機場場面交通沖突風(fēng)險演化的SD模型研究

肖 琴，羅 帆

(武漢理工大學(xué)管理學(xué)院，武漢430070)

0 引言

機場場面交通沖突指交通工具在跑道、滑行道、停機坪和服務(wù)道4個場面區(qū)域運行過程中，發(fā)生的不符合安全規(guī)范的行為，其中，交通工具包括航空器和場面保障車輛，因此場面交通沖突主要包括航空器與航空器之間、航空器與保障車輛之間、保障車輛與保障車輛之間產(chǎn)生的沖突.近年來，我國民航機場場面沖突事件頻繁發(fā)生，危害程度不斷增大，據(jù)統(tǒng)計50%的民航不安全事件都發(fā)生在機場場面[1].因此，開展機場場面沖突的研究至關(guān)重要.

國內(nèi)外針對機場場面沖突的研究主要集中在場面沖突監(jiān)測與解決等方面.張睿等[2]提出了基于多Agent的場面沖突監(jiān)測與解脫算法，并通過仿真驗證了該算法的有效性和可行性.朱新平等[3]，針對先進機場場面引導(dǎo)與控制系統(tǒng)(A-SMGCS)，建立了Petri網(wǎng)模型，重點研究了對頭沖突預(yù)測與避免控制策略.牟奇峰等[4]，從滑行道沖突監(jiān)視告警、跑道侵入監(jiān)視告警、禁區(qū)闖入監(jiān)視告警、道路通過性檢測、偏離計劃告警5個方面設(shè)計了機場場面沖突監(jiān)測告警系統(tǒng).葛亞威等[5]采用先進的機場場面引導(dǎo)與控制系統(tǒng)對航空器滑行道和跑道運行沖突進行了分析，并構(gòu)建了沖突探測系統(tǒng)框架.此外，系統(tǒng)動力學(xué)因其運用系統(tǒng)科學(xué)理論與計算機仿真結(jié)合研究系統(tǒng)反饋結(jié)構(gòu)與行為的特點，而被廣泛運用于機場路面維修管理和機場終端性能評估[6]等方面.

目前，國內(nèi)外已有研究只檢測了單一因素的作用結(jié)果，未研究因素間相互作用導(dǎo)致的場面沖突風(fēng)險，部分學(xué)者對航空器運動帶來的沖突進行了研究缺乏針對場面保障車輛引發(fā)的場面沖突的研究.此外，已有的研究主要采用的是多Agent、Petri網(wǎng)等模型從靜態(tài)的層面研究了場面沖突風(fēng)險，缺乏對場面沖突風(fēng)險動態(tài)演化過程的分析.由于機場場面交通沖突風(fēng)險是一個具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不確定性高等特點的系統(tǒng)，而系統(tǒng)動力學(xué)在仿真復(fù)雜系統(tǒng)方面具有其獨特的優(yōu)勢[7]，因此可以運用系統(tǒng)動力學(xué)研究該問題.基于此，本文在文獻分析和實地調(diào)研的基礎(chǔ)上，明確機場場面沖突的影響因素，構(gòu)建機場場面沖突風(fēng)險演化的系統(tǒng)動力學(xué)模型，探究因素間的相互作用關(guān)系，借助Vensim PLE軟件揭示場面交通沖突風(fēng)險的演化規(guī)律，對基準情景和策略下的場面沖突風(fēng)險進行仿真，以期在理論方面彌補既有研究未從管理的角度對場面沖突風(fēng)險進行研究、無法動態(tài)演化場面沖突風(fēng)險變化過程及無法反映影響因素相互作用的不足，在實踐方面為機場場面交通沖突風(fēng)險管控提供有效的指導(dǎo).

