基于贝叶斯网络的航空器机坪运行风险预警

黄炬凯， 刘俊杰， 熊 静

(中国民用航空飞行学院 空中交通管理学院， 四川 广汉 618300)

机坪运行包括航空器地面运行以及机坪车辆运行，车辆、人员、设备为航空器运行提供安全保障。对航空器机坪运行进行风险预警是监控各环节的风险因素的重要手段，从事故源着手采取预防措施能够有效减少事故的发生，保障航空器机坪运行安全。

当前国内外对机坪运行安全的相关研究有：刘刚等[1]运用灰色系统理论从宏观角度评价机场运行安全；杜红兵等[2]建立了机场运行安全评价指标体系，对指标权值进行确定；张成伟等[3]用未确知数学理论系统性地分析了机场运行安全问题，分析面较广，但对飞行过程各环节的安全研究不具体；Oster[4]对空难频发原因进行了多个角度的研究，得出多数航空事故的原因与机场运行相关，但仅从统计学角度进行了分析。目前对机场安全的研究多定性分析安全管理，且大多分析角度较为宏观，缺少具有针对性的、定性与定量结合的分析。目前机场安全研究多以静态风险评价为主，如层次分析法通过各指标的比较、判断和赋值得到判断矩阵，形成风险评价模型，该方法应用简单，但受主观性影响较大；模糊数学方法以模糊原理建立子集[5]，将难以定量的因素量化再评价，该方法能够较好地分析不确定性问题，但在确定评价指标等方面具有一定的主观性；人工神经网络选定典型评估单元，将风险因子初始值输入模型获取权值，再将其余单元的数据录入进行评价，人神经网络特点明显、优势较大，但因收敛速度使效率受到一定影响，导致结果存在一定误差。

动态贝叶斯网络具有对时间处理的能力[6]，在静态贝叶斯网络的基础上加入时间变量，构建动态贝叶斯网络模型，实现随时间变化的动态风险评价。将其引入到机坪安全风险评价中具有明显的优势。因此，本文基于动态贝叶斯网络，结合机场各项规章和航空器运行特点，全面识别航空器机坪运行安全风险，构建预警体系、确定预警指标，对机坪运行风险进行评价，给出预警方案，以期为降低航空器机坪运行事故率提供参考。

1 航空器机坪运行安全风险识别

航空器机场运行中，航空器与航空器、车辆剐蹭等事故时有发生，从推出开车到滑行、进入跑道、起飞，航空器机场运行各环节都充满危险因素。因此，根据航空器机坪运行过程，针对各环节进行风险识别将有助于研究航空器机坪运行风险预警，降低机坪运行风险。航空器机坪运行风险源可以从人、设备、环境以及管理等4方面分类识别，以航空器安全为出发点，分析可能导致航空不安全事件的各种因素，进而采取措施消除或控制危险。

人为因素是造成事故或不安全事件的主要因素之一，负责航空器机坪运行安全的人员主要为运行指挥中心工作人员，人的因素风险分析如表1所示。

表1 人的因素U1风险源分析

设备因素可能导致事故的原因有以下几方面：设备数量不足、设备设施缺陷、设备管理不当、机坪必要位置缺乏标志，标志模糊不清或标示牌移位、设备设施使用不当等。设备因素风险分析如表2所示。

表2 设备因素U2风险源分析

机坪环境对航空器运行也存在安全影响。大雾、雨雪天气、高温天气、黄昏或者夜间机坪道路照明不足环境风险分析如表3所示。

表3 环境因素U3风险源分析

管理因素不会直接引发事故，但会导致不安全行为，使事件处于不安全状态，如作业规章制度的不完善、组织培训不足、部门协调不力导致部门班组之间沟通不畅等[7]。管理因素风险分析如表4所示。

