TLS文献3--安全目标等级研究

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安全目标等级研究
安全目标等级是用以衡量空中交通运行安全的重要指标，碰撞风险的研究都以满足安
全目标等级作为安全与否的界限，但是国内尚没有对安全目标等级进行研究，而是直接以国
际民航组织确定的安全目标等级来进行安全评估，因此有必要对其合理性进行分析。根据以
往统计的50 多年来的事故数据，运用趋势外推法拟合出了国内民航的安全走势，确定了
2010~2020 年所要达到的安全目标等级，从而为碰撞风险的研究提供了切实有效的依据。研
究结果表明运用国内数据所确定的安全水平略高于国际民航组织的规定，证明国内的民航安
全状况已经达到了国际民航组织规定的安全范围，把国际民航组织规定的安全目标等级运用
到国内的飞行间隔安全评估中是合理的。
1.1 安全目标等级
安全是一个模糊的概念，即存在概念外延扩展上的不确定性。绝对意义上的安全是不可
能的，要想不发生任何的事故和事故征候，除非停止民航运营，因此通常把安全定义为达到
了可接受的安全水平，飞行间隔的安全性通常用安全目标等级（TLS –Target Level of Safety）
来描述，即以单位时间内（每飞行小时）的碰撞事故次数来衡量。
安全目标等级是把航空安全量化的一个基本概念，是空中交通管理系统或子系统所需
要达到的风险水平，这里指的风险包括所有的失效、机械、程序和人的因素所带来的事故风
险，但是并不包括劫机等恐怖活动在内。
本论文的研究范围为航路中的飞行间隔安全性，这里要对航路中空中相撞的安全性所对
应的安全目标等级进行论述。如图7.1 所示，总的安全性是包括所有事故的安全性，而根据
飞行阶段又可以分为起飞、航路、着陆等阶段，在航路飞行中，可以分为空中两架航空器发
生碰撞以及除此之外的其他事故类型，空中相撞又可以分为不同的飞行间隔下的飞行：侧向
间隔、纵向间隔和垂直间隔，垂直间隔又可以分为技术误差引发的技术风险和运行误差引发
的运行风险。国际民航组织对各个分类的安全目标等级的规定不同，总的安全目标等级为
1×10-7 次/飞行小时，航路阶段的安全目标等级为4×10-8 次/飞行小时，空中相撞对应的安全
目标等级为1.5×10-8 次/飞行小时，侧向间隔为5×10-9 次/飞行小时，纵向间隔为5×10-9 次/
飞行小时，垂直间隔为5×10-9 次/飞行小时，技术误差为2.5×10-9 次/飞行小时，运行误差为
2.5×10-9 次/飞行小时。
总的安全目标等级
起飞 航路 进近和着陆 其他
其他事故空中相撞
侧向间隔 纵向间隔 垂直间隔
技术误差 运行误差
图 7.1 安全目标等级
根据以上分析可以确定航路飞行中空中相撞的安全目标等级的研究步骤：
(1) 首先是根据事故统计数据确定总的安全目标等级TLS total ；
(2) 然后研究航路飞行阶段的安全目标等级TLS route ：
TLS route = TLS total × ρ (7.1)
ρ 是航路发生的事故率占总事故率的比例；
(3) 最后确定航路中空中相撞在所有事故类型中的比例TLS rc ：
TLS rc = TLS route ×υ (7.2)
υ 是航路事故中空中相撞占总事故类型的比例。
1.2 安全目标等级的研究方法
研究安全目标等级采用趋势外推法，Brooker[76]和Davis[77]分别采用了该方法来确定安
全目标等级。
1.2.1 趋势外推法
趋势外推法是进行趋势分析的最直接的方法[i,ii]。当预测对象依时间变化呈现某种上升
或下降趋势，没有明显的波动，且能找到一个合适的函数曲线反映这种变化趋势时，就可以
用趋势外推法进行预测[iii]。
1.2.2 趋势外推法的适用条件
使用趋势外推法的重要条件就是预测对象的发展变化具有稳定性和渐进性，首先事物发
展过程具有稳定性，即在发展的过程中不会发生明显的跳跃；其次事物在将来的发展过程中
具有渐进性，即事物遵循以往的规律发展变化。
1.2.3 趋势模型的种类
趋势模型主要有多项式曲线外推模型、指数曲线预测模型、对数曲线预测模型和生长曲
线趋势外推模型。根据历史数据做了最接近的三种曲线拟合外推：多项式外推、指数函数外
推和几何函数外推，根据拟合优度来分析哪个曲线拟合出来的是最佳的趋势外推曲线。
1.2.4 趋势外推法的主要步骤
(1) 收集历史数据：通过对研究对象的历史数据进行收集、整理、分析，从而为进行曲
