【《机场跑道事故点位概率分布模型概述》4000字】

-7-机场跑道事故点位概率分布模型概述跑道作为飞行阶段起始和终止，一直是飞行阶段中风险最大的阶段，即起飞三分钟和着陆5分钟是飞行过程中风险最大的阶段。机场跑道事故一直是航空安全中关键的一点，早在2006年，飞行安全基金会(FlightSafetyAssociation,FSA)就发起了“跑道安全倡议”的项目[65]。2012年，飞行安全基金会发布了战略性跑道安全计划。国际明航组织在2014年发布了《跑道安全小组手册》。尽管，民航业为了提高机场跑道安全，对减少机场跑道事故提出了许多计划和建议，但近年来还是有许多机场跑道事故发生。例如，2016年10月11日上海虹桥机场发生跑道侵入事件；2018年8月17日菲律宾马尼拉机场厦门航空客机降落时冲出跑道；2019年7月9日阿姆斯特丹史基浦机场发生了两机相撞事故。国际航空运输协会(InternationalAirTransportAssociation,IATA)统计了2010年1月至2014年12月，全球范围内超过5700公斤的喷气式飞机和涡轮螺旋桨飞机共发生415起事故，其中冲偏出跑道就有90例，占所有事故中的22%（如图1.11，图1.12）。图1.112010-2014全球事故类别分类图1.122010-2014全球事故类别百分比根据国际民航组织的统计，从2008年到2018年间5700公斤以上航空器的定期商业航班的民航事故中，机场跑道事故数量及死亡人数仍有很高的比例（如图1.13、图1.14所示），机场跑道安全仍然是机场消防安全不可忽视的一点。图1.132008-2018年不同事故类别事故数图1.142008-2018年不同事故类别死亡人数其中，RunwaySafety为机场跑道安全事故，CFIT（Controlledflightintoterrain）为可控飞行撞地，LOC-I（Lossofcontrolin-flight）为在飞行中失去控制。机场跑道事故作为全球民航业重点关注的问题，在国际民航组织发布的最新一版的《全球民航安全计划》中，将跑道安全视为全球优先的航空安全问题。随着机场业务量的增长，机场地面环境日益复杂，机场跑道事故的风险因素、事故种类也会因为机场业务量的增长而增长。因此，机场跑道事故概率分布是机场消防站选址不可忽视的一大因素，优先保障发生机场跑道事故概率较大的区域，能够更快更有效的减少事故损失，提升机场消防救援能力。1.1机场跑道事故类别概述根据机场跑道事故类别分类，机场跑道事故主要分为：跑道混淆、跑道侵入、冲偏出跑道。冲偏出跑道是指航空器冲出跑道道面末端或偏出一侧，大多发生在起飞或着陆过程中，具体可分为：偏出（veer-off）：航空器偏出跑道一侧；冲出（overrun）：航空器冲出跑道末端[66]。在民航安全领域，冲偏出跑道是跑道事故中关注的重点，飞行安全基金会曾发布了关于减少冲偏出跑道事故的安全倡议报告，报告指出了导致冲偏出跑道的危险因素，并针对各项危险因素提出建议。后来，国际航空运输协会和飞行安全基金会为了降低冲偏出跑道的风险，共同提出了冲偏出跑道风险环节工具箱（RunwayExcursionRiskReductionToolkit,RERRToolkit）。经过不断的发展，不断有人投入到减少冲偏出跑道风险的研究中，霍尼韦尔公司[67]就开发出了一套SmartLanding的智能着陆系统，空客公司[68]也开发出预防冲偏出跑道的系统。赵宁宁[69]等根据冲偏出跑道的历史数据，利用BP神经网络对冲偏出跑道事故进行预测。戴湘龄[70]模拟了飞机发生冲偏出跑道事故后，机场展开救援的场景。根据仿真系统的模拟，给出一套优化资源配置和事故处置方案，提升机场消防应急救援效率。SoaresPFM[71]开发了一种算法，能够得出不同条件下飞机冲偏出跑道的风险程度。DistefanoN[72]识别了起飞和降落阶段造成冲偏出跑道的风险因素，并建立了数据库。王洁宁等[73]根据不同的飞行阶段，提出冲偏出跑道人为差错量化分析模型，研究冲偏出跑道中影响最严重的人为因素。