风切变时进近管制区域运行安全风险分析

李 璇

（民航甘肃空管分局，甘肃 兰州 730087）

0 引言

进近管制区域是塔台管制和区域管制的过渡空域，主要负责一个或者数个机场航空器的进、离场飞行，以及其他空中交通服务。由于机场地理位置不同，空域划设的侧重点不同，进近区域一般划设在机场上空500～3000m以上的空域，空域面积小，飞行流量大，上升下降高度频繁，是民航安全管理中非常关注的区域。

有很多人都对进近区域发生的事故进行了分析研究。Sen.A等通过对航空事故数据的统计，对航空事故发生的原因进行分析[1]。赵奉鲁对发生在2006-2016年民航运输飞行事故进行分解，发现季节变化和复杂气象条件对民航飞行的影响十分显著[2]。春夏季天气变化多端，所以民航事故多发于春夏季。风切变就是春夏季常见的危险天气。

在上世纪60～80年代，美国航空总死亡人数中约有40%死于地空风切变事故。最典型的就是1975年、1982年、1985年的美国3次航空事故，总共导致超过400人死亡[3]。风切变一般发生的高度低，直接发生在机场塔台空域，但是进近空域与塔台空域相连，一旦前面进近的飞机遇到风切变，后续的飞机会在进近空域盘旋等待，给进近空域的安全运行带来沉重压力。当进近管制员收到气象部门的风切变预警时，会了解本管制区内的风切变的程度、高度和持续时间，及时通知在本管制区内运行的航空器。由于风切变的变化极难准确预知，低高度的风切变危害又很大，机组多数会选择盘旋等待风切变消失[4]，这个时间段内管制员的通话量和压力会激增，所以各种风险因素和不安全事件会发生。本文将通过查阅国内外有关风切变导致民航安全事故的文献，利用安全管理的理论模型对进近区域内影响安全的因子进行全面讨论分类，建立风切变时进近区域安全风险评价的模糊聚类分析模型，得到风险评估矩阵，并进行K-均值分析，找到风险比较大的影响因子，结合实际运行过程进行进近管制区域安全运行分析，提出安全运行建议。

1 研究方法

目前进近管制区域安全运行的研究已经比较成熟，但是国内有关进近区域安全管理评价的研究方法中，在风切变天气下解决元素之间相互影响的问题方面存在不足，多数研究是在结合管制指挥经验的情况下，对复杂天气时的管制指挥预案进行优化升级，没有对整体安全运行分析讨论。侧重于机场范围内风切变天气时当下的管制指挥策略优化[5-7]，侧重管制员利用雷达引导分散空域压力，强调流量控制协调备降，对于进近区域整体运行时其他安全隐患过程讨论不足。

查阅大量国内外有关风切变导致民航安全事故的文献，结合某进近管制单位6年运行数据，参考气象预警机制以及现行气象预报能力和设备配置，在安全管理体制机制评价的框架下，引入模糊综合评价理论，利用安全管理的理论模型对进近区域内影响安全的因子进行全面讨论分类，建立了风切变时进近区域安全风险评价的模糊聚类分析模型结合实际运行过程进行进近管制区域安全运行分析。

2 发生风切变时的进近管制风险评估指标体系

2.1 风切变时条件影响因子的确定

风切变是指空间两点距离的风矢量差，是风空间变率的一个特性[8]。在空间任何高度上都有可能产生风切变，对飞行威胁最大的是发生在近地面层的风切变，即低空风切变。风切变表现为气流运动速度和方向的突然变化，风险因子难以确定。如果遇到的是空速突然减少，而飞行员又未能立即采取措施，飞机就要掉高度，以至发生事故。风切变作为一种复杂天气对航班造成最常见的影响是拉升复飞，盘旋等待，或是返航备降。风切变的产生会占用管制员大量精力和通话时间，增大区域内安全运行压力。

然而风切变种类虽多，却只有低空风切变才可以探知预报。在半空中遇到的风切变，就是常见的颠簸。在实际运行中，气象部门会把探知的风切变简单分为五类，即：顺风过大、乱流、轻度风切变、中度风切变、未知强度风切变，给进近管制员进行通报。某机场2018年共发生33起风切变[9]，其中乱流3起，顺风过大1起，其中对进近空域航班正常运行的实际影响，如图1。

图1 风切变对进近航班的影响Fig.1 Influence on aircraft on wind shear

可以发现，33起风切变中，未知强度的风切变影响航班数量最多，同时未知强度的风切变最难预报，最常发生。在实际中多数航空器会选择在空中等待风切变消失，这种情况会导致进近区域超负荷运行，给管制员带来生理和心理的巨大压力。目前风切变的准确预报是一项难题，某机场在2018年6月气象部门共发布53份风切变警报，只有7份命中。

