航空安全领域研究进展可视化综述*

杨骁勇 张 辉 刘尚豫 张 恒

（中国民用航空飞行学院民航安全工程学院 四川 广汉618307）

0 引 言

提升航空业运行品质和市场活力是国家和公司的重要战略目标，如何保障并维持飞机运行安全是1个重要话题。因为航空事故不仅会造成人员伤亡，还会对全球航空业和经济发展产生深远的负面影响，同时会造成重大的财产损失及乘客和公众的心理伤害[1]。习近平在会见四川航空“中国民航英雄机组”时强调，安全是民航业的生命线，要始终把安全作为头等大事来抓，任何时候任何环节都不能麻痹大意。

当前对航空安全领域的研究主要集中在机场安全设施优化建设、飞行员行为特征分析以及事故的分析和预测等方面。通常针对研究对象的1个或多个研究内容进行分类分析，缺乏航空安全领域研究现状的综述型论文，对文献的时空分布、核心作者以及研究热点和趋势的可视化综合分析研究更少。本文通过这一视角的完善发掘出了该领域研究文献的分布特征和研究热点的演进趋势。

科学计量的可视化分析现已发展成为1种可以清晰表达特定研究领域知识结构和进化史的协作共现网络方法[2]，在一定程度上弥补了文献综述只选取某一领域特定主题论述的缺点。王剑辉等[3]基于知识图谱对国内空中交通管理现状进行可视化分析，找到了该领域核心期刊、核心作者群以及研究热点和前沿，缺点是没有对研究现象产生的原因做更为细致的剖析。景国勋等[4]从发文数量、研究机构以及关键词角度对2019—2020年5月CNKI上的航空安全主题论文进行可视化分析，重点论述了2019年航空事故的致因因素。但“*航空*”检索策略过于粗略，里面涉及大量与“安全”主题无关的论文，同时检索时间过短，分析结果受偶然事件影响的可能性较大。在以上学者的工作基础上，笔者通过更为具体的检索字段和更长的检索时间来提高分析的准确率，深入探讨了全球航空安全研究现状和热点。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

WOS数据库是全球获取学术信息的重要途径，在Scopus和Google Scholar于2004年创建之前，WOS一直是引文分析的唯一工具，当今WOS仍然是引用数据的主要来源。为保证数据的可靠性和权威性，笔者以WOS核心合集为数据源，对其2001—2020年间收录的以“航空安全”为主题的文献进行检索，搜索条件设置如下：TS=（“Aviation Safety”OR“Aviation Security”NOT“Military Aviation”），文献类型为Article，共检索出1 425篇文献。随后我们对所有文献进行人工清洗，审阅了所有出版物的标题和摘要，删除了与研究主题不相关或存在重复的85篇文献，最终确定的有效文献为1 340篇。

1.2 研究方法

本文借鉴在图书情报学中较为成熟的文献计量和可视化分析方法对选取的文献进行统计分析，从全球的角度分析航空安全研究，从大量的科学文献中提取和凝练航空安全领域研究信息并通过可视化处理做出直观、全面的分析。研究软件采用CiteSpace和VOSviewer，二者绘制出的图谱具有信息量大、视觉效果好的特点，CiteSpace在分析可视化网络的突出趋势和关键点，寻找某一学科领域研究热点上贡献很大。

2 研究结果与分析

2.1 时间产出分布

1964年发表在美国临床病理学杂志上题为Aviation Safety-pathologists Role[5]的论文，开启航空安全领域的研究，并预示了该领域研究必将是跨学科及多学科融合的过程。发表的文献数量一定程度上可以反映该领域不同时期的科学研究状态和发展速度。

1964—2000 年为缓慢探索阶段，37年间总发文量200余篇，且无明显分布特征。其中超过半数的论文由美国的研究学者发表，处于绝对领先地位。在此期间中国学者仅Liu等[6]的研究论文被该数据库收录，他们提出了基元事件分析法，从系统安全的角度处理人的因素，从而降低航空事故发生率。

