基于FANP的私用飛行駕駛員安全駕駛行為評(píng)價(jià)模型*

陳　斌， 杜　醒， 張興儉， 趙嶷飛

(中國民航大學(xué) a. 飛行技術(shù)學(xué)院， b. 空管研究院， 天津 300300)

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基于FANP的私用飛行駕駛員安全駕駛行為評(píng)價(jià)模型*

陳斌a， 杜醒a(bǔ)， 張興儉b， 趙嶷飛b

(中國民航大學(xué)a. 飛行技術(shù)學(xué)院，b. 空管研究院， 天津 300300)

為了正確評(píng)價(jià)私用飛行員的安全駕駛行為，在系統(tǒng)分析飛行運(yùn)行全過程的基礎(chǔ)上，建立了基于模糊網(wǎng)絡(luò)分析法(FANP)的私用駕駛員安全駕駛行為評(píng)價(jià)模型.針對(duì)模型中三角模糊數(shù)互補(bǔ)判斷矩陣一致性檢驗(yàn)過于復(fù)雜的問題，引入了最小方差的非線性規(guī)劃模型，通過求取最優(yōu)解以簡(jiǎn)化計(jì)算，獲得可信度較高的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重.以某航校飛行學(xué)員的評(píng)價(jià)為實(shí)例進(jìn)行實(shí)證分析，結(jié)果表明，該模型較傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方式更全面、客觀，有助于飛行員的安全駕駛行為訓(xùn)練.

私用駕駛員； 安全駕駛行為； 飛行運(yùn)行； 三角模糊數(shù)； 模糊網(wǎng)絡(luò)分析法(FANP)； 最小方差； 非線性規(guī)劃模型； 最優(yōu)解

目前，在國內(nèi)外私用駕駛員執(zhí)照申請(qǐng)人的安全駕駛行為評(píng)估中，各能力的重要性和優(yōu)先程度主要依靠考試員來主觀判斷，缺乏客觀性.中國民航局制定的《私用駕駛員執(zhí)照實(shí)踐考試標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定：安全駕駛行為應(yīng)當(dāng)包括飛行計(jì)劃制定、飛行技術(shù)動(dòng)作、領(lǐng)航技術(shù)及應(yīng)急情況處理等多個(gè)方面的能力，而國內(nèi)外部分學(xué)者在定量評(píng)價(jià)飛行員方面做的一些研究都僅僅集中在評(píng)估飛行技術(shù)動(dòng)作這單一科目[1-2].為了綜合考慮飛行實(shí)踐考試中的各個(gè)方面，需要建立一套全面、客觀、有效的飛行員實(shí)踐能力定量評(píng)定方法.考慮到私用駕駛員安全駕駛行為評(píng)估實(shí)質(zhì)上是一個(gè)多目標(biāo)評(píng)價(jià)問題，評(píng)價(jià)指標(biāo)具有不確定性和模糊性等特征，評(píng)價(jià)指標(biāo)之間存在相互影響，且評(píng)價(jià)結(jié)果容易受到考試員的主觀影響[3-5]，因此，本文擬采用模糊網(wǎng)絡(luò)分析法(以下簡(jiǎn)稱FANP)對(duì)私用駕駛員安全駕駛行為進(jìn)行評(píng)估分析.

由于FANP方法中判斷矩陣一致性的檢驗(yàn)過程比較復(fù)雜繁瑣，本文使用基于最小方差的非線性規(guī)劃模型法來求得三角模糊判斷矩陣最優(yōu)解，使計(jì)算過程簡(jiǎn)化，無須通過一致性檢驗(yàn)便可獲得可信度較高的三角模糊數(shù)權(quán)重向量[6-9].

1　預(yù)備知識(shí)

1.1模糊網(wǎng)絡(luò)分析法

FANP方法由ANP和模糊綜合評(píng)價(jià)法結(jié)合組成.ANP結(jié)構(gòu)一般包括控制層和網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層中各元素之間相互影響作用，構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).典型的ANP結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1　網(wǎng)絡(luò)層次分析模型Fig.1　Model for analytic network process (ANP)

根據(jù)ANP原理，控制層元素常作為準(zhǔn)則，網(wǎng)絡(luò)層元素作為次準(zhǔn)則.各元素進(jìn)行優(yōu)勢(shì)度比較，獲得準(zhǔn)則下元素之間影響關(guān)系的超矩陣，進(jìn)而求得各元素在全局中的穩(wěn)定權(quán)重，然后根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行評(píng)價(jià)[10-11].

