基于ISM—CRITIC法的通用航空可控飞行撞地影响因素分析*

孙瑞山，占　欣

(1.中国民航大学 飞行技术学院，天津 300300；2. 中国民航大学 民航安全科学研究所，天津 300300)

0　引言

可控飞行撞地(Controlled Flight Into Terrain，CFIT)是指一架完全满足适航要求的飞机，在非失效、可控的状态下撞到地面、山体、水面或其他障碍物而导致的事故[1]。相比于公共运输航空在固定的时间段内将客货运到规定的目的地即可，通用航空具有飞行高度低、飞机时间灵活、在飞行中往往要完成各种飞行作业任务的特点。这些特点往往会增加通用航空不安全事件发生几率。中国民航安全办公室不安全数据库中的数据统计表明：2006—2015年10 a间中国境内共发生30起通用航空可控飞行撞地事故，其中，50%的事故发生在巡航/作业阶段，共造成19人死亡和重伤。通用航空可控飞行撞地(General Aviation controlled flight into terrain，GACFIT)往往会造成机毁人亡的后果，严重威胁通航飞行安全。因此，研究其致因对于减少事故的发生具有重要的意义。

在航空业的历史上，CFIT已成为引起航空重大伤亡事故的重要事件。1974年，近地警告系统(Ground Proximity Warning System，GPWS)被强制要求安装在大型客机上，用来告知飞行员飞机是否已接近地面[2]。自1995年以来，国际民航组织、各国际组织、航空制造厂商和飞行安全基金会利用各种机会来提高人们对CFIT问题的认识，提请注意能够改善飞机运行安全的措施。自2001年以来，国际民航组织在其附件空中航行服务程序中纳入了一些与预防可控飞行撞地相关的规定。在我国，对CFIT的理论研究和硬件应用相对较晚。2002年9月，民航总局批准颁发了“地形提示和警告系统规定”。与此同时，国内外的很多学者都开展了对CFIT的研究。杜红兵等[3]运用事故树分析了CFIT的主要原因，用贝里斯网络模型对失误进行分析并计算概率；张晓全等[4]利用功能共振事故模型对CFIT事故进行分析，从系统功能性能波动的角度出发，识别了导致CFIT事故的功能共振和影响功能共振的因素；LOOMIS JP和PORTER RF[5]检验了GPWS和最低安全高度警告系统(Minimum Safe Altitude Warning，MSAW)这2种告警系统对CFIT的预防和控制效果。Arthur III J J等[6]通过实验验证合成视像系统(Synthetic Vision System ，SVS)可以提高飞行员发现和避免潜在的CFIT事件的能力。综合看来，国内外对于CFIT的研究大部分集中在公共航空运输领域，而对于通用航空CFIT的研究相对较少。对于CFIT事件的成因，大部分都是直接给出，并未说明依据且缺少层次性和条理性。

鉴于此，为了更深入地研究GACFIT的影响因素，采用基元事件分析法对2006—2015年间在中国境内发生的30起通用航空可控飞行撞地事故事件进行分析，建立通用航空可控飞行撞地影响因素体系；在此基础上，运用解释结构模型对这些影响因素进行分析，建立层次性的通用航空可控飞行撞地影响因素模型，通过模型进而得出影响GACFIT的表层直接原因、中层间接原因和深层根本原因；运用CRITIC(Criteria Importance Through Intercriteria Correlation)法进行权重计算，得出影响GACFIT的主要因素，为下一步的预防提供借鉴。

1　基于基元事件分析法的GACFIT影响因素分析

基元事件分析法(Element Event Analysis Method，EEAM)[7]是中国民航大学安全科学研究所于1996年提出的，它是在事故链的基础上发展而形成的。由于航空事故的发生往往不是由单一原因造成的，基元事件分析法按照特定的“人、机、环境”的思想将不安全事件分解成最简单的“基元事件”，基元事件是构成事件链的基本环节，是1个导致事故的单因原因，阻断它就可以预防事故的发生。“人、机、环境”中“人”指执行飞行任务的人，即飞行机组；“机”指飞机和与飞机相关的机务维修等，其中包括飞机维护人员；“环境”指所有的飞行环境，包括自然环境以及飞行保障的硬环境和软环境。在特定的人、机、环系统中，将每起不安全事件按基元事件、责任者、问题、原因、整改措施进行逐级分类。基元事件分析法不仅能够分析航空事故发生的原因，还能指出预防事故的措施，有利于航空安全数据库的建设，其体系结构如图1所示。

本文采用基元事件分析法，分析了中国民航安全办公室不安全数据库中2006—2015年10 a间在中国境内共发生的30起通用航空可控飞行撞地事故，总结并提炼了影响GACFIT事故的15个影响因素。各因素见表1。

