基于可拓學的空管系統(tǒng)安全評價

劉 穎，李 祥，陳可嘉，林 靜

(1.中國民航科學技術研究院, 北京 100028； 2.福州大學 經濟與管理學院，福建 福州 350108)

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基于可拓學的空管系統(tǒng)安全評價

劉 穎1，李 祥1，陳可嘉2，林 靜2

(1.中國民航科學技術研究院, 北京 100028； 2.福州大學 經濟與管理學院，福建 福州 350108)

空中交通管理系統(tǒng)作為民航運輸系統(tǒng)的一個關鍵組成部分，其安全運作與否直接影響民航安全。因此，針對空管系統(tǒng)進行安全評價，可以了解空管系統(tǒng)的安全狀態(tài)，使得相關部門可以依此進行宏觀管理，提升民航安全水平。首先，在分析空管系統(tǒng)以及明確指標選取原則的基礎上，從“人、機、環(huán)、管”4個方面，建立空管系統(tǒng)安全評價指標體系。其次，采用模糊序關系分析法確定指標權重，并引入可拓學理論框架，建立基于可拓學的空管系統(tǒng)安全評價方法。最后，通過對某空管單位安全評價的實例研究，驗證了該方法的可行性和有效性。

空管系統(tǒng)；安全評價；可拓學；模糊序關系分析法

隨著社會經濟的發(fā)展和科學技術的變革，民航運輸業(yè)也隨之不斷發(fā)展，給人們生活帶來了巨大的方便，從而在人類生活中占據(jù)著越來越重要的位置。空中交通管理系統(tǒng)作為民航運輸系統(tǒng)的一個關鍵組成部分，其安全運作與否直接影響著民航安全。

關于空管系統(tǒng)安全評價方面的研究，已經有不少學者做了相關工作。SHORROCK[1]通過對空管錯誤類型的歸納分析，認為管制員對所接收的信息能否及時地做出判斷關系著空管的安全能否得到保障。SUBOTIC等[2]評估了空管設備出現(xiàn)故障情況下空管系統(tǒng)的可靠性。KIRWAN等[3]分析了空管系統(tǒng)中管制員的管制失誤，并對如何提高空管系統(tǒng)安全給出了建議。杜紅兵等[4]鑒于空管安全因素間彼此影響相互關聯(lián)的情況，采用了模糊-網絡層次分析對空管安全進行評價。張曉全等[5]應用SHELL模型系統(tǒng)地識別出空管安全因素集，并運用灰色關聯(lián)分析進行定量評價。高揚等[6]利用模糊評價理論對空管系統(tǒng)危險發(fā)生后果的嚴重程度進行評估，利用不確定分布估計來估算危險發(fā)生的可能性。ZHANG等[7]采用模糊集值統(tǒng)計理論對指標權重進行計算，同時，使用模糊綜合評價法評價了空管系統(tǒng)安全。陳芳等[8]從靜態(tài)能力與動態(tài)能力兩方面構建空管安全運行保障能力模型，并認為安全投入、設備能力和風險管理是提高安全運行保障能力最直接有效的3個方面。梁曼等[9]通過使用目標分析法和輸出分析法對民航空管設施設備系統(tǒng)進行安全評價。

空管系統(tǒng)安全受到人、設備、環(huán)境及管理等多方面因素影響，空管系統(tǒng)安全評價是一個相對復雜與抽象的評價問題，而當前關于空管系統(tǒng)安全評價方法的研究主要集中于模糊方法和灰色方法。可拓學是為解決矛盾問題而誕生的一門邊緣學科，其通過把復雜問題轉化為易理解的形象化模型，在此基礎上得到相應的解決辦法。可拓學構建的評價方法，通過量化的數(shù)值描述評價結果，從而達到較為完整地反映事物綜合水平的目的，并且方便計算機進行規(guī)范化處理[10]。因此，筆者提出基于可拓學的空管系統(tǒng)安全評價方法，并通過實例研究，驗證該方法的可行性和有效性。

