張兆陽 孫宏 王奇 孫啟禎 趙新斌 王一

(1.中國民用航空飛行學(xué)院，四川 廣漢 618300；2.中國民航局第二研究所，四川 成都 610042；3.中國民航科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100028)

0 引言

風(fēng)切變是威脅飛行安全的重要天氣現(xiàn)象，因其危害性，民航局將其定義為民航紅色事件[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國有記錄的由風(fēng)切變引發(fā)的重大飛行事故約占飛行總事故數(shù)的31%[1]。近年來，受全球異常天氣變化影響，航班報(bào)告的風(fēng)切變事件頻發(fā)，引起有關(guān)部門的高度關(guān)注，民航局已將風(fēng)切變列入運(yùn)行品質(zhì)監(jiān)控的重要工作內(nèi)容。

目前，國內(nèi)外關(guān)于風(fēng)切變的研究主要集中于風(fēng)切變識別告警。張千千等[2]建立了基于小波變換模極大值的算法以實(shí)現(xiàn)風(fēng)切變告警，解決了風(fēng)切變類型與尺度限制導(dǎo)致預(yù)警失效的問題。劉玉潔等[3]結(jié)合抗相關(guān)厚度，構(gòu)建了關(guān)于風(fēng)切變強(qiáng)度的參數(shù)化關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)在不同空間尺度上預(yù)測風(fēng)切變強(qiáng)度。而隨著人工智能的普及，許多機(jī)器學(xué)習(xí)的算法被用來進(jìn)行風(fēng)切變預(yù)測。Ryan等[4]將雷達(dá)風(fēng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成時(shí)間序列，利用深度學(xué)習(xí)來預(yù)測風(fēng)切變告警。而關(guān)于風(fēng)切變事件風(fēng)險(xiǎn)控制的研究還較少，業(yè)內(nèi)對于風(fēng)切變事件危險(xiǎn)性的認(rèn)識相對單一片面，相關(guān)人員對風(fēng)切變風(fēng)險(xiǎn)的管控水平相對薄弱。

綜上所述，為幫助管理人員從全面、多維的角度建立風(fēng)切變事件風(fēng)險(xiǎn)管控認(rèn)識體系，本文運(yùn)用層次分析法并結(jié)合QAR[5]數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，為管理者更好地認(rèn)識風(fēng)切變事件的風(fēng)險(xiǎn)性并及時(shí)采取正處置措施提供決策依據(jù)。

1 模型建立與驗(yàn)證設(shè)計(jì)

QAR系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)記錄飛行相關(guān)數(shù)據(jù)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)備狀況、外部環(huán)境狀況，以及飛行員的操作動(dòng)作[6]。當(dāng)機(jī)載設(shè)備探測已經(jīng)(或即將)遭遇風(fēng)切變天氣而觸發(fā)警告時(shí)，QAR系統(tǒng)會(huì)記錄告警信息和其他飛參數(shù)據(jù)，如告警時(shí)間、風(fēng)速(WIN_SPD)、風(fēng)向(WIN_DIR)、無線電高度(RALT_LH)、飛機(jī)空速(IAS、TAS等)與飛機(jī)升降速率(IVV)等字段記錄值。因此，QAR系統(tǒng)可以用來驗(yàn)證風(fēng)切變事件的風(fēng)險(xiǎn)因素及其對飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的影響。具體實(shí)驗(yàn)流程圖如圖1所示。

風(fēng)切變類型包括預(yù)測式風(fēng)切變(Predictive Wind-shear，PWS)和反應(yīng)式風(fēng)切變(Reactive Wind-shear，RWS)。PWS指通過機(jī)載前視氣象雷達(dá)對飛機(jī)前方一定范圍內(nèi)的風(fēng)場發(fā)射相干脈沖后接收回波，通過估算回波信號平均多普勒頻率的方法從而探測到的一種潛在風(fēng)切變[6]。RWS指由飛機(jī)飛行增穩(wěn)計(jì)算機(jī)(Flight Augmentation Computer，F(xiàn)AC)通過搜集在飛行環(huán)境中的系統(tǒng)信號、環(huán)境變量信號，判斷并且檢測出飛機(jī)當(dāng)前位置已經(jīng)存在的風(fēng)切變[7]。因此，RWS告警時(shí)，飛機(jī)已經(jīng)進(jìn)入風(fēng)切變區(qū)域。本文將主要分析RWS類型。

