基于ISM模型的可控飛行撞地誘因關(guān)系分析

魏燕明，甘旭升，游雯雯，蔣銘樂(lè)

（1.西京學(xué)院，西安 710123;2.空軍工程大學(xué)空管領(lǐng)航學(xué)院，西安 710051）

0 引言

可控飛行撞地（Controlled Flight Into Terrain，CFIT）是指能夠正常運(yùn)行的航空器在飛行員控制之下由于飛行員的疏忽而與障礙物、地面或者水面相撞的事故，而飛行員對(duì)將要發(fā)生的相撞通常事先沒(méi)有覺(jué)察。CFIT是一種重要的航空事故類型，通常其導(dǎo)致的后果是機(jī)毀人亡，更深層次的是造成不利的社會(huì)影響和政治影響。因此，研究CFIT誘因分析技術(shù)，不僅能夠?yàn)榘踩芾頉Q策提供支撐，對(duì)改善航空安全管理水平也具有實(shí)際意義［1］。

為提高CFIT事故的防范水平，學(xué)者們進(jìn)行了有針對(duì)性的研究［2-4］。從文獻(xiàn)資料分析來(lái)看，這些研究大多針對(duì)個(gè)別CFIT事故，未結(jié)合大量實(shí)例進(jìn)行成因分析，且其成因標(biāo)準(zhǔn)都是直接給出，更沒(méi)有給出誘因關(guān)系的層次結(jié)構(gòu)?；谝陨戏治觯疚奶岢隽擞糜诜治鯟FIT誘因關(guān)系的解釋結(jié)構(gòu)模型（Interpretative Structural Modeling，ISM）［5］，實(shí)例驗(yàn)證了其有效性。

1 解釋結(jié)構(gòu)模型

ISM的基本思想是：在有向圖和矩陣原理基礎(chǔ)上，結(jié)合人們的認(rèn)知將系統(tǒng)要素聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)矩陣和圖形的描述，并借助于計(jì)算機(jī)完成相應(yīng)數(shù)學(xué)運(yùn)算，從而整理推導(dǎo)出所研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

1.1 構(gòu)成要素

ISM主要由有向圖、鄰接矩陣和可達(dá)矩陣三要素構(gòu)成［7］。

1.1.1 有向圖

建立ISM需要先確定一個(gè)研究目標(biāo)，這個(gè)研究目標(biāo)中包含諸多要素，而各要素之間的關(guān)系通過(guò)有向圖來(lái)描述。由有向圖可直觀地表達(dá)諸多要素的兩兩交互關(guān)系。每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)要素，采用圓內(nèi)加編號(hào)字母形式來(lái)描述。要描述要素Ci對(duì)要素Cj施加了影響，有向圖中可表示為：Ci→Cj。通過(guò)這種表達(dá)方式就構(gòu)成了有向圖。

1.1.2 鄰接矩陣

鄰接矩陣是對(duì)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖的數(shù)學(xué)表達(dá)方法，而關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖是對(duì)各元素之間關(guān)系的邏輯分析，鄰接矩陣是對(duì)這些元素的數(shù)學(xué)分析，主要描述要素Ci與Cj的初始交互關(guān)系，鄰接矩陣A內(nèi)的元素

鄰接矩陣可翻譯為有向圖，有向圖也可轉(zhuǎn)化成鄰接矩陣，二者是一一對(duì)應(yīng)的，而與元素順序無(wú)關(guān)。

1.1.3 可達(dá)矩陣

獲得鄰接矩陣A后，將其與單位矩陣I相加可得出

矩陣A+I即為可達(dá)矩陣，它的每個(gè)元素表示通過(guò)點(diǎn)與點(diǎn)間不大于1的路徑的可達(dá)性。同樣不難理解，（A+I）2中元素表示通過(guò)點(diǎn)與點(diǎn)間不大于2的路徑的可達(dá)性。這里涉及的加法與乘法運(yùn)算均為布爾運(yùn)算，則可以得到（A+I）i-2≠（A+I）i-1≠（A+I）i=（A+I）i+1=M，i≤n-1，矩陣M即為可達(dá)矩陣，用于刻畫(huà)點(diǎn)與點(diǎn)間不大于n-1的路徑的可達(dá)性。對(duì)于點(diǎn)數(shù)為n的圖，最長(zhǎng)路徑不能超過(guò)n-1。此外，M2=M。對(duì)于上例則有

所以，可達(dá)矩陣為 M=（A+I）3。

1.2 ISM誘因分析流程

ISM誘因關(guān)系分析流程如圖2所示。

2 實(shí)例分析

本文在商用航空安全小組（CAST）的航空安全策略研究基礎(chǔ)上，并綜合考慮了空中管制因素［8］，總結(jié)整理CFIT事故的主要誘因如下頁(yè)表1所示。

表1 航空器CFIT事故主要誘因

2.1 繪制有向圖

在ISM模型中，定義各元素之間的關(guān)系為：如果S1受到S2的制約或影響，則稱S1到S2存在“關(guān)系”，表示為“S1→S2”，例如不掌握天氣特點(diǎn) S1受到飛行準(zhǔn)備不充分S6的影響，則記為“S1→S6”，由此，可得S1～S12之間的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

該關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖并非唯一，其中構(gòu)建邏輯關(guān)系是關(guān)鍵。不同的人根據(jù)自己對(duì)專業(yè)的認(rèn)識(shí)程度，將會(huì)得到不同的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖，所以，在構(gòu)建關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖時(shí)，需要結(jié)合航空管制專業(yè)相關(guān)知識(shí)。