1.2基于最小方差的非線性規(guī)劃法

本文采用三角模糊數(shù)互補(bǔ)判斷矩陣來表征專家對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較所給出的決策信息.三角模糊數(shù)互補(bǔ)判斷矩陣表示為B=(bij)n×n，其中，bij=(blij，bmij，buij).設(shè)v=(v1，v2，…，vn)T為判斷矩陣B的排序向量，分量vi=(vli，vmi，vui)，則其偏差函數(shù)為

(1)

為了得到合理的排序向量，上述偏差函數(shù)的期望值均應(yīng)為0，因此，可以根據(jù)此多目標(biāo)問題，使用最小方差法來建立非線性規(guī)劃模型[4]，即

[bmij(vmi+vmj)-vmi]2+

[buij(vli+vlj)-vui]2}

s.t.0

(2)

通過LINGO進(jìn)行編程求解該模型，便得到可信度較高的三角模糊數(shù)權(quán)重向量，從而省去了一致性檢驗(yàn)的繁雜過程.

2　私用駕駛員安全駕駛行為評(píng)價(jià)

2.1構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

飛行實(shí)踐的過程是應(yīng)用知識(shí)和技能解決飛行實(shí)際問題的過程，本文就取得單發(fā)陸地飛機(jī)私照所應(yīng)具備的安全駕駛行為進(jìn)行分析研究.構(gòu)建私用駕駛員安全駕駛行為評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)當(dāng)滿足如下原則：首先是指標(biāo)的全面性和可驗(yàn)證性，要能夠全面反映整個(gè)飛行活動(dòng)中應(yīng)表現(xiàn)出的本領(lǐng)，以便進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；其次是指標(biāo)的代表性和科學(xué)性，所選取的指標(biāo)應(yīng)當(dāng)能夠合理、有效地體現(xiàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求.在此原則基礎(chǔ)上，結(jié)合《私用駕駛員執(zhí)照實(shí)踐考試標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)飛行實(shí)踐全過程中的飛行前準(zhǔn)備、機(jī)場(chǎng)運(yùn)行、飛行技術(shù)、領(lǐng)航技術(shù)、應(yīng)急操作以及人為因素六個(gè)部分進(jìn)行分析.通過分析最終構(gòu)建出私用駕駛員安全駕駛行為評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如表1所示.體系中各個(gè)指標(biāo)因素相互作用影響，共同決定私用駕駛員安全駕駛行為的強(qiáng)弱.

2.2構(gòu)建私用駕駛員安全駕駛行為評(píng)價(jià)模型

2.2.1建立ANP結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)表1的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將目標(biāo)層作為控制層，評(píng)價(jià)元素組和各元素指標(biāo)作為網(wǎng)絡(luò)層，考慮各評(píng)價(jià)元素組及指標(biāo)間相互影響關(guān)系，用箭頭指向表示影響作用方向，建立私用駕駛員安全駕駛行為評(píng)價(jià)的ANP結(jié)構(gòu)模型如圖2所示.

各評(píng)價(jià)指標(biāo)元素之間的相互影響關(guān)系如表2所示.“1”表示行指標(biāo)元素會(huì)影響列指標(biāo)元素，“0”表示不存在影響關(guān)系.

2.2.2三角模糊數(shù)互補(bǔ)判斷矩陣與超矩陣

邀請(qǐng)專家根據(jù)表2各評(píng)價(jià)指標(biāo)間的影響關(guān)系，分別以各指標(biāo)為準(zhǔn)則，采用0.1～0.9為評(píng)估標(biāo)度對(duì)ANP結(jié)構(gòu)中的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行兩兩重要度比較判斷.將所得評(píng)價(jià)標(biāo)度值轉(zhuǎn)換為三角模糊數(shù)來表征專家判斷信息，以此建立準(zhǔn)則間的三角模糊數(shù)互補(bǔ)判斷矩陣.

