基于中心點(diǎn)三角白化權(quán)函數(shù)的空管系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)

嚴(yán) 俊 林月柑 陳可嘉

(1.中國(guó)民航科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100028;2.福州大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，福建福州 350116)

近年來，隨著我國(guó)民航業(yè)的快速發(fā)展，空中交通流量迅速增加，空中交通管理系統(tǒng)也日益凸顯其重要作用?？罩薪煌ü芾硐到y(tǒng)承擔(dān)著地面系統(tǒng)與空中用戶通訊、保障飛行安全、提高飛行效率和有效地使用空域的重要職責(zé)。因此及時(shí)掌握空管系統(tǒng)安全水平對(duì)保障航空安全具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。［1］［2］

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)空中交通管理系統(tǒng)安全問題進(jìn)行的相關(guān)研究，主要包括兩方面。一方面是研究空管系統(tǒng)安全的影響因素。Massimo 提出了空管系統(tǒng)安全分析模型，認(rèn)為應(yīng)該將技術(shù)、組織和成本因素等納入到分析框架中。［3］董芊認(rèn)為空中交通管制員為空管系統(tǒng)的核心實(shí)施者，他們的個(gè)體安全行為及能力幾乎決定了整個(gè)空管系統(tǒng)運(yùn)行的有效性及安全性。［4］Shorrock 在研究中指出，空中交通管制員應(yīng)擁有良好的視覺和聽覺信息判斷能力，通過三年的訪談和調(diào)查發(fā)現(xiàn)，感覺錯(cuò)誤對(duì)空管系統(tǒng)安全具有重要的影響。［5］羅帆等分析了空管系統(tǒng)中人員、設(shè)備、環(huán)境、管理四個(gè)方面存在的安全影響因素，提煉出空管系統(tǒng)安全評(píng)估指標(biāo)體系，并給出了采用PDCA 程序?qū)χ笜?biāo)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)的步驟。［6］Chaloulos 指出空中交通管制員的意識(shí)控制對(duì)于減少管制失誤有一定的作用，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一個(gè)觀點(diǎn)。［7］另一方面是研究空管系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)的方法。袁樂平等利用未確知數(shù)學(xué)理論對(duì)空管安全發(fā)生的概率進(jìn)行估算，采用模糊評(píng)價(jià)方法對(duì)安全發(fā)生嚴(yán)重程度進(jìn)行評(píng)估。［8］丁松濱等針對(duì)空中交通管理安全評(píng)價(jià)中的不確定性問題，將證據(jù)理論引入到空管系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)中，建立了空管安全評(píng)價(jià)證據(jù)理論模型，運(yùn)用實(shí)例驗(yàn)證了方法的可行性。［9］杜紅兵等在運(yùn)用三角模糊數(shù)學(xué)和ANP 原理的基礎(chǔ)上，建立了基于Fuzzy－ANP 的空管系統(tǒng)安全評(píng)估模型，通過計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，找到影響空管安全的關(guān)鍵指標(biāo)。［10］萬健等建立了顯性和隱性的空管系統(tǒng)安全狀況評(píng)估指標(biāo)體系，對(duì)隱性指標(biāo)采用模糊德爾菲法求取指標(biāo)的隸屬度，對(duì)顯性指標(biāo)采用集值統(tǒng)計(jì)模型，并利用落影函數(shù)計(jì)算出指標(biāo)的威脅度。［11］趙嶷飛等從“靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、其他”三方面構(gòu)建空管運(yùn)行安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用層次分析法和熵權(quán)法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重，建立了空管運(yùn)行安全的模糊綜合評(píng)價(jià)模型。［12］

空管系統(tǒng)是復(fù)雜的系統(tǒng)，內(nèi)部安全影響因素往往呈現(xiàn)部分確定、部分不確定的狀態(tài)，有些因素難以量化，具有很高的灰色性。［13］然而，現(xiàn)有關(guān)于空管系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)的研究中考慮其灰色性的較少。一些學(xué)者通過建立白化權(quán)函數(shù)來劃分灰類類別，并采用灰色綜合評(píng)價(jià)法對(duì)空管系統(tǒng)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)［14］［15］，但是該方法對(duì)拐點(diǎn)的選取過分嚴(yán)格，使得在評(píng)價(jià)過程中人為因素影響過大，而且可能導(dǎo)致某些指標(biāo)參與評(píng)價(jià)的作用十分微弱。為了解決這一缺點(diǎn)，人們開始采用基于端點(diǎn)三角白化權(quán)函數(shù)的灰色評(píng)估方法，但該方法也存在著不足，比如，對(duì)灰類區(qū)間的把握不夠準(zhǔn)確。［16］［17］因此，本文結(jié)合空管系統(tǒng)特點(diǎn)，引入基于中心點(diǎn)三角白化權(quán)函數(shù)，開展空管系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)。

