基于HTA方法的飞行机组任务分析

杨 坤，刘星星

（中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津 300300）

据NASA统计，70%的空难归咎于“飞行员的操作失误”[1]。人为因素已经成为现代航空事故的主要原因。据波音发布的1959—2010年世界范围内商用飞机事故报告[2]，分析得出大部分的航空事故发生在飞行员执行起飞和进近着陆任务过程中。进行飞行机组失误预测，首先需要对飞行机组任务进行分析，通过任务分析来理解任务特点和流程，帮助识别影响飞行安全的关键操作步骤。任务分析包括多种方法，如GOMS[3]（目标，操作者，方法，选择准则）、Scenario-Based Task Analysis[4]（情境任务分析）、TCSD[5]（任务中心系统设计）等，由于HTA（层次任务分析）相比其他分析方法应用更加广泛，其反馈理论及层次理论符合飞行任务特点而被用于飞行机组失误预测。

HTA方法的使用没有统一指导文件，文献[6]通过实验得出：分析人员即使已经掌握HTA的原理和通用流程，在分析过程中仍会出现分析深度不恰当、目标与子目标层次关系错乱等问题。文献 [7-8]分别用SHERPA（人误减少和预测技术）、HET（人误模板）方法预测飞行机组失误，但均只给出HTA分析结果，未给出详细任务分析过程和方法。文献[9]给出了预测医护人员用药错误的分析过程，但由于其任务特点与航空任务不尽相同，对指导飞行任务的分析参考意义不大。在分析飞行任务时，确立中止原则比较困难。文献[10]中提出P（失败概率）×C（失败成本）原则在分析过程中，由于缺乏数据难以精确量化，没有实际使用意义。

本文提出基于HTA的飞行机组任务分析方法，适用于对飞行全过程的机组任务进行分析，确立了飞行任务中止原则，建立了飞行任务分析流程，提出了关键步骤的选取准则，为飞行机组失误预测提供支持。

1 HTA方法

1.1 HTA理论基础

HTA诞生于20世纪60年代后期，由英国Hull大学开发，应用于一些复杂非重复操作的任务，尤其是过程控制任务。Annett和Duncan于1967年发表了第1篇有关HTA方法的论文。HTA的理论基础为Miller提出的人类行为控制理论和层次分析。人类行为控制模型，即T-O-T-E（检测-操作-检测-退出）模型，Miller用钉子钉入木板为例说明T-O-T-E模型和层次理论，如图1所示。

图1 钉入钉子的层次分析Fig.1 Hierarchy analysis of nail driving

1.2 HTA方法原则

HTA方法的使用灵活多变，没有严格的执行程序。Shepherd和Annett曾试图寻找HTA唯一正确的使用方法，但由于分析不同领域任务时，HTA的使用方法差异很大，无法统一，最终也未能实现。虽然HTA的使用方法多变，但体现其核心思想的三原则却始终未变，它们是：

1）在最高层，认为任务是按照目标定义的操作所组成的，目标按照现实中的单位、质量或其他标准反映系统目的。这条原则反映了HTA是一个基于目标的系统分析。

2）操作可以被再次分解为子目标定义的子操作，子目标是按照它对整个系统输出或者对目标的贡献被分派。这条原则说明了HTA是分解层次中子目标的手段。

3）每个子目标完成的序列，依赖于子目标与其父目标的关系，即方案。目标和子目标之间存在层次关系，方案描述了子目标被触发的条件，并且用来指导子目标完成的序列。

2 基于HTA的飞行机组任务分析流程

文献[11]给出了使用HTA的通用流程，而该通用流程比较概括和抽象，不能直接用来分析飞行任务。执行飞行任务时，机组操作步骤繁多，人机交互过程复杂频繁，机组需要输入和监控的信息量大，时间紧迫，稍有失误会带来重大安全影响。因此，分析时需根据任务特点，对通用流程进行适当改进。本文将飞行机组任务的分析过程分为9个步骤：

1）确定目标 目标设定为相关阶段的飞行任务，如起飞、进近着陆、遭遇特殊紧急情况采取的应急操作等。

2）收集资料 收集任务相关资料，如飞行操作规程、飞行手册、非正常应急程序、飞机驾驶舱布局信息、驾驶舱内系统功能与操作方法等。又如相关机型事故与事故征候统计等信息，这些信息对分解目标和选取重大安全影响的操作步骤具有重要意义。

3）识别约束与假设 根据设定的目标，对执行任务的环境与飞机状况进行假设。将注意力始终集中在目标上，消除与目标无关的因素，减少分析工作量并保证完成目的。

4）分解首要目标 将首要目标分解为若干子目标。围绕分析目的分解首要目标，并在步骤3的假设范围内，选取与目标关系紧密的子目标。

5）方案连接首要目标和子目标 方案说明子目标的触发条件和实现顺序。

6）将子目标进行分解 分解子目标的关键是选取对飞行安全具有重大影响的操作步骤。在分析飞行任务时，每个子目标下都会有很多操作步骤，任务分析不可能将所有操作一一罗列，过多的操作步骤将分散分析者的注意力，且会无意义的增加分析工作量。

本文确立关键操作选取准则为：飞行手册中明确标明在执行某任务步骤中禁止飞行员去做的操作，曾经发生过事故或事故征候的操作，认定为对飞行安全具有重大影响，在分解子目标时必须选取；其他步骤根据分析者与专业飞行人员商讨，或通过实验模拟来确定是否选取。

7）判断子操作是否满足分析要求 对子目标分解完成后，需判断是否有必要进行再分解。判断时可结合相关机型事故资料，如果再次分解得到的子操作曾经引发过事故，则需要继续分解；若没有，可与专业飞行人员商讨决定。