1 空管系統(tǒng)安全評價指標體系的構建

參考已有的研究成果[11-12]，并按照科學性、層次結構、可操作性、定性定量相結合的原則，建立的空管系統(tǒng)安全評價指標體系如表1所示。

表1 空管系統(tǒng)安全評價指標體系的等級標準與指標值

2 基于可拓學的空管系統(tǒng)安全評價方法

設R表示物元，C為評判因素集，C={c1,c2,…,cl}，其中l(wèi)為評判因素的個數(shù)。根據(jù)各影響因素的特點以及被評價事物的安全程度大小，劃分不同的安全級別，構建出安全級別域U，U={u1,u2,…,um}，其中m代表安全級別數(shù)。

2.1 確定經典域和節(jié)域

式中：Rj為經典域；Vj為評判因素集C關于安全等級Uj的量值范圍。

式中：Ru為節(jié)域；Vu為評判因素集C關于所有安全級別U的量值范圍。

2.2 確定待評物元

對待評價對象，把實際調研取得的數(shù)據(jù)用Ri表示：

(3)

式中：Ri為待評價對象；vik為關于cik的量值(k=1,2,…,p)；p為評判因素的個數(shù)。

2.3 計算關聯(lián)度

第i個一級指標中第k個二級指標關于安全等級j(j=1,2,…,m)的關聯(lián)度kj(cik)為：

2.4 模糊序關系分析法確定權重

(2)相對重要程度的比較判斷。在序關系分析法中ck-1與ck間相對重要程度ωk-1/ωk通常是一個具體數(shù)值，沒有考慮人員判斷的模糊性，所以筆者引入三角模糊數(shù)來給定ck-1與ck間相對重要程度的比較判斷。即ωk-1/ωk=rk(k=m,m-1,…,2)。其中，rk用三角模糊數(shù)表示。

(5)

2.5 多級可拓評價

(1)一級評價。一級指標對各安全等級的關聯(lián)度矩陣K(ci)等于二級指標的權重向量ωi=(ωik)乘以二級指標對各安全等級的關聯(lián)度矩陣K(cik)=(kj(cik))。

(6)

(2)二級評價。待評價對象對各安全等級的關聯(lián)度K(N)等于一級指標的權重ω=(ωj)乘以一級指標對各安全等級的關聯(lián)度K(C)=(kj(ci))。

(7)

(8)

(9)

其中，j*為目標層安全級別的變量特征值，即安全級別的程度。

3 實例研究

3.1 數(shù)據(jù)的收集

空管系統(tǒng)的安全評估指標體系中，有定量指標和定性指標。定量指標有具體指標值，是通過空管單位記錄統(tǒng)計收集而來的；而定性指標是通過專家打分獲得，筆者選擇5個專家分別為塔臺管制室、飛行服務室、氣象預報室、技術保障部網絡設備室和安監(jiān)科的工作人員打分，然后求平均算出該定性指標最終的得分。對于每個指標，可根據(jù)安全程度劃分為5個等級：很好(K1)、較好(K2)、一般(K3)、較差(K4)、很差(K5)，根據(jù)以往數(shù)據(jù)分析及專家意見，可以得到各評價指標等級劃分標準(見表1)。

