王潔寧，鐘 彬

（中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院，天津 300300）

在2017—2019年全球航空安全計(jì)劃中，ICAO 將跑道安全、飛機(jī)失控和可控飛行撞地（CFIT,controlled flight into terrain）3 類高風(fēng)險(xiǎn)事件列為全球航空安全的重點(diǎn)。近十年以來，雖然增強(qiáng)型近地警告系統(tǒng)（EGPWS）的全面使用，可控飛行撞地事故得到了有效的預(yù)防[1]，但仍然不容忽視。據(jù)《2016年中國民航航空安全報(bào)告》統(tǒng)計(jì)，2007—2016年間可控飛行撞地事故共發(fā)生23起，在民用航空類事故中仍占有較大比重，相應(yīng)的事故征候，如下滑道警告，下降率過大等也時(shí)有發(fā)生。應(yīng)安全管理體系（SMS）的要求，安全風(fēng)險(xiǎn)管理不僅要識(shí)別并緩解危險(xiǎn)，還要找出潛在的不安全狀況，從根本上杜絕事故的發(fā)生[2]。

國內(nèi)的研究主要基于早期發(fā)生的大量事故，分析CFIT 的事故致因，主要集中于飛行機(jī)組的行為差錯(cuò)。普遍采用事故樹、Reason-SHEL 模型、功能共振事故模型等對CFIT 事故成因及其之間的邏輯關(guān)系做定性分析，此外，用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等對CFIT 風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)[3-6]。在國外，有學(xué)者根據(jù)往年發(fā)生的CFIT 事故，基于人因分析與分類系統(tǒng)（HFACS）模型對事故致因進(jìn)行了一個(gè)全面的歸納總結(jié)[7-9]。以往的研究主要在于找出可控飛行撞地的危險(xiǎn)致因以及分析致因的重要性，并基于此給出事故預(yù)防的重點(diǎn)。致因因素之間往往只有簡單的線性關(guān)系，而事故的發(fā)生并不是簡單的、獨(dú)立的事件鏈的過程。

為了清晰地表達(dá)組織因素之間的交互關(guān)系，應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法，以因果圖的方式表達(dá)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能過程，借助于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中靈活的函數(shù)關(guān)系，建立一個(gè)簡化的事故模型，實(shí)現(xiàn)對影響因素之間交互關(guān)系的分析以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。由于大多數(shù)可控飛行撞地事故發(fā)生在飛行的進(jìn)近著陸階段，研究著重考慮進(jìn)近著陸階段的可控撞地風(fēng)險(xiǎn)。

1 可控飛行撞地風(fēng)險(xiǎn)致因分析

雖然造成飛機(jī)可控撞地或撞障礙物的原因很多，包括惡劣天氣、導(dǎo)航設(shè)備故障等，但飛行員差錯(cuò)是大多數(shù)CFIT 事故中最主要的原因。飛行員差錯(cuò)最常見的類型有飛行員未能隨時(shí)掌控飛機(jī)的位置及離地高度，喪失高度意識(shí)[10]。此外，疲勞也會(huì)使經(jīng)驗(yàn)豐富的飛行人員犯重大錯(cuò)誤，最終導(dǎo)致事故發(fā)生。

根據(jù)往年事故發(fā)生的原因統(tǒng)計(jì)，主要分為如下4種情況研究CFIT 風(fēng)險(xiǎn)。

1）高度氣壓表設(shè)定錯(cuò)誤 由于操作失誤或通話信息識(shí)別錯(cuò)誤導(dǎo)致的氣壓表設(shè)錯(cuò)，且機(jī)組交叉檢查無效導(dǎo)致的低于安全高度的事故風(fēng)險(xiǎn)。

2）沒有調(diào)節(jié)高度表 由于機(jī)組遺忘導(dǎo)致的低于安全高度的事故風(fēng)險(xiǎn)。

3）下降率過大 由于機(jī)組操作不當(dāng)或喪失高度警覺導(dǎo)致的低于安全高度的事故風(fēng)險(xiǎn)。

4）偏離航線 惡劣天氣導(dǎo)致的繞飛撞障礙物風(fēng)險(xiǎn)，或由于管制員指揮失誤偏離預(yù)計(jì)航線產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

基于上述4 類情況需做進(jìn)一步的原因分析，而其影響因子往往不是單一獨(dú)立的，在此引入系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是系統(tǒng)科學(xué)與管理科學(xué)交叉融合的一門學(xué)科，目前廣泛應(yīng)用于供應(yīng)鏈、城市發(fā)展、經(jīng)濟(jì)、交通等各個(gè)領(lǐng)域[11]。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型是一種描述性模型，它以動(dòng)態(tài)反饋圖結(jié)合仿真運(yùn)行的形式來反映復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為，進(jìn)一步揭示系統(tǒng)狀態(tài)變化的根本原因，分析不同決策條件下的系統(tǒng)變化趨勢。