1 SD模型構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)邊界與研究假設(shè)

模型建立的目標是分析場面交通沖突風(fēng)險隨時間的動態(tài)演化情況，以便確定風(fēng)險控制的最佳時期，探究單風(fēng)險因素的演化特點.文獻研究和現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果顯示，人、設(shè)備設(shè)施、環(huán)境和管理是影響機場場面沖突的主要風(fēng)險因素，增加機場安全投資和完善機場監(jiān)管機制能有效控制機場場面交通沖突風(fēng)險.本文將機場場面交通沖突限定在交通工具之間，將整個機場場面作為一個系統(tǒng)，把人、設(shè)備、管理和環(huán)境作為4個子系統(tǒng)納入到場面交通沖突系統(tǒng)中，分析場面交通沖突風(fēng)險隨時間的動態(tài)演化過程.

假設(shè)1風(fēng)險值越大導(dǎo)致的損失就越大.

假設(shè)2不考慮政府政策、經(jīng)濟景氣指數(shù)、科技發(fā)展水平、戰(zhàn)爭、自然災(zāi)害等不可抗力對系統(tǒng)的影響.

假設(shè)3排除事件的次生影響，即對某一特定場面沖突風(fēng)險的分析不受當前其他風(fēng)險事件的交叉影響.

假設(shè)4場面交通沖突是一個復(fù)雜系統(tǒng)，主要包括人員風(fēng)險、設(shè)備風(fēng)險、管理風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險4個子系統(tǒng)，且每個子系統(tǒng)中的風(fēng)險因素綜合作用于4個子系統(tǒng)風(fēng)險.

1.2 SD模型因果關(guān)系分析

根據(jù)上述分析可知，機場場面交通沖突風(fēng)險是一個具有內(nèi)部邊界、存在反饋回路的復(fù)雜系統(tǒng)，具體因果關(guān)系如圖1所示.其中，包括4個子系統(tǒng)和27個風(fēng)險因素，“+”表示正關(guān)系，即某個變量增加導(dǎo)致另一變量增加；“-”表示負關(guān)系，即某個變量增加會導(dǎo)致另一變量減小.由于系統(tǒng)中的反饋回路較多，下面僅選取各子系統(tǒng)中具有代表性的反饋回路進行分析.

(1)人為因素風(fēng)險子系統(tǒng)中，當人為風(fēng)險增加時，會加大場面沖突風(fēng)險發(fā)生的概率，此時相關(guān)部門會通過完善場面監(jiān)管機制和規(guī)范機場工作人員的職業(yè)發(fā)展通道來降低人為風(fēng)險，進而減少場面沖突風(fēng)險.

(2)設(shè)備設(shè)施因素風(fēng)險子系統(tǒng)中，當設(shè)備設(shè)施風(fēng)險增加時，會加大場面沖突風(fēng)險發(fā)生的概率，此時相關(guān)部門會通過完善場面監(jiān)管機制和引進新的設(shè)備設(shè)施來降低設(shè)備設(shè)施風(fēng)險，進而減少場面沖突風(fēng)險.

(3)環(huán)境因素風(fēng)險子系統(tǒng)中，當環(huán)境風(fēng)險增加時，加大了場面沖突風(fēng)險發(fā)生的可能性，此時相關(guān)部門會通過完善場面監(jiān)管機制來降低環(huán)境風(fēng)險帶來的場面沖突風(fēng)險.

(4)管理因素風(fēng)險子系統(tǒng)中，當管理風(fēng)險增加時，會加大場面沖突風(fēng)險發(fā)生的概率，此時相關(guān)部門會通過完善場面監(jiān)管機制、EAP建設(shè)、安全培訓(xùn)投資、機場安全文化建設(shè)等手段減少管理風(fēng)險進而有效控制場面沖突風(fēng)險.

圖1 場面交通沖突風(fēng)險因果關(guān)系Fig.1 Causality map of airport surface traffic conflict risk

1.3 SD模型流圖

系統(tǒng)流圖能夠清晰地反映系統(tǒng)要素之間的邏輯關(guān)系及系統(tǒng)中各變量的性質(zhì)，進而闡明系統(tǒng)的反饋和控制過程.因此，本研究在機場場面交通沖突風(fēng)險因果關(guān)系圖的基礎(chǔ)上通過量化處理，構(gòu)建了系統(tǒng)流圖，具體如圖2所示.系統(tǒng)流圖包括5個狀態(tài)變量，6個速率變量，15個輔助變量和20個常數(shù)變量.

