空中交通管制系統(tǒng)安全績(jī)效評(píng)估模型研究

韓豫斌，樸春子

(1.中國(guó)民用航空華東地區(qū)空中交通管理局 安全管理部，上海 200335)(2.中國(guó)民航大學(xué) 空中交通管理學(xué)院，天津 300300)

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空中交通管制系統(tǒng)安全績(jī)效評(píng)估模型研究

韓豫斌1，樸春子2

(1.中國(guó)民用航空華東地區(qū)空中交通管理局 安全管理部，上海 200335)(2.中國(guó)民航大學(xué) 空中交通管理學(xué)院，天津 300300)

客觀準(zhǔn)確的安全績(jī)效評(píng)估，可以反映出空中交通管制系統(tǒng)運(yùn)行的安全狀況，并識(shí)別出安全管理存在的薄弱環(huán)節(jié)。從管制員、空中交通管制設(shè)備、環(huán)境、管理四方面找出影響系統(tǒng)安全運(yùn)行的過程性指標(biāo)，將過程性指標(biāo)與結(jié)果性指標(biāo)相結(jié)合構(gòu)建空中交通管制系統(tǒng)安全績(jī)效評(píng)估指標(biāo)體系；在模糊物元分析法的基礎(chǔ)上，對(duì)隸屬度函數(shù)的確定方法進(jìn)行改進(jìn)，建立基于改進(jìn)的模糊物元分析法的空中交通管制系統(tǒng)安全績(jī)效評(píng)估模型；利用該模型對(duì)某空中交通管制單位的安全績(jī)效進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果能夠反映出該單位的安全狀況，并指出應(yīng)當(dāng)改進(jìn)的環(huán)節(jié)。結(jié)果表明：本模型可以對(duì)空中交通管制系統(tǒng)的安全績(jī)效作出綜合評(píng)判，并可以對(duì)空中交通管制系統(tǒng)的安全性進(jìn)行量化描述。

空中交通管制系統(tǒng)；安全績(jī)效；模糊物元分析法；評(píng)估指標(biāo)體系；安全運(yùn)行

0 引 言

民航業(yè)的快速發(fā)展離不開空中交通管制(Air Traffic Control，簡(jiǎn)稱ATC)的保駕護(hù)航，但隨著飛行流量的快速增長(zhǎng)，空中交通普遍呈現(xiàn)高或超高密度的運(yùn)行狀態(tài)，這對(duì)我國(guó)空中交通管制運(yùn)行保障能力提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。國(guó)際民用航空組織(International Civil Aviation Organization，簡(jiǎn)稱ICAO)在附件十一中明確規(guī)定：提供空中交通管制服務(wù)的單位要積極建設(shè)并實(shí)施安全管理體系(Safety Management System，簡(jiǎn)稱SMS)。安全績(jī)效評(píng)估是安全管理體系的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它能夠反映空中交通管制系統(tǒng)運(yùn)行的安全狀況，根據(jù)評(píng)估結(jié)果可以識(shí)別并改善其中的薄弱環(huán)節(jié)。因此，有必要對(duì)空中交通管制系統(tǒng)安全績(jī)效評(píng)估進(jìn)行研究，以提高空中交通管制系統(tǒng)運(yùn)行的安全水平。

吳景泰等[1]采用改進(jìn)的數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(Data Envelopment Analysis，簡(jiǎn)稱DEA)方法建立具有非阿基米德無(wú)窮小量的CCR模型，為我國(guó)航空公司安全績(jī)效輸入/輸出指標(biāo)提供了評(píng)價(jià)方法。王廷春等[2]以職業(yè)健康安全管理體系中的管理要素為基礎(chǔ)，通過建立評(píng)價(jià)的因素集、評(píng)價(jià)集、權(quán)重集等提出了模糊綜合評(píng)價(jià)方法。郭進(jìn)平等[3]將層次分析法、群決策和證據(jù)理論相結(jié)合，提出了企業(yè)安全績(jī)效綜合評(píng)定方法。肖文娟[4]基于我國(guó)基層空中交通管制部門安全管理現(xiàn)狀，提出基層空中交通管制安全績(jī)效評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，并建立了基于灰色關(guān)聯(lián)分析法的安全績(jī)效評(píng)估模型。周馳[5]綜合考慮了項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中影響風(fēng)險(xiǎn)因素的正向指標(biāo)和逆向指標(biāo)，引入DEA方法，并證明出規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的有效指標(biāo)。林峰[6]在我國(guó)航空公司績(jī)效評(píng)價(jià)體系的革新探索中，通過典型案例指出現(xiàn)行績(jī)效評(píng)價(jià)體系的缺陷，并借鑒平衡計(jì)分卡理論，對(duì)現(xiàn)行績(jī)效評(píng)價(jià)體系提出創(chuàng)新性建議。孟娜[7]基于模糊數(shù)學(xué)理論對(duì)空中交通管制系統(tǒng)進(jìn)行了綜合安全評(píng)估。束琬等[8]在構(gòu)建航空維修機(jī)組工作效率評(píng)估指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，通過DEA方法對(duì)航空維修機(jī)組工作效率進(jìn)行了綜合評(píng)估。徐文清[9]在現(xiàn)有實(shí)時(shí)調(diào)度策略的基礎(chǔ)上，提出了一種基于三層調(diào)度器機(jī)制的、在空中交通管制系統(tǒng)中更為合適的實(shí)時(shí)調(diào)度策略。李柯等[10]和楊智[11]從空中交通管制決策模式出發(fā)，給出了提高風(fēng)險(xiǎn)決策水平的方法與建議。

