基于贝叶斯网络的航空器看错落错跑道事件研究

1、基于贝叶斯网络的航空器看错落错跑道事件研究高扬 ,葛培荣 ,李阳(中国民航大学民航安全科学研究所 ,天津 300300)摘 要 : 目前 ,航空器看错 、落错跑道事件在国际上是一个相当突出的安全问题 ,这个问题在我国近年也突显出来 。导致航空器看错落错跑道的原因十分复杂 ,且此类事件及易引发严重的后果 , 造成人 、财 、物等多方面的损失 ,本文特对此类问题开展了一系列的研究 。为了预防航空器看错 、 落错跑道事故的发生 ,查找诱发该类事故的因素 ,针对航空器看错 、落错跑道事故的形成特点 ,笔 者运用贝叶斯网络探讨其各影响因素间的关系和相互作用 ,该网络强大的逻辑推理能力 ,克服了 不完备样

2、本空间带来的不足 ,揭示了人 、机 、环境与管理因素相互作用的内在规律 。为改善机场安 全管理的科学性 、可靠性 ,进一步降低事故率 ,提供了可靠的技术支持 。关键词 :贝叶斯网络 ;民航安全 ;航空事故 ;民用机场 ;航空公司中图分类号 : x949, v351111文献标识码 : aana ly s is of ta ke 2off or lan d in g wron g run wa y inc iv il a irpor t ba sed on ba ye s ian n e t workgao yang, ge pe i 2rong, l i yang( r e sea rch i

3、n stitu te of c ivil a via tion safe ty, c ivil a via tion u n ive rsity of ch ina, tian jin 300300 , ch ina)a b stra c t:a t p re sen t, the inc iden t of take2off o r land ing w rong runway in the in te rna tiona l a rena is a ve ry p rom inen tsecu rity issue, and in ou r coun try it ha s becom e

4、 mo re p rom inen t too. in o rde r to p reven t inc iden ts of take2off o r land ing w rong runway, and to find the fac to rs tha t induce the se inc iden ts, a b aye sian n e two rk (bn ) mode l wa s u sed to exp lo re the re la tion sh ip and in te rac tion m echan ism among tho se fac to rs tha

5、t cau se runway incu rsion. it ove r2 com ed the defic ienc ie s a ttribu ted to the lim ita tion of the samp le cap ac ity, and revea led the in te rac tion law among hum an, a irc raft, environm en ts and m anagem en t fac to rs. it wou ld p rovide a re liab le techn ique to sc ien tifica lly im 2

6、 p rove a irpo rt safe ty m anagem en t, and fu rthe r reduce acc iden t ra te s.key word s:b aye sian n e two rk; avia tion safe ty; avia tion acc iden t; c ivil a irpo rt; a ir ca rrie r2002至 2008年间 , 全球 共发 生 该类 事故 56 起 , 近20年来 , 仅美国就发生了 696 1 起该类 事故 征 候 。2006年 8 月 27 日 ,美国 com a ir航空公司一架 crj 2100

7、 客机 ,由于误从短跑道上起飞 ,造成升空动力不 足 ,导致了一起机毁人亡的事故 2 。 2006 年 6 月 7 日和 9 日 ,国航和东航公司的航班 ,在呼和浩特机场1 引言近年来 ,航空器看错 、落错跑道事件屡有发生 。收稿日期 : 2009 208226第 2期中 国 安 全 生 产 科 学 技 术67降落时 ,均错误地降落在机场新建且尚未启用的新跑道上 3 ,虽未造成严 重后 果 , 但均 属严 重 飞行 事 故征候 ,为我国民航敲响了警钟 。未来十年我国大量机场都需要改建 、扩建 ,我们所面临的安全压力也逐渐加大 ,安全状况也日益复杂 。为此 ,对该类事件 进行深入的分析研究 ,对

8、预防该类事件的发生 ,进一 步改善航空安全都具有重要的意义 。导致航空器看错 、落错跑道事件发生的原因具 有一定的复杂性 ,其中既可能有人为因素 、管理的原 因 ,也可能有机组 、标识等方面的原因 ,要想解决这 类问题 ,要采取哪些措施 ,目前国内外还没有深入细 致的专项研究 。目前对该类事件的研究还停留在就事论事的事后处理阶段 。例如 :美国针对 1979 年在 墨西哥国际机场发生的航空器落错跑道事件 ,修改8260119号法令 ,并制定或修改相关的咨询通告 4 。 我国民航华北局针对 2006年发生的两起该类事件 , 制定了防止航空器在不停航施工期间落错跑道的安全管理措施 5 。对航空器看