1.4 模型參數(shù)及方程的確定

本文選取我國某機場作為研究對象，該機場的場面沖突事件較頻繁，沖突的類型眾多，具有一定的代表性.通過調(diào)研、專家打分、歷史數(shù)據(jù)分析整理等方式確定模型的參數(shù).采用方程的形式描述系統(tǒng)變量間的邏輯關(guān)系，機場場面沖突風(fēng)險主要變量的表達式為

式中：INTEG是狀態(tài)函數(shù)；DELAY1是延遲函數(shù)；Y、Yz、Ys、Y0分別表示場面沖突風(fēng)險的仿真值、增加量、減少量、初始值；A、△A、A0分別表示人員風(fēng)險的仿真值、變化量、初始值；B、△B、B0分別表示設(shè)備設(shè)施風(fēng)險的仿真值、變化量、初始值；C、△C、C0分別表示環(huán)境風(fēng)險的仿真值、變化量、初始值；D、△D、D0分別表示管理風(fēng)險的仿真值、變化量、初始值；a1、a2、a3、a4分別表示變量對結(jié)果變量的影響系數(shù)值.令Y0=0.335 0，A0=0.333 4，B0=0.307 8，C0=0.288 0，D0=0.363 8，a1=0.005 3，a2=0.003 3，a3=0.003 1，a4=0.005 6.

圖2 場面交通沖突風(fēng)險SD流量圖Fig.2 SD flow graph of airport surface traffic conflict risk

2 SD仿真及結(jié)果分析

2.1 模型有效性檢驗

為了保證模型的準確性，在模擬之前需要對模型進行檢驗.首先對模型的結(jié)構(gòu)進行檢驗，在構(gòu)建機場場面沖突系統(tǒng)動力學(xué)模型前，參考了大量的文獻，并結(jié)合實地調(diào)研提出了機場場面交通沖突風(fēng)險因素，排除了相關(guān)度低的外生因素.此外，軟件的模擬運行結(jié)果表明，模型中變量的函數(shù)關(guān)系式合理.因此，模型的結(jié)構(gòu)符合建模目的，具有合理性.

接著采用現(xiàn)實性測驗和極限測驗兩種模型測試方法來檢驗?zāi)Ｐ偷挠行?對SD模型進行現(xiàn)實性檢驗，假設(shè)場面監(jiān)管機制受到某些原因的影響使得其轉(zhuǎn)化率大大提高，比如政策的鼓勵和懲罰力度加大，此時設(shè)置投資轉(zhuǎn)化率1=IF THEN ELSE(time＜=24,0.243,0.93)，新的運行結(jié)果和初始結(jié)果不同，多次反復(fù)測驗均通過，具體如圖3(a)所示，說明模型的現(xiàn)實性檢驗通過.對模型的極端情況進行檢驗，在機場場面沖突風(fēng)險、人員風(fēng)險、設(shè)備設(shè)施風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險、管理風(fēng)險完全得到控制的情況下，各風(fēng)險因素會減少至接近0；當各類風(fēng)險均得不到有效控制時，各風(fēng)險值會增加至接近1，具體如圖3(b)和圖3(c)所示，該仿真結(jié)果符合自然規(guī)律，通過極限檢驗.

2.2 風(fēng)險預(yù)警級別確定

通過征詢專家意見確定機場場面沖突風(fēng)險、人員風(fēng)險、設(shè)備設(shè)施風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險、管理風(fēng)險的預(yù)警級別.場面沖突風(fēng)險、人員風(fēng)險、管理風(fēng)險的預(yù)警級別均為，無警[0.00,0.38)，輕警[0.38,0.40)，中警[0.40,0.45)，重警[0.45,1.00]；設(shè)備設(shè)施風(fēng)險預(yù)警級別為，無警[0.00,0.40)，輕警[0.40,0.45)，中警[0.45,0.53)，重警[0.53,1.00]；環(huán)境風(fēng)險預(yù)警級別為，無警[0.00,0.42)，輕警[0.42,0.00)，中警[0.50,0.60)，重警[0.60,1.00].