2001—2013 年为稳步发展阶段，共发表论文560篇，占比41.7%，美国发表论文300余篇，排名第一，见图1。值得注意的是，在此期间，得益于稳定的国际形势和中国经济的快速发展，中国学者逐渐活跃，发文数量跃升第二，为我国航空安全领域研究打下坚实的基础。

图1 2001—2020年航空安全领域年度发文量统计Fig.1 Statistics of annual papers published on aviation safety from 2001 to 2020

2014—2020 年为高速发展阶段，中美之间发文数量差距进一步减小，发达国家发展速度明显优于发展中国家。这一时期，国防科技大学的Li Jianbin[7]在飞机尾涡核心位置的实时精确定位及晴、雨、雾等气象条件下反演尾涡特征参数[8-10]方面对飞机运行安全有突出贡献。

2020年新型冠状病毒疫情的发生对航空业有巨大冲击，但学者的研究热情并没有因此而衰减。后疫情时代，如何进一步保障飞机的运行安全，提高飞机运行效率，成为学者和从业人员关注的首要问题，对该领域的研究热度将迎来更加快速的发展。

2.2 作者-机构合作分析

利用CiteSpace分析发现，NASA、FAA、伊利诺伊大学等美国的顶尖科研机构，倾向于与其国内著名高校、欧洲发达国家科研机构合作，他们之间形成了较强的合作网络，其中NASA和乔治梅森大学以及欧道明大学的合作最为密切。反观中国以航空为特色的科研院校，如：中国民航大学、南京航空航天大学、中国民航科学技术研究院等合作网络分布较散，机构间缺乏合作，只有国防科技大学的Li Jianbin团队和香港天文台、香港理工大学在飞机尾流的雷达探测方面有较强的合作，见图2。

图2 航空安全研究领域合作机构分析Fig.2 Analysis of Co-institution in the aviation-safety research

在该领域核心作者方面，美国教育家、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校计算机科学系S.H.Jacobson与田纳西大学的John E.Kobza威斯康星大学麦迪逊分校的L.A.McLay在机场多级旅客筛选[11-12]、安检设备成本评估[13]及行李安检系统优化部署[14]等方面合作密切。他们将运筹学优化模型应用于公共卫生、航空安全等领域，围绕“使用运筹学模型优化航空旅客行李安检系统性能”发表大量。设计的优化旅客和行李安全操作性能的多级旅客预筛选模型，现已在美国的商业机场得到应用，实现了在有限的资源条件下提高行李安全检查效率的目标。

美国宇航局兰利研究中心的Randall E.Bailey和L.J.Kramer合作发表多篇论文。研究主要围绕合成视觉系统（SVS）和增强视觉系统（EVS），消除低能见度的不利条件，以提高飞行员视觉水平和态势感知能力，复制晴天飞行操作优势[15-18]，从而降低可控飞行撞地和跑道侵入事故发生的风险。值得注意的是，这2位学者在2015年之后的重点转移到了量化不同情境（系统故障、机组配置）下飞行员对飞行安全贡献的模拟研究上[19-21]。

捷克理工大学的A.Lalis教授[22]致力于数据驱动对航空业进行风险管理和控制，航空安全数据集成信息系统的设计与实现以及建立模型和指标体系对机场运行和投资安全进行评估[23-24]等。他主管的航空安全实验室创建的解决方案使得组织和监管机构能够从主要基于规章的安全过渡到根据可衡量的安全绩效进行管理的安全，研究及其应用针对安全指标领域，主要专注于应急疏散和机场旅客预检问题。