线拟合等以下步骤做准备。
(2) 应用已有的数据进行曲线拟合：拟合的过程主要是选择几个最为接近的曲线模型，
之后运用拟合优度对拟合曲线进行择优挑选，得到拟合最为接近的曲线，从而为将来的变化
趋势进行外推。
评判拟合优度的好坏一般使用标准误差SE 作为优度的指标：
n
y y
SE Σ ∧
−
=
( )2
(7.3)
其中y 为样本点值，
∧y
为拟合函数点值， n 为样本个数。
拟合曲线的标准误差越小代表拟合的质量越好，如果两条拟合曲线的标准误差相同或非
常接近，就要用另一个参数-相关系数来判断拟合的质量，拟合曲线的相关参数越大说明拟
合的质量越高。
(3) 对曲线进行外推从而获得将来的趋势：运用所拟合的最为接近的趋势曲线对将来的
发展变化进行计算分析，从而得出预测结果。
1.3 总的安全目标等级
运用趋势外推法对国内的事故率进行研究，从而确定出符合国内民航安全现状的安全目
标等级。
1.3.1 收集数据
根据民航总局航空安全办公室所做的截止到2006 年的安全报告的数据[1]，对1950－
2006 年的事故数据进行统计分析结果如表7.1 所示。表7.1 是57 年（1950－2006）内发生
事故的事故率，事故率是用万时率来表示的。由表中的数据可以看出事故率的发展变化符合
趋势外推法的两个假设条件，没有明显的跳跃而且遵循一定的规律发展变化，因此运用该方
法对安全目标等级进行研究是可行的。
表 7.1 飞行事故数据统计（每年）
年份 事故率 年份事故率年份事故率
1950 0 1969 2×10-5 1988 6×10-6
1951 0 1970 1.9×10-5 1989 3×10-6
1952 1.38×10-4 1971 0 1990 0
1953 0 1972 1.7×10-5 1991 0
1954 0 1973 1.7×10-5 1992 6×10-6
1955 6.4×10-5 1974 0 1993 7×10-6
1956 0 1975 0 1994 3×10-6
1957 0 1976 1.1×10-5 1995 0
1958 6.4×10-5 1977 1.1×10-5 1996 0
1959 1.6×10-5 1978 0 1997 1×10-6
1960 0 1979 8×10-6 1998 0
1961 1.5×10-5 1980 8×10-6 1999 2×10-6
1962 0 1981 0 2000 7×10-7
1963 0 1982 7×10-6 2001 0
1964 0 1983 8×10-6 2002 5×10-7
1965 0 1984 0 2003 0
1966 1.6×10-5 1985 1.1×10-5 2004 4×10-7
1967 0 1986 5×10-6 2005 0
1968 1.9×10-5 1987 0 2006 0
为了确保不存在零数据，以每五年的数据来进行研究，根据表7.1 中的数据统计每五年
的事故率，结果如表7.2 中第二列所示，表7.2 中第三列是安全报告中的原始的每五年的事
故率，分别对两组数据进行研究，从而更为准确的对安全目标等级进行研究。注：由于2005
年之后尚没有满五年，因此暂时只有11 个数据。
1.3.2 曲线拟合
实际的预测对象往往无法通过图形直观确认某种模型，而是与几种模型相近，一般先初
选几个模型，然后对模型的拟合优度进行分析后再确定究竟哪种模型最为接近。
表 7.2 飞行事故数据统计（每五年）
年份 事故率 事故率（原始）
1950-1954 2.76×10-5 2.6×10-5
1955-1959 2.88×10-5 2.76×10-5
1960-1964 3×10-6 3.3×10-6
1965-1969 1.1×10-5 1.04×10-5
1970-1974 1.06×10-5 1.01×10-5
1975-1979 6×10-6 6×10-6
1980-1984 4.6×10-6 4.4×10-6
1985-1989 5×10-6 4.6×10-6
1990-1994 3.2×10-6 3.5×10-6
1995-1999 6×10-7 5×10-7
2000-2004 3.2×10-7 3.3×10-7
1.3.2.1 原始数据拟合
下面直接运用原始数据（表7.2 第三列）进行拟合分析，在拟合出的趋势曲线中，最为
接近的曲线为三次多项式拟合曲线、指数拟合曲线和几何拟合曲线。
(1) 三次多项式拟合曲线：