2.3 模型情景分析

重點研究場面監(jiān)管機制、安全文化建設(shè)、規(guī)范職業(yè)發(fā)展通道、引進新的設(shè)備設(shè)施這4種干預(yù)措施在應(yīng)對場面沖突風(fēng)險、人員風(fēng)險、設(shè)備設(shè)施風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險、管理風(fēng)險過程中的有效性.對基準情景和實行干預(yù)方案下的機場場面沖突風(fēng)險狀況進行仿真，假設(shè)分別在4種干預(yù)措施方面增加投入30萬元，其中方案1～方案4表示分別在完善場面監(jiān)管機制、安全文化建設(shè)、規(guī)范職業(yè)發(fā)展通道、引進新的設(shè)備設(shè)施方面增加投入30萬元，組合策略表示將30萬元按照18萬、6萬、3萬、3萬元的方式分配到上述4種干預(yù)措施.以2017年4月為基期，仿真時間設(shè)置為60個月，時間步長設(shè)置為1個月.

圖3 模型的有效性檢驗Fig.3 Validation of SD model

2.3.1 機場場面沖突風(fēng)險

機場場面沖突風(fēng)險預(yù)警仿真結(jié)果如圖4所示.初始條件下場面沖突風(fēng)險值為0.335，在第16個月的時候增加到0.381，第28個月的時候增加到了0.401，第52個月時增加到了0.450.其中有55%的時間處于中警和重警的警級，說明機場場面沖突風(fēng)險警情較嚴重.由圖4可知，方案1＞組合策略＞方案3＞方案2＞方案4＞初始結(jié)果，即完善場面監(jiān)管機制、機場安全文化建設(shè)、規(guī)范機場員工職業(yè)發(fā)展通道、引進新設(shè)備設(shè)施、組合策略均能緩解場面沖突風(fēng)險，且完善場面監(jiān)管機制的效果最顯著，機場安全文化建設(shè)、規(guī)范機場員工職業(yè)發(fā)展通道、引進新設(shè)備設(shè)施雖然能使風(fēng)險值有所降低但是效果不明顯，組合策略對降低場面沖突風(fēng)險的效果不如單獨完善場面監(jiān)管機制的效果好.

圖4 場面沖突風(fēng)險仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result of airport surface traffic conflict risk

2.3.2 人員風(fēng)險

人員風(fēng)險的仿真結(jié)果如圖5所示.初始條件下人員風(fēng)險值為0.333，在第17個月時增加至0.382，第27個月時增至0.402，第48個月時增至0.454.其中有26.67%的時間處于無警、16.67%的時間處于輕警、35%的時間處于中警、21.67%的時間處于重警，說明機場人員風(fēng)險警情較嚴重.方案3＞方案1＞組合策略＞方案2＞方案4=初始結(jié)果，即規(guī)范機場員工職業(yè)發(fā)展通道、完善場面監(jiān)管機制、組合策略對降低人員風(fēng)險的效果顯著，機場安全文化建設(shè)雖然能在一定程度上緩解人員風(fēng)險，但是卻未能改變其變化趨勢，組合策略的效果沒有單獨規(guī)范職業(yè)發(fā)展通道和完善場面監(jiān)管機制的效果佳.

圖5 人員風(fēng)險仿真結(jié)果Fig.5 Simulation result of human risk

2.3.3 設(shè)備設(shè)施風(fēng)險

設(shè)備設(shè)施風(fēng)險仿真結(jié)果如圖6所示.初始條件下人員風(fēng)險值為0.308，在第36個月時增加至0.401，第58個月時增至0.402，第48個月時增至0.453.其中只有5%的時間處于中警級別，大部分時間處于無警狀態(tài)，說明設(shè)備設(shè)施風(fēng)險的警情不是很嚴重.方案1＞方案4＞組合策略＞方案2=方案3=初始結(jié)果，即完善場面監(jiān)管機制、引進新設(shè)備設(shè)施、組合策略均能顯著降低設(shè)備設(shè)施風(fēng)險，且完善場面監(jiān)管機制的作用更顯著.