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)因果關(guān)系圖是表示系統(tǒng)反饋結(jié)構(gòu)的重要工具[12]，它通過有向箭頭來表示信息流動(dòng)的方向，用“+”、“-”來表示單個(gè)變量變化時(shí)，與之直接相關(guān)的變量的變化趨勢。

可控飛行撞地風(fēng)險(xiǎn)事件的因果關(guān)系如圖1所示。

圖1 可控飛行撞地因果關(guān)系圖Fig.1 Cause-effect diagram of CFIT

其中，“〈飛行員技術(shù)水平〉”、“〈飛行員疲勞〉”、“〈慣例違規(guī)〉”分別為“飛行員技術(shù)水平”、“飛行員疲勞”和“慣例違規(guī)”的影子變量，含義與原變量相同。

根據(jù)Vensim 軟件的統(tǒng)計(jì)，圖1中關(guān)于CFIT 風(fēng)險(xiǎn)共有21 條回路。

環(huán)路1CFIT 風(fēng)險(xiǎn)→+培訓(xùn)教育頻率→+飛行員技能水平→-操作不規(guī)范→+下降率過大→+低于安全高度或距離→+CFIT 風(fēng)險(xiǎn)。

該環(huán)路中負(fù)因果鏈的數(shù)目為奇數(shù)，是負(fù)反饋回路，負(fù)反饋回路可以自我校正，最終將變化抵消。即CFIT 風(fēng)險(xiǎn)值增加，通過培訓(xùn)增加飛行員的技能水平，降低操作差錯(cuò)的頻率從而降低風(fēng)險(xiǎn)。

環(huán)路2CFIT 風(fēng)險(xiǎn)→+培訓(xùn)教育頻率→+飛行員技能水平→-復(fù)誦不嚴(yán)謹(jǐn)→+通話誤差（指令聽錯(cuò)、理解錯(cuò)）→+高度氣壓表設(shè)定錯(cuò)誤→+低于安全高度或距離→+ 察覺風(fēng)險(xiǎn)→+有效措施→-CFIT 風(fēng)險(xiǎn)。

該環(huán)路中負(fù)因果鏈的數(shù)目為偶數(shù)，是正反饋回路，正回路在擾動(dòng)傳播的過程中將增強(qiáng)原來的變化?；芈分蠧FIT 風(fēng)險(xiǎn)降低，每月僅例行培訓(xùn)，長時(shí)間按部就班仍會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)導(dǎo)致出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的趨勢，但若飛行員較早察覺及時(shí)糾正仍能降低風(fēng)險(xiǎn)值。

2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模

2.1 CFIT 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

因果關(guān)系圖描述了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，但是并不能表示系統(tǒng)的行為，它只是相鄰兩變量之間的簡單關(guān)系。在系統(tǒng)的行為表達(dá)上，應(yīng)該是所有變量相互作用的結(jié)果，如此需要建立風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)流圖，并用仿真的方式分析回路中占主導(dǎo)地位的因素[13]。構(gòu)建CFIT 風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)的流量存量圖，如圖2所示。

模型采用時(shí)間步長為月，按風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估周期，確定模型模擬總時(shí)間為1年，風(fēng)險(xiǎn)值用風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的頻率和嚴(yán)重度來衡量。根據(jù)可靠系統(tǒng)對安全余度的考量，將風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重度等級(jí)的評(píng)定按有沒有達(dá)到地形警告級(jí)別和采取有效措施兩方面綜合考慮，如表1所示。

圖2 CFIT 風(fēng)險(xiǎn)流量存量圖Fig.2 Flow-stock diagram for CFIT risk

表1 風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重度等級(jí)劃分Tab.1 Risk severity level

表1間接反映了可控飛行撞地事故風(fēng)險(xiǎn)是隨時(shí)間逐漸增大的，在風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)的初始，若機(jī)上飛行人員感知或察覺較早就可以有效防止事故的發(fā)生。

按嚴(yán)重度等級(jí)1 ～4 制定風(fēng)險(xiǎn)的分值分別為25、50、75 和100。采用概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法（PRA）：風(fēng)險(xiǎn)=頻率×嚴(yán)重度，計(jì)算出CFIT 的風(fēng)險(xiǎn)值，其中，CFIT 風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生頻率由流量存量圖中的風(fēng)險(xiǎn)增加的直接影響因素確定為

