí)間誤差多與下降率有關(guān)，根據(jù)圖9中CDFA預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間的誤差分析可知，CDFA過(guò)程中下降率的算法是該過(guò)程安全性研究的重點(diǎn)。

圖9 預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間誤差直方圖Fig.9 The histogram of RTA

4 結(jié)論與建議

1）依照現(xiàn)有CDFA程序，飛行員在正常和非正常2種情況下，其安全裕度滿(mǎn)足飛行需要。

2）非正常情況下的安全裕度值略高于正常情況，因此需要制定更加有效的CDFA應(yīng)急程序手冊(cè)。

3）機(jī)組配合交流出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，會(huì)明顯提高執(zhí)行CDFA過(guò)程的飛行員工作負(fù)荷，因此需要加強(qiáng)機(jī)組人員的配合訓(xùn)練。

根據(jù)相關(guān)結(jié)論，對(duì)CDFA的安全性推廣提出以下2點(diǎn)建議。

1）應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)CDFA航圖的修改和優(yōu)化，使機(jī)組成員執(zhí)行CDFA過(guò)程時(shí)更加的方便，有效減少該過(guò)程中機(jī)組成員的工作負(fù)荷，提高進(jìn)近的安全性。

2）盡量?jī)?yōu)化CDFA過(guò)程中航空器下降率的算法，如設(shè)定特定機(jī)場(chǎng)和機(jī)型的CDFA下降率查詢(xún)表，減少機(jī)組成員的工作負(fù)荷，提高進(jìn)近安全性。

判斷CDFA過(guò)程安全裕度大小的主要依據(jù)為該過(guò)程中飛行員的工作負(fù)荷大小。在工作負(fù)荷的判斷過(guò)程中，由于采取專(zhuān)家打分的方法，而具有很強(qiáng)的模糊性和隨機(jī)性，云模型算法很好的實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)間定性定量的相互轉(zhuǎn)換，提供更加科學(xué)有效的結(jié)果。

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