英国克兰菲尔德大学航空运输系的华人博士李文进（Li Wen-chin）和G.Braithwaite在使用眼睛跟踪设备来研究飞行员的眼动情况，评估其视觉行为和界面设计的合理性[25-26]方面有突出贡献。该项研究促进了系统设计者对飞行员注意力分布和情境意识的理解，有效改善了驾驶舱设计的集成并最终提高了航空安全水平。此外，李文进将该研究拓展到了空中交通管制领域，研究远程塔台操作中影响管制员视觉注意力的因素[27]。该研究对提高管制员工作效率、促进安全、增强竞争力、产生空中交通管理（ATM）新的工作方式有很大帮助。

2.3 研究热点及趋势分析

2.3.1 共被引网络分析

文献的引用可以看作是知识从不同研究主题流动到当前所进行的研究中[28]，共同引用的参考文献可以不受研究领域方向的限制，为某一研究提供更丰富的数据源。为了对航空安全领域有更广泛和深入的研究，选取了共被引文献的时间线视图来说明2001—2020年间7类主题群中每个热点的研究内容和演变趋势。如图3所示，所有的共被引文献被分成了7个簇。根据被引文献数量的多少排序，分为#0 fuzzy inference(模糊推理)、#1 aviation security（航空安保）、#2 safety management(安全管理)、#3 risk analysis（风险分析）、#4 risk assessment(风险评估)、#5 airport surface safety（机场地面安全）以及#6 stochastic systems（随机系统）。

9·11恐怖袭击事件发生以后，全美各机场的航空安全政策和运作方式发生了巨大变化，联邦政府要求对所有托运行李进行100%筛查[29]。如何优化部署机场行李安检设备，分组评估旅客可能构成的恐怖威胁程度，以及在有限的资源条件下优化行李检查性能指标[14，30-31]等研究成为热点。随着安检筛查水平的不断改进完善以及政府和公众对航空安全的高度关注，恐怖主义事件的发生概率逐渐降低。航空安全事件受多种因素共同影响，利用模糊集合做出全面评价是十分有效的多因素决策方法。图3中可以明显地观察到2012年之后许多学者在进行风险分析时参考了大量模糊推理方面的文献，此后在相关领域展开了深入研究。其中应用最广的是利用层次分析法来评价一线员工的工作负荷，建立安全绩效评估体系以及分析航空事故的原因[32-34]等。以《国际民用航空公约》附件19的正式实施为标志，国际航空安全管理体系逐步具体化和系统化[35]。航空安全传统上是基于对事故和事件的分析来管理的，虽然这使得安全分析有了很大的发展，但其被动的缺点也很明显[36]，所以寻求新的管理手段非常关键。部分学者认为随着大数据技术的发展，利用大数据进行事故预测，对航空飞行安全管理有很大帮助。但同时也有学者也提出了新的担忧，比如核心数据如何预测，大数据技术如何做到广泛应用以及数据如何共享等[37-38]，这是学者未来将要面对的新的机遇和挑战。此外，当下的航空安全管理者更愿意遵守法规，而不是主动关注法规。这是由于经济压力导致的，所以如何通过分析和计算得出满意的投资回报比，也是学者应该考虑的问题。这将激励公司考虑到，目标明确的安全投资不仅仅是费用，同时这种投资的确会产生收入[23]。

图3中带有浅色圆环的节点代表聚类中重要的参考文献，具有高突发强度的参考文献代表后来学者对该研究方向兴趣的提升[39]。按突变强度排序前8位的文献（包括1份国际民用航空组织颁布的Doc 9859文件）见表1，值得注意是，其中的6篇论文都是为应对恐怖主义和非法干扰，研究如何提高乘客和行李筛查能力，最大化总体安全。M.G.Stewart等[40]评估了安全措施的成本和效益，本质上也是为了降低恐怖袭击重演的可能性。由此更加确定了9·11恐怖袭击事件对世界航空发展，尤其是机场安全筛查产生的深远影响。

表1 被引量突发强度最高的8篇文献Tab.1 Top 8 references with the strongest citation bursts

图3 共被引文献时间线分析Fig.3 Timeline of co-cited references

2.3.2 研究关键词分析

2.3.2.1 关键词时区分析

关键词是作者对文章主要内容的归纳和提炼，研究内容和方法会随着时间的推移发生变化，具体表现为关键词出现次数的变化。在时区图上，展示了尽可能多的满足阈值的关键词，见图4。

