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有關(guān)不確定理論的飛行員應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)代大型客機的高度自動化，飛行員在執(zhí)行飛行任務過程中的操作越來越少。然而，飛機的高度自動化往往會使飛行員養(yǎng)成習慣，疏于對飛機各種狀態(tài)的監(jiān)控，近年來，很多學者在民航人因?qū)W方面展開了研究，通過系統(tǒng)的對比和分析，飛行機組的失誤比例占據(jù)了事故主要原因的三分之二。
通過很多相關(guān)文獻的介紹，人因可靠性分析在民航的各個子領(lǐng)域都應用廣泛，尤其是在空管、機務、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)。通過已有的文獻介紹，CREAM模型中失效模式基本概率值數(shù)據(jù)是從整個工業(yè)環(huán)境采集的，在服務業(yè)的民航系統(tǒng)方面應用同樣數(shù)據(jù)有些牽強。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在必行。
1不確定理論
不確定理論(UncertaintyTheory，UT)是2007年由清華大學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新的工具，相當一部分的應用成果也已得到學術(shù)界的認可。
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)計主要需要刻畫不確定變量，該變量是在得到專家經(jīng)驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，通過經(jīng)驗不確定分布來進行計算。
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)可靠性的一個工具。許多現(xiàn)實的系統(tǒng)可以被簡化成為布爾系統(tǒng)，系統(tǒng)中的每個元素運行都有兩種狀態(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)活動中的績效輸出不是孤立的隨機性行為，而是依賴于人完成任務時所處的環(huán)境或工作條件，人的認知控制模式和其在不同認知活動中的效應受到該環(huán)境或工作條件的影響，最終決定人的響應行為。
飛行員在飛機駕駛艙內(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，所以使用該方法對飛行機組操作進行分析。通過對大量事故事件的研讀和分析，從中提煉4個事故和事件，這四個事故事件的特點就是事故原因最后都歸結(jié)于飛行機組，同時在響應輸出時受到周圍環(huán)境的極大影響，即為：1)民航飛行學院TB-200型B-8830號飛機重大飛行事故;2)美國航空公司MD-82圣路易斯發(fā)動機起火;3)美國西北航空A320著陸時機尾擦地;4)阿斯特賴奧斯航空公司B752客機高空雙發(fā)故障。
CREAM模型中有十多種失效模式，通過對以上事故事件的分析和分解，每個事故或者事件都是以下4種失效模式{O2錯誤辨識(基本概率值為0.07);I2決策失誤(0.01);E1動作方式錯誤(0.003);E2動作時間錯誤(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個方程，以便求解。
3駕駛艙環(huán)境下的飛行員應急操作可靠性模型
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思路，逐個分析已經(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，最后應用不確定理論的串并聯(lián)原理得到飛行員應急操作人誤概率。
4飛行員應急操作可靠性分析案例
分析第4個事故(阿斯特賴奧斯航空公司B752客機高空雙發(fā)故障)作為案例進行過程分析和演示，可得到一個方程式，其他3個同樣都會得到對應的方程式。
4.1分析和構(gòu)建事件序列
通過對這起事故的分析和分解，根據(jù)CREAM的分析過程，得到關(guān)于這起事故的認知行為和認知功能關(guān)系列表。
4.2CPCs因子確定
根據(jù)此次事件報告，對9種CPC因子(1.組織的完善性;2.工作條件;3.人機界面與運行支持;4.規(guī)程/計劃的可用性;5.同時出現(xiàn)的目標數(shù)量;6.可用時間;7.工作時間;8.培訓和經(jīng)驗的充分性;9.班組成員的合作質(zhì)量)進行分析，其中只有培訓和經(jīng)驗的充分性最有可能對績效造成影響，要根據(jù)分析CPC對于績效可靠性影響可得出相應的權(quán)重因子。
4.3識別認知功能失效模式
通過分析確定5個任務中最有可能的失效模式，得到如表2所示的認知功能失效模式。
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]值，人完成任務所處的認知控制模式是由Σ改進和Σ降低綜合影響確定而來。這里設每個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，從而才能對事件發(fā)生的可能性進行量化，每個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)學計算工具，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錯誤辨識(0.039);I2決策失誤(0.014);E1動作方式錯誤(0.00014);E2動作時間錯誤(0.006)。
4.5飛行員應急操作人誤概率
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，而通過應用CREAM計算駕駛艙失誤概率，飛行員在緊急情況下執(zhí)行飛行任務操作失效概率都在10-1~-2數(shù)量級，通過對專家走訪，實際出現(xiàn)異常情況的數(shù)值遠遠要小于這個數(shù)量級，所以該結(jié)果更具有實際意義。
5結(jié)論
本文對飛行員在駕駛艙環(huán)境下的執(zhí)行緊急任務時的人為因素進行了分析和量化，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、適合相應系統(tǒng)的人為因素數(shù)據(jù)收集和量化的方法;
3)得到民航領(lǐng)域人為因素數(shù)據(jù)后，應用不確定理論串并聯(lián)原理計算飛行員人誤差錯概率，更高效地對飛行員應急操作可靠性進行評估。
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