基于SHEL模型的航空维修差错风险指标体系*

陈农田　马婷　李瑞

(1.中国民航飞行学院航空工程学院　四川广汉 618307；　2.中国民航飞行学院计算机学院　四川广汉 618307；　3.北京飞机维修工程有限公司(AMECO)维修计划部　北京 100621)



基于SHEL模型的航空维修差错风险指标体系*

陈农田1马婷2李瑞3

(1.中国民航飞行学院航空工程学院四川广汉 618307；2.中国民航飞行学院计算机学院四川广汉 618307；3.北京飞机维修工程有限公司(AMECO)维修计划部北京 100621)

摘要航空维修差错是导致航空事故的重要诱因，预防维修差错对于保障航空安全具有重要现实意义。为有效识别与缓解维修差错风险，根据民航维修差错咨询通告(AC-121-007)，采用层次分析法(AHP)，结合SHEL模型从人、硬件、软件和环境四方面确定航空维修差错风险指标体系及权重排序。结果表明，沟通与协调、心理/生理素质、安全文化、知识与技能等是维修差错的关键风险指标。鉴于以上差错指标风险程度，有针对性提出维修差错防控措施，从而降低维修差错风险。

关键词SHEL模型维修差错风险指标层次分析法德尔菲法

0引言

航空器是民航的主要生产工具，是保证航空安全的物质基础，航空维修是保障民用航空安全和效益的重要环节。目前，航空器维修处于日趋复杂和急剧变化环境中，维修差错出现的频次不断增加，航空维修差错已成为导致航空事故和重大损失的重要原因之一。因此，开展航空维修差错风险控制研究，及时发现与纠正维修过程中诱发差错的关键指标和薄弱环节，对于保障航空安全运行具有重要现实意义。本文拟在航空维修差错风险机理分析基础上，结合SHEL模型对航空维修差错影响指标进行分类，应用德尔菲(Delphi)专家调查法，确定航空维修差错风险指标体系及其权重，并有针对性的提出防控建议。

1航空维修差错风险

1.1航空维修差错内涵

航空维修差错是指在航空维修活动中由于受内外因素的影响，维修人员出现偏离维修目的和要求的行为，常常伴有人身伤害或航空器设备损害。

传统安全管理认为航空维修差错是大部分事故发生的原因，操作者主动参与维修操作失误，维修操作失误是因为操作者存在着未按照标准工作、性格上有问题、不够专业、缺乏自律等问题。现代安全管理理论认为，维修差错是人-机-环境系统内的一个参数，其原因归结于人-机-环境系统互动中的不匹配，差错是系统正常组成部分，安全管理关键是控制维修差错而不是杜绝差错。

1.2航空维修差错分类

维修差错根据人的行为类型划分为基于技能、规则和知识的行为和对应差错。技能型行为是依赖于已经学会并且多次练习无需思考就能完成的，存储在记忆中的常规或自动化的程序的行为。规则型行为是已经学会的规则和常规性的行为。知识型行为是还没有形成程序的行为，需对信息进行评估、运用知识和经验来处理所处的情境。维修技能差错可分为行为过失(Action Slip)、环境捕获(Environmental Capture)和逆转(Reversion)。行为过失是指与意图不一致的行为；环境捕获发生在某固定场景下经常做的事情；逆转发生在建立起来已不适用但还难以放弃的行为模式。基于规则的差错是用错规则和程序而导致，基于知识的差错主要跟不完全或不正确的知识和当前情境错误理解有关。

1.3航空维修差错产生机理

在航空维修过程中，人、机、环境、技术、设备和管理等诸多因素共同作用影响着人的维修行为。维修差错的出现通常是由于受到维修环境中的干扰因子(“差错契机”)影响激发了维修人员认知—决策—行动的“失误机理”而引发维修差错，维修差错在操作中表现出来为可观察到的人误行为(称为“人误外部模式”)。只有维修差错产生内部机理和外部行为形成因素契合才构成维修差错诱因。