2 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

以中國民航科學(xué)技術(shù)研究院“飛行品質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)項(xiàng)目”為對象，構(gòu)建風(fēng)切變風(fēng)險(xiǎn)管控指標(biāo)體系。該項(xiàng)目旨在定量化分析飛行器飛行狀態(tài)中的飛行品質(zhì)，如飛機(jī)遭遇風(fēng)切變時(shí)的處置能力評估、飛行員操作品質(zhì)評估、風(fēng)切變風(fēng)險(xiǎn)性管理等。通過對飛行專家、資深飛行教員使用德爾菲法得到評價(jià)指標(biāo)，同時(shí)用“訓(xùn)練集”統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對指標(biāo)進(jìn)行修正，以實(shí)現(xiàn)對風(fēng)險(xiǎn)因素的識別。分析構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系的目標(biāo)、指標(biāo)等各要素之間的關(guān)系，建立多級遞階層次風(fēng)險(xiǎn)管理指標(biāo)體系。風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系的層次結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系的層次結(jié)構(gòu)圖注：1ft=0.304 8m。

從圖2可知，風(fēng)切變事件風(fēng)險(xiǎn)主要分為以下四大類：

(1)機(jī)型風(fēng)險(xiǎn)。目前，國內(nèi)主要機(jī)型為空客與波音，而CRJ系列和ERJ系列占比較低。對于風(fēng)切變事件來說，飛行器型號必須要對風(fēng)切變處置性能有足夠的彈性，而主要機(jī)載雷達(dá)則對風(fēng)切變事件預(yù)警起著決定性作用[7]。

(2)高度風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)切變的最大危害是風(fēng)速、風(fēng)向的瞬時(shí)變化對飛行造成的影響，而這種影響最直觀的表現(xiàn)就是飛機(jī)顛簸甚至墜毀。有些航班受行程條件限制，可能會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)爬升高度低。同時(shí)，風(fēng)切變還可以分為水平、垂直風(fēng)切變，每種類型對飛機(jī)的影響都不一樣。如果飛機(jī)高度較低，一旦遭遇風(fēng)切變事件，就會(huì)急劇損失大量高度，甚至墜毀。

(3)飛行階段風(fēng)險(xiǎn)。航班的航程大致可以分為起飛階段、初始爬升階段、最終進(jìn)近階段和著陸階段，每個(gè)階段都需要不同的操作與風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)變能力。例如，風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生了，但是某個(gè)階段的風(fēng)險(xiǎn)魯棒性高，損失比較小；如果該風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生在另一階段，可能后果會(huì)十分嚴(yán)重。

(4)季節(jié)風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)切變本質(zhì)上是一種氣象現(xiàn)象，受各種天氣現(xiàn)象、大氣運(yùn)動(dòng)因素的影響。而當(dāng)前機(jī)載多普勒氣象雷達(dá)對風(fēng)切變的預(yù)警十分依賴空氣中的水汽，但是空氣中是否有足夠多的水汽以產(chǎn)生雷達(dá)回波，這又與季節(jié)因素有著密切聯(lián)系[7]。

3 風(fēng)切變事件風(fēng)險(xiǎn)等級體系

由于風(fēng)切變事件的風(fēng)險(xiǎn)來源廣泛且復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)因素種類多樣，某項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素又可能是由多個(gè)其他因素引起的，具有多層次、多來源、難定量化的特點(diǎn)。因此，利用層次分析法建立多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型是一種切實(shí)可行的方案。

(1)構(gòu)造比較矩陣。對指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，使用1～9的比例標(biāo)度來賦值，進(jìn)行定量化評價(jià)。用aij表示第i個(gè)因素相對于第j個(gè)因素的比較結(jié)果，aii=1，aij=1/aji。采用德爾菲法，邀請飛行專家、資深飛行教員等相關(guān)專家按照風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系對風(fēng)切變準(zhǔn)則層風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的重要性進(jìn)行判定，構(gòu)造比較矩陣A、B1、B2、B3、B4，見表1～表5。

