有關(guān)不確定理論的飛行員應(yīng)急操作可靠性分析論文
“安全”是我們民航系統(tǒng)中永恒的主題，隨著現(xiàn)代大型客機(jī)的高度自動(dòng)化，飛行員在執(zhí)行飛行任務(wù)過程中的操作越來越少。然而，飛機(jī)的高度自動(dòng)化往往會(huì)使飛行員養(yǎng)成習(xí)慣，疏于對(duì)飛機(jī)各種狀態(tài)的監(jiān)控，近年來，很多學(xué)者在民航人因?qū)W方面展開了研究，通過系統(tǒng)的對(duì)比和分析，飛行機(jī)組的失誤比例占據(jù)了事故主要原因的三分之二。
通過很多相關(guān)文獻(xiàn)的介紹，人因可靠性分析在民航的各個(gè)子領(lǐng)域都應(yīng)用廣泛，尤其是在空管、機(jī)務(wù)、飛行等等方面，但是人因可靠性分析需要在人的可靠性基本數(shù)據(jù)的前提上進(jìn)行分析和處理，縱觀一代人因方法到現(xiàn)在三代人因方法，人的可靠性基本數(shù)據(jù)仍是缺失嚴(yán)重，而且很多現(xiàn)有收集的數(shù)據(jù)與很多客觀因素(數(shù)據(jù)收集方式和人的心理狀態(tài))有關(guān)。通過已有的文獻(xiàn)介紹，CREAM模型中失效模式基本概率值數(shù)據(jù)是從整個(gè)工業(yè)環(huán)境采集的，在服務(wù)業(yè)的`民航系統(tǒng)方面應(yīng)用同樣數(shù)據(jù)有些牽強(qiáng)。因此，在分析和量化民航人的行為方面采用合適的方法和建模工具勢(shì)在必行。
1不確定理論
不確定理論(UncertaintyTheory，UT)是2007年由清華大學(xué)劉寶碇教授提出并建立的。在可靠性技術(shù)等眾多領(lǐng)域研究的問題中都存在著主觀的或人為的不確定性。
不確定理論已成為刻畫這類不確定性問題的一個(gè)新的工具，相當(dāng)一部分的應(yīng)用成果也已得到學(xué)術(shù)界的認(rèn)可。
1.1不確定分布
不確定理論是用于研究主觀不確定現(xiàn)象。不確定統(tǒng)計(jì)主要需要刻畫不確定變量，該變量是在得到專家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，通過經(jīng)驗(yàn)不確定分布來進(jìn)行計(jì)算。
1.2不確定理論串聯(lián)/并聯(lián)原理
不確定可靠性分析是通過不確定理論來處理系統(tǒng)可靠性的一個(gè)工具。許多現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)可以被簡化成為布爾系統(tǒng)，系統(tǒng)中的每個(gè)元素運(yùn)行都有兩種狀態(tài)：成功和失敗。布爾系統(tǒng)中的元素通常由布爾不確定變量來表示ξ=1，不確定測度αΣ0，不確定測為1-α，上式中ξ為一個(gè)不確定元有x1，x2，…，xn，那么布爾函數(shù)f稱作X結(jié)構(gòu)函數(shù)，即X=1且只有在(fx1，x2，…，xn)=1。一個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)，可靠性指數(shù)可表示為：
可靠度=M[(fξ1，ξ2，…，ξn)=1]=M[ξ1∧ξ2∧…∧ξn]=α1∧α2∧…∧αn4)
一個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)，可靠性指數(shù)可表示為：
可靠度=M[(fξ1，ξ2，…，ξn)=1]=M[ξ1∨ξ2∨…∨ξn]=α1∨α2∨…∨αn5)
2CREAM及其失效模式基本概率
CREAM的側(cè)重方向是人在生產(chǎn)活動(dòng)中的績效輸出不是孤立的隨機(jī)性行為，而是依賴于人完成任務(wù)時(shí)所處的環(huán)境或工作條件，人的認(rèn)知控制模式和其在不同認(rèn)知活動(dòng)中的效應(yīng)受到該環(huán)境或工作條件的影響，最終決定人的響應(yīng)行為。