目前，有關(guān)安全績(jī)效評(píng)估方面的研究很多，但是針對(duì)空中交通管制系統(tǒng)安全績(jī)效評(píng)估方面的研究卻相對(duì)較少?？罩薪煌ü苤葡到y(tǒng)是由管制員、空中交通管制設(shè)備、環(huán)境和管理四個(gè)因素耦合在一起所形成的大系統(tǒng)?？罩薪煌ü苤葡到y(tǒng)安全績(jī)效強(qiáng)調(diào)專業(yè)性與整合性，研究其績(jī)效指標(biāo)不能僅考慮單一的研究方面，還應(yīng)將人機(jī)交互、安全文化、安全后果等要素綜合起來(lái)，因此其評(píng)估方法也更加注重客觀性、聯(lián)系性和整體性。

本文首先根據(jù)空中交通管制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，構(gòu)建一套適用于空中交通管制系統(tǒng)安全績(jī)效的評(píng)估指標(biāo)體系，在結(jié)果性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，根據(jù)最大熵馬爾科夫模型綜合考量過程性指標(biāo)；其次運(yùn)用層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重；然后使用模糊物元分析法評(píng)估模型，并通過改進(jìn)隸屬度函數(shù)確定方法來(lái)確定各評(píng)估指標(biāo)的取值；最后確定各評(píng)估指標(biāo)各等級(jí)的取值范圍，并根據(jù)最大隸屬度原則判斷出安全績(jī)效所屬的等級(jí)。

1 構(gòu)造空中交通管制系統(tǒng)安全績(jī)效評(píng)估指標(biāo)體系

目前，空中交通管制系統(tǒng)實(shí)施安全目標(biāo)責(zé)任制，安全目標(biāo)體系完整而嚴(yán)密，然而以結(jié)果為導(dǎo)向的目標(biāo)考核方式尚不能滿足整個(gè)空中交通管制系統(tǒng)安全運(yùn)行的要求。在設(shè)計(jì)評(píng)估指標(biāo)體系時(shí)，應(yīng)考慮對(duì)空中交通管制系統(tǒng)運(yùn)行安全造成影響的過程性指標(biāo)。因此在結(jié)果性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計(jì)反映安全運(yùn)行過程的關(guān)鍵業(yè)績(jī)指標(biāo)，既符合理論要求，也具有可行性。

根據(jù)最大熵馬爾科夫模型，過程性指標(biāo)應(yīng)從管制員、空中交通管制設(shè)備、環(huán)境、管理四方面綜合考慮。本文在對(duì)某單位實(shí)際調(diào)研的基礎(chǔ)上，通過咨詢行業(yè)專家，最終確定了17個(gè)關(guān)鍵的過程性指標(biāo)。結(jié)果性指標(biāo)則采用事故癥候萬(wàn)架次率與不安全事件萬(wàn)架次率這兩個(gè)指標(biāo)，其中不安全事件是指事故后果尚未構(gòu)成事故癥候的危險(xiǎn)事件。空中交通管制系統(tǒng)安全績(jī)效評(píng)估指標(biāo)體系如表1所示。

進(jìn)行安全績(jī)效評(píng)估前，首先要確定評(píng)語(yǔ)等級(jí)，評(píng)語(yǔ)等級(jí)的級(jí)數(shù)越多，則評(píng)估結(jié)果越準(zhǔn)確，但同時(shí)會(huì)使計(jì)算過程變得繁瑣，因此要選擇合適的評(píng)語(yǔ)等級(jí)的級(jí)數(shù)?？紤]到三級(jí)評(píng)語(yǔ)的表述過于寬泛，而七級(jí)和九級(jí)評(píng)語(yǔ)的計(jì)算過于復(fù)雜，本文采用五個(gè)等級(jí)的評(píng)語(yǔ)，即很好、較好、一般、較差、很差，分別用M1、M2、M3、M4、M5表示。

