基于BN和Bow-tie模型的飞行训练重着陆风险研究

翟羽佳， 杜冬， 邢苗英， 刘国建

(中国民用航空飞行学院， 民航飞行技术与飞行安全科研基地， 四川， 广汉 618300)

0 引言

波音公司在2017年发布《1959—2016年全球商用喷气式飞机事故统计》[1]，报告显示2007—2016年发生的飞行事故都集中在进近着陆阶段，在飞行训练过程中同样如此。重着陆是指飞机在着陆接地时垂直加速度超过飞机所给定的阈值[2]，过大的垂直加速度会对机身和飞行人员造成安全隐患。目前学者们对重着陆风险的研究主要集中在着陆风险预警、风险分析和风险评估这几个方面。陈思等[3]在传统的支持向量机模型基础上，采用粒子群优化参数寻优改进，实现重着陆风险预警。Ding等[4]应用4种分类算法、9种比较度量，设计了一个通用的评价框架，结合QAR数据集运用7种经典特征去预测重着陆。刘军凯[5]运用SHELL模型从识别出重着陆的风险因素,再通过风险矩阵对各风险进行风险评估，最终提出建议措施。但是这些研究的内容都集中于运输航空方面，而对于飞行训练方面相关研究仍然空缺。鉴此，本文结合贝叶斯网络和Bow-tie模型对飞行训练中的重着陆的成因进行研究和分析，根据分析结果提出相应的预防措施来减少事故的发生概率，以及采用控制措施降低事故发生后的不利影响，对提高飞行训练品质具有重要意义。

1 事故树模型

事故树分析法(FTA)从多方面(如人、环境、软硬件等)角度出发，梳理它们和事故之间的关系，绘制一个带有逻辑关系且类似于树状的图形，即事故树模型。根据飞行训练的实际情况统计分析，结合FTA理论，本文从人、机、环3个角度出发，绘制故障树如图1所示。其中，各项事件符号含义如表1所示。

图1 飞行训练重着陆事故树

2 贝叶斯网络

2.1 事故树模型向贝叶斯网络的转化

转化工作的重点和难点就是要深刻的理解2个模型之间的局部和整体的对应关系，即建立顶事件、中间事件、基本事件加上逻辑门与网络中节点之间的关系。文献[6]科学系统地论述FTA向BN转化的办法包括事件、逻辑门与节点的映射关系、逻辑关系(与、或)与条件概率分布的映射关系。结合文献研究总结，确定转化步骤如图2所示，最终绘制出贝叶斯网络如图3所示。

表1 基本事件释义及发生概率

图2 FTA-BN的转化

图3 重着陆贝叶斯网络

各步骤具体解释如：① 找到事故树的各个基本事件，在贝叶斯网络中建立一个根节点，使其一一对应。若出现重复事件即合并为一个节点。② 将事故树中相应的各个基本事件，根据统计分析得到其发生的概率，确定BN中根节点的先验分布。③ 根据事故树中的逻辑门关系，将输入事件对应的节点连接到其所在逻辑门对应的节点，使得BN中节点相连接并表明父子事件关系。④ 根据事故树的逻辑门，确定BN中的连接强度(条件概率分布)。

2.2 贝叶斯网络分析

贝叶斯网络[7]是一个有向无环图，主要包括代表变量的节点和链接这些节点的有向边，是一种概率推理的数学模型，表示变量之间互相依赖的关系。通过利用已获得的变量信息来计算求解未知变量的概率，根据其网络结构和条件概率表我们可以快速求出每个基本事件(所有属性值的一个集合)的概率[8]，根据其数学理论基础得后验概率的计算方法如式(1)：

(1)

式中，et表示节点E对应的事件是否发生(如不发生用0表示，如发生用1表示)，P(Es=et)表示在et状态下(发生或不发生)对应事件(节点Es所对应)的发生概率；节点Er对应的事件的先验概率即式中的P(Er)，P(Es=et|Er)表示节点Er对应的事件发生前提下节点Es对应事件为et状态的概率。因为本文中涉及的逻辑门连接方式为与门、或门，较为简单，所以采用式(2)、式(3)的算法进行计算顶事件的发生概率。

P(M)=P(X1)×P(X2)

(2)

P(M)=1-[1-P(X1)]×[1-P(X2)]

(3)

式(2)表示用与门连接的2个基本事件X1和X2，它们的顶上事件M的发生概率。式(3)表示或门连接的2个基本事件X1和X2，它们的顶上事件M的发生概率。根据某飞行队伍的历史训练数据得到基本事件的发生概率结果见表1。

采用本小节所述方法以飞行训练中的重着陆作为顶事件，利用所绘制的BN图，假设在顶事件已经发生的情况下，可根据式(2)、式(3)逆向求得任意基本事件的发生概率，帮助我们从逆向角度去推断各基本事件的相对重要性，并研究它们在发生与不发生情况下对顶事件是否发生的不同影响。利用贝叶斯网络分析软件GeNIE计算后得到后验概率的排序结果如：X8>X6>X5>X7>X13>X2>X14>X15>X1>X4>X12>X3>X11>X16>X10>X17>X9。通过观察结果发现，X5、X6、X7、X8、X11、X13等对顶事件发生的影响较大和先验概率大致上相同。结合先验概率的分步，不难发现后验概率较一定程度上受先验条件的影响，因为所有的基本事件对于的都是同一个顶事件，P(Es=et|Er)和后验概率两者成正比关系，再因其概率大小主要是受逻辑门连接方式及连接中所包含的基本时间的数量来决定，与或门连接时做比较，它的值在逻辑门为与门连接时将变大，而数量越多的基本事件在一个连接中会降低该值。