飛行員在飛機(jī)駕駛艙內(nèi)的操作行為輸出就收到周圍的環(huán)境和工作條件的影響，所以使用該方法對(duì)飛行機(jī)組操作進(jìn)行分析。通過對(duì)大量事故事件的研讀和分析，從中提煉4個(gè)事故和事件，這四個(gè)事故事件的特點(diǎn)就是事故原因最后都?xì)w結(jié)于飛行機(jī)組，同時(shí)在響應(yīng)輸出時(shí)受到周圍環(huán)境的極大影響，即為：1)民航飛行學(xué)院TB-200型B-8830號(hào)飛機(jī)重大飛行事故;2)美國航空公司MD-82圣路易斯發(fā)動(dòng)機(jī)起火;3)美國西北航空A320著陸時(shí)機(jī)尾擦地;4)阿斯特賴奧斯航空公司B752客機(jī)高空雙發(fā)故障。
CREAM模型中有十多種失效模式，通過對(duì)以上事故事件的分析和分解，每個(gè)事故或者事件都是以下4種失效模式{O2錯(cuò)誤辨識(shí)(基本概率值為0.07);I2決策失誤(0.01);E1動(dòng)作方式錯(cuò)誤(0.003);E2動(dòng)作時(shí)間錯(cuò)誤(0.003)}系列引起的，之后能以這4種失效模式概率值為未知數(shù)列出4個(gè)方程，以便求解。
3駕駛艙環(huán)境下的飛行員應(yīng)急操作可靠性模型
該模型的建立方法是在采用雙線并行的基礎(chǔ)上，一條主線是已CREAM模型的分析過程為引導(dǎo)思路，逐個(gè)分析已經(jīng)選取的事故事件;另一條主線是以民航系統(tǒng)中相關(guān)資深飛行員提供的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用不確定分布來處理數(shù)據(jù)，以確定飛行員在駕駛艙環(huán)境下遇到緊急情況時(shí)的可靠度，綜合兩條主線以形成方程組來修正CREAM失效模式基本概率值，最后應(yīng)用不確定理論的串并聯(lián)原理得到飛行員應(yīng)急操作人誤概率。
4飛行員應(yīng)急操作可靠性分析案例
分析第4個(gè)事故(阿斯特賴奧斯航空公司B752客機(jī)高空雙發(fā)故障)作為案例進(jìn)行過程分析和演示，可得到一個(gè)方程式，其他3個(gè)同樣都會(huì)得到對(duì)應(yīng)的方程式。
4.1分析和構(gòu)建事件序列
通過對(duì)這起事故的分析和分解，根據(jù)CREAM的分析過程，得到關(guān)于這起事故的認(rèn)知行為和認(rèn)知功能關(guān)系列表。
4.2CPCs因子確定
根據(jù)此次事件報(bào)告，對(duì)9種CPC因子(1.組織的完善性;2.工作條件;3.人機(jī)界面與運(yùn)行支持;4.規(guī)程/計(jì)劃的可用性;5.同時(shí)出現(xiàn)的目標(biāo)數(shù)量;6.可用時(shí)間;7.工作時(shí)間;8.培訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)的充分性;9.班組成員的合作質(zhì)量)進(jìn)行分析，其中只有培訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)的充分性最有可能對(duì)績效造成影響，要根據(jù)分析CPC對(duì)于績效可靠性影響可得出相應(yīng)的權(quán)重因子。
4.3識(shí)別認(rèn)知功能失效模式
通過分析確定5個(gè)任務(wù)中最有可能的失效模式，得到如表2所示的認(rèn)知功能失效模式。
通過分別記下CPC因子數(shù)目之和來得到的一組[Σ降低、Σ不顯著、Σ改進(jìn)]值，人完成任務(wù)所處的認(rèn)知控制模式是由Σ改進(jìn)和Σ降低綜合影響確定而來。這里設(shè)每個(gè)失效模式的失效值分別為X1、X2、X3、X4，則由1-n儀i=1(1-X)i=P公式得到方程式等式左邊計(jì)算式為：