y = a + bx + cx2 + dx3 (7.4)
参数：a=-6.637×10-6，b=6.714×10-6，c=-1.058×10-6， d=4.594×10-8。
图 7.2 原始数据的三次多项式拟合曲线
图7.2 是根据原始数据拟合的三次多项式曲线，横轴为年，纵轴为每五年的事故率，点
为（1950 年-2006 年）每五年的事故率，曲线为三次多项式拟合曲线。
(2) 指数拟合曲线：
y = a × e(bx) (7.5)
参数：a=1.525×10-5， b=-0.329。
图 7.3 原始数据的指数拟合曲线
图7.3 是根据原始数据拟合的指数曲线，横轴为年，纵轴为每五年的事故率，点为（1950
年-2006 年）每五年的事故率，曲线为指数拟合曲线。
(3) 几何拟合曲线：
y = a × x(bx) (7.6)
参数：a=8.307×10-6， b=-0.114。
图 7.4 原始数据的几何拟合曲线
图7.4 是根据原始数据拟合的几何曲线，横轴为年，纵轴为每五年的事故率，点为（1950
年-2006 年）每五年的事故率，曲线为几何拟合曲线。
运用三种外推模型对原始数据进行分析，原始数据拟合曲线的标准误差和相
关系数如表7.3 所示。
表 7.3 原始数据拟合曲线的标准误差和相关系数
参数 多项式拟合曲线 指数拟合曲线 几何拟合曲线
标准误差 1.4×10-4 0. 91×10-4 0. 98×10-4
相关系数 0.732 0.401 0.204
指数拟合曲线和几何拟合曲线的标准误差非常接近，因此需要对两条曲线的
相关系数进行对比，指数拟合曲线的相关系数明显大于几何拟合曲线，因此运用
原始数据所得的最优的拟合曲线为指数曲线。
1.3.2.2 分析数据拟合
运用分析出来的每五年的事故率数据（表7.2 第二列）进行研究，所拟合出来的最为接
近的曲线是三次多项式拟合曲线、指数拟合曲线、几何拟合曲线。
(1) 三次多项式拟合曲线：
y = a + bx + cx2 + dx3 (7.7)
参数：a=-8.340×10-6，b=7.133×10-6，c=-1.076×10-6，d=4.537×10-8。
图 7.5 分析数据的三次多项式拟合曲线
图7.5 是根据分析数据拟合的三次多项式曲线，横轴为年，纵轴为每五年的事故率，点
为（1950 年-2006 年）每五年的事故率，曲线为三次多项式拟合曲线。
(2) 指数拟合曲线：
y = a × e(bx) (7.8)
参数：a=1.290×10-5，b=-0.309。
图 7.6 分析数据的指数拟合曲线
图7.6 是根据分析数据拟合的指数曲线，横轴为年，纵轴为每五年的事故率，点为（1950
年-2006 年）每五年的事故率，曲线为指数拟合曲线。
(3) 几何拟合曲线：
y = a × x(bx) (7.9)
参数：a=7.289×10-6，b=-0.108。
图 7.7 分析数据的几何拟合曲线
图7.7 是根据分析数据拟合的几何曲线，横轴为年，纵轴为每五年的事故率，点为（1950
年-2006 年）每五年的事故率，曲线为几何拟合曲线。
运用三种外推模型对分析数据进行分析，分析数据拟合曲线的标准误差和相关系数如表
7.4 所示。
表 7.4 分析数据拟合曲线的标准误差和相关系数
参数 多项式拟合曲线 指数拟合曲线 几何拟合曲线
标准误差 1.54×10-4 1.04×10-4 1.09×10-4
相关系数 0.801 0.180 0.260
指数拟合曲线和几何拟合曲线的标准误差非常接近，因此需要对两条曲线的相关系数进
行对比，几何拟合曲线的相关系数明显大于指数拟合曲线，因此运用分析数据所得的最优的
拟合曲线为几何曲线。
1.3.3 曲线外推
根据以上的分析对未来的事故率趋势进行外推预测，分别运用原始数据和分析数据所得
的在2010 年－2020 年的事故率如表7.5 所示。
表 7.5 2010 - 2020 年的趋势预测结果
拟合曲线 2010 年－2015 年 2015 年－2020 年
指数曲线 2.942×10-7 2.117×10-7
几何曲线 2.911×10-7 1.989×10-7
根据对标准误差和相关系数的剖析，运用原始数据所得到的最优拟合曲线为指数曲线，
预测在2020 年的事故率为2.117×10-7 事故/飞行小时；而运用分析数据所得到的最优拟合曲
线为几何曲线，预测在2020 年的预测事故率为1.989×10-7 事故/飞行小时，结果相对来讲比
