基于灰色層次分析法的空管運行亞健康評價研究

岳仁田，韓亞雄，趙嶷飛

(中國民航大學(xué) 空中交通管理學(xué)院，天津 300300)

在空管運行中，一起事故的發(fā)生雖然從表象上看起來具有偶然性和突發(fā)性，但大多與事故征候有關(guān)聯(lián)，而每一次事故征候的發(fā)生都是很多個安全隱患相互作用和疊加的結(jié)果。實際上，在空管運行中潛伏著各種各樣的安全隱患，這些安全隱患導(dǎo)致空管運行系統(tǒng)處在亞健康狀態(tài)，當(dāng)這些安全隱患產(chǎn)生集聚效應(yīng)時，就會引發(fā)事故征候，在特定的時間甚至?xí)l(fā)不安全事件或事故。目前，空管運行安全管理理論方面的研究主要集中在對空管安全風(fēng)險的評估與控制上。國外學(xué)者對空管運行管理方面的研究較早，提出了較為成熟的定性和定量的空管安全風(fēng)險管理的模型及方法，但針對我國空管運行的適用性還有待討論[1-4]。國內(nèi)對空管運行安全管理方面的研究較晚，如羅帆等[5]根據(jù)安全管理一線工作人員和中高層管理者的訪談記錄，收集整理影響空管運行安全的風(fēng)險因素，從人員、設(shè)備、環(huán)境、管理4個方面出發(fā)設(shè)計風(fēng)險評估指標(biāo)體系并進(jìn)行優(yōu)化；杜紅兵等[6]在分析三角模糊數(shù)學(xué)和ANP 原理的基礎(chǔ)上，針對空管安全風(fēng)險因素相互影響的特點，建立基于Fuzzy-ANP的空管安全風(fēng)險評估模型；羅帆等[7]結(jié)合空管不安全事件，利用N-K模型分別計算出單因素耦合、雙因素耦合、多因素耦合發(fā)生的概率及風(fēng)險值；羅帆等[8]建立了管制安全風(fēng)險的動力學(xué)預(yù)警仿真模型，并使用Vensim軟件對空管安全風(fēng)險預(yù)測及預(yù)控策略優(yōu)選過程進(jìn)行模擬仿真；張豫翔等[9]以非常規(guī)情況為研究背景，從“人、機、環(huán)、管”4方面構(gòu)建了非常規(guī)情況空管運行風(fēng)險評估體系，以模糊層次分析法為基礎(chǔ)，并結(jié)合云模型建立了風(fēng)險評估模型；姚登凱等[10]遵循計劃(P)-實施(I)-檢查(C)-處理(A)的程序，建立了具有針對性的空管安全風(fēng)險評價體系，并采用模糊Petri網(wǎng)方法進(jìn)行評估。

綜上所述，空管安全管理方面的研究主要側(cè)重于運用不同的方法對空管安全風(fēng)險進(jìn)行評估及控制，缺少對于空管運行中存在的可能導(dǎo)致系統(tǒng)處在亞健康狀態(tài)的安全隱患等問題的研究。為此，筆者通過建立合適的評估指標(biāo)體系對空管運行的亞健康狀態(tài)進(jìn)行診斷，以及時發(fā)現(xiàn)空管運行中存在的安全隱患并對其進(jìn)行有效控制，實現(xiàn)空管安全管理從事后分析向事前預(yù)防的轉(zhuǎn)變，切實提高空管運行安全管理水平。

1 空管運行亞健康評估指標(biāo)體系

1.1 確定影響因素

從空管不安全事件分析入手，結(jié)合空管安全風(fēng)險評估和空管安全運行保障能力評估等相關(guān)指標(biāo)[11-13]，兼顧空管運行的實際情況，歸納總結(jié)出包含人員、設(shè)備、環(huán)境、管理和運行5個層面的空管運行亞健康影響因素。