圖6 設(shè)備設(shè)施風(fēng)險仿真結(jié)果Fig.6 Simulation result of equipment risk

2.3.4 環(huán)境風(fēng)險

環(huán)境風(fēng)險仿真結(jié)果如圖7所示.初始條件下人員風(fēng)險值為0.288，在第50個月時增加至0.424，到第60個月時增至0.459.環(huán)境風(fēng)險在所有時間中均處于輕警及以下級別，說明環(huán)境風(fēng)險的警情相對較輕.方案1＞組合策略＞方案2=方案3=方案4=初始結(jié)果，即完善場面監(jiān)管機制、組合策略均能將環(huán)境風(fēng)險有效地控制在無警狀態(tài)，且單獨完善場面監(jiān)管機制的效果更優(yōu).

圖7 環(huán)境風(fēng)險仿真結(jié)果Fig.7 Simulation result of environment risk

2.3.5 管理風(fēng)險

管理風(fēng)險仿真結(jié)果如圖8所示.初始條件下人員風(fēng)險值為0.364，在第11個月時增加至0.382，到第25個月時增至0.401.其中有60%的時間處于中警級別，說明管理風(fēng)險警情較嚴重，需要采取有效措施預(yù)防中警轉(zhuǎn)化為重警.方案1＞組合策略＞方案2＞方案3=方案4=初始結(jié)果，即完善監(jiān)管機制、機場安全文化、組合策略建設(shè)均能有效控制管理風(fēng)險，使其處于無警狀態(tài)，且單獨完善場面監(jiān)管機制的效果好.

圖8 管理風(fēng)險仿真結(jié)果Fig.8 Simulation result of management risk

3 結(jié)論

本文在機場場面沖突風(fēng)險影響因素分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了場面沖突風(fēng)險的系統(tǒng)動力學(xué)演化模型，描述了場面沖突風(fēng)險因素間的相互作用關(guān)系，揭示了場面沖突風(fēng)險、人員風(fēng)險、設(shè)備設(shè)施風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險、管理風(fēng)險的演化機理.模擬仿真了不同的策略對場面沖突風(fēng)險改善效果.完善場面監(jiān)管機制、建設(shè)機場安全文化、規(guī)范員工職業(yè)發(fā)展通道、引進新設(shè)備設(shè)施能有效緩解場面沖突風(fēng)險；完善場面監(jiān)管機制、建設(shè)機場安全文化、規(guī)范員工職業(yè)發(fā)展通道能有效緩解人員風(fēng)險；完善場面監(jiān)管機制、引進新設(shè)備設(shè)施能有效緩解設(shè)備設(shè)施風(fēng)險；完善場面監(jiān)管機制能有效緩解環(huán)境風(fēng)險；完善場面監(jiān)管機制、建設(shè)機場安全文化能有效緩解管理風(fēng)險；同時增加完善場面監(jiān)管機制、建設(shè)機場安全文化、規(guī)范員工職業(yè)發(fā)展通道、引進新設(shè)備設(shè)施方面的投資能有效降低場面交通沖突風(fēng)險、人員風(fēng)險、設(shè)備設(shè)施風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險、管理風(fēng)險，但均沒有單獨增加完善場面監(jiān)管機制投資的效果理想，因為總有方案能使其對應(yīng)的風(fēng)險降低，然而多數(shù)方案對該風(fēng)險的效果不明顯或者無效果，當采取組合策略時，總體效果會受到無效方案的限制不能發(fā)揮最大效應(yīng)，所以組合策略的效果不如單一策略的效果好.本文為機場完善場面沖突風(fēng)險預(yù)防方案和制定針對性風(fēng)險緩解策略提供了有力支撐.