一、空管系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

針對(duì)空管系統(tǒng)特點(diǎn)，采用人、機(jī)、環(huán)、管四因素的系統(tǒng)分析方法，建立空管系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。

表1 空管系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

續(xù)上表

二、基于中心點(diǎn)三角白化權(quán)函數(shù)的灰色評(píng)價(jià)

在復(fù)雜系統(tǒng)中，存在信息部分清楚、部分不清楚并帶有不確定性的現(xiàn)象，針對(duì)這個(gè)現(xiàn)象，鄧聚龍教授在1982年提出了灰色系統(tǒng)理論，并得到了廣泛運(yùn)用。由于灰色系統(tǒng)“小樣本”和“貧信息”的特點(diǎn)，使得灰色系統(tǒng)理論適合對(duì)空管系統(tǒng)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文采用基于中心點(diǎn)三角白化權(quán)函數(shù)的灰色評(píng)估方法對(duì)空管系統(tǒng)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。

在劃分灰類的時(shí)候，把屬于某灰類程度最大的點(diǎn)確定為該灰類的中心點(diǎn)。這個(gè)中心點(diǎn)不一定是對(duì)應(yīng)小區(qū)間的中點(diǎn)?；谥行狞c(diǎn)三角白化權(quán)函數(shù)的灰色評(píng)價(jià)過程如下:

(1)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重ηi。

(2)按照評(píng)估要求，確定灰類數(shù)s，并將各個(gè)指標(biāo)的取值范圍也相應(yīng)的劃分為s 個(gè)灰類，如將j 指標(biāo)的取值范圍［a1，as+1］劃分為［a1，a2)，…，［ak－1，ak)，…，［as－1，as)，［as，as+1)，求出各分區(qū)間的中心點(diǎn)，分別以表示中心點(diǎn)并表示j指標(biāo)下各個(gè)灰類。

圖1 中心點(diǎn)三角白化權(quán)函數(shù)示意

(3)將灰類向不同方向進(jìn)行延拓，考慮增加0灰類和s+1 灰類，并確定其中心點(diǎn) λ0、λs+1，這樣就形成了關(guān)于中心點(diǎn)的序列 λ0，λ1，λ2，…，λs，λs+1。將點(diǎn)(λk，1)與第k－ 1 個(gè)和k+1 個(gè)中心點(diǎn)(λk－1，0)、(λk+1，0)分別連接，得到j(luò)指標(biāo)關(guān)于k灰類的三角白化權(quán)函數(shù)(·)(j=1，2，…，m;k=1，2，…，s)，如圖 1 所示。

對(duì)于指標(biāo)j的一個(gè)觀測(cè)值x，由公式(1)計(jì)算出其屬于灰類k(k=1，2，…，s)的隸屬度(x)。

(4)計(jì)算對(duì)象i(i=1，2，…，n)關(guān)于灰類k(k=1，2，…，s)的綜合聚類系數(shù)。

其中:(xij)為j指標(biāo)k子類白化權(quán)函數(shù)，ηj為指標(biāo)j在綜合聚類中的權(quán)重。

三、實(shí)例研究

根據(jù)已有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)［18］，并結(jié)合調(diào)查資料和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)某空管單位的空管系統(tǒng)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體步驟如下:

(一)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

對(duì)于表1的評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行專家調(diào)查，構(gòu)造兩兩比較矩陣，通過層次分析法得到各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，將一級(jí)指標(biāo)權(quán)重與層次權(quán)重相乘，得到組合權(quán)重，如表2所示:

表2 空管系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

(二)灰類劃分

按照評(píng)估要求，將空管系統(tǒng)安全級(jí)別劃分為一級(jí)“低風(fēng)險(xiǎn)”、二級(jí)“正常風(fēng)險(xiǎn)”、三級(jí)“較高風(fēng)險(xiǎn)”、四級(jí)“高風(fēng)險(xiǎn)”、五級(jí)“極高風(fēng)險(xiǎn)”5 個(gè)灰類，并根據(jù)專家意見和杠桿原理確定各個(gè)指標(biāo)所屬灰類，見表3。根據(jù)劃分的灰類，求出中心點(diǎn)。例如，在A11下各灰類的中心點(diǎn)是=(0.1+0.18)/2=0.14，同理可求出其他指標(biāo)下各灰類的中心點(diǎn)。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的灰類

(三)評(píng)價(jià)指標(biāo)取數(shù)域延拓

通過空管系統(tǒng)調(diào)研，對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行延拓，得到的延拓值和實(shí)際值如表3所示。根據(jù)各指標(biāo)的延拓值，求出中心點(diǎn)。例如，A11指標(biāo)下的=(0.05 +0.1)/2=0.075，=(0.45 +0.5)/2=0.475。同理可求出其他指標(biāo)下各中心點(diǎn)。