跑道侵入是指发生在机场中的任何飞机、车辆以及行人错误的出现在用于飞机起飞和降落的保护区表面的事件。在民航快速发展的背景下，由于机场流量的日益增多，机场航空器、飞行区内地面车辆、人员增多，给跑道安全带来了更多的风险。20世纪以来，美国国家运输安全委员会（NationalTransportationSafetyBoard，NTSB）一直把避免跑道侵入作为民航安全的首要任务。国际民航组织为了减少跑道侵入带来的损失，发布了《防止跑道侵入手册》，给出了减少跑道侵入事故的建议和对策。2015年，为了更精确识别造成跑道侵入的风险因素，美国联邦航空管理局也提出了《跑道侵入缓解计划》，减轻跑道侵入的风险因素。近年来，有更多的专家学者投入到了跑道侵入的研究中。郭睿豪等[74]提出一种监控系统，对航空器进行跟踪识别，以防止跑道侵入事故发生。沈笑云[75]通过广播式自动相关监视（ADSB），识别不同物体间的相对运动状态并判断是否有碰撞风险，并发出警告，以此减少跑道侵入事故发生。ChengtaoCai等[76]研究了机场单个目标、多个目标和极端环境下的机场目标监测问题，并通过构建模拟机场环境进行测试，优化目前机场的场面目标监测系统。Maeng等[77]研究了造成跑道侵入的人为因素，并给出了避免人为失误造成跑道侵入的措施，此外建议对机场跑道侵入风险进行评估，可有助于了解风险水平，防止跑道侵入。Guimei等[78]提出了一种多目标的最小二乘支持向量回归的跑道侵入事件预测方法，以降低跑道侵入的风险。跑道混淆是指在错误的道面上起飞、着陆，或试图起飞着陆（如滑行道、错误的跑道、公路）。跑道混淆一般分为下列几种：（1）多跑道运行条件下，起飞/降落在错误的跑道上；（2）在滑行道上起飞/降落；（3）在非目的地机场降落。关于跑道混淆的研究主要致力于分析造成跑道混淆的因素。美国联邦航空管理局在2009年发布了跑道混淆风险因素分析。同年，澳大利亚针对飞机夜间离场对跑道混淆的影响发布了《飞机夜间离场对正错误跑道事件影响因素》。霍志勤[79]利用M-SHEL模型确定了导致跑道混淆的6个主要原因，同时对各种风险要素进行排序。MICHELTREMAUD[80]从机组效能、基础设施、放行、风险管理等角度分析了造成跑道混淆的风险因素。目前，民航业相关人士以及专家学者针对机场跑道安全的研究，主要集中于机场跑道事故统计及机场跑道事故风险分析，从定性的角度针对机场跑道安全的建议和措施。值得注意的是，一旦发生机场跑道事故，能够减少机场跑道事故损失的第一要素就是提升机场的消防救援能力。为此，研究机场跑道事故和机场消防站之间的内在联系是提升机场跑道安全的重要一环。根据国际民航组织统计的578次起飞和着陆事故中失事飞机停止的位置（如图1.15所示），航空器在起飞阶段或者着陆阶段中发生的航空事故大部分都在机场跑道上，或者临近机场跑道一定范围内，且大部分机场跑道事故都在跑道道面及跑道附近的区域。为了提升机场消防站救援效率，本文将定量的研究机场跑道事故的数学规律，分析机场跑道道面不同区域发生事故的概率，使机场消防站尽可能靠近跑道事故发生概率高的地方，因此本文将考虑机场跑道事故点位概率分布对机场消防站选址的影响。图1.15机场周围失事飞机位置统计分析(ICAO)1.2模型建立为了找出机场事故概率分布的数学规律，本文利用常用的航空事故统计网站：SKYbrary、BureauofAircraftAccidentsArchives、AviationSafetyNetwork、Wikipedia等网站，搜集统计机场及机场周围的重大航空器事故，标明其日期、发生机场、机型、跑道长度等，最后共搜集到600多例航空器事故，其中在起飞和进近着陆阶段的航空器事故有200多例，详细记录航空器最后停止位置的事故案例共115起。