2.3 基本事件重要度分析

重要度分析在概率安全评估中起到重要作用，它能够分析事故树底事件(基本事件)，根据其概率的变化得出后果(顶事件)发生概率的变化，进而提出针对性措施改进，最大限度地避免风险事件的发生，本文采用Birnbaum提出的概率重要度进行综合分析。Birnbaum measure(BM)重要度用于衡量可靠度(即基本事件)变化对系统可靠度(顶事件)变化的影响程度，主要表达式如式(4)～式(6)：

(4)

(5)

(6)

式中，P(outcome=j|ei=1)表示如果某一个基本事件发生后其顶事件的发生概率。P(outcome=j|ei=0)表示顶事件在基本事件不发生的条件下发生的概率，BM重要度表示基本事件的发生，能增加多少顶事件发生的概率增加量。通过上面小结的分析讨论，结合各个基本事件的后验概率和先验概率，结合本小节公式计算所需基本事件的重要度数值，在分析时把它们按照人、机、环3个类别进行分析。经计算后结果分析发现人因类别的重要度较高，然后将此类别事件重要度进一步分析后发现飞行学员操纵因素X5、X6、X7、X8排在较靠前顺位，再结合此分析结果与后验概率分布的情况进行对比发现，两者结果大致相同，这表明飞行学员的操纵问题对造成重着陆起到了较大影响。

3 Bow-tie绘制与分析

根据贝叶斯网络的分析结果，发现影响顶事件发生的基本事件主要集中在飞行学员的操作错误上，这也符合飞行训练的实际情况，故引入Bow-tie[9]分析法分析学员的操纵错误。Bow-tie是由美联邦航空局(FAA)所属的科研团队精心研发的一套风险分析技术，包括4个部分：危险源、风险事件、潜在结果、安全保障(事故前预防措施和事故后控制措施)，是一种综合性风险分析模型。它不但能形象地将事故的发生途径显示出来，还可以枚举出事故发生后导致的一系列后果。据此可以逐个提出针对性较强的措施，一方面把事故的发生概率拉低，另一方面最大程度地减少事故发生带来的不利影响[10]。据此，绘制该模型见图4。

图4 Bow-tie模型

其中，各项字母的含义具体如下。

A1:尽可能利用每次落地尽早引导建立正确的看法和视线转移。

A2:在保证安全的前提下，尽可能做到余光对学生落地视线的全程观察。

A3:中线意识要强调，跑道面、中线、机头三者缺一不可。

B1:结合飞机下沉趋势调节收油门快慢。

B2:培养学生主动判断收油门的时机和快慢意识，回顾入口条件、收油门时机动作。

B3:手把手示范正确收油门节奏，结合对比示范粗猛动作产生的不利影响。

B4:检查学生油门摩擦调节器松紧是否合适，避免过紧影响动作。

C1:检查学生带杆发力姿态，是否随带杆力增大，下意识抵舵、座椅前后、高低是否合适。

C2:着陆配平，过重的带杆力会影响学生对飞机下沉趋势的判断。

C3:应强调和示范考虑飞机高度对应姿态，下沉趋势确定带杆节奏。

C4:纠正稳杆动作，需强调拉开始后飞机是一个减速和能量减小过程，此时稳杆会让飞机迅速下沉导致下降趋势难以控制甚至三点接地:即使拉飘，停止带杆动作，随着速度和能量消耗飞机也会伴随机头自动下俯迅速下沉，这时应该看清下沉趋势增大带杆量而不是稳杆。

D1：在机场地面设置医疗站，对于受伤人员第一时间进行诊断和治疗。

E1：机务组全面检修飞机结构，并对存在问题的部件进行及时更换和修复。

F1：在训练结束后，加强对学员的心理辅导，扩大训练间隔，补充休息，减少其精神压力。

G1：教员及时提醒并协助学员回归到正确的训练航线上，继续进行训练。

在构建的模型中，直观展示了引起学员操纵错误的3种原因和可能导致的4项后果。而且，结合资深飞行教员的教学经验，提出了十余项安全措施，这些措施有多年的理论教学依据，具有很强的科学性和完整性。本文重点在着陆过程中容易发生重着陆部分的操作建议进行了归纳提升总结，结合实飞情况最终确定上述15项安全措施，便于应用在实际飞行训练中从而有效地降低风险，保障飞行安全、延长训练机使用寿命。

4 总结

本文将重着陆事故树模型转化成贝叶斯网络进行分析，发现学员错误操作对引起训练中重着陆的巨大影响。后引入Bow-tie模型分析其发生的原因和可能导致的后果，整合出针对性较强的相关措施，对飞行学员和教员都提出了相关的要求，具有很强的实际应用价值，可在训练中进行推广应用，进而达到降低重着陆事故发生概率的目的，确保飞行教学在安全的前提下平稳进行，保证教学质量和训练品质，也为下一步研究建立着陆飞行品质评估系统提供理论参考。