表1　私用駕駛員安全駕駛行為評(píng)價(jià)指標(biāo)

圖2　私用駕駛員安全駕駛行為的網(wǎng)絡(luò)層次分析模型Fig.2　ANP model for safe flying behavior of private pilot

以元素P1(飛行計(jì)劃的制定)為準(zhǔn)則，在元素組N(領(lǐng)航技術(shù))中建立評(píng)估基本面.元素組N中的元素指標(biāo)N1(推測(cè)領(lǐng)航)、N2(基本無線電領(lǐng)航)、N3(改航)和N4(迷航處置)按照其對(duì)P1(飛行計(jì)劃的制定)的影響大小進(jìn)行間接優(yōu)勢(shì)度比較，構(gòu)造出三角模糊數(shù)互補(bǔ)判斷矩陣如表3所示.

通過LINGO11對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，求得三角模糊數(shù)最優(yōu)解v1=(0.343，0.379，0.379)，v2=(0.343，0.379，0.379)，v3=(0.139，0.160，0.172)，v4=(0.056，0.056，0.069)，再計(jì)算vi的期望值，歸一化后得到N1、N2、N3和N4對(duì)指標(biāo)元素P1的影響權(quán)重向量v=(v1，v2，v3，v4)T=(0.387，0.387，0.165，0.062)T.以指標(biāo)元素P2為準(zhǔn)則，在元素組N(領(lǐng)航技術(shù))中進(jìn)行間接優(yōu)勢(shì)度比較，由表2可知P2與N中元素不相關(guān)，故N1、N2、N3和N4對(duì)指標(biāo)元素P2的影響權(quán)重向量v=(0，0，0，0)T.綜上可得元素組N中元素對(duì)元素組P中元素的影響程度矩陣WNP=(0.387，0.387，0.165，0.062，0，0，0，0)T.

同理，可計(jì)算得到其他元素影響程度矩陣，將各影響程度矩陣整合在一起即構(gòu)成私用駕駛員安全駕駛行為評(píng)價(jià)指標(biāo)超矩陣W.

2.2.3確定指標(biāo)全局權(quán)重

按照ANP原理確定超矩陣內(nèi)各元素組之間的權(quán)重關(guān)系，以每個(gè)元素組作為準(zhǔn)則分別對(duì)其他元素組進(jìn)行兩兩比較，得到各元素組的權(quán)重矩陣如表4所示.

表2　各評(píng)價(jià)指標(biāo)間的影響關(guān)系

表3　元素組N對(duì)P1的判斷矩陣

表4　安全駕駛行為權(quán)重矩陣

對(duì)超矩陣進(jìn)行加權(quán)處理，歸一化后計(jì)算加權(quán)矩陣的極限穩(wěn)定權(quán)重向量，使用MATLAB2012b計(jì)算出結(jié)果，即得私用駕駛員安全駕駛行為評(píng)價(jià)指標(biāo)的全局穩(wěn)定權(quán)重值分別為：0.109，0.014，0.014，0.022，0.009，0.020，0.010，0.061，0.051，0.023，0.037，0.036，0.037，0.026，0.052，0.071，0.025，0.195，0.189.

2.2.4構(gòu)建基于FANP模型的評(píng)價(jià)函數(shù)

將歸一化所求得的評(píng)價(jià)指標(biāo)全局權(quán)重值轉(zhuǎn)化為評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量，按六個(gè)評(píng)價(jià)元素組計(jì)算得全局穩(wěn)定權(quán)重向量W=(0.123，0.045，0.165，0.136，0.148，0.384)，各評(píng)價(jià)元素組內(nèi)穩(wěn)定權(quán)重向量WP=(0.109，0.014)，WO=(0.014，0.022，0.009)，WF=(0.020，0.010，0.061，0.051，0.023)，WN=(0.037，0.036，0.037，0.026)，WE=(0.052，0.071，0.025)，WH=(0.195，0.189).