2　GACFIT的层次结构分析

解释结构模型(Interpretation Structure Model，ISM)[8-9]是现代系统工程中广泛应用的1种分析方法，它是将复杂的系统分解为若干子系统要素，利用人们的实践经验、知识和计算机的帮助，最终构成1个多级递阶的结构模型。ISM的具体操作是用图形和矩阵来描述各种元素的已知关系，通过矩阵做近一步的迭算，并推导出结论来解释系统结构的关系。

2.1　确定各指标的相互关系，建立邻接矩阵

通过对国内16家通用航空公司共32名通航飞行员发放调查问卷(其中回收问卷32份，有效问卷29份)，对上述总结的GACFIT事故15个影响因素进行两两比较，确定其二元关系。若为主要关联关系用1表示，反之，若不是主要关联关系用0表示。建立邻接矩阵A。

图1　基元事件分析体系结构Fig.1　Element event analys method architecture

表1　通用航空可控飞行撞地影响因素体系

图2　GACFIT影响因素的解释结构模型Fig.2　ISM diagrams of GACFIT influencing factors

2.2　生成可达矩阵

可达矩阵是用矩阵形式来描述有向连接图各节点之间经过一定长度的通路后可达到的程度。根据布尔矩阵运算规则求得可达矩阵，即由邻接矩阵A与单位矩阵I求和，并对(A+I)进行幂运算，直至(A+I)k-1≠(A+I)k=(A+I)k+1，矩阵M=(A+I)k称为可达矩阵[5]。得到的可达矩阵为M=(A+I)4。

2.3　分解可达矩阵，进行级位划分

从可达矩阵中找出可达集和前因集，可达集R(Si)表示要素Si出发可到达的全部要素集合，前因集A(Si)表示可到达要素Si的全部要素集合，可达集和前因集的交集记为：C(Si)=R(Si)∩A(Si)，如表2所示。

级位划分即确定各要素所处的层次地位。为此，令L0=φ(最高级要素集合为L1，设零级L0为空集)，则有

L1={Si|Si∈P-L0,C0(Si)=R0(Si),i=1,2,…,n}

L2={Si|Si∈P-L0-L1,C1(Si)=R1(Si),i

⋮

Lk={Si|Si∈P-L0-L1…Lk-1,Ck-1(Si)=Rk-1(Si),i

式中：P表示所有因素的集合，L1,L2,…,Ln表示从高到低的各级要素集合。

按照上述规则，分解可达矩阵M得到第一级因素L1={4,5,6,7,9,10,13,15}，划去M中第一级因素对应的行和列后，重复上述的运算，得到第二级因素L2={1,2,8,11,12}，依次类推，得到L3={3,14}。

2.4　生成解释构模型

用上述方法进行分析和整理，得出GACFIT影响因素的ISM图，如图2所示。

3　确定GACFIT影响因素权重

常见的客观赋权法主要有3种：熵权法、标准离差法和CRITIC法。熵权法[10]首先计算指标的信息熵，如果某个指标的信息熵越小，表示该指标取值差距越大，包含信息量越多，其权重也就越大，反之信息熵越小，表示该指标对结果的影响程度越小。标准离差法[11]通过衡量指标的变异程度，计算指标各数据离平均数的距离，来表示数据的离散程度。CRITIC法[12-13]通过评价指标的变异大小和指标间的冲突性，来综合衡量指标的客观权重。变异大小表示同一指标取值差距的大小，用标准差来表现，标准差越大说明反映的信息量越大，权重越大；指标之间的冲突性，以其相关性为基础。若2个评价指标之间具有较强的正相关性，则这2个指标的冲突性较低。由于熵权法和标准离差法只考虑了指标值的变异程度，而GACFIT影响因素间具有一定的相关性，因此，CRITIC法得到的结果比其他2种客观赋权法更客观。

表2　可达集和前因集

根据表3的统计数据，采用CRITIC法对GACFIT影响因素进行权重计算，最后得出GACFIT影响因素的权重排序。其计算步骤如下。

3.1　对数据无纲化处理

若对某事件，第j个影响因素数量越低越好，则采用公式：

(1)

进行无纲化处理。式中：standad_resultij表示无纲化后的数据，fij表示第i个5a内第j个因素发生的次数，i=1,2;j=1,2,…,15。无纲化处理的数据如表4所示。

表4　数据的无纲化

3.2　求相关系数，建立相关系数矩阵

相关系数是用来反应变量之间关系密切程度的统计指标，其计算公式为：

(2)

式中：rij表示影响因素i和j之间的相关系数。

将数据带入公式(2)中得相关系数矩阵R。

3.3　求影响因素包含的信息量Cj

Cj表示第j个影响因素所包含的信息量，其计算公式为：

(3)