表1 空中交通管制系統(tǒng)安全績(jī)效評(píng)估指標(biāo)體系

2 層次分析法確定權(quán)重

層次分析法(Analytical Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱AHP)是一種被廣泛應(yīng)用的權(quán)重計(jì)算方法，其計(jì)算步驟如下。

(1) 構(gòu)造判斷矩陣

為了使各要素的重要性能夠定量地表示出來(lái)，引入1-9標(biāo)度法[12]，對(duì)兩兩指標(biāo)的重要性進(jìn)行比較，得到判斷矩陣：

(1)

(2) 計(jì)算判斷矩陣各行元素乘積的n次方根：

(2)

(3) 對(duì)向量M=(M1,M2,…,Mm)歸一化：

(3)

W=(w1,w2,…,wm)為所求各個(gè)指標(biāo)的特征向量。

(4) 進(jìn)行一致性檢驗(yàn)

由于篇幅所限，本文不再對(duì)一致性檢驗(yàn)過程進(jìn)行詳細(xì)介紹，具體步驟詳見文獻(xiàn)[12]。

3 模糊物元評(píng)估模型

物元分析法是中國(guó)學(xué)者蔡文于20世紀(jì)80年代初提出并發(fā)展的，它以現(xiàn)實(shí)世界中不相容問題為研究對(duì)象，從定性和定量?jī)煞矫嫣接懖幌嗳輪栴}的解決方法[13]。物元模型的三要素為：事物、事物特征及該特征所對(duì)應(yīng)的量值，當(dāng)事物特征所對(duì)應(yīng)的量值具有模糊性時(shí)，便構(gòu)成了一個(gè)模糊不相容問題。模糊物元法是把模糊數(shù)學(xué)與物元理論相結(jié)合，將事物特征對(duì)應(yīng)的量值所具有的模糊性和影響事物的眾多因素間的不相容性進(jìn)行綜合分析，從而解決該模糊不相容問題[14]。在本文所研究的模型中，其三要素為：空中交通管制系統(tǒng)安全績(jī)效評(píng)估指標(biāo)、評(píng)語(yǔ)等級(jí)及根據(jù)實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)狀得出的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

3.1 模糊物元的基本概念

模糊物元表示為

(4)

式中：R為模糊物元；M為給定的事物；C為事物M的特征；u(x)為與事物特征C相對(duì)應(yīng)的模糊量值，即隸屬度。

在本文中，C指安全績(jī)效評(píng)估體系中的指標(biāo)，如表1所示；M指五個(gè)等級(jí)的評(píng)語(yǔ)，分別用M1、M2、M3、M4、M5表示。

如果給定m個(gè)事物，它們共有n個(gè)特征，即C1,C2,…,Cn，分別對(duì)應(yīng)的模糊量值為u1(x1i)，u2(x2i)，…,um(xmi)，其中i=1,2,…,n，則稱Rn×m為m個(gè)事物的n維模糊物元。

(5)

3.2 模糊物元的評(píng)估步驟

(1) 確定各評(píng)估指標(biāo)的取值

首先要確定各評(píng)估指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的量值，并將結(jié)果用復(fù)合物元形式表示：

(6)

式中：Ci為第i個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中i=1,2,…,n，n為一級(jí)指標(biāo)的個(gè)數(shù)，本文一級(jí)指標(biāo)的個(gè)數(shù)為5；Cik為第i個(gè)一級(jí)指標(biāo)下的第k個(gè)二級(jí)指標(biāo)，其中k=1,2,…,p，p為二級(jí)指標(biāo)的個(gè)數(shù)；Xik為二級(jí)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的量值，其取值參考中國(guó)華東某空中交通管制局歷年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)而得。

(2) 確定指標(biāo)關(guān)于各等級(jí)的經(jīng)典域

確定各評(píng)估指標(biāo)關(guān)于各等級(jí)的取值范圍，可用如下物元模型表示：

(7)

式中：Mj為第j個(gè)等級(jí)，其中j=1,2,…,m,m為評(píng)估等級(jí)的個(gè)數(shù)；ajik為二級(jí)指標(biāo)Cik在Mj等級(jí)范圍內(nèi)的取值下限；bjik為二級(jí)指標(biāo)Cik在Mj等級(jí)范圍內(nèi)的取值上限。 因此在后續(xù)計(jì)算中引入了安全績(jī)效每個(gè)評(píng)定等級(jí)的上下限。