人的行为过程是人体接收外界环境信息后，经分析决策后采取行动。航空维修行为过程中，诱发行为差错的环节主要包括：①维修信息接收过程中的干扰诱发信息差错；②维修信息分析诱发规则差错；③结合维修注意力分配，运用知识储备和记忆进行维修方案决策诱发知识差错；④维修程序标准的执行而诱发技能差错(见图1)。

图1　航空维修差错产生机理

2基于SHEL模型的差错风险指标

2.1SHEL模型理论

SHEL概念首先由Elwyn Edwands教授于1972年提出，Frank Hawkins于1975年用图表描述了该模型。该模型是根据传统的“人-机-环境”系统发展而来的，可描述航空系统中各因素间的相互关系，该模型由人员(L-Liveware)、硬件(H-Hardware)、软件(S-Software)以及环境(E-Environment)四部分组成。

SHEL模型在航空人因研究领域普遍使用，国际民航组织(ICAO)推荐该模型作为航空事故和差错分析框架。在SHEL模型中，人(L)处于系统核心，人与人(L)、硬件(H)、环境(E)、软件(S)之间的相互关系构成了该模型的4个界面：人-人(L-L)、人-硬件(L-H)、人-环境(L-E)、人-软件(L-S)界面。每个界面之间并不是完全匹配的，意味着系统中存在与人有关的风险，而维修差错主要源于处于中心地位的操作人员与其他4个界面匹配程度不够。维修差错风险分析就是要识别各界面间的不匹配状态和影响指标，寻求降低不匹配程度的方法从而降低风险。

2.2建立航空维修差错风险指标体系的构建

2.2.1建立指标体系的原则

由于维修生产运作是复杂的系统工程，诱发维修差错的因素很多，要确定差错风险指标体系，必须对维修生产的实际运行有深入的了解，根据具体情况对各种指标进行整理、分类和综合。

建立维修差错风险指标体系必须满足可行性、独立性、全面性以及科学性原则。选取的指标应该具有可操作性和实用性，尽量避免指标的交叉重复又要保证全面性，使指标体系能够科学准确地反映出评价对象的实际情况。

2.2.2基于德尔菲(Delphi)法的指标遴选

德尔菲(Delphi)法是一种向专家征求意见的常用调查方法。通过列出系列评价指标征求专家意见，然后相应专家对初始指标反馈信息，对结果进行统计处理并反馈给专家，经过几轮交流直至专家的意见趋于一致不断完善指标体系。

在借鉴国际民航组织航空维修人为差错指导手册基础上[1]，依据我国民航维修差错管理咨询通告(AC-121-007)，结合维修人员和管理人员访谈，并参考相关研究文献[2-4]，制定维修差错风险指标调查问卷，发放给维修管理专家，运用Delphi法对航空维修差错风险指标进行修改和补充，得到包含11个Ⅱ级指标在内的维修差错风险指标体系(见图2)。

2.2.3航空维修风险指标体系说明

维修差错风险指标体系主要依据SHEL模型，主要包括L-L因素U1、L-H因素U2、L-E因素U3及L-S因素U4等4个I级指标，以及知识与技能U11、维修程序U21、航空器(飞机)U31以及安全文化U42等11个Ⅱ级指标。

图2　航空维修差错风险评估指标体系

(1)人-人因素(L-L)：在航空维修活动中，该界面是最重要的一个界面，如维修成员之间出现问题，会影响信息交流与团结协作质量，主要包括个体的知识技能素质、心理/生理素质以及沟通与协作等指标。

(2)人-软件因素(L-S)：分析合理的维修操作程序、维修检查单及应急程序等，以便简化相关程序，减少工作负荷，防止维修人员出错。该界面主要包括维修程序、维修文件以及维修检查单等指标。