表4 管理因素U4风险源分析

2 航空器机坪运行安全预警体系

为保证航空器机坪运行安全，机场应将预警落实到航空器运行过程的每一个环节，构建航空器机坪运行安全预警体系有助于定量的风险预警研究。首先制定构建原则，再结合航空器运行特点进行分析，预警体系如图1所示。

图1 预警体系

建立航空器机坪运行安全预警体系须遵循4条原则：及时性、全面性、高效性、客观性。航空器运行的隐患是客观存在的，机场管理组织和工作人员须积极主动加以应对。

机场的预警工作应以完善的组结构及对航空器运行的全面监管作为有力辅助，从而增强风险预警工作的重要性和强制性。为航空器运行预警工作持续有效开展，机场应建立预警工作的监督机制，把控预警实施情况，以切实提升预警效率。

为确保风险监测数据传递的即时性以及为风险预警提供数据支持，应优化航空器运行预警流程，具体预警流程如图2所示。

图2 预警流程

3 机坪运行风险贝叶斯网络评价模型

目前机坪运行安全研究多以静态风险评价为主，难以观测风险的发展过程。本文将动态贝叶斯理论引入到研究中，以动态贝叶斯模型实现机坪安全风险的动态评价[8]。

机坪运行安全风险评价方式为各风险指标对安全的影响程度，其中，风险指标是导致机坪运行安全问题的各种因素，即人的因素、设备因素、自然环境因素、管理因素的综合。为避免提取贝叶斯网络模型的指标过多或过少问题，结合专家建议进行选取，首先设计静态贝叶斯网络模型，如图3所示。

图3 机坪运行安全风险静态贝叶斯网络模型

动态贝叶斯网络模型使用概率积分计算事件发生的概率，即事件的联合概率表示[9]。

P(XF)=P(X|F)P(F)

(1)

式(1)表示风险F发生的情况下，人、设备、环境或管理风险(式中用X表示)发生的概率。由贝叶斯网络规则可表示为

(2)

若风险评价指标含多元信息，则可以采用扩展贝叶斯网络，设S为指标某时刻的状态，hi为所有时刻的集合，e为测量向量，通过转化即可建立动态贝叶斯网络，如图4所示。

图4 机坪运行安全风险动态贝叶斯网络示意

根据式(2)加入时间变量，形成动态贝叶斯网络公式：

(3)

式中，p(e|hi)为t时刻状态在测量向量e条件下的概率，分析条件概率和各节点间的关系后，即可计算得出风险概率，即

(4)

由于机坪运行环境较为复杂，除了固定的设备设施等障碍物还有移动的飞机、车辆、人员等，并且每日航班量有高峰时期和低谷时期，因此随着时间在不断发生变化。风险指标在不同时刻表现出的状态也不相同可形成随着事件变化的动态值，构建动态贝叶斯网络模型以实现不同时段内的机坪运行安全风险动态评价，如图5所示。

图5 机坪运行安全风险动态贝叶斯网络模型

机坪运行安全风险评价动态贝叶斯计算流程在静态贝叶斯基础上改进，因此，需要确定每一时刻其风险发生的概率，每个时段发生的风险概率受指标变化的影响。每个时段内的模型一致，仅是指标的值不同，具体流程如图6所示。

图6 机坪运行安全风险评价流程

4 预警指标及模型

从人机环管4方面对风险源进行了识别，全面分析了航空器机坪运行的潜在风险。结合机场实地调研，将机坪运行分成停机位、滑行道、跑道以及净空4部分，由此建立航空器机坪运行预警指标，如图7所示。

图7 航空器机坪运行预警指标

通过对航空器机坪运行安全风险评估，专家对预警指标进行危险等级评判，危险等级分成5个等级，值为1～5。由于风险值是动态变化的，因此将其参数化表示。于是可得到预警模型，即

W=L×r

(5)

式中：W表示预警值(warning)；L表示该风险的危险等级(level)；r表示该风险值(risk)。根据式(5)将风险值、危险等级以及可能性转化成风险矩阵可更直观表示3个数量的关系，如表5所示。

