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基于QAR数据与互信息法的进近风险评估模型

汪磊 李蕊君 王菲茵

汪磊, 李蕊君, 王菲茵. 基于QAR数据与互信息法的进近风险评估模型[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(4): 21-29. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.04.003
引用本文: 汪磊, 李蕊君, 王菲茵. 基于QAR数据与互信息法的进近风险评估模型[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(4): 21-29. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.04.003
WANG Lei, LI Ruijun, WANG Feiyin. An Assessment Model of Approach Risk Based on QAR Data and Mutual Information Method[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(4): 21-29. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.04.003
Citation: WANG Lei, LI Ruijun, WANG Feiyin. An Assessment Model of Approach Risk Based on QAR Data and Mutual Information Method[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(4): 21-29. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.04.003

基于QAR数据与互信息法的进近风险评估模型

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.04.003
基金项目: 

国家自然科学基金项目 32071063

详细信息
    通讯作者:

    汪磊(1982—),博士,研究员. 研究方向:航空安全与人因. E-mail: wanglei0564@hotmail.com

  • 中图分类号: V328

An Assessment Model of Approach Risk Based on QAR Data and Mutual Information Method

  • 摘要: 不稳定进近状态易造成典型后果事件。为评估不稳定进近状态下导致的不同后果事件的风险大小,建立定量风险评估模型。对快速存取记录器(quick access recorder, QAR)数据与进近风险进行分析,选择构成不稳定进近的QAR飞行关键参数作为监控指标,使确定的12个监控指标反映不稳定进近的状态。采用Borda序值法对监控指标进行排序,并依据排序结果,计算不稳定进近各监控指标对不稳定进近事件的影响权重,分析不稳定进近可能导致的严重后果,进而确定不稳定进近导致的典型后果事件。基于信息熵理论中的互信息法,分步构建风险评估模型:①整合互信息法和Borda序值法,改进监控指标权重,弥补单独使用互信息法或Borda序值法在权重确定方面的不足;②使用Laplace平滑法处理数据集零频数问题,减少信息损失,对互信息法在小样本数据集这个特定情况下进行必要补充;③增加后果事件关联性考量,调整基础风险值。应用实例验证模型,结果表明:使用A航空公司2019年QAR数据,模型评估得出冲偏出跑道、CFIT与重着陆、空中失控的风险值分别为4.609 5,2.062 8,0.146 8,风险排序与国际航空运输协会公布的数据占比排序一致,模型结果与实际运行情况相符。对比A、B航空公司不同机型和年份数据,模型风险排序一致。模拟4种不同环境下100次实验,风险值趋势与分布具有相同特点:模拟环境与真实环境的风险排序一致情况总体达90%;冲偏出跑道风险因情况变化而波动,空中失控的高风险值可能预示着严重的安全事件,CFIT与重着陆风险波动小、分布均匀、风险较温和且可预测。

     

  • 图  1  进近风险评估模型构建思路

    Figure  1.  Methods for developing an approach risk assessment model

    图  2  互信息量计算结果图

    Figure  2.  Mutual information volume calculations

    表  1  不稳定进近QAR监控指标

    Table  1.   Unstable approach QAR monitoring indicator

    编号 监控指标名称 FOQA监控项目 飞行阶段
    i1 低于下滑道(GLIDE SLOPE)音响警告 ILS下滑道偏离 进近阶段
    i2 下沉率(SINK RATE)大音响警告 下降率大 下降/进近/着陆阶段
    i3 305~152(含)m下降率大 下降率大 进近阶段
    i4 152~15 m下降率大 下降率大 进近阶段
    i5 305 m以下偏离下滑道偏差大 ILS下滑道偏离 进近阶段
    i6 305 m以下偏离航向道偏差大 ILS航向道偏离 进近阶段
    i7 着陆襟翼设置晚 选择着陆襟翼晚 着陆阶段
    i8 放起落架晚 选择着陆构型晚 着陆阶段
    i9 接地前60 s高度低 着陆速度大 着陆阶段
    i10 进近305~15 m速度小 进近速度小 进近阶段
    i11 进近152~15(含)m速度大 进近速度大 进近阶段
    i12 152~60(含)m进近坡度大 进近坡度大 进近阶段
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    表  2  不稳定进近QAR监控指标权重