(1)人員。在空中交通管理系統(tǒng)中，人是影響空管安全的主要因素，同時也是最難把握的因素。不同的安全風(fēng)險評估模型中，對于人員因素分析的側(cè)重點也不盡相同。如文獻(xiàn)[5]～文獻(xiàn)[7]從管制員自身業(yè)務(wù)技能和身心素質(zhì)出發(fā)，將人為因素風(fēng)險分為生理因素風(fēng)險、心理因素風(fēng)險和技術(shù)因素風(fēng)險等。在實際空管運行中，人為因素往往是最具有主動地位和關(guān)鍵作用的，而管制員的業(yè)務(wù)水平、身心狀況及個人思想觀念等因素決定了其面對復(fù)雜運行狀況的風(fēng)險管控和應(yīng)急能力。因此，在歸納、總結(jié)安全風(fēng)險評估人為因素風(fēng)險的基礎(chǔ)上，將影響空管運行亞健康的人員因素分為管制員業(yè)務(wù)技術(shù)水平、生理狀況和心理狀況3個層次，并在每個層次下又設(shè)若干指標(biāo)。

(2)設(shè)備。民航空管設(shè)施、設(shè)備系統(tǒng)是一個包括通訊、導(dǎo)航、監(jiān)視、氣象、情報和管制自動化系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)，隨著其集成化、自動化水平和穩(wěn)定性的不斷提高，空管設(shè)施運行風(fēng)險對于整個民航運行安全的影響也在逐步減弱。關(guān)于設(shè)備因素對空管運行亞健康的影響，主要依據(jù)從系統(tǒng)效能輸出角度出發(fā)的空管設(shè)備系統(tǒng)安全評估指標(biāo)，將設(shè)備因素分為可用性、設(shè)備維護(hù)可靠性和設(shè)備容量飽和度[14]。

(3)環(huán)境。隨著航空運輸量的穩(wěn)步持續(xù)增長，機場和航路空域日益擁擠，嚴(yán)重威脅著航空運輸?shù)陌踩?，而?fù)雜多變的氣象和惡劣的地理環(huán)境加劇了這一狀況。對于空管運行安全能力，有學(xué)者將空管運行環(huán)境分為管制室內(nèi)環(huán)境狀況、地理環(huán)境狀況、機場及空域環(huán)境狀況和氣象環(huán)境狀況。對于影響空管運行亞健康的環(huán)境因素，考慮從空管運行的內(nèi)、外部環(huán)境進(jìn)行劃分，包括機場及空域環(huán)境、氣象及地理環(huán)境和管制室內(nèi)工作環(huán)境。

(4)管理。管理是對人員、設(shè)備、環(huán)境因素的相互關(guān)系實施人為干預(yù)的工具，具體到空管運行過程，主要是指管制單位的規(guī)章制度、指導(dǎo)思想、組織結(jié)構(gòu)、人員培訓(xùn)投入、安全文化及信息溝通等方面。目前研究對于空管安全管理因素風(fēng)險的分析沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，且指標(biāo)眾多，不利于對管理因素的深層次分析。因此有必要對管理因素風(fēng)險進(jìn)行歸納總結(jié)，將管理因素主要分為安全投入、班組資源管理和安全文化3個層次，每個層次下設(shè)若干指標(biāo)。

(5)運行?？展苓\行中，人員、設(shè)備、環(huán)境和管理構(gòu)成了影響空管運行狀態(tài)的最基本要素。目前學(xué)者對空管安全風(fēng)險的研究往往是從人、機、環(huán)、管的角度出發(fā)，構(gòu)建模型對存在的風(fēng)險進(jìn)行評估，對于空管運行中的潛在風(fēng)險研究還不夠充分。要實現(xiàn)對空管運行亞健康狀態(tài)的監(jiān)控和診斷，需要對貫穿人、機、環(huán)、管因素的空管運行過程進(jìn)行分析。從管制員角度出發(fā)，需考慮管制員面對的超出自身承受能力的工作負(fù)荷對人機環(huán)管系統(tǒng)運行帶來的潛在影響；從空中交通流的影響出發(fā)，需考慮高峰航班架次、交通流密度、沖突發(fā)生率及交通混合度等交通復(fù)雜狀況因素對系統(tǒng)的影響；最后考慮空管運行的效率和效能，探究造成空管效率低下的影響因素。綜上，從管制員滿負(fù)荷工作、交通流復(fù)雜程度和運行效率及效能3個方面衡量空管運行亞健康的運行因素風(fēng)險。