(3) 確定隸屬度函數(shù)

確定隸屬度函數(shù)是模糊物元的核心。本文對(duì)隸屬度函數(shù)的確定方法進(jìn)行改進(jìn)。金建平[15]采用三角分布組合確定隸屬度函數(shù)，其前提是基于隸屬度線性變化，但實(shí)際上各指標(biāo)的隸屬度通常是呈非線性變化的，故采用非線性分布的隸屬度函數(shù)其評(píng)價(jià)精度要高于采用線性分布的隸屬度函數(shù)，本文選取應(yīng)用廣泛的正態(tài)函數(shù)來(lái)確定隸屬度函數(shù)。對(duì)正向指標(biāo)(指標(biāo)值越大安全績(jī)效越好)和負(fù)向指標(biāo)(指標(biāo)值越大安全績(jī)效越差)，xik∈Mj的隸屬度函數(shù)均為

通過式(8)計(jì)算得出的uj(xjk)不一定滿足歸一性，需對(duì)隸屬度進(jìn)行歸一化處理：

(9)

進(jìn)而得到模糊復(fù)合物元：

(10)

(4) 多級(jí)模糊物元的綜合評(píng)估

① 第二級(jí)綜合評(píng)價(jià)

通過邀請(qǐng)行業(yè)專家，利用層次分析法對(duì)一級(jí)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣，并通過一致性檢驗(yàn)，得到一級(jí)和二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重。

將二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重(RWjk)與二級(jí)指標(biāo)的隸屬度相乘，得到各一級(jí)指標(biāo)關(guān)于各等級(jí)的隸屬度矩陣：

(11)

② 第一級(jí)綜合評(píng)價(jià)

將一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重(RWi)與一級(jí)指標(biāo)的隸屬度相乘，得出評(píng)價(jià)對(duì)象關(guān)于各等級(jí)的隸屬度矩陣：

(12)

(5) 確定評(píng)估等級(jí)

根據(jù)最大隸屬度原則，可以判斷出安全績(jī)效所屬的等級(jí)。

4 實(shí)例分析

以某空中交通管制分局為例，對(duì)其安全績(jī)效進(jìn)行綜合評(píng)估。根據(jù)該單位設(shè)定的安全目標(biāo)，結(jié)合專家意見，確定二級(jí)指標(biāo)關(guān)于各個(gè)等級(jí)的取值范圍。定性指標(biāo)的取值采用專家評(píng)分法得到，定量指標(biāo)的取值根據(jù)該單位的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到。二級(jí)指標(biāo)關(guān)于各等級(jí)的取值范圍以及各個(gè)指標(biāo)的實(shí)際取值如表2所示[2]。

表2 二級(jí)指標(biāo)的經(jīng)典域與實(shí)際取值

4.1 權(quán)重的確定

邀請(qǐng)行業(yè)相關(guān)專家對(duì)一級(jí)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造出判斷矩陣，并通過一致性檢驗(yàn)，得到一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重：

W=(0.232,0.105,0.072,0.189,0.402)

同理可得二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重。管制員因素中二級(jí)指標(biāo)權(quán)重為

W1=(0.083,0.131,0.116,0.562,0.108)

空中交通管制設(shè)備因素中二級(jí)指標(biāo)權(quán)重為

W2=(0.651,0.256,0.093)

環(huán)境因素中二級(jí)指標(biāo)權(quán)重為

W3=(0.451,0.193,0.356)

管理因素中各二級(jí)指標(biāo)權(quán)重為

W4=(0.126,0.118,0.136,0.242,0.281,0.097)

安全后果因素中二級(jí)指標(biāo)權(quán)重為

W5=(0.667,0.333)

4.2 綜合評(píng)估

以管制員因素為例，確定評(píng)估指標(biāo)關(guān)于各個(gè)等級(jí)的隸屬度，歸一化處理得到模糊復(fù)合物元：

R1(u)

(1) 第二層次綜合評(píng)估

將二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重與二級(jí)指標(biāo)的隸屬度相乘，得出管制員因素關(guān)于各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的隸屬度矩陣：

同理，可得空中交通管制設(shè)備因素關(guān)于各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的隸屬度矩陣：

環(huán)境因素關(guān)于各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的隸屬度矩陣：

管理因素關(guān)于各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的隸屬度矩陣：

安全后果因素關(guān)于各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的隸屬度矩陣：

(2) 第一層次綜合評(píng)估

將一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重與一級(jí)指標(biāo)的隸屬度相乘，得出評(píng)價(jià)對(duì)象(即該單位的安全績(jī)效)關(guān)于各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的隸屬度矩陣：