2.2 发生风切变时进近管制过程

发生风切变时不仅考验飞行员的经验技术和航空器的性能，而且对管制员的管制技能和心理素质也有很高要求。

以雷暴天气来之前有航空器因为风切变复飞为例，气象部门会根据天气雷达的数据进行分析，将是否有风切变预警以及风切变的程度、风切变变化趋势及持续时间，最后结合其他气象设备把握整体天气变化趋势，告知进近管制员。如果风切变预警不准确，会造成整体运行十分被动。

进近管制员会将得到的信息准确无误地告知可能受影响的航空器，提醒机组注意风切变。另外，管制员要持续向气象部门了解风切变的最近变化情况，及时通知飞行员，若是接收到空中某个飞行员的风切变报告后，如有必要也要将信息完整准确地通报给相关飞行员。如果机场天气还在起降标准附近，处于边缘天气，管制员应该及时通报机组，并且了解机组意图，是返航备降，还是盘旋等待天气转好，或是机组判断情况后决定正常进近。

风切变天气经常造成塔台频繁更换跑道，或者航空器遭遇风切变复飞，甚至多次复飞使得高度层不够用。如果此时管制员预案不合理，或者遗忘关键信息没有通报给机组，会造成更多飞行冲突，外语机组误听指令或者某些机组情绪激动会占用波道，此时扇区容量一般较大，通话量较多，管制员压力很大，应当根据航班计划内容合理发布流控保证安全裕度。进近区域也会根据人员配置采取增开扇区运行，倒班等机制控制扇区容量和人员高强度工作时间。对于进近区域内等待的飞机，管制员需要建立极强的情景意识，及时和飞行员核实等待油量，通报机场保障情况，掌握好飞机的位置，防止由于盘旋等待造成危险接近，或是偏入禁止进入的空域。对于选择去返航备降的飞机，管制员要掌握返航备降的机场天气以及该机场是否正常接收，还要和相邻管制单位及时协调移交，做好信息通报，如果风切变持续时间较长，协调席管制员协调不到位没有盘旋等待空域，周边机场没办法接受备降，对航空器来说是十分危险的。

如果机场天气低于起降标准，管制员需要向气象部门明确天气变化趋势和持续时间，通知受影响的航空器，了解机组意图是继续等待还是返航备降。此时如果机场后续考虑要关闭，还要联系飞行服务室拍发航行通告。对于去返航备降的飞机，管制员要掌握返航备降的机场天气以及该机场是否正常接收，还要和相邻管制单位及时协调移交，做好信息通报。在此过程中，设备的正常工作是非常重要的，如果VHF频率故障，雷达故障，自动化系统故障，都会使航空器进入更危险的情况。

综上所述，发生风切变时管制运行的一般管制过程简单包括4部分：了解天气情况、与机组沟通、与其他单位协调沟通和发布流量控制。这4个管制过程需要交换即时信息，交互运行，如图2。

图2 风切变时管制运行的一般管制过程Fig.2 General operation of air control on wind shear

2.3 进近管制区域风险评估模型

根据发生风切变时进近管制运行的一般管制过程以及某进近管制单位8年运行的不安全事件统计，通过查阅工作手册，现识别出以下24个主要风险因素：更换跑道；多次复飞高度层不够用；管制预案不合理；管制员遗忘信息；管制员心理压力过大；管制员管制经验不足；VHF通讯失灵；二次监视雷达受天气干扰失灵；内话系统故障；自动化系统故障；检查单不合理；气象培训不到位；信息传递失误；后续保障不够；工作环境干扰大；风切变持续时间长；空军限制；航空器流量大；协调不到位没有等待空域；周边机场无法接受备降航班；流控发布不合理；机组情绪激动占用波道；外籍机组交流时误听误发；风切变预警不准确。

民航在进行安全分析时，风险评估指标的建立常用SHEL模型[10]，如图3。1972年，爱德华教授首次提出了安全工作中“人”所处的特定系统界面的原理，组成这个界面的元素包括：软件(Software)、硬件(Hardware)、环境(Environment)和人(Liveware)，分别用其首字母S、H、E、L来代表，这4个元素组成的模型即是SHEL模型。

图3 SHEL模型Fig.3 SHEL Model

从21世纪初开始，民航很多事故和事故征候的例子都表明，正是模块之间的不完美的耦合界面导致了负面结果的发生。这些界面如下所述：

（1）人件—硬件（L-H）指人与设备、机器和设施之间的关系。例如：设施使用的方便程度，设备的使用流程等。

（2）人件—软件（L-S）是人与工作场合中各种支持系统之间的关系。例如：规章，手册，检查单，辅助软件等。

（3）人件—人件（L-L）是指工作中人与人之间的关系，包括组织内部的互动和不同组织之间承担不同责任的个人交流。例如：工作人际交往、班组资源搭配、组织文化、外部交流等。