其中：n1～n4分別代表下降率過大、偏離航線、沒有調(diào)高度表、氣壓高度表設(shè)定錯(cuò)誤4 種情況發(fā)生的次數(shù)。

通過仿真可以得到12 個(gè)月的累計(jì)風(fēng)險(xiǎn)值。根據(jù)海因里希安全法則，生產(chǎn)過程中存在著大量的隱患，無傷害事件或未遂事故∶輕傷害事故∶死亡及重傷害事故的比值約為300 ∶29 ∶1。對于不同的生產(chǎn)過程，不同的事故類型，該比例關(guān)系雖然不一定相同，但本質(zhì)上卻表明了無數(shù)次意外事件，才會(huì)導(dǎo)致重大傷亡事故發(fā)生的必然規(guī)律。由此分析考慮，將累積的風(fēng)險(xiǎn)值劃分為4 個(gè)等級(jí)，其等級(jí)及含義如表2所示。

表2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分Tab.2 Risk level

以風(fēng)險(xiǎn)大小衡量系統(tǒng)的安全程度，判斷安全程度是否在可接受的范圍內(nèi)，并據(jù)此決定是否采取措施改善安全狀態(tài)。在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)反饋圖中可判別哪項(xiàng)條件對風(fēng)險(xiǎn)的影響較大，以確定從哪方面入手加以管理。

為方便對CFIT 風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，還需對流量存量圖中的其他變量關(guān)系進(jìn)行定義，其中主要的動(dòng)力學(xué)關(guān)系如表3所示。

表3 模型中主要的動(dòng)力學(xué)關(guān)系Tab.3 Main dynamical relation

2.2 模型檢驗(yàn)

模型完成后，還需進(jìn)行模型測試，以驗(yàn)證模型是否符合基本的物理規(guī)律，前后量綱是否一致以及在輸入條件發(fā)生極端變化時(shí)，模型是否依然適用[14]。利用Vensim 軟件本身的檢驗(yàn)功能對模型進(jìn)行檢驗(yàn)并修正模型，保證模型量綱一致且能夠運(yùn)行。對運(yùn)行中的模型進(jìn)行敏感性測試及極限情況測試，調(diào)節(jié)模型中的常量，隨著常量取值變化，觀察系統(tǒng)中所有變量的值是否變化、是否超出指定的取值范圍，且根據(jù)變化的快慢，可檢測出哪幾個(gè)變量對風(fēng)險(xiǎn)的影響最大[15]。經(jīng)檢驗(yàn)，模型整體的變化趨勢符合常理，且變量取極限值時(shí)，相關(guān)變量的值也在合理的范圍內(nèi)，如表4所示。

表4 模型變量取值分布Tab.4 Variable value distribution

3 模型仿真分析

在做敏感性測試時(shí)發(fā)現(xiàn)對風(fēng)險(xiǎn)影響較為顯著的變量為每月飛行時(shí)間和慣例違規(guī)，所以對這2 項(xiàng)進(jìn)行著重分析。

每月飛行時(shí)間主要影響的是飛行員疲勞，疲勞對飛行員的操作和判斷影響較大，對風(fēng)險(xiǎn)有較明顯的影響。將初始數(shù)據(jù)輸入模型，利用Vensim 軟件進(jìn)行仿真，表4中6 個(gè)常數(shù)參數(shù)分別設(shè)定輸入為（0.005，RANDOM UNIFORM（0，0.1，0.05），0.05，0.01，RANDOM NORMAL（40，100，70，3，70），RANDOM UNIFORM（0，5，2））。調(diào)節(jié)飛行員每月飛行時(shí)間，考察疲勞對風(fēng)險(xiǎn)的影響：考慮每月平均飛行時(shí)間分別為60 h、70 h、80 h、90 h 的情況。仿真預(yù)測結(jié)果如圖3所示。

圖3 CFIT 風(fēng)險(xiǎn)的仿真預(yù)測值Fig.3 The simulation predicted value of CFIT risk

圖3表示的是以月為單位，1年累計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。以每月平均70 h 為例，到12月，風(fēng)險(xiǎn)累計(jì)值為273.426，對照表2的等級(jí)劃分，表明系統(tǒng)中雖然存在風(fēng)險(xiǎn)但仍在可接受的范圍內(nèi)。每月飛行時(shí)間不同，飛行員的疲勞程度不同，對CFIT 風(fēng)險(xiǎn)的影響也不同。圖中可看出，每月飛行不超過70 h 時(shí)，CFIT 的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)還處于可以接受的狀態(tài)。當(dāng)平均飛行時(shí)間超過80 h，風(fēng)險(xiǎn)較大，需要管理部門加強(qiáng)管理調(diào)節(jié)，改善安全狀態(tài)。由此可見，飛行員的疲勞對CFIT 風(fēng)險(xiǎn)的影響較大，相關(guān)部門需要綜合飛行的工作量和航班流量對飛行員進(jìn)行合理的排班。