(3)人-硬件因素(L-H)：研究航空维修人员与硬件之间的相互关系，硬件设计符合维修人员特点，维修人员正确使用维修工具等，具体包括航空器(飞机)本身的设计以及工具的使用等指标。

(4)人-环境因素(L-E)：航空系统中最早被认识到的界面，具体包括作业环境、安全文化以及社会环境等指标。

维修差错风险指标需确认SHEL模型各界面之间不匹配导致事故发生的原因，因而需对SHEL各界面影响指标全面评审和分析。

3基于AHP的维修差错指标风险分析

3.1层次分析法

层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是美国运筹学家T.I.Satty提出的一种综合定性和定量分析多准则决策方法。其通过模拟人的决策思维过程，将系统复杂问题中的各种因素根据问题的性质和目的划分成不同层次的组合，构成一个多层次的系统分析结构模型，对每一层次各因素的相对重要性做出判断，然后通过各层次因素的单排序与逐层的总排序，最终计算出最底层元素相对最高层的重要性权值，确定优劣排序,为决策提供依据。其具体步骤包括:明确问题并建立层次结构模型，构造判断矩阵，层次单排序和总排序以及一致性检验。

3.1.1构造判断矩阵

判断矩阵是层次分析法的基本信息，专家分别对I级指标和II级指标的重要程度进行比较。本文采用了1～5级数值标度方法表示相对重要性程度，依次代表同等重要，稍微重要，明显重要，比较重要和极其重要。

3.1.2权重计算

根据判断矩阵提供的信息，求得最大特征根和其对应的特征向量，特征向量代表各指标对上一层次因素影响大小的权重。常用求和法与方根法求解，本文采用方根法计算判断矩阵的最大特征根及其对应的特征向量，具体步骤：

(1)计算判断矩阵中每一行指标分值的乘积Mi：

(1)

(2)

(3)

向量W=(W1,W2,…,Wn)T就是所求的特征向量，即各指标权重。

3.1.3一致性检验

理论上完全正确反映客观事物的判断矩阵应该是一致性矩阵，但是由于客观事物的复杂性和人判断的偏好，使得判断矩阵很难有严格的一致性，故需要对判断矩阵进行一致性检验，以保证判断矩阵的可靠性。具体检验步骤如下：

(1)计算一致性指标CI为

(4)

(2)计算一致性比率CR为

(5)

式中，RI为平均随机一致性指标，其值可以由表1查得。CR<0.1时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的；当CR≥0.1时,需要对判断矩阵进行修正。