9、错 、落错跑道事 件 进行专项 、细致的研究 ,对我国的航空安全具有重要 的现实意义 ,对国际上的相关研究也有借鉴作用 。 传统的跑道安全事件分析一般采用失效模式影 响和严重 度 分 析 ( fm eca ) 、失 效 模 式 和 影 响 分 析( fm ea ) 、故障树和事故树等方法 6 ,但前者往往只 能进行定性分析 ,而不能做出定量评价 ;而后者却忽 略外部因 素 对 事 件 的 干 扰 , 不 能 给 出 精 确 的 计 算 结果 。贝叶斯网络模型继承了传统跑道安全事件分析方法的优点 ,也弥补了其不足 。首先 ,贝叶斯网络模 型假定了条件独立性 ,只需考虑与该变量相关的有 限变量 ,

10、在简化问题求解难度的同时 ,也使复杂的航 空器看错 、落错跑道 问 题得 到可 行的 解 决方 案 ; 其 次 ,贝叶斯网络的推理原理是基于贝叶斯概率理论 ,它采用条件概率的计算方式 ,建立的模型符合实际 , 计算结果相对准确 ;最后 ,贝叶斯网络只需关心与节 点相邻的局部网络图 ,而在计算时可根据已知节点 的相关节点的状态计算该节点的发生概率 ,充分考 虑到各因素间的相互联系 ,计算结果具有较强的说服力 7 。本文从国内外发生的航空器看错 、落错跑道事 故的数据出发 ,运用贝叶斯网络模型对航空器看错 、 落错跑道事故进行全面客观深入地分析和研究 。针对航空器看错 、落错跑道这类事故 ,贝叶斯

11、网络模型不仅能够克服有限样本空间所带来的不足 ,而且可 以建立起相当精确的数学模型 ,从而获得具有一定精度的统计特性 ;加之较强的逻辑推理能力使得贝叶斯网络 ,在实际应用中比较方便 ,可操作性强 。2 建立航空器看错 、落错跑道事故评价指标体系加拿大运输部将航空器看错 、落错跑道进行了如下定义 8 : 对单个的 航空 器而 言 , 在 起飞 或者 降 落时 ,使用了错误的跑道或者滑行道 。faa 的定 义 将 航 空 器 看 错 、落 错 跑 道 分 为 两 类 1 :一类是在航空器起飞阶段 ,看错跑道起飞 ; 另 一类是航空器在着陆阶段 ,落错跑道着陆 。本文将采用加拿大运输部的定义 ,对国

12、内外航 空器看错 、落错跑道事故进行分析研究 。为了客观选取航空器看错 、落错跑道事故风险 评价体系的 指 标 , 本 文 对上 节中 的 56 起航 空器 看 错 、落错跑道事故进行了分析 ,得到了诱发该类事故 的多种因素 ,例如 : 气象条件不好 、跑道或滑行道与 跑道相交叉 、跑道等待位置标志或灯光不符合标准 、协调失误 、通信阻塞 、未正确执行复诵程序 、使用非 标准用语 、注意力不集中 、工作量大 、技术经验不足 、 指令过长或过于复杂等等 。在对这些因素进行统计 和归类的基础上 , 参 考 了国 内外 的 研究 成果 9 , 依 据指标体系的建立原则 ,建立了如图 1 所示的指标体

13、系 。图 1 航空器看错 、落错跑道事故评价指标体系3 航空器看错 、落错跑道的模型建立311 构建贝叶斯网络分析结构根据对图 1 所示的航空器看错 、落错跑道评价68中 国 安 全 生 产 科 学 技 术第 6卷指标体系的分析可以看出 ,各层指标与上一层指标之间的关系是贝叶斯网络中局部的连接 10 。笔者 采用启发式搜索算法 11 ,首先假设结点的父亲结点的集合是空集 ,然后向该项集合中加入指标体系中能使结果概率最大的父结点 ,此过程一直加到父结 点已经不再使概率结果增加为止 ,于是就可以得到 一个可能的网络结构 ,依此算法循环下去 ,就可以找到此约束条件下的若干可能的网络结构 ,然后通过