（4）人件—环境（L-E）是指人与物理环境的关系。例如：温度、光线、噪音干扰等。

民航历年的不安全的事件多发在人为因素。SHEL模型的建立也是基于关注一线运行人员，然而这是模型的所有维度中最不可预测、最容易受到内部（饥饿、疲倦、情绪、动机等）和外部（温度、噪音、干扰等）影响的因素。尽管人具有很强的适应性，但是人的表现会有变化起伏。人的表现无法同硬件一样有标准化的衡量指标，所以代表人的方框边界不是简单的直线，是不规则的线条，既代表与其他因素紧张生硬的关系会损害到人的表现，也表明了模块间不完美的耦合。

根据日常工作中24个主要风险因素发生概率由大到小排序，利用SHEL模型的4个主要界面，将24个风险因素分为以下4类：

A类：更换跑道，多次复飞高度层不够用，VHF通讯失灵，二次监视雷达受天气干扰失灵，自动化系统故障，内话系统故障。

B类：管制预案不合理，检查单不合理，航空器流量大，流控发布不合理，气象培训不到位，后续保障不够。

C类：管制员遗忘信息，管制员心理压力过大，管制员管制经验不足，机组情绪激动占用波道，信息传递失误，协调不到位没有等待空域。

D类：外籍机组交流时误听误发，风切变持续时间长，空军限制，周边机场无法接受备降航班，工作环境干扰大，风切变预警不准确。

3 模糊综合评价的进近管制风险评估模型

根据某机场2010-2018年风切变天气的管制特情统计数据，邀请7位专家对这4大类风险因素打分，按照进近区域内运行危险程度最高为100分，毫无危险为0分。然后将专家打分经过筛选，去掉最高分，去掉最低分，将平均值逢5，0取整，见表1。

表1 专家打分Tab.1 Expert scoring

对四类风险因素进行赋值，设：

xA=（75,95,80,95,60,35）

xB=（55,30,15,5,25,20）

xC=（80,70,60,30,50,30）

xD=（90,50,35,10,15,25）

可得特性指标矩阵为：

将矩阵进行转制，在SPSS中利用K-均值进行聚类分析，见表2。

表2 初始聚类中心Tab.2 Initial clustering center

将表2再迭代运算，见表3。

表3 最终聚类中心Tab.3 Final clustering center

由最终聚类中心原理可知，XA类风险的数据都聚合在比较高风险的范围，XC和XD类风险相似，XB风险最低。考虑到两个聚类中心的综合评价，将A,B,C,D类风险进行排序，可知A类＞C类＞D类＞B类。A类风险是与设备、机器和设施之间的风险因素，是最严重的风险，说明人与设备、机器和设施之间的融合还非常不够，机器设备的安全性和精度还需要很大的提升；C类是工作中人与人之间的关系；D类是人与物理环境的关系；B类人与工作场合中各种支持系统之间的因子；他们的安全风险依次递减。

4 结论和建议

通过模糊聚类分析风切变时进近管制风险评估模型，我们可以发现，人与设备、机器和设施之间的也存在最巨大的风险；工作中人与人之间的关系，人与物理环境的关系，人与工作场合中各种支持系统之间的安全风险程度依次递减。

这与我们日常安全管理工作的认知有些偏差。在民航实际运行中，往往认为我们的设备、机器和设施非常先进、非常可靠，已经与世界接轨，工作中人与人之间有最大的安全隐患。但是在风切变天气运行时，进近区域内人与设备、机器和设施之间的安全风险偏大，有可能是由于风切变的难以准确预报才导致风险的上升。如果升级气象设备，风切变预报的准确性就能提升，就能极大提升进近区域运行的安全裕度，这说明，从技术层面还存在很多需要解决的问题，通过设备改进和机器性能的提升能带来安全水平的提升。

综上所述，为提升进近管制区域在风切变时的安全水平，以关注设备和人为因素为重心，提出以下3条建议：

（1）加大设备投入，升级气象雷达，改良自动化设备，做好设备备份，气象部门提升风切变预警能力。

（2）加强培训，增强管制员对风切变天气的认识，提升管制技能；加深与航空公司的交流，了解飞行员处置风切变天气的原则，从而实施正确而果断的管制指挥。

（3）做好应急处置，在发生风切变天气时，及时通报相关管制单位，做好流量实时控制。