將以上權(quán)重向量作為基于FANP模型的評(píng)估函數(shù)系數(shù)向量C，將考試員或?qū)＜覍?duì)私用駕駛員安全駕駛行為考核打分的成績轉(zhuǎn)化為評(píng)估矩陣R，將系數(shù)向量C與評(píng)估矩陣R相乘得到評(píng)估函數(shù)為

M=CR

(3)

3　實(shí)例驗(yàn)證

3.1用Fuzzy法評(píng)價(jià)飛行學(xué)員的安全駕駛行為

在某航校私照飛行檢查時(shí)，通過7位考試員(包括為5名飛行教員和2名檢查員)分別對(duì)3名私照飛行學(xué)員(分別以“學(xué)員A”、“學(xué)員B”、“學(xué)員C”表示)的各項(xiàng)安全駕駛行為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)判打分，打分采用10分制，分為五個(gè)等級(jí)，[8，10)為優(yōu)秀，[6，8)為良好，[4，6)為中等，[2，4)為及格，[0，2)為不及格.匯總統(tǒng)計(jì)每位飛行學(xué)員的評(píng)價(jià)結(jié)果如表5所示.

表5　評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)

將統(tǒng)計(jì)結(jié)果利用模糊線性變換法構(gòu)建相應(yīng)學(xué)員各項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)矩陣，以學(xué)員A為例，得出其各項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)矩陣rA為

(4)

由以上結(jié)果可求得學(xué)員A各評(píng)價(jià)元素組所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)向量，如飛行前準(zhǔn)備評(píng)價(jià)向量為

RAP=WPrAP=

(0.030，0.093，0，0，0)

(5)

同理，可得機(jī)場(chǎng)運(yùn)行評(píng)價(jià)向量RAO為(0.022，0.013，0.010，0，0)；飛行技術(shù)評(píng)價(jià)向量RAF為(0.001，0.030，0.094，0.039，0)；領(lǐng)航技術(shù)評(píng)價(jià)向量為RAN為(0.010，0.105，0.021，0，0)；應(yīng)急操作評(píng)價(jià)向量RAE為(0，0.073，0.060，0.015，0)；人為因素評(píng)價(jià)向量RAH為(0，0，0.219，0.165，0).根據(jù)RAP，RAO，RAF，RAN，RAE，RAH可構(gòu)建飛行學(xué)員A的整體評(píng)價(jià)矩陣RA.

于是，根據(jù)FANP模型的評(píng)價(jià)函數(shù)式可得學(xué)員A安全駕駛行為的總體評(píng)價(jià)向量為

MA=WRA=

(0.123，0.045，0.165，0.136，0.148，0.384)·

(0.006，0.042，0.112，0.072，0)

(6)

同理，可得學(xué)員B和學(xué)員C各評(píng)價(jià)元素組及整體能力評(píng)價(jià)向量，評(píng)價(jià)結(jié)果按隸屬度最大原則確定，將3名私照飛行學(xué)員能力評(píng)價(jià)結(jié)果匯總，見表6.

表6　3名飛行學(xué)員考核評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2結(jié)果分析

從所得結(jié)果可以看出，學(xué)員A的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)中，機(jī)場(chǎng)運(yùn)行為優(yōu)秀，較為突出，其他方面的理論與實(shí)踐表現(xiàn)的比較均衡，為良好或者中等，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為中等.由于在私照飛行階段，運(yùn)行的機(jī)場(chǎng)通常較小，運(yùn)行程序相對(duì)比較簡(jiǎn)單，因此機(jī)場(chǎng)運(yùn)行此項(xiàng)對(duì)綜合評(píng)定結(jié)果的影響比較有限.

學(xué)員B的飛行理論知識(shí)掌握較好，飛行前準(zhǔn)備為優(yōu)秀，機(jī)場(chǎng)運(yùn)行為良好，但是其實(shí)踐操作欠缺，飛行技術(shù)一項(xiàng)僅為及格，其綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為中等.

學(xué)員C除了領(lǐng)航技術(shù)為及格外，其余指標(biāo)表現(xiàn)比較平均，但其綜合評(píng)價(jià)為良好，優(yōu)于學(xué)員A和學(xué)員B.在私照飛行階段，實(shí)際操作能力比理論知識(shí)更為重要，飛行學(xué)員可以在飛行訓(xùn)練中隨著飛行經(jīng)驗(yàn)的累積加深對(duì)理論的掌握和理解；而飛行習(xí)慣和行為模式在飛行訓(xùn)練中一旦形成，通常很難改變，甚至伴其一生，因此在私照階段非常重要.所以，學(xué)員C雖然理論方面表現(xiàn)一般，但是人為因素一項(xiàng)為良好，因此其綜合評(píng)價(jià)成績相對(duì)比較突出.