14、对网络结构的概率进行排序 ,找到最优的贝叶斯网 络结构 ,见图 2。其中 ,1 ,i 则分别表示该节点的均值和均方差 等参数值 。图 2 中各因素中 ,无箭头指向的 ,称为表层因素 ;反之则为隐含因素 。图 2 中的字母含义见 表 1 示 。图 2 航空器看错 、落错跑道的贝叶斯网络结构图表 1 表层因素隐含因素分类表隐含因素表层因素x1 :航空器看错 、落错跑道x6 :仪表显示出错 ( 3起 )x8 :安全文化普及程度差 ( 2起 )x10 :人员培训不合格 ( 5起 )x12 :缺乏工作经验和技能 ( 11起 )x14 :设备状况差 ( 2起 )x15 :气象条件不好 ( 1起 )x7 :

15、通信设备故障 ( 2起 )x9 :工作强度大 ( 1起 )x11 :监督实施力度差 ( 1起 )x13 :注意力不集中 ( 4起 )x2 :设备因素x3 :管理因素x4 :人为因素x16 :灯光设备故障 ( 2起 )x5 :环境因素 x17 :机场布局不合理 ( 22起 ) 3 12 数值计算笔者将上述模型描述为 b (d , p ) , 其中 d 为变联合概率可以表示为各节点边缘概率分布的乘积 :n量 x = x1 , x2 , x17 构成的结点集合 ; p代表由均f ( x1 , xn ) =fi ( xi |f1 ( x1 ), xi - 1 )x1 ,值 (1 ,2 ,17 ) 、均

16、方差 (1 ,2 ,17 ) 所构成的i = 2由于各变量都服从正态分布 n (,) , 则 f ( x1 , xn ) 还可以表示为 :参数集合 。其中 i 的初始值已由 56起事故的统计数据近似求得 , 也就是该类事故中 , 由此种因素引发的- n / 2- 1 / 2| | exp -= ( 2)f ( x1 , xn )事故频率 : = t , 其中 n = 56, t为该类事故的发生n次数 。i 的初始值为 :1 / 2 ( x - ) t- 1 ( x - ) 其中 , n = 17,为变量集 x 的 n 维均值向量 , 值的变化随着表层事件发生顺序不断改变 , 为 nn 维协方差

17、矩阵( 0 - ) 2+ ( 1 - ) 2+i=n其中 , n = 56, 有 t个 ( 1 - 2 )存在 。- 1 ) ( x1- 2 ) ( x1- 1 )- 1 )- 1 ) ( x2- 2 ) ( x2- 2 )- 2 )e ( x1 - 1 ) ( xne ( x2 - 2 ) ( xn- n )e ( x1e ( x2e ( x1e ( x2- n ) =e ( xn- n ) ( x1- 1 )e ( xn- n ) ( x2- 2 )e ( xn - n ) ( xn- n )n n其中 , n = 17,i和 i即为对应变量变换后的值 。基于隐含因素的不确定性 ,其条件方

18、差 i 取值第 2期中 国 安 全 生 产 科 学 技 术6910 - 5 ,1,逐步走向确定性状态的过程 ,也就是引发事故的趋势 。由此可见 ,为避免航空器看错 、落错跑道事件的 发生 ,由设备因素引起的事故最易得到改善 ,接下来依次是管理因素 、人为因素和环境因素 。x 为隐含因素i较小 ,令 i =。人 、机 、环 、管xi 为表层因素四隐含因素的参数值如表 2 和表 3所示 。表 2隐含因素的均值表层事件发生顺序环境因素人为因素管理因素设备因素x1 = 1x6 = 1x7 = 1x8 = 1x9 = 1x10 = 1x11 = 1x12 = 1x13 = 1x14 = 1x15 = 1

19、x16 = 1x17 = 101147- 01276- 01449- 012120107801349014970189611187119782175831599410101153- 01198015481104311798119812135821746311793143431779318513194401152- 01094- 01175- 0143801033014370176111187114741188521499217112189101146015730191511247115021177711914211192124321476216982181421989表 3隐含因素的均方差表层

20、事件发生顺序环境因素人为因素管理因素设备因素x1 = 1x6 = 1x7 = 1x8 = 1x9 = 1x10 = 1x11 = 1x12 = 1x13 = 1x14 = 1x15 = 1x16 = 10181401798017520170101653015790149301401013470125201187010901743017060165601587015430147801371012710124101188010670103017016340152801501438013990135901309012780118901120101015480151401472014580144601