根據(jù)圖3所示誘因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，可建立如表2的關(guān)系，其中，A表示Si受Sj的影響；V表示Si對(duì)Sj的影響。

2.2 構(gòu)建鄰接矩陣

將圖3的誘因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)作數(shù)學(xué)化處理，這樣，定性分析問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為定量分析問(wèn)題。如果S1到S2有關(guān)系S1→S2，則記為1，沒(méi)有關(guān)系計(jì)為0。用橫向量a1=（0，0，0，…，0）來(lái)描述 S1與 S2～ S12的關(guān)系，同理，可依次計(jì)算出 S2～S12的橫向量 a2～a12，令 A=（a1，a2，a3，…，a12）T，可給出鄰接矩陣

表2 CFIT誘因間的兩兩交互關(guān)系

2.3 對(duì)鄰接矩陣進(jìn)行計(jì)算求得可達(dá)矩陣

根據(jù)前述步驟，計(jì)算可達(dá)矩陣可由Matlab軟件編程完成。

2.4 找出各要素的級(jí)別分配

將M=（A+I）2中的要素劃分成3個(gè)集合，分別為可達(dá)集R（Si）、先行集A（Si）、R（Si）與A（Si）的交集?？蛇_(dá)集中的元素，表示可達(dá)矩陣中要素Si可以到達(dá)的要素；先行集中的元素，表示可達(dá)矩陣中能夠到達(dá)Si的要素。通過(guò)計(jì)算，當(dāng)可達(dá)集R（Si）與R（Si）∩A（Si）包含的因素相同時(shí)，得出它的最高級(jí)要素集L1，然后將它們暫時(shí)去掉，同理，整理出次一級(jí)的最高級(jí)要素集L2，由此類推，對(duì)各要素的級(jí)別進(jìn)行分配。

表3 可達(dá)集、先行集及其交集

其中，當(dāng)i=1，2，4，5時(shí)，P（Si）與P（Si）∩A（Si）相等，即 L1={1，2，4，5}，將最高級(jí)要素 L1暫時(shí)去除，則有

表4 去除最高級(jí)要素L1后的集合

其中，當(dāng)i=3，6，9時(shí)，P（Si）與P（Si）∩A（Si）相等，即L2={3，6，9}，將最高級(jí)要素 L2暫時(shí)去除，可有

表5 去除最高級(jí)要素L2后的集合

其中，當(dāng)i=7，10時(shí)，P（Si）與P（Si）∩A（Si）相等，即L3={7，10}，將最高要素 L3暫時(shí)去除，可有

表6 去除最高級(jí)要素L3后的集合

其中，當(dāng)i=8，11時(shí)，P（Si）與P（Si）∩A（Si）相等，即L4={8，11}，將最高要素 L4暫時(shí)去除，可有

表7 去除最高級(jí)要素L4后的集合

其中，當(dāng)i=12時(shí)，P（Si）與P（Si）∩A（Si）相等，即L5={12}。

由以上過(guò)程，可得出航空CFIT的誘因的優(yōu)先級(jí)順序?yàn)椋簕1，2，4，5}，{3，6，9}，{7，10}，{8，11}，{12}，也就是將 CFIT 誘因劃分為 L1，L2，L3，L4，L55 個(gè)層次，據(jù)此，重新排列的可達(dá)矩陣為

2.5 根據(jù)重新排列可達(dá)矩陣建立可得ISM

根據(jù)層級(jí)分配，將L1的誘因置于模型的最上層，依次將 L2、L3、L4、L5置于各層位置。根據(jù)各層次中的邏輯關(guān)系，將有關(guān)聯(lián)的各誘因連接起來(lái)，形成航空器可控飛行撞地的ISM誘因關(guān)系結(jié)構(gòu)模型，如下頁(yè)圖4所示。并據(jù)此可將CFIT誘因劃分為管理層面、飛行員層面和管制員層面。

從以上分析可知，誘發(fā)CFIT事故的影響因素形成了5個(gè)鏈條：

在這5個(gè)鏈條中，每個(gè)鏈條就是一條導(dǎo)致CFIT的事故鏈。對(duì)安全管理與決策來(lái)說(shuō)，要有效減少CFIT事故的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，除了應(yīng)關(guān)注這幾個(gè)鏈條外，還需注意各鏈條上誘發(fā)因素的變化和交互情況，當(dāng)鏈條上的各個(gè)誘發(fā)因素都被觸發(fā)，有可能導(dǎo)致CFIT事故時(shí)，應(yīng)該盡可能加強(qiáng)鏈條上的薄弱環(huán)節(jié)，以截?cái)嗾麠l事故鏈，不過(guò)，要從根本上降低CFIT事故的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，必須從管理層面上查問(wèn)題、找漏洞和下功夫。

3 結(jié)論

CFIT事故的誘發(fā)因素眾多，且彼此關(guān)系復(fù)雜，對(duì)這些誘因關(guān)系進(jìn)行分析，識(shí)別出誘因的遞階結(jié)構(gòu)模型，是預(yù)防CFIT事故的重要條件，也是亟待解決的問(wèn)題。為此，在CFIT分析中引入ISM方法，即基于對(duì)CFIT的系統(tǒng)分析，將誘發(fā)CFIT的影響因素關(guān)聯(lián)起來(lái)，并通過(guò)矩陣和圖形等形式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理，推導(dǎo)出CFIT誘因關(guān)系的多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)模型。實(shí)例分析表明：采用ISM分析CFIT誘因關(guān)系，過(guò)程簡(jiǎn)便，易于理解，注重條理，邏輯性強(qiáng)，層次結(jié)構(gòu)科學(xué)合理。從而也證明了ISM用于CFIT分析的可行性和有效性。

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