1.2 構(gòu)建評估指標(biāo)體系

通過對影響空管運行亞健康因素的詳細(xì)分析，利用層次分析法將評估指標(biāo)體系分為3個層次：目標(biāo)層、中間層和最底層。目標(biāo)層表示在各因素作用下的空管運行亞健康狀態(tài)，中間層表示一級評價指標(biāo)，最底層表示二級評價指標(biāo)，最底層各指標(biāo)下又設(shè)若干三級指標(biāo)。構(gòu)建的空管運行亞健康評估指標(biāo)體系如圖1所示，具體的三級指標(biāo)如表1所示。

圖1 空管運行亞健康評估指標(biāo)體系

一級指標(biāo)二級指標(biāo)三級指標(biāo)人員A1業(yè)務(wù)技術(shù)水平A11安全知識掌握程度,規(guī)章制度熟悉程度,業(yè)務(wù)熟練程度,特情處置能力,關(guān)鍵指令使用情況生理狀況A12感知器官靈敏度,工作狀態(tài),雙語通話適應(yīng)性,管制員口誤心理狀況A13心理素質(zhì),注意力集中程度,工作滿意度,責(zé)任心設(shè)備A2可用性A21通、導(dǎo)、監(jiān)設(shè)備,管制設(shè)備和氣象設(shè)備的故障次數(shù)維護(hù)可靠性A22實現(xiàn)實時監(jiān)控的設(shè)備所占比例,設(shè)備平均排故時間,能自主維修的設(shè)備所占比例容量飽和度A23通信信道使用與容量之比,自動轉(zhuǎn)報網(wǎng)容量與日高峰業(yè)務(wù)量的比例,管制自動化系統(tǒng)航跡處理容量與高峰業(yè)務(wù)量的比例,管制自動化系統(tǒng)飛行計劃處理容量與日高峰業(yè)務(wù)量的比例環(huán)境A3機場及空域環(huán)境A31跑道利用率,機場停機位數(shù)量,空域利用率,管制區(qū)域內(nèi)軍航活動頻次,管制區(qū)域內(nèi)航線交叉點數(shù)量氣象及地理環(huán)境A32低能見度、雷雨、大雪、高原、沙漠和海洋條件下飛行航班所占比例管制室內(nèi)工作環(huán)境A33工作場所溫度、濕度、燈光和噪聲超標(biāo)次數(shù)管理A4安全投入A41技術(shù)培訓(xùn)有效性,設(shè)備更新頻率,績效獎勵資金占比,技術(shù)投入資金占比班組資源管理A42信息溝通失真率,部門沖突頻率,組織人員穩(wěn)定性,組織機構(gòu)健全合理程度安全文化A43規(guī)章制度效能,人員對組織目標(biāo)認(rèn)同度,管理規(guī)范執(zhí)行不力程度,領(lǐng)導(dǎo)對安全工作管理能力運行A5管制員滿負(fù)荷工作A51日均工作負(fù)荷分別達(dá)到80%、90%、100%頻次及陸空通話和設(shè)備操作時間之和交通流復(fù)雜程度A52高峰時段平均航班架次,高峰時段交通流密度,沖突發(fā)生率,交通混合度運行效率及效能A53進(jìn)出港航班延誤率,空管原因造成的航班延誤率,空管原因?qū)ν獍l(fā)布流量控制次數(shù),陸空通話信道占用率