表1　平均随机一致性指标

3.1.4维修差错风险指标权重计算

根据层次分析法确定指标的权重方法，结合专家调查结合1～5重要程度比较调查，得出维修差错风险评价I级指标两两比较判断矩阵A：

(1)根据式(1)计算判断矩阵中每一行指标分值的乘积Mi：

M1=1×4×5×3=60

M2=1/4×1×2×1/4=1/8

M3=1/5×1/2×1×1/3=1/30

M4=1/3×4×3×1=4

(3)根据式(3)进行归一化处理得：

=5.219 3

W1=2.783 2/5.219 3=0.533 3

W2=0.594 6/5.219 3=0.113 9

W3=0.427 3/5.219 3=0.081 9

W4=1.414 2/5.219 3=0.271 0

W=(0.533 3,0.081 9,0.271 0)T为所求特征向量，即为I级指标相对于维修差错风险的权重。

(4)根据式(4)及式(5)进行一致性检验。

则

求得CR<0.1满足一致性检验。同理计算得出11个Ⅱ级差错风险指标权重值及综合权重系数(见表2)。

表2　基于AHP的维修差错风险指标权重系数

3.2结果分析

权重值大的指标相对重要程度大，风险程度高。通过表2维修差错风险指标综合权重值的排序从大到小依次为：U13>U12>U42>U43>U11>U23>U32>U41>U21>U31>U22。可以看出沟通与协调U13风险程度高，说明在维修作业过程中，需加强维修资源管理(Maintenance Resource Management, MRM)中的班组团队建设，加强组员间的有效沟通和团队协作能力。生理/心理素质U12和安全文化U42对维修差错影响程度高，说明维修人员生理/生理素质以及维修单位整体的安全文化氛围是关键因素。在维修差错控制方面，需重点关注维修人员的生理/心理健康，定期开展生理/心理检查评估。此外，企业高层需重视安全文化建设，按照安全管理体系(Safety Management System, SMS)要求营造公平公正、学习报告的安全文化。维修人员的知识与技能U11、作业检查单U23以及维修工具使用U32也是诱发维修差错的重要指标，说明需规范维修作业检查单(Check List，CL)、工卡(Task Card, TC)以及保障和改善维修使用的工具，开展维修人员理论知识和维修技能培训。维修作业环境U41、维修程序U21以及航空器(飞机)U31对维修差错影响程度较高，需改善维修人员的作业环境，做好维修过程中的安全防护措施，改善维修作业程序，避免单调重复性工作诱发工作疲劳导致差错产生。此外，从航空器(飞机)本身的设计与制造方面，需要从源头做好初始适航差错容错性设计，保证安全裕度实现本质安全。维修文件U22也是诱发维修差错的重要因素，在维修文件的编制与管理上，需保证维修专业术语标准性，实施文件电子无纸化和便捷化管理。

4结论

在航空安全管理工作中，人为因素至关重要，本文从SHEL模型的4个界面以及人的主导作用出发，重点考虑通过人的行为能够得到改善或避免的风险来建立指标体系。根据SHEL航空人因理论模型，参照维修差错咨询通告(AC-121-007)，结合德尔菲(Delphi)法确定航空器(飞机)、作业环境、维修程序、维修工具以及安全文化等11个维修差错重要风险指标。采用层次分析法进行综合定量分析，计算出各风险指标的重要程度并进行排序，确定沟通与协调、生理/心理素质、安全文化以及知识与技能等为维修差错重点风险指标，并有针对性提出维修差错防控建议。维修管理者可根据指标重要度排序，对风险程度较高的指标重点对待，合理安排资源，选择有效的安全管理措施降低差错风险。

参考文献

[1]Human Factors Guidelines for Aircraft Maintenance Manual [Z].International Civil Aviation Organization,2003.

[2]吴旭勇,罗晓利.国内外民航机务维修人误分类分析系统研究进展[J].中国民航飞行学院学报,2008,19(6):3-7.

[3]王金玉,生文文.基于对应分析的航空器维修差错主要原因分析[J]. 沈阳航空航天大学报,2011,28(4):80-84.

[4]孙大鑫,牛余宝,常浩.基于集成神经网络的航空维修差错风险评估模型[J].四川兵工学报，2009,30(8):86-88,128.

*基金项目：民航局科技创新引导基金项目(C2013053)。

作者简介陈农田，硕士，讲师。主要研究方向：航空维修管理与适航安全。

(收稿日期：2015-01-20)

The Aviation Maintenance Error Risk Indexes System Based on SHEL Model

CHEN Nongtian1MA Ting2LI Rui3

(1.AviationEngineeringInstitute,CivilAviationFlightUniversityofChinaGuanghan，Sichuan618307)

AbstractAviation maintenance error threatens to aviation safety seriously and preventive maintenance error plays an important role in aviation safety. In order to identify and mitigate error risk effectively, according to “China Civil Aviation Advisory Circular” (AC-121-007), the analytic hierarchy process (AHP) is applied to determine the risk indexes system from four aspects, Liveware (L), hardware (H), software(S) and environment (E) based on the SHEL model system, as well as the weight order. The results show that communication and coordination, mental/physical qualities, safety culture, knowledge and skills are the maintenance errors key risk indexes. In view of the above key causes, countermeasures are proposed to reduce the risk of maintenance error.

Key WordsSHEL modelmaintenance errorrisk indexesanalytic hierarchy process (AHP)Delphi method