较接近，因此可以说明运用原始数据和分析数据所得的最后的安全目标等级是近似的，在参
考了相关专家的意见之后我们把2015 年的安全目标等级确定为3×10-7 事故/飞行小时，把
2020 年的安全目标等级确定为2×10-7 事故/飞行小时。
1.4 空中相撞的安全目标等级
所有飞行阶段所有事故类型的安全目标等级的研究结果TLS total 为2×10-7 次事故/飞行
小时，运用前面所提出的分析步骤来研究空中相撞的安全目标等级。由于研究的是航路上的
碰撞风险，这里需要分析航路飞行阶段的事故率占总事故率的比例，收集最近十年来（1997
年－2006 年）在不同飞行阶段的事故数据[1]，由于在航路巡航阶段没有发生事故，所以无法
判定巡航阶段发生的事故占所有飞行阶段事故的比例，因此用事故征候的比例来近似，相关
数据如表7.6 所示。
表 7.6 事故征候按飞行阶段统计
飞行阶段次数
地面 26
滑行 58
起飞 166
爬升 152
巡航 221
下降 83
进近 134
复飞 6
着陆 156
其它 138
研究空中相撞的事故占总事故类型的比例，因为在最近十年来没有发生空中相撞的事
故，所以无法直接分析空中相撞的事故类型占总事故类型的比例，因此依然分析和空中相撞
相关的事故征候占总事故征候的比例。与空中相撞密切相关的事故征候为危险接近，最近
10 年来发生的事故征候按类型进行统计[1]：
表 7.7 事故征候按类型统计
类型 次数
偏出跑道/冲出跑道/场外接地71
迷航/偏航/飞错航线 18
空中停车 258
危险接近 70
空中撞障碍物 15
地面撞障碍物 43
雷击 23
鸟击 317
起落架轮子以外部位接地 43
襟翼失效 10
其他 272
运用公式（7.1）和（7.2）来研究2015 年和2020 年巡航阶段空中相撞所对应的安全目
标等级，结果如表7.8 所示。
表 7.8 空中相撞的安全目标等级
年份预测值
2015 3.57×10-9
2020 2.38×10-9
国际民航组织（ICAO）规定的空中相撞的安全目标等级为1.5×10-8 事故/飞行小时，而
所求结果（表7.8）明显低于国际民航组织的规定，所以我们可以得出结论：国内的安全水
平应该是已经达到了国际民航组织规定的安全水平甚至于比国际民航组织的规定更安全，所
以直接运用1.5×10-8 次/飞行小时进行飞行间隔安全评估是合理的。如果对安全性的要求更
高一些，可以运用5×10-9 次/飞行小时作为国内空中相撞的安全目标等级对飞行间隔的安全
性进行研究。
1.5 本章小结
本章运用趋势外推法确定了国内2010 年－2020 年空中相撞的安全目标等级，从而为碰
撞风险的研究提供了安全依据，所得出的结论是在现有的数据分析基础上得到的，在现有的
数据条件下，该方法所得出的结果相对来讲是最精确可靠的。然而影响安全目标等级的因素
较多，民航当局对安全的要求，流量逐年的快速增长，以及CNS 性能的提高都会影响到安
全目标等级的确定，这里首次对国内的安全目标等级进行了研究，尚待逐步完善。通过以上
的深入研究，结论如下：
(1) 运用趋势外推法对国内的安全目标等级进行分析，结果表明国内在空中相撞上的
安全性已经达到并超过了国际民航组织所规定的安全水平，运用其规定的安全目标等级作为
间隔安全性的评估依据是合理的，即在给定间隔下的碰撞风险小于国际民航组织规定的安全
目标等级，则说明该间隔标准满足安全要求，反之，给定的间隔标准不满足安全要求，不能
实施到飞行运营中。
如果对安全性要求较高的情况下，可以确定空中相撞的安全目标等级为5×10-9 次/飞行
小时，运用5×10-9 次/飞行小时作为安全目标等级进行飞行间隔的安全评估符合国内的安全
现状，从而使得国内间隔标准的安全性高于国际民航组织的规定。
i R U Ayres. Extrapolation of trends [J]. technological forecasting and long-range planning,
1969,94-117.
ii R Rhyne.Technological forecasting with alternative whole futures projections [J]. Technological
Forecasting and Social Change, 1974, 6:133-162.
iii 徐国祥. 统计预测与决策(第二版) [M]. 上海:上海财经大学出版社, 2005.