根據(jù)公式(1)，求出各指標(biāo)的隸屬度函數(shù)。例如，在A11指標(biāo)下屬于“低風(fēng)險(xiǎn)”這一灰類的中心點(diǎn)三角白化權(quán)函數(shù)為

因此，可以求出A11指標(biāo)下屬于“低風(fēng)險(xiǎn)”的隸屬度為(x)=(0.215－0.21)/(0.215－0.14)=0.0667。同理可求出(x)=0.933，。根據(jù)這個(gè)原理，可以求得各指標(biāo)灰類的隸屬度(表4)。

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度和綜合聚類系數(shù)

(四)綜合聚類系數(shù)計(jì)算

由公式(2)，求出空管系統(tǒng)安全關(guān)于每個(gè)灰類的綜合聚類系數(shù):σ1=0.527，σ2=0.340，σ3=0.069，σ4=0，σ5=0，同樣列于表 4 中。

(五)確定灰類

通過對(duì)該空管單位的綜合評(píng)價(jià)，可得到該單位的安全效用值水平，實(shí)現(xiàn)安全評(píng)價(jià)工作。

四、結(jié)論

空管系統(tǒng)作為民航系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其安全運(yùn)行與否會(huì)對(duì)整個(gè)民航安全產(chǎn)生非常大的影響，因此加強(qiáng)對(duì)空管系統(tǒng)的安全審查和評(píng)價(jià)，了解空管系統(tǒng)的運(yùn)行情況和安全狀態(tài)是非常必要的。本文提出的基于中心點(diǎn)三角白化權(quán)函數(shù)的空管系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)方法不但考慮了空管系統(tǒng)中的灰色性，而且更加切合空管系統(tǒng)實(shí)際需要，具有積極的實(shí)踐意義。如何更好地確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重、規(guī)范指標(biāo)值的計(jì)算是下一階段的研究方向。

注釋:

［1］Brooker P.，“Air traffic management accident risk”，Safety Science，vol.47，no.7(2006)，pp.629－655.

［2］王永剛、王師維:《基于第三方評(píng)估的空管安全評(píng)估管理模式研究》，《中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)》2011年第9 期。

［3］Massimo F.，“Modeling safety case evolution－examples from the air traffic management domain”，Lecture Notes in Computer Science，no.3943(2006)，pp.81－96.

［4］董 芊:《淺析空中交通管制員個(gè)體安全行為》，《空中交通管理》2006年第11 期。

［5］Shorrock S.T.，“Errors of perception in air traffic control”，Safety Science，vol.45，no.8(2007)，pp.890－904.

［6］羅帆、賈貴娟、陳高明等:《空管安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系的優(yōu)化》，《中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)》2009年第8 期。

［7］Chaloulos G.，“A simulation based study of subliminal control for air traffic management”，Transportation Research，vol.18，no.6(2010)，pp.963 – 974.

［8］袁樂平、孫瑞山、成 媛:《基于模糊評(píng)價(jià)和未確知數(shù)的空管安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估》，《中國(guó)民航學(xué)院學(xué)報(bào)》2006年第4 期。

［9］丁松濱、石榮、施和平:《證據(jù)理論在空中交通管理安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用》，《中國(guó)民航學(xué)院學(xué)報(bào)》2006年第6 期。

［10］杜紅兵、李 暉、袁樂平等:《基于Fuzzy－ANP 的空管安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究》，《中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)》2010年第12 期。

［11］萬 健、李 楠、李 琦:《空中交通管理系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)研究》，《北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)》(社會(huì)科學(xué)版)2011年第1 期。

［12］趙嶷飛、陳 琳、王紅勇:《基于熵權(quán)和模糊分析的空管運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)》，《航空計(jì)算技術(shù)》2013年第4 期。

［13］李海燕:《基于灰色關(guān)聯(lián)分析的空管安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估》，《科學(xué)技術(shù)與工程》2011年第30 期。

［14］賈貴娟:《空管安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系及綜合評(píng)價(jià)研究》，碩士學(xué)位論文，武漢理工大學(xué)，2008年。

［15］文興忠:《基于灰色多層次的空中交通管理安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)》，《科技導(dǎo)報(bào)》2011年第32 期。

［16］劉思峰、謝乃明:《基于改進(jìn)三角白化權(quán)函數(shù)的灰評(píng)估新方法》，《系統(tǒng)工程學(xué)報(bào)》2011年第2 期。

［17］方金城、朱斌、張岐山:《基于三角白化權(quán)函數(shù)的企業(yè)創(chuàng)新能力評(píng)估及其實(shí)證研究》，《西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)》(人文社會(huì)科學(xué)版)2011年第1 期。

［18］萬健:《民航安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)方法及其應(yīng)用研究》，碩士學(xué)位論文，南京航空航天大學(xué)，2008年。