飛行員月平均飛行時(shí)間除直接影響飛行員疲勞外，還表現(xiàn)為飛行經(jīng)驗(yàn)直接影響飛行的技能水平，如圖4所示。

圖4 飛行員技能仿真Fig.4 Simulation predicted value by pilot risk

飛行員技能與CFIT 風(fēng)險(xiǎn)相互影響，飛行員技能受飛行時(shí)間、疲勞、飛行員自身狀態(tài)等的影響會(huì)有所下降，當(dāng)每月風(fēng)險(xiǎn)累計(jì)到一定程度，會(huì)加強(qiáng)培訓(xùn)管理，飛行員技能加強(qiáng)，月風(fēng)險(xiǎn)值降低，累計(jì)風(fēng)險(xiǎn)趨勢漸緩。結(jié)合圖3，平均飛行時(shí)間不超過2 級(jí)風(fēng)險(xiǎn)限定值時(shí)，對風(fēng)險(xiǎn)的影響其實(shí)是較小的。但在這個(gè)限定值以下，平均飛行時(shí)間越長，飛行經(jīng)驗(yàn)增加，飛行員的技能水平也越高，如圖4（b）。所以一個(gè)變量對系統(tǒng)的影響并不是單一的，有利有弊，在管理上需要綜合考慮，把握好度。

此外，由仿真所得的其他變量的預(yù)測圖，可得飛行時(shí)間間接對機(jī)組的有效檢查、操作執(zhí)行錯(cuò)誤、通話誤差及飛行員反應(yīng)決策時(shí)間有較大影響。

慣例違規(guī)是飛行員的個(gè)人態(tài)度問題，可通過教育等方式修正，模型設(shè)計(jì)之初，為便于分析它的影響，將它作為一個(gè)常量。該項(xiàng)與飛行員的技能水平有直接的負(fù)相關(guān)關(guān)系，該項(xiàng)的概率值增大時(shí)，由仿真輸出結(jié)果可知飛行員的技能水平下降，而CFIT 風(fēng)險(xiǎn)值增大。

綜合考慮每月飛行時(shí)間、慣例違規(guī)兩項(xiàng)指標(biāo)，共設(shè)計(jì)7 種方案，如表5所示，分析這7 種方案下的風(fēng)險(xiǎn)值的變化[16]。

表5 模型調(diào)整方案Tab.5 Model adjustment scheme

圖5 不同方案下的風(fēng)險(xiǎn)值對比Fig.5 Risk comparison under different scenarios

結(jié)果顯然，兩項(xiàng)指標(biāo)的影響相互交錯(cuò)，且其對風(fēng)險(xiǎn)的影響趨勢是一樣的。考慮每月飛行時(shí)間為70 h 的情況（基準(zhǔn)方案、方案1、方案4），當(dāng)慣例違規(guī)出現(xiàn)的概率由0.005 增加到0.05，再到0.1 時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)值由266.263 到308.159，再到358.042，是很明顯的上升趨勢。其中方案2 與方案4，以及方案3 與方案5 風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果相似，而方案6 已經(jīng)上升到了高風(fēng)險(xiǎn)的級(jí)別。由此表明，風(fēng)險(xiǎn)管理需全方位把控，不能只看到運(yùn)行狀況良好的一面，在不利狀態(tài)下的高風(fēng)險(xiǎn)是比較好察覺的，但若處于安全的狀態(tài)下，也要能察覺潛藏的隱患。

4 結(jié)語

1）CFIT 因果關(guān)系圖清晰表達(dá)了事故發(fā)生可能的每一條鏈路，因素之間的邏輯關(guān)系直觀明了，能夠較好地反映事故發(fā)生的深層原因。

2）研究表明飛行員的每月飛行時(shí)間和慣例違規(guī)對風(fēng)險(xiǎn)的影響較為明顯，即飛行員疲勞和習(xí)慣性違規(guī)應(yīng)該是被關(guān)注的重點(diǎn)。但變量的約束不能以單個(gè)因素獨(dú)立考慮，在變量的交互影響下，顯然組合方案的風(fēng)險(xiǎn)要比只考慮某個(gè)變量的風(fēng)險(xiǎn)大得多，因此，對于安全的監(jiān)控要綜合全面。CFIT 風(fēng)險(xiǎn)模型從系統(tǒng)的角度出發(fā)，可以監(jiān)控到各因素對風(fēng)險(xiǎn)的綜合影響，且組合方案的設(shè)定可提高決策管理的有效性。

3）基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對CFIT 風(fēng)險(xiǎn)的研究，可驗(yàn)證該方法在某種既定的關(guān)系上，研究事故風(fēng)險(xiǎn)是可行的。在實(shí)際應(yīng)用中，可經(jīng)過真實(shí)數(shù)據(jù)擬合及經(jīng)驗(yàn)判斷推出合適的變量關(guān)系方程，設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)哪Ｐ瓦M(jìn)行仿真預(yù)測分析，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行事故預(yù)防。