根据表5将各预警值划分为四级预警(0～25)、三级预警(25～50)、二级预警(50～75)、一级预警(75～100)。不同因素导致航空器机坪运行安全事件的可能性和影响程度不同，但整体应取大风险值来制约，因此，预警等级采用就高原则。

表5 航空器机坪运行安全风险矩阵

5 实例分析

5.1 机坪布局特点

南京禄口国际机场是年旅客吞吐量千万级的民用运输机场，年起降架次超20万，于机坪事故研究有足够的样本量。禄口机场拥有双跑道，目前两个航站楼在使用，停机位共143个，其中登机桥位44个，预留桥位7个，远机位92个。

2018年9月5日，两客机在南京禄口国际机场发生剐蹭。首都航空一架A320客机滑行入位过程中，左侧翼尖与停放相邻机位的东航飞机风挡前侧蒙皮发生剐蹭，造成航班延误及航空器损伤。此次事故发生在有设计矛盾的停机位，具有典型性，因此本文将以此为例进行机坪运行预警研究。

5.2 机坪运行风险识别

动态贝叶斯网络模型可以反映网络中各节点间的对应关系，而条件概率则可将关系进行量化。根据静态贝叶斯可计算出禄口机场航空器机坪运行各风险因素发生的概率，具体计算值如表6所示。

表6 条件概率

利用静态贝叶斯网络的计算结果，再加入时间变量，将参数带入模型中，通过Netica软件对航空器机坪运行安全风险进行评价。按照禄口机场的运行特征将24 h上述划分为4个时段，00：00—06：00为第1个时段T，则第2个时刻状态为T+1。

5.3 机坪运行预警

根据5.2中对南京禄口机场机坪运行风险的识别可得到各预警指标的预警值(图8)及实地调研结果分析，找出了航空器在禄口机场机坪运行的高风险环节为停机位、滑行道以及跑道。因此，这3部分为重点预警对象。

图8 预警指标预警值折线图

在禄口机场首航和东航飞机擦剐事件中，东航飞机停放在原有的74号机位，首航飞机从滑行道划入73号机位时左侧翼尖剐蹭到东航飞机的风挡蒙皮。因为停机位设计时，74号机位的停止线(前轮停止点)设在73号机位的红线区域内，机位之间存在干涉，因此在禄口机场的NAIP中规定74号机位停飞机时，72、73机位不允许停放飞机。

在此事件中，主要责任为机场运行指挥中心未按照规定，指挥飞机滑入错误机位导致事故。

5.4 安全对策

针对此类事件，采取预警措施则可避免事故的发生，利用预警系统发布预警信息，第一时间将信息传送给一线工作人员，进行预防处理。具体预警措施：74号机位为主要预警点，在机位安装红外感应装置，若有飞机停入即可被感应。此时，预警系统随即发出预警信号，表示74号机位已有飞机停入，此时72、73号机位不可使用。

禄口机场同样停机要求的还有：①使用 13A 复合型机位时，13 号桥位不得停放航空器；②使用67A复合型机位时，67、68、69 号机位不得停放航空器；③92 号停机位已停放航空器，91号停机位不得滑入航空器；93号停机位已停放航空器，92号停机位不得滑入航空器；④使用4号机坪时，278、279 号机位不得停放航空器。

6 结论

针对航空器机坪运行安全问题，利用贝叶斯理论进行运行风险分析，提出改进的动态贝叶斯网络模型，利用netica软件进行风险值计算，对机坪运行风险进行评价。建立预警指标体系和预警模型，以南京禄口机场调研数据为样本，进行预警值的计算。实例分析结果表明，停机位、滑行道以及跑道预警值较高，为重点预警对象，通过建立预警系统、即时发布预警信息从理论上可避免事故的发生。下一阶段的主要研究应集中在预警系统的规划与开发，为将预警系统投入航空器机坪运行奠定基础。