式中：δj表示第j个指标影响因素的标准差。

通过SPSS软件求得：δj=[1.41，1.41，0.71，0.71，1.41，1.41，0.71，0.71，0.71，0.71，0.71，1.41，0.71，0.71 2.12]，进而求得Cj=[19.80，22.63，11.31，11.31，19.80，22.63，9.90，11.31，9.90，11.31，11.31，19.80，9.90，9.90，29.70]

3.4　根据Cj求影响因素权重

一般Cj越大，第j个影响因素所包含的信息就越大，则其相对的重要性就越大，权重计算公式为

(4)

式中：wj表示第j个影响因素的权重。

通过计算得权重集为：W=[0.09,0.10,0.05,0.05,0.09,0.10,0.04,0.05,0.04,0.05,0.05,0.09,0.04,0.04,0.13]，进而可得：

w15>w2=w6>w1=w5=w12>w3=w4=w8=w10>w11>w7=w9=w13=w14。

4　GACFIT事件的预防

通过ISM分析可得，影响GACFIT事件的深层根本原因是疲劳驾驶、公司违规违法组织飞行。通过CRITIC法分析可得：公司飞行保障不利和组织混乱、机组航前准备不足、机组安全意识淡薄、机组驾驶技能不足、机组违反标准运行程序是影响通用航空可控飞行撞地的主要因素。针对这7个影响因素，提出如下预防措施：

1)良好的身心状态，科学合理的排班是预防驾驶疲劳的重要措施。疲劳驾驶主要受飞行环境、作业任务、飞行员的身心状态等因素的影响。良好的身心状态可以提高飞行员在飞行过程中的警觉性和反应能力。科学合理的排班制度，可以保证飞行员充足的睡眠和保持充沛体力和精力。

2)合理合法的组织飞行是安全飞行的底线。航管部门应健全通用航空违规违法飞行排查机制，加强对通航各类违法违规飞行行为的排查和处罚力度。鼓励单位和个人对违法违规飞行行为的举报。

3)做好飞行计划，加强组织建设。通用航空公司工作流程是：通航公司向航务管理部门申报飞行计划，获批后在飞行前1日将飞行计划申报给民航地区管理局和相应的机场。空管部门将飞机计划报给军航管制单位，并将申报结果告知通航公司。相关机场负责飞机的场地保障、航务保障和燃油供应。做好飞行计划有利于通航公司有条不紊的开展作业任务，为公司的安全飞行提供很好的保障基础。同时还要加强通航公司的组织建设，做到各部门职责明晰，分工明确，加强公司的制度建设，完善、健全公司制度。

4)做好航前准备，做到心中有数。机组在飞行前要做好相应的准备工作，检查和确认飞机的适航性，要及时准确完整的获取航行情报服务和天气气象预报。在复杂地形和低空飞行的作业环境中要提前了解地形环境，做好标记和记录，在整个飞行阶段中，机组始终要做到心中有数。努力落实好“预先准备、直接准备、飞行实施和飞行后讲评”飞行4个阶段的工作。

5)学习和遵守各项安全法规是保障飞行安全的基础。通航公司要加强对机组的安全教育，做好公司安全文化的建设。机组人员要养成严谨、有序的工作作风，定期学习通航安全法规。

6)精湛的飞行技术是保障飞行安全的必要条件。通用航空飞行是1项技术性很强的工作，飞行员在空中既要兼顾飞机飞行，同时还有完成各项飞行作业任务，对飞行员的飞行技术提出了很高的要求。因此，要有针对性的加强对飞行员的飞行训练。

7)标准运行程序是飞行安全的重要保障。飞行员在飞行过程中要严格遵守标准运行程序，包括公司和行业运行标准。由于通航飞行具有速度小、高度底的特点，大多数通航事故都是由于飞行员违反飞行高度而引起的，所以在飞行过程中切记不要违反高度标准。通航公司要做好机组安全飞行档案记录，将标准运行程序的执行情况纳入到机组的安全绩效考核当中。

5　结论

1)从机组、飞机、自然环境、飞行保障环境等4个方面构建了通用航空可控飞行撞地影响因素体系。

2)通用航空可控飞行撞地ISM模型阐释了各影响因素间的层次关系。影响GACFIC事件的表层直接原因分别是注意力分配不当、违反标准运行程序、安全意识淡薄、应急能力弱、导航设备失效、发动机失效、其他天气意外、飞行保障不利和组织混乱；中层间接原因分别是驾驶技能不足、航前准备不足、机组资源管理欠缺、地形复杂、能见度和光线刺激；深层根本原因分别是疲劳驾驶、公司违规和违法组织飞行。

3)影响通用航空可控飞行撞地事件发生的主要因素分别是飞行保障不利和组织混乱、航前准备不足、安全意识淡薄、驾驶技能不足和违反标准运行程序。

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