根據(jù)最大隸屬度原則，可知該單位的安全績(jī)效評(píng)估等級(jí)為M2，即評(píng)估結(jié)果等級(jí)為“較好”，評(píng)估結(jié)果與該單位的實(shí)際運(yùn)行情況相符，驗(yàn)證了模型的有效性。

對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行分析，認(rèn)為該單位整體安全績(jī)效水平仍有待提高。其中，安全規(guī)章制度落實(shí)與管制員特情處置能力分?jǐn)?shù)較低，因此改善上述兩項(xiàng)將成為該單位未來(lái)安全工作的重點(diǎn)。針對(duì)安全規(guī)章制度落實(shí)不夠問題，應(yīng)加強(qiáng)單位的安全文化建設(shè)，使其從被動(dòng)服從轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極嚴(yán)格執(zhí)行安全規(guī)章制度；同時(shí)建立一個(gè)從上至下的責(zé)任體系，對(duì)安全規(guī)章制度執(zhí)行情況進(jìn)行定期考核，對(duì)失職或不負(fù)責(zé)的人員進(jìn)行嚴(yán)格問責(zé)。針對(duì)管制員特情處置能力不足問題，管理者應(yīng)加大在設(shè)備失效、惡劣天氣等條件下的特殊訓(xùn)練，切實(shí)提高管制員應(yīng)對(duì)各種突發(fā)情況的處置能力，防止最后一道防線被完全穿透。

5 結(jié) 論

(1) 本文將過程性指標(biāo)與結(jié)果性指標(biāo)相結(jié)合，建立空中交通管制系統(tǒng)安全績(jī)效評(píng)估指標(biāo)體系。將模糊物元法進(jìn)行改進(jìn)，提高了評(píng)價(jià)精度，運(yùn)算方法簡(jiǎn)便、可操作性強(qiáng)。

(2) 構(gòu)建基于改進(jìn)的模糊物元的空中交通管制系統(tǒng)安全績(jī)效評(píng)估模型。通過所建立的評(píng)估模型，可以對(duì)空中交通管制系統(tǒng)的安全績(jī)效作出綜合評(píng)判，并可對(duì)空中交通管制系統(tǒng)的安全性進(jìn)行量化描述。

(3) 通過對(duì)某空中交通管制單位的實(shí)際安全績(jī)效情況進(jìn)行算例分析，證明該模型對(duì)于實(shí)際運(yùn)行的空中交通管制系統(tǒng)具有積極的借鑒意義。

(4) 可通過該模型找出影響空中交通管制系統(tǒng)安全管理的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)提高空中交通管制系統(tǒng)安全管理、安全運(yùn)行水平，促進(jìn)空中交通發(fā)展有著重要意義，并可對(duì)實(shí)際空中交通管制安全運(yùn)行進(jìn)行理論性指導(dǎo)與幫助。

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(編輯：馬文靜)

Research on Safety Performance Assessment Model of ATC(Air Traffic Control) System

Han Yubin1, Piao Chunzi2

(1.Safety Management Department, East China Airtraffic Management Bureau of CAAC, Shanghai 200335, China)(2.College of Air Traffic Management, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

Objectively and accurately evaluating the safety performance can reflect the safety status of ATC system operation, and identify the weak links in safety management. Finding key process indicators which affect the system operation safety from the four aspects of controllers, ATC equipment, environment and management, combining process index and result index, the safety performance evaluation index system of air traffic control system is established. On the basis of fuzzy matter-element analysis, the membership function is improved, and the model of ATC system safety performance evaluation based on the improved fuzzy matter-element analysis method is established. Secondary, the evaluation results of evaluating ATC unit safety performance reflect the safety status of the ATC unit, and the segments which should be improved are pointed out. Finally, the results show that this model can make a comprehensive evaluation of air traffic management system and it can make quantitative description to the ATM(Air Traffic Management) system. It is of important significance to improve the level of safety management.

air traffic control system; safety performance; fuzzy matter-element method; evaluate index system; safety operation

2016-06-13；

2016-07-30

國(guó)家自然科學(xué)基金(71171190)

國(guó)家空管委基金(GKG201410001)

樸春子,1139282725@qq.com

1674-8190(2016)04-477-07

V328

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2016.04.013

韓豫斌(1982-)，男，工程師。主要研究方向：空中交通運(yùn)輸安全管理。

樸春子(1992-)，女，碩士研究生。主要研究方向：交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理。