任务分析最终目的是预测飞行机组失误，因此需对每一个子操作进行人误分析。根据人误分类技术，分析机组在执行该子操作中可能发生的失误类型。例如，某子操作为旋转A按钮，在该处操作可能发生的失误包括忘记旋转A按钮、错误旋转B按钮、旋转方向错误、旋转数值错误等。因此，根据任务分析最终目标以及飞行任务特点，本文判断得出：分析飞行机组任务只需分解到二级子操作即可。

8）判断是否接受新的子操作 判断过程与步骤7相似，接受则执行步骤9，不接受则分析结束。中止分析时所得到的最低层次子操作下方划一道横线，表示分析在此中止。

9）方案连接子目标与子操作 方案说明子操作的触发条件和执行顺序。

根据上述分析，本文建立分析流程如图2所示。

图2 飞行任务分析流程Fig.2 Flow chart of flight crew task analysis

3 案例分析

本文以A320飞机起飞任务为例，应用建立的飞行机组任务分析方法进行分析，具体过程如下：

1）确定任务目标 设定目标为“操纵飞机起飞”。

2）数据和资料的收集 收集A320飞机的驾驶舱布局、驾驶舱内系统功能和操作、飞行手册、起飞检查单以及该型飞机相关的事故报告等数据和信息，理解机组执行任务的环境与标准操作流程。

3）识别约束与假设 假设飞行机组在执行任务时的天气状况良好，飞机结构和系统正常，机组生理状态良好，工作环境为A320驾驶舱，机组按照正常操作规程执行起飞任务。以上假设的目的为得到正常情况下的机组操作过程，不考虑紧急情况或特殊天气状况等不确定因素，不触发操作手册的“非正常和应急程序”，重点集中在具有重大飞行安全影响的操作。

4）分解首要目标 完整的A320飞机起飞过程为12个步骤，包括飞行准备、机外安全检查、驾驶舱预先准备、绕机检查、驾驶舱准备、推出或起动前操作、发动机起动、起动后操作、滑行、起飞前操作、起飞和爬升。基于建立的假设条件，起飞前准备及检查工作不在分析范围内，将“操纵飞机起飞”分为推出或起动前操作、发动机起动、起动后、滑行和起飞这5个子目标，如图3所示。

图3 分解首要目标Fig.3 Decomposition of primary goal

5）方案连接首要目标与子目标 采用树状图表示首要目标起飞和5个一级子目标的层次关系，由于子目标均为顺序操作，不存在其他序列，因此省略方案，不在图中标出。

6）将一级子目标进行分解 应用关键操作选取准则，对5个一级子目标进行再分解。“操纵飞机起飞”的第一个子目标为“推出或起动前”，在操作手册中该阶段机组需要执行的操作包括检查舱单、准备及检查/修改起飞数据等22个步骤。根据参考历年17起某运输类飞机重大航空事故及多起其他型号飞机飞行事故，在该阶段“准备及检查/修改起飞数据”和“获得推出/起动许可”这2个步骤引发过事故，因此选取这2步骤操作；其他20个步骤如检查舱单、调整座椅等步骤，多为检查与调整，未引发过事故，经过与飞行专业人员商讨，一致认为没有必要选取。最终将“推出或起动前”子目标分解为“准备及检查/修改起飞数据”和“获得推出/起动许可”2个子操作，分解结果如图4所示。

图4 一级子目标分解Fig.4 Decomposition of first level subgoal

7）判断子操作是否满足要求 在分解子目标“推出或起动前”时，得到的子操作“1.1检查/修改起飞数据”，该操作还可以继续分解为“计算起飞速度、确定起飞形态”等操作，但分解过于细致不仅没有必要，还将增加后续进行预测机组失误的工作量，分解到“1.1检查/修改起飞数据”这一步骤，已经可以满足最终目标的需要，所以不必再进行深入分解。另外一些步骤如“手柄调至FLX”已经是最低层级操作，无需继续分解。

8）判断是否接受新的子操作 由于本次分析所得一级子操作在上一分析步骤中均已判定为满足分析要求，故无需再次分解判断。

9）方案连接子目标与子操作 分解所得子操作均为顺序执行，故省略方案说明。无需分解的子操作下划一道横线，表示一级子目标分解达到目的，中止分解。将一级子目标逐一分解后最终分析结束，如图5所示。

图5 飞机起飞任务分析Fig.5 Aircraft taking-off task analysis

4 结语

本文针对飞行机组失误，开展基于HTA的飞行机组任务分析研究，得到结论如下：

1）建立了基于HTA的飞行机组任务分析方法，用于分析如飞机起飞、进近着陆、紧急状态处理等多种飞行任务。

2）建立了飞行任务中关键操作步骤的选取准则：在执行目标任务过程中，飞行手册明确禁止飞行员执行而系统无法阻止的操作；结合运输类飞机事故报告，曾经引发过事故的操作。以上两种操作必须选取，其他操作步骤需要与专业飞行人员共同商讨确定，以保证分析的准确性。

3）针对飞行机组失误而开展的任务分析，分解子目标时最多分解到二级子操作即可中止，无需更细致的分解。

飞行机组任务分析的目的在于找出具有重大安全影响的操作步骤，为进一步预测飞行机组失误提供准备，因此任务分析的质量直接影响人误预测的准确性。通过对A320飞机起飞任务进行分析，验证了该方法的可用性。任务分析需收集整理大量资料，需要相关领域专业人员的帮助，通过建立资料库和事故及事故征候数据库，随时进行信息的调用查看，提高分析效率。

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