    Table  2.   Weighting of unstable approach QAR monitoring indicator

    编号 监控指标名称 L S Ri1 Ri2 bi Bi 风险排序 Wi
    i1 低于下滑道(GLIDE SLOPE)音响警告 4 C 1 2 21 0 4 1.0
    i2 下沉率(SINK RATE)大音响警告 3 B 2 1 21 0 4 1.0
    i3 305~152(含)m下降率大 4 C 1 2 21 0 4 1.0
    i4 152~15 m下降率大 3 B 2 1 21 0 4 1.0
    i5 305 m以下偏离下滑道偏差大 4 C 1 2 21 0 4 1.0
    i6 305 m以下偏离航向道偏差大 4 C 1 2 21 0 4 1.0
    i7 着陆襟翼设置晚 2 D 3 3 18 12 1 0.25
    i8 放起落架晚 2 C 3 2 19 11 2 0.50
    i9 接地前60 s高度低 3 C 2 2 20 8 3 0.75
    i10 进近305~15 m速度小 4 C 1 2 21 0 4 1.0
    i11 进近152~15(含)m速度大 4 C 1 2 21 0 4 1.0
    i12 152~60(含)m进近坡度大 3 C 2 2 20 8 3 0.75
    注:L为可能性;S为严重性(Doc 9859 SMM)。
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    表  3  联合分布频数矩阵

    Table  3.   Joint distribution frequency matrix

    频数 冲偏出跑道 CFIT与重着陆 空中失控
    i1 0 0 -
    i2 0 0 -
    i3 0 - -
    i4 0 0 -
    i5 2 2 -
    i6 0 0 -
    i7 0 - -
    i8 0 - -
    i9 0 0 -
    i10 0 - 0
    i11 2 - -
    i12 0 0 0
    注:“-”为后果事件的监控指标不包含不稳定进近的监控指标。
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    表  4  初始联合分布概率

    Table  4.   Initial joint distribution probability

    P(xy) 冲偏出跑道 CFIT与重着陆 空中失控
    i1 0.066 7 0.066 7 0.000 0
    i2 0.066 7 0.066 7 0.000 0
    i3 0.066 7 0.000 0 0.000 0
    i4 0.066 7 0.066 7 0.000 0
    i5 0.176 5 0.176 5 0.000 0
    i6 0.066 7 0.066 7 0.000 0
    i7 0.066 7 0.000 0 0.000 0
    i8 0.066 7 0.000 0 0.000 0
    i9 0.066 7 0.066 7 0.000 0
    i10 0.066 7 0.000 0 0.066 7
    i11 0.176 5 0.000 0 0.000 0
    i12 0.066 7 0.066 7 0.066 7
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    表  5  互信息量

    Table  5.   Mutual informativity

    MI(xy) 冲偏出跑道 CFIT与重着陆 空中失控
    i1 0.090 5 0.070 4 0.000 0
    i2 0.090 5 0.070 4 0.000 0
    i3 0.067 1 0.000 0 0.000 0
    i4 0.090 5 0.070 4 0.000 0
    i5 0.299 5 0.192 2 0.000 0
    i6 0.090 5 0.070 4 0.000 0
    i7 0.067 1 0.000 0 0.000 0
    i8 0.067 1 0.000 0 0.000 0
    i9 0.090 5 0.070 4 0.000 0
    i10 0.090 5 0.000 0 0.044 8
    i11 0.178 5 0.000 0 0.000 0
    i12 0.113 5 0.083 6 0.049 8
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    表  6  互信息量归一化