根据《民用航空运输机场飞行区消防设施》，本文主要考虑发生于机场内、且能够投影到跑道上及跑道附属区域的航空器事故，通过对115起航空器事故案例的停止位置的统计分析，计算其停止位置与跑道的相对位置，相对位置计算公式如下：（1.11）最后得出能够投影到跑道及跑道附属区域的有效航空器事故共计81起，所得部分航空器事故基本信息及相对位置如表1.5所示：表1.5部分跑道事故相对位置值序号日期机场机型跑道长度（m）相对位置（k）11971/7/25IrkutskAirportTu-1043564-0.042121972/12/3LosRodeosAirportCV9903394-0.095831973/2/19VáclavHavelAirportPragueTu-1543715-0.134641977/3/27TorontoPearsonInternationalAirportB74734000.539751980/1/27QuitoMariscalSucreInternationalAirportB72031201.0224…772019/12/27AlmatyInternationalAirportF10044001.0000782020/1/6HalifaxRobertL.StanfieldInternationalAirportB73732000.9750表1.5部分跑道事故相对位置值（续）序号日期机场机型跑道长度（m）相对位置（k）792020/1/27MahshahrairportMD-8327051.0600802020/2/9UsinskAirportB73725020.0000812020/11/23TolmachevoAirportAH-1246001.0800在表1.5中，表示为机场跑道事故的相对位置，计算公式为式（1.11）。当时，表示机场跑道事故发生在跑道末端延长线上；当时，表示机场跑道事故发生在跑道入口延长线上。为了精确表达机场跑道事故点位的分布，本文将跑道分为间隔为0.1的10个等分区间，根据机场跑道定义，考虑跑道附属区域，跑道两端分别增加同样间隔的2个区间，即，将跑道及跑道附属区域分为14了个等分区间，则此时机场消防站所需保障的相对范围为[-0.2,1.2]（如图1.16所示）。图1.16跑道及跑道附属区域示意图通过对机场跑道事故在划分的各等分区间内的事故进行简单计算，统计各区间内发生的事故数量及事故频率，可以得到机场跑道事故点位分布函数统，各区间对应的事故频率计算公式如下：（1.11）各区间事故数量及事故频率如表1.6及图1.17所示。表1.6跑道事故点位分布函数取值表序号区间事故数事故频率序号区间事故数事故频率1[-0.2,-0.1]100.12358(0.5,0.6]20.02472(-0.1,0]160.19759(0.6,0.7]10.01233(0,0.1]30.037010(0.7,0.8]10.01234(0.1,0.2]20.024711(0.8,0.9]50.06175(0.2,0.3]20.024712(0.9,1.0]110.13586(0.3,0.4]10.012313(1.0,1.1]150.18527(0.4,0.5]30.037014(1.1,1.2]90.1111图1.17机场跑道区间事故数及事故频率分布其中，区间[-0.2,-0.1]所对应的事故频率计算过程为：（1.12）由表1.5可以得知，事故频率的取值在[0.014085,0.197183]之间，跑道事故点位分布函数没有均匀分布在[0,1]之间，为了使取值区间更合理，应对事故频率进行规范化处理，处理公式如下：（1.13）处理后的规范化跑道事故点位分布函数取值如表1.7所示。表1.7规范化跑道事故点位分布函数取值表序号区间事故数函数取值序号区间事故数函数取值1[-0.2,-0.1]100.62508(0.5,0.6]20.12502(-0.1,0]161.00009(0.6,0.7]10.06253(0,0.1]30.187510(0.7,0.8]10.06254(0.1,0.2]20.125011(0.8,0.9]50.31255(0.2,0.3]20.125012(0.9,1.0]110.68756(0.3,0.4]10.062513(1.0,1.1]150.93757(0.4,0.5]30.187514(1.1,1.2]90.5625其中，区间[-0.2,-0.1]所对应的现有事故频率值计算过程为：（1.1