图4 关键词时区图Fig.4 Time-zone visualization of keywords

之前国际上普遍认可的是把航空安全历程分为3个时期，即机器安全时期、人素安全时期和组织安全时期[44]。20世纪末，飞机自动化程度和可靠性的大大提高，使人们认识到应该重视人和机器的相互作用，而且主要应该从人的角度解决安全问题。航空安全领域的研究热点从“故障诊断”和“维修技术”逐渐过渡到了“人的因素”和“人因差错”。后来，全球航空运输量的持续增长迫使人们认识到必须从组织方面采取行动，而组织决策、安全文化、安全管理是系统的关键要素，这些主题逐渐成为2015年前后的研究热点。同时，各种分析、预测模型的优化在航空安全领域的适用性探索也很受学者青睐，包括研究机组人员状况和组织因素的人因分析与分类系统（HFACS）[45],该成果是基于Reason（1990）模型提出，其目的是解决系统各个层次的人因失误。将决策实验与评价实验室（DEMATEL）和网络分析法（ANP）结合起来，形成考虑一系列标准及其权重之间相互依赖关系的混合多准则决策（MCDM）方法[46]等。近年来，大数据概念迅速兴起和发展，在此背景下，构建航空大数据信息平台和信息系统[47]，利用大数据进行事故分析预测、提高安全管理的有效性是学者关注的重点。航空安全领域比较重要且被学者广泛关注的大型数据库主要有航空安全网ASN（Aviation Safety Network）、美国国家运输安全委员会NTSB（National Trans-portation Safety Board，NTSB）以及航空安全报告系统（Aviation Safety Reporting System，ASRS）等。因此，国际航空安全管理发展的历程也从被动管理转变为主动管理，最后发展到预先管理。

2.3.2.2 关键词聚类分析

“共词（Co-word）”最早出现在文献[48]中，也被称为语义网络，它可以显示各主题之间的联系、热点分布以及学科结构。2个关键词之间的连线越粗，共现频次越高；连线数越多，关系越复杂，学科交叉的可能性越高。利用VOSviewer软件对关键词进行可视化并将它们聚类。如图5所示，出现频次不小于5次的关键词共有209个，字号和节点越大、出现频次越高，越能代表研究热点和方向。在剔除掉“aviation safety”“aviation security”等频次突出且为文献选取主题的关键词之后，出现频次排序前10的为risk（风险）68次、systems（系统）68次、performance（绩效）61次、mode（l模型）57次、human factors（人的因素）38次、management（管理）34次、accidents（事故）30次、risk assessmen（t风险评估）26次、human erro（r人因失误）25次和lida（r雷达）24次。

图5 关键词聚类分析Fig.5 Analysis of clustering keywords

分析得出，航空安全领域的主要研究方向如下。

1）航空人员安全行为能力研究。安全行为能力的缺失在航空领域表现为人的失误或人因失误。也就是人的因素导致结果偏离预期目标，进而产生不良的影响。80%的运输事故由人或组织失误造成，是航空安全领域普遍的共识，这在机组人员管理、空中交通管理、飞机维修以及航空公司人力资源管理等方面具有深远影响。该聚类形成了以航空安全（aviation safety）为核心，注意力（attention）、疲劳（fatigue）、情景意识（situation awareness）、工作负荷（workload）等为主体的关键词组合。导致人因失误的原因主要有工作环境、轮班机制等组织因素，角色胜任力、沟通能力和动机等人的特性。有研究表明，由情景意识丧失和出现惊吓反应引发的飞行中失控已被确定为航空事故的主要原因[49]。

有趣的是，曾经出现过2种不同的处理人的因素的哲学：硬自动化和软自动化，取决于是计算机还是人拥有最终的权利。其实无论系统有多先进，人类仍然是一切活动的主体，人的作用都是不容忽视的。因此，制定一套标准化工具和工作流程，加强团队合作和减少风险至关重要。