3.2 確定經典域和節(jié)域

以二級指標設備因素為例，根據(jù)式(1)、式(2)對其經典域和節(jié)域進行求解，其他指標依次類推。其經典域為：

其節(jié)域為：

3.3 確定待評物元

由式(3)可知，針對某空管單位，確定待評價空管單位的物元。vik為關于cik的量值，其分值如表1所示。

3.4 計算關聯(lián)度

由式(4)可得各評價指標的關聯(lián)度與權重的計算結果，如表2所示。

表2 評價指標的關聯(lián)度與權重

3.5 模糊序關系分析法確定權重

根據(jù)上述步驟對各指標權重進行計算，得到的匯總結果如表2所示。

3.6 多級可拓評價

由式(6)、式(7)分別計算出各一級指標和待評價對象的關聯(lián)度，如表3所示。由表3可知：maxkj(N)=k2(N)，因此該空管單位的安全狀況處于“較好”這一等級。根據(jù)式(8)和式(9)可求得j*=1.962 4，即準確的等級特征值為1.962 4，介于“很好”與“較好”之間，但更偏向“較好”。4個子系統(tǒng)中，設備因素和管理因素子系統(tǒng)的安全狀況等級為“很好”，說明該空管單位在設備方面和管理方面做出了很大的努力，也達到了一個較為安全的管理水平。人為因素和環(huán)境因素子系統(tǒng)的安全狀況等級為“較好”，說明在人為因素和環(huán)境因素方面仍需努力，特別是人為因素更應該引起重視，大量航空安全事故原因調查發(fā)現(xiàn)：人為因素已經成為造成航空事故的主要原因。因此在人為因素方面應該加強對員工的管理，加大人員培訓力度，提高員工的安全意識和責任意識。環(huán)境因素方面則應該收集更全面的數(shù)據(jù)，依靠信息技術，實現(xiàn)信息化管理，為飛機飛行提供一個安全的飛行環(huán)境。從空管系統(tǒng)整體來看，該空管單位的安全管理仍需加強才能更好地實現(xiàn)飛機飛行安全，保障機上人員的生命和財產安全。

表3 一級指標和待評價對象的關聯(lián)度

通過與灰色證據(jù)理論[14]的評價結果進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者高度吻合，進一步證明了可拓學理論評價方法的穩(wěn)定性，具體對比情況如表4所示。

表4 可拓學理論評價方法與灰色證據(jù)理論

4 結論

空管的安全與否直接關系機上所有人員的生命和財產安全。筆者從影響空管系統(tǒng)安全的因素入手，建立了包含“人、機、環(huán)、管”4個方面的空管系統(tǒng)安全評價指標體系。在評價方法方面，充分利用可拓學理論可以量化表示評價結果并且較為全面反映事物綜合水平的優(yōu)點，提出了基于可拓學的空管系統(tǒng)安全評價方法；在權重確定方面，考慮到人員決策判斷的模糊性，引入了模糊序關系分析法。將所提出的方法應用于某空管單位的安全評價，開展實例研究，得出了該空管單位的安全狀況等級及各子系統(tǒng)的評價結果，為該空管單位進一步提升其安全管理水平提供了決策支持。

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LIU Ying:Assistant Researcher, China Academy of Civil Aviation Science and Technology, Beijing 100028,China.

Air Traffic Control System Safety Evaluation Based on Extenics Theory

LIUYing,LIXiang,CHENKejia,LINJing

Air traffic management system as a key component of the civil aviation transportation system. Its safe operation or not directly affects the civil aviation safety. Therefore, to evaluate the safety of ATC system can make us understand security of air traffic control systems. Allowing departments to conduct macro-management, and enhance the security level of civil aviation. Firstly, based on the analysis of the air traffic control system and the index selection principle clarification, the air traffic control safety evaluation index system is established including the four aspects of human, equipment, environmental, management. Next, weight values of indexes are determined by the fuzzy order relation analysis method. The air traffic control system safety evaluation method based on the extenics theory is developed. Finally, through the empirical study of an air traffic control unit safety evaluation, the feasibility and validity of the method is verified.

air traffic control system; safety evaluation; extenics theory; fuzzy order relation analysis method

2095-3852(2016)05-0524-05

A

2016-05-21.

劉穎(1972-)，女，遼寧錦州人，中國民航科學技術研究院助理研究員.

X949 DOI：10.3963/j.issn.2095-3852.2016.05.002

國家自然科學基金委員會與中國民用航空局聯(lián)合資金項目(61179061)；教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃資金項目(NCET-11-0903)；民航局科技計劃資金項目(MHRD20150211).