表1 風(fēng)切變總體風(fēng)險(xiǎn)比較矩陣A

表2 機(jī)型風(fēng)險(xiǎn)比較矩陣B1

表3 高度風(fēng)險(xiǎn)比較矩陣B2

表4 飛行階段風(fēng)險(xiǎn)比較矩陣B3

表5 季節(jié)風(fēng)險(xiǎn)比較矩陣B4

(2)層次單排序及一致性檢驗(yàn)。采用層次分析法確定各層級評價(jià)指標(biāo)權(quán)重集W={w1，w2，…，wk}，該權(quán)重為風(fēng)險(xiǎn)因素對上層風(fēng)險(xiǎn)或目標(biāo)的貢獻(xiàn)。采用MATLAB 2014b編程進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過以上步驟，即可計(jì)算出比較矩陣的最大特征λ和其所對應(yīng)的特征向量w。一致性檢驗(yàn)結(jié)果CRk<0.1。指標(biāo)相對重要程度具有良好的傳遞性，所得結(jié)果可靠。計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 比較矩陣最大特征及其特征向量計(jì)算結(jié)果

利用層次分析法對各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行評估，得出本項(xiàng)目中風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重從高到低排列分別為：高度風(fēng)險(xiǎn)>季節(jié)風(fēng)險(xiǎn)>飛行階段風(fēng)險(xiǎn)>機(jī)型風(fēng)險(xiǎn)。指標(biāo)層各風(fēng)險(xiǎn)因素對目標(biāo)層的合成權(quán)重表見表7。

表7 指標(biāo)層各風(fēng)險(xiǎn)因素對目標(biāo)層的合成權(quán)重表

由表7可知，在所有的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)中，高度風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重最高，達(dá)到0.663 6，因此是風(fēng)險(xiǎn)控制的主要方向。而在高度風(fēng)險(xiǎn)中，100ft～200ft的高度是主要的控制對象，其次是10ft～50ft、50ft～100ft和200ft～1000ft。另外，季節(jié)風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重也比較大，達(dá)到0.173 9，其中，春夏兩季對風(fēng)險(xiǎn)的影響最大，超過了季節(jié)風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重的0.5，因此部分機(jī)場在春夏時(shí)節(jié)要做好風(fēng)切變事件風(fēng)險(xiǎn)管理。而飛行階段風(fēng)險(xiǎn)和機(jī)型風(fēng)險(xiǎn)所占權(quán)重較低。

4 結(jié)合QAR數(shù)據(jù)驗(yàn)證風(fēng)控體系的有效性

運(yùn)用層次分析法構(gòu)建的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系得出結(jié)論：高度風(fēng)險(xiǎn)中，100ft～200ft對整體風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重最大。為驗(yàn)證其有效性，選擇2021年國內(nèi)A320機(jī)型的86起RWS事件，對其遭遇風(fēng)切變期間的高度(圖3)與飛機(jī)升降率(圖4)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。由圖3可知，90%以上的風(fēng)切變發(fā)生在200ft以下的低空，其中占比最高的是100ft～200ft，達(dá)到33.72%。因此，高度風(fēng)險(xiǎn)是威脅性最高的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 風(fēng)切變事件高度分布

圖4 風(fēng)切變對飛機(jī)升降率的影響a)起飛階段 b)進(jìn)近階段

而為了讓這種風(fēng)險(xiǎn)可視化，本文依據(jù)飛機(jī)升降速率的變化預(yù)測飛機(jī)撞地事件，如圖4所示。圖中時(shí)間區(qū)間為從風(fēng)切變告警時(shí)刻前4s至飛行員施加TOGA推力，0時(shí)刻對應(yīng)風(fēng)切變告警觸發(fā)。由圖4a可知，在起飛階段遭遇風(fēng)切變導(dǎo)致飛機(jī)爬升率平均降幅為2142ft/min、最大可達(dá)21.21%，風(fēng)切變導(dǎo)致飛機(jī)爬升率大幅度降低將嚴(yán)重影響飛機(jī)離場過程中的超障安全；由圖4b可知，在進(jìn)近階段飛機(jī)下沉率平均降幅達(dá)799.8ft/min，如果不采取措施，預(yù)計(jì)約15s后撞地，因此高度風(fēng)險(xiǎn)的危險(xiǎn)性得到有效驗(yàn)證。