1-(1-X1)(1-5X2)(1-2X3)(1-5X2)(1-2X4)
通過同樣的分析方法得到了4個(gè)事故事件的公式為：
1-(1-2X1)(1-5X2)(1-2X4)(1-2X3)(1-2X4)=P16)
1-(1-X1)(1-5X2)(1-X1)(1-8X3)(1-10X2)(1-2X4)=P27)
1-(1-X1)(1-10X2)(1-10X4)(1-2X1)(1-10X3)=P38)
1-(1-X1)(1-5X2)(1-2X3)(1-5X2)(1-2X4)=P49)
4.4不確定理論數(shù)據(jù)處理
在不使用CRAM模型中人的可靠性數(shù)據(jù)前提下，必須從民航資深飛行專家得到主觀信度，從而才能對(duì)事件發(fā)生的可能性進(jìn)行量化，每個(gè)專家給出的事件刻度值以及信度值(主觀概率)為專家1給出的五個(gè)主管概率值為{(0.1，0.4)(0.3，0.8)(0.5，0.4)(0.7，0.2)(0.9，0.1)(1，0)};專家2{(0.1，0.3)(0.3，0.9)(0.5，0.6)(0.7，0.4)(0.9，0.2)(1，0)};專家3{(0.1，0.2)(0.3，0.8)(0.5，0.5)(0.7，0.3)(0.9，0.1)(1，0)}。
該事件的主觀概率值根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)后通過不確定分布而得為P4=0.180。通過同樣的方法確定其他3個(gè)事故事件的主觀概率值分別為P1=0.165，P2=0.272，P3=0.250。
將6)，7)，8)，9)組成方程組，以matlab作為數(shù)學(xué)計(jì)算工具，從而，得到了民航人因系統(tǒng)中的4種失效模式基本概率值，分別為O2錯(cuò)誤辨識(shí)(0.039);I2決策失誤(0.014);E1動(dòng)作方式錯(cuò)誤(0.00014);E2動(dòng)作時(shí)間錯(cuò)誤(0.006)。
4.5飛行員應(yīng)急操作人誤概率
據(jù)此，可得到該事件的可靠性量值為：
P={[(1-P1)∧(1-5P2)∧(1-2P3)∧(1-5P2)]∨[(1-P1)∧(1-5P2)∧(1-2P3)∧(1-5P2)]}∧(1-2P4)
={[(1-0.039)∧(1-5×0.014)∧(1-2×0.00014)∧(1-5×0.014)]∨[(1-0.039)∧(1-5×0.014)∧(1-2×0.00014)∧(1-5×0.014)]}∧(1-2×0.006)=0.99972
通過應(yīng)用不確定串并聯(lián)原理得到該事件的操作可靠度為0.99972，也就是說該事故的其人為失效概率為0.00028，而通過應(yīng)用CREAM計(jì)算駕駛艙失誤概率，飛行員在緊急情況下執(zhí)行飛行任務(wù)操作失效概率都在10-1~-2數(shù)量級(jí)，通過對(duì)專家走訪，實(shí)際出現(xiàn)異常情況的數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)要小于這個(gè)數(shù)量級(jí)，所以該結(jié)果更具有實(shí)際意義。
5結(jié)論
本文對(duì)飛行員在駕駛艙環(huán)境下的執(zhí)行緊急任務(wù)時(shí)的人為因素進(jìn)行了分析和量化，建構(gòu)了挖掘和量化模型。
1)構(gòu)建了以不確定理論和CREAM方法的飛行員應(yīng)急操作可靠性模型;
2)模型的建立過程中也得到了一種新的、適合相應(yīng)系統(tǒng)的人為因素?cái)?shù)據(jù)收集和量化的方法;
3)得到民航領(lǐng)域人為因素?cái)?shù)據(jù)后，應(yīng)用不確定理論串并聯(lián)原理計(jì)算飛行員人誤差錯(cuò)概率，更高效地對(duì)飛行員應(yīng)急操作可靠性進(jìn)行評(píng)估。
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