    Table  6.   Normalized mutual informativity

    Wih 冲偏出跑道 CFIT与重着陆 空中失控
    i1 0.302 1 0.234 9 0.000 0
    i2 0.302 1 0.234 9 0.000 0
    i3 0.224 2 0.000 0 0.000 0
    i4 0.302 1 0.234 9 0.000 0
    i5 1.000 0 0.641 9 0.000 0
    i6 0.302 1 0.234 9 0.000 0
    i7 0.224 2 0.000 0 0.000 0
    i8 0.224 2 0.000 0 0.000 0
    i9 0.302 1 0.234 9 0.000 0
    i10 0.302 1 0.000 0 0.149 6
    i11 0.595 9 0.000 0 0.000 0
    i12 0.379 1 0.279 0 0.166 3
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    表  7  监控指标综合权重

    Table  7.   Composite weights of monitoring indicators

    Wc  冲偏出跑道 CFIT与重着陆 空中失控
    i1 0.302 1 0.234 9 0.000 0
    i2 0.302 1 0.234 9 0.000 0
    i3 0.224 2 0.000 0 0.000 0
    i4 0.302 1 0.234 9 0.000 0
    i5 1.000 0 0.641 9 0.000 0
    i6 0.302 1 0.234 9 0.000 0
    i7 0.056 0 0.000 0 0.000 0
    i8 0.112 1 0.000 0 0.000 0
    i9 0.226 6 0.176 2 0.000 0
    i10 0.302 1 0.000 0 0.149 6
    i11 0.595 9 0.000 0 0.000 0
    i12 0.284 3 0.209 3 0.124 7
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    表  8  不同航空公司的不稳定进近QAR监控指标超限事件频数与后果事件调整后风险值

    Table  8.   The frequency of unstable approach QAR monitoring indicator exceedance events and the risk values of consequence events for different airlines

    航空公司 年份 航班量/架次 不稳定进近QAR监控指标i1~i12超限事件频数/次 冲偏出跑道风险值Ra CFIT与重着陆风险值Rb 空中失控风险值Rc
    i1 i2 i3 i5 i6 i7 i8 i9 i10 i11 i12
    A 2019 1 486 0 0 0 2 0 0 0 0 0 2 0 4.609 5 2.062 8 0.146 8
    2020 2 991 0 0 0 2 0 1 0 0 0 2 0 5.098 4 0.195 4 0.167 9
    B 2015 8 232 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 66.544 3 39.905 3 2.435 6
    2016 14 667 2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 3 132.609 5 19.145 6 9.582 4
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    表  9  4种模拟环境下风险值统计分析

    Table  9.   Statistical analysis of risk values across four simulated environments

    统计分析 后果事件类型
    冲偏出跑道 2.50 6.84 20.86 196.61
    风险值平均值 CFIT与重着陆 0.14 0.44 1.30 12.28
    空中失控 0.10 0.21 0.87 7.43
    冲偏出跑道 0.31 1.62 3.97 170.12
    风险值标准差 CFIT与重着陆 0.05 0.17 0.49 2.23
    空中失控 0.06 0.22 0.94 15.78
    冲偏出跑道 -0.39 1.60 0.60 1.38
    风险值偏度 CFIT与重着陆 -0.16 0.50 0.10 0.63
    空中失控 5.00 5.00 3.66 4.22
    冲偏出跑道 0.72 4.18 3.11 1.38
    风险值峰度 CFIT与重着陆 -1.08 0.60 -0.41 1.22
    空中失控 24.99 24.99 15.06 18.96
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    表  10  模拟环境与真实环境的风险值排序一致率统计

    Table  10.   Concordance rate of risk value rankings between simulated and real environments

    风险值一致性分析
    真实环境监控指标发生总频数/次 4 5 6 7
    模拟环境与真实环境风险值分组排序一致率/% 88 92 88 92
    模拟环境与真实环境风险值总体排序一致率/% 90
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  • 收稿日期:  2023-10-17
  • 网络出版日期:  2024-11-25

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