5 風(fēng)險(xiǎn)等級原因分析與風(fēng)控方案建立

5.1 風(fēng)險(xiǎn)原因分析

由層次分析法可知，高度風(fēng)險(xiǎn)、季節(jié)風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重最大，查閱資料發(fā)現(xiàn)原因可能與風(fēng)切變告警使用的風(fēng)切變危險(xiǎn)因子(Γ因子)計(jì)算方法有關(guān)[8]。不論是PWS還是RWS，目前風(fēng)切變告警的基本判斷依據(jù)是美國國家航空航天局(NASA)提出的Γ因子[8]，其表示風(fēng)切變強(qiáng)度對飛行的危險(xiǎn)程度，公示如下

(1)

在100ft～200ft的近地面區(qū)域，風(fēng)速與風(fēng)向在垂直方向上的變化越來越小，從而導(dǎo)致Γ因子逐漸變大。

而季節(jié)風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重相對較大的原因可能與機(jī)載多普勒雷達(dá)[9]的工作原理有關(guān)。多普勒雷達(dá)對風(fēng)場的探測主要靠空氣中的水汽反射雷達(dá)發(fā)出的相對脈沖電波形成回波來探測，而春季空氣中缺乏產(chǎn)生足夠強(qiáng)度回波的水汽，甚至沒有水汽，多普勒雷達(dá)對風(fēng)切變的探測效率就會(huì)大打折扣，因此春季風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重在季節(jié)因素中最大，達(dá)到0.614 6。

5.2 風(fēng)控方案建立

本文對“飛行品質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)項(xiàng)目”中風(fēng)切變事件的4個(gè)主要因素、16項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行了分析，并列出了對應(yīng)權(quán)重，應(yīng)當(dāng)抓住主要矛盾[10]，著重對權(quán)重最大的高度風(fēng)險(xiǎn)和季節(jié)風(fēng)險(xiǎn)做出可靠性應(yīng)對措施。

對于高度風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)人員要采取有效措施，在遭遇風(fēng)切變事件后，要密切關(guān)注飛機(jī)的高度損失，盡快執(zhí)行改出操作[8-12]，防止發(fā)生墜毀事故，尤其是飛機(jī)進(jìn)入100ft～200ft區(qū)域時(shí)，要保持高度注意。對于季節(jié)風(fēng)險(xiǎn)，在特定的季節(jié)如春夏航班飛行中，應(yīng)做好風(fēng)切變事件應(yīng)對策略，防止其突然爆發(fā)。對于權(quán)重比較小的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)將風(fēng)控措施落到實(shí)處[13]，如管理人員要盡可能地關(guān)注處于爬升或進(jìn)近階段的航班，制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制策略，將風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率和可能危害性降低到最低，保證航班的飛行安全。

6 結(jié)語

針對“飛行品質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)項(xiàng)目”中風(fēng)切變風(fēng)險(xiǎn)管控的獨(dú)特性，本文利用層次分析法建立多準(zhǔn)則、多層次、定性與定量相結(jié)合的風(fēng)險(xiǎn)評估模型，通過對風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)兩兩比較，獲得比較準(zhǔn)確的相對重要程度，對項(xiàng)目中存在的各種風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行識別、度量、排序，并據(jù)此提出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管控措施。管理人員應(yīng)將主要精力放在風(fēng)切變造成的高度損失上，在特定季節(jié)如春夏兩季應(yīng)提前做好風(fēng)切變事件應(yīng)變策略。對于存在大量風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的項(xiàng)目，難以直接對這些風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行量化處理，傳統(tǒng)的層次分析法已無法滿足需要，因此將QAR數(shù)據(jù)與其結(jié)合，修正結(jié)果并驗(yàn)證有效性，使評價(jià)過程更現(xiàn)實(shí)、更全面、更合理，為項(xiàng)目管理者進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)防范和管理提供參考。另外，數(shù)據(jù)顯示，大多數(shù)告警的風(fēng)切變都屬于RWS反應(yīng)式風(fēng)切變，因此多普勒雷達(dá)探測效率有待提高，而基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的風(fēng)切變告警機(jī)制將逐漸成為趨勢。