2）机场安检系统及航空设施发展研究。该聚类形成以航空安保（aviation security）为核心，模型（model）、X光机筛查（X-ray screening）、仿真（simulation）、机器学习（machine learning）等为主体的关键词组合。机上恐袭事件和非法干扰行为数量的显著降低，得益于机场安检系统的不断发展完善。生物识别技术和大数据的发展为推动旅客异常行为分析、开发推理系统提高旅客及行李筛查的整体效率[50]有很大帮助。

机场地面安全，特别是跑道和滑行道的安全，是公认的全球航空业最大的挑战之一[51]。为应对新的威胁形势，人们对现代安全技术进行了大量的投入。相关研究主要表现在开发和验证定量分析模型，描述因果因素和碰撞风险之间的关系。例如Waldron等[52]针对当前缺乏可信的机场地面运动碰撞风险模型的现状，研究了与碰撞可能性相关的计算参数的方法，该方法可以更容易的根据观察到的前兆事件预测严重但很罕见的事件的发生率。

3）安全管理水平进展研究。该聚类主要由文化（culture）、自动化（automation）、策略（strategies）、风险评估（risk assessment）、成本（cost）等组成。航空业的发展日新月异，迫切需要航空安全理念的及时更新，建立航空安全长效机制[53]。安全管理系统（SMS）和《安全管理手册》（SMM）文件的出台就是对航空安全积极看待的重要标志。我国的航空安全管理跟国际发展大致相同，可以分为3个时期：技术管理时期、人因管理时期以及系统管理时期。从完善程序、设备，颁布规章，到研究人的因素，提出解决方案和对策，再到以系统的管理模式为导向，总结大量经验教训，消除隐患，真正做到了从事后管理向事前管理的转变。未来，随着人工智能和大数据的快速发展，航空安全管理也将迎来新的机遇和挑战。作为盈利性质的公司，对运行成本的控制一直是航空公司关注的重点，加之此次新型冠状病毒肺炎疫情对全球航空经济产生了巨大冲击，这一话题将被持续关注。

3 结束语

自20世纪以来，航空安全领域研究文献数量持续增加，研究成果逐渐受到各界广泛关注。

1）随着基础性研究工作的日益完善以及可供分析的典型案例的增加，航空安全领域的文献数量整体呈波动增长趋势，2014年之后进入高速发展阶段，中美在发文数量方面的差距逐渐减小。在此期间，大量学者致力于该领域的研究，机构及学者之间的合作网络并不显著。NASA、FAA、伊利诺伊大学等美国的顶尖科研机构，更倾向于与其国内著名高校、欧洲发达国家科研机构合作。中国学者的发文数量虽然位居第二，但合作网络非常稀疏，并未发现具有代表性的合作作者群，这非常不利于我国航空安全领域研究的深入开展。所以，消除信息交流壁垒，加强国内外之间的交流合作对该领域的研究发展至关重要。

2）研究热点主要包括优化部署机场安检设施以应对恐怖主义和非法干扰，建立模糊推理模型评估风险指标和员工工作负荷，以及分析航空事故报告及数据库信息预测事故发生概率等。未来，大数据和人工智能的广泛应用给事故分析和预测将带来了新的机遇和挑战。如何做到数据实时共享和核心数据的预测是学者首要关注的问题。

3）研究方向主要围绕安全综合管理的3个要素——人、机、管理，即航空人员安全行为能力研究，机场安检系统及航空设施发展研究，安全管理水平进展研究3个方面展开。强调了人在系统中的重要作用，明确了机场安检系统及航空设施的发展方向，更新了航空安全管理新的理念。相关学者可以加强安全综合管理的第4个要素“环境”研究，进一步探讨不同环境对航空安全的影响，这无论是对航空安全研究的深入还是对安全水平的提高都有积极作用。