上述安全駕駛行為考核的評(píng)價(jià)結(jié)果與這3名學(xué)員平時(shí)考試成績的存檔記錄基本吻合.后續(xù)的飛行訓(xùn)練可根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整，學(xué)員A理論知識(shí)掌握較好，應(yīng)該在以后加強(qiáng)飛行技術(shù)訓(xùn)練和個(gè)人素質(zhì)的培養(yǎng)；學(xué)員B飛行技術(shù)能力較差，理論知識(shí)掌握較好，應(yīng)加強(qiáng)飛行操作能力的訓(xùn)練，提高應(yīng)用理論的能力；學(xué)員C實(shí)際動(dòng)手操作能力較強(qiáng)，但其領(lǐng)航技術(shù)欠缺，在后續(xù)的訓(xùn)練中應(yīng)該有所側(cè)重.

4　結(jié)　論

通過以上分析得出如下結(jié)論：

1) 本文結(jié)合ANP和模糊綜合評(píng)價(jià)方法構(gòu)建了私用駕駛員安全駕駛行為評(píng)價(jià)模型，通過求解私用駕駛員各項(xiàng)安全駕駛行為指標(biāo)的穩(wěn)定權(quán)重，得到評(píng)估函數(shù)系數(shù)，進(jìn)而構(gòu)建了基于FANP模型的私用駕駛員安全駕駛行為評(píng)估函數(shù).實(shí)例驗(yàn)證表明，該方法構(gòu)建的FANP模型評(píng)估函數(shù)能夠全面、客觀、有效地評(píng)估私用駕駛員的安全駕駛行為并發(fā)現(xiàn)其存在問題，為以后的訓(xùn)練指明方向.

2) 本文使用基于最小方差的非線性規(guī)劃模型來求得可信度較高的三角模糊數(shù)權(quán)重向量，使計(jì)算過程簡(jiǎn)化，省去了一致性檢驗(yàn)的復(fù)雜繁瑣過程.

3) 該方法具有較強(qiáng)的可操作性，不同的飛行教員均可以利用該評(píng)價(jià)函數(shù)來綜合評(píng)價(jià)飛行學(xué)員的安全駕駛行為水平，從反饋的結(jié)果尋找問題，實(shí)現(xiàn)以最少的成本投入達(dá)到最佳的訓(xùn)練效果，為今后私用駕駛員安全駕駛行為評(píng)判和優(yōu)秀飛行員的培養(yǎng)提供決策參考.

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(責(zé)任編輯：景勇英文審校：尹淑英)

Evaluation model for safe flying behavior of private pilot based on FANP

CHENBina,DUXinga,ZHANGXing-jianb,ZHAOYi-feib

(a.FlightTechnologyCollege,b.AirTrafficManagementInstitute,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300,China)

Inordertocorrectlyevaluatethesafeflyingbehaviorofprivatepilot,anevaluationmodelforthesafeflyingbehaviorofprivatepilotbasedonfuzzyanalyticnetworkprocess(FANP)wasestablishedonthebasisofsystematicallyanalyzingthewholeflightoperationprocess.Aimingattheproblemthattheconsistencytestingoftriangularfuzzynumbercomplementaryjudgmentmatrixistoocomplicated,anon-linearprogrammingmodelbasedonminimumvariancewasintroduced,thecalculationwassimplifiedthroughfindingtheoptimalsolution,andtheevaluationindexweightwithhighcredibilitywasobtained.Anempiricalanalysiswasperformedwithchoosingtheevaluationofflightcadetsinaflightschoolasanexample.Theresultsshowthattheproposedmodelismorecomprehensiveandobjectivecomparedwiththetraditionalevaluationmodels,andisbeneficialtothetrainingofsafeflyingbehaviorofpilots.

privatepilot;safeflyingbehavior;flightoperation;triangularfuzzynumber;fuzzyanalyticnetworkprocess(FANP);minimumvariance;non-linearprogrammingmodel;optimalsolution

2016-03-09.

中央高?；鹳Y助項(xiàng)目(3122013X006)； 民航聯(lián)合研究基金資助項(xiàng)目(U1533117).

陳斌(1980-)，男，廣東汕頭人，講師，碩士，主要從事飛行技術(shù)與航空安全等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.05.20

TP273

A

1000-1646(2016)05-0590-07

*本文已于2016-09-07 16∶10在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160907.1610.042.html