21、432014220140401405013170123501152313 结果分析上述参数的结果显示了航空器看错 、落错跑道事件中 ,环境因素的重要影响 。笔者现将环境因素 的计算结果解读为表 4。同理可以得出人为因素 、管理因素以及设备因素的计算 结 果 , 由 于 篇 幅 的 限 制 在 此 就 不 一 一 列 举了 。4 结论 x17 = 1 0101 0101 0101 0101 依据贝叶斯网络模型对航空器看错 、落错跑道事件各影响因素进行分析和研究 。结果表明 :( 1 ) 采用贝叶斯网络模型 ,对引发航空器看错 、 落错跑道事件的表层因素和隐含因素进行分析 ,可 以得到比较精确的结

22、果 ,为分析并预防国内外机场发生航空器看错 、落错跑道事件 ,提供了一些参考 。( 2 ) 对全球航空器看错 、落错跑道事件的分析 显示 ,环境因素在此类安全事故中有着较大的影响 作用 ,因此在机场开展改建 、扩建项目时应特别注意上表的数据拟合曲线见图 3、图 4。均值的变化反映了隐含因素变化的程度 。由此 可知 ,在人 、机 、环 、管 4 条曲线中 ,环境因素的波动最为显著 ,因此在航空器看错 、落错跑道事件中其影响系数也最大 ,是最易引起航空器看错 、落错跑道事 故的因素 ,接下来依次是人为因素 、管理因素和设备 因素 。均方差的减小表明了隐含因素从不确定性状态70中 国 安 全 生 产

23、 科 学 技 术第 6卷表 4 环境因素的计算结果说明获得数据均值均方差描述未获得数据x1 = 1 航 空 器 看 错 、落 错 跑道011253均值增加 ,均方差减小 ,环境因素可能导致航空器看错 、落错跑道事件的发生0114701798均值 、均方差同时减小 ,通信设备故障引发航空器看错 、落错跑道事件的可能性减小x6 , x7 = 1- 0144901752均值增加 、均方差减小 ,管理因素引起的航空器看错 、落错跑道事故的可能性增加x8 , x9 , x10 , x11 = 10149701493均值增加 ,均方差减小 ,人为因素引起的航空器看错 、落错跑道事件的可能性增加x12 ,

24、x13 , x14 = 11197801252均值增加 、均方差减小 ,由于环境因素直接引发航空器看错 、落错跑道事件的发生x15 , x16 , x17 = 1410100101( 2 ) : 235 237罗帆 ,陈晓佳 ,顾必冲. 基于贝叶斯网络的航空灾害成因机理 探析 j . 北京航空航天大学学报 , 2005 , 31 ( 8 ) : 934 938luo fan, ch en x iao2jia, gu b i2chong. fo rm a tion m echan ism ana lysis of aviation ca lam ity ba sed on b aye sian

25、ne two rk j . jou r2 na l of b eijing u n ive rsity of a e ronau tic s and a stronau tic s, 2005 , 31( 8 ) : 934 938詹承芳. 1990 2002 年跑道入侵分析 j . h ttp: / /www. fligh t2safe ty. o rg. tw / filezhan cheng2fang. a n a na lysis of r unway incu rsion s, 1990 2002 j . h ttp: / /www. fligh tsafe ty. o rg. tw

26、 / file崔静. 民航安全的组织因素研究. 天津 : 中国民航大学 硕士论 文 , 2009 , 3cu i j ing. study on o rgan iza tional fac to rs fo r c ivil a via tion safe2 ty. tian jin: c ivil a via tion u n ive rsity of ch ina the sis fo r m a ste r s degree , 2009 , 3d in g songb in, ru yi. f ligh t r isk a sse ssm en t to a irline s u si

27、ngb aye sian b e lief n e two rk s and fuzzy comp rehen sive evalua tion j . p roceed ings of the 2008 ieee ieem , 1280 1284俞娉婷 ,刘振元 ,陈学广. 基于贝叶斯网络的一种事故分析模 型 j . 重庆大学学报 , 2006 , 2 ( 4 ) : 45 50yu p ing2ting, l iu zhen2yuan, ch en xue2guang. a b aye siann e two rk app roach to a cciden t a na lysis. jou rna l of safe ty sc i2ence and techno logy, 2006 , 2 ( 4 ) : 45 50采取相应预防措施 ,并应着重加强有关人员的职业技术培训 ,制定合理的工作计划 。 7 参考文献 1 faa. w rong r unway d ep a rtu re s j . team , 2007 , 8 ( 3 )n a tiona l tran spo rta