2 灰色層次評價模型

運用層次分析法將研究的指標(biāo)體系進(jìn)行分層，通過分析層次間的關(guān)系，將決策者的主觀判斷和推理聯(lián)系起來，對決策者的推理過程進(jìn)行量化表達(dá)。層次分析法雖然在一定程度上可以降低決策者邏輯推理上的失誤，但決策者對指標(biāo)信息難免把握不充分，會做出不完全確定的決策?；疑碚撌且环N減少主觀因素影響、解決不確定問題的有效方法，將灰色理論與層次分析法相結(jié)合，能夠有效提高指標(biāo)體系分析的可靠性，灰色層次分析法的關(guān)鍵在于針對分析對象構(gòu)建灰色層次評價模型。

2.1 利用層次分析法確定評價指標(biāo)權(quán)重

2.2 利用灰色理論確定評價指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)

為了保證所構(gòu)建指標(biāo)體系及各指標(biāo)權(quán)重的合理性和可靠性，需進(jìn)行分等級定量化評價。根據(jù)灰色理論原理，考慮到人類思維和分辨能力對不同評價內(nèi)容的差異性，需對評價等級賦予相應(yīng)的分值。針對建立的空管運行亞健康評估指標(biāo)體系，對指標(biāo)的評價分為4個等級：很好、較好、一般和較差，各評價等級對應(yīng)的分值如表2所示。因此有評價等級向量G=(7，5，3，1)，其中介于兩級評價等級之間的，相應(yīng)按6、4、2進(jìn)行評分。

表2 指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)

2.3 建立評價樣本矩陣

假定組織r位專家參與評分，其中第h位專家對中間層Ai下屬的第j個最底層指標(biāo)Aij的評分值為dhj(h=1,2,…,r;j=1,2,3)，通過匯總r位專家對目標(biāo)層Ai下屬的所有指標(biāo)的評分，可建立評價樣本矩陣Di：

其中，Di的每行為某專家對Ai下屬最底層各指標(biāo)的評分，Di的每列為對Ai下屬最底層某一指標(biāo)不同專家的評分。

2.4 確定評價灰類

根據(jù)灰色理論可知，專家評判的分值為灰數(shù)，如果要綜合并真實地反映出某指標(biāo)的等級，需要利用白化權(quán)函數(shù)將灰數(shù)計算為相應(yīng)的白化數(shù)，即評價灰類。筆者根據(jù)表2的指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的白化權(quán)函數(shù)形式構(gòu)造了各評價灰類的白化權(quán)函數(shù)。

第一類評分等級為“很好”，則灰數(shù)dhj(?)∈(0,7,+∞)，白化權(quán)函數(shù)f1(dhj)的表達(dá)式為：

第二類評分等級為“較好”，則灰數(shù)dhj(?)∈(0,5,10)，白化權(quán)函數(shù)f2(dhj)的表達(dá)式為：

第三類評分等級為“一般”，則灰數(shù)dhj(?)∈(0,3,6)，白化權(quán)函數(shù)f3(dhj)的表達(dá)式為：

第四類評分等級為“較差”，則灰數(shù)dhj(?)∈(0,1,2)，白化權(quán)函數(shù)f4(dhj)的表達(dá)式為：

2.5 計算灰色評價權(quán)向量及權(quán)矩陣

令nije表示各專家對最底層某指標(biāo)Aij的評判分值屬于第e個評價灰類的灰色統(tǒng)計數(shù)，nij表示Aij屬于各個灰類的總灰色統(tǒng)計數(shù)，從而r位專家就Aij屬于第e個評價灰類的灰色評價權(quán)為qije，依次計算得到Aij對于各個評價灰類的灰色評價權(quán)向量qij，進(jìn)而得到目標(biāo)層若干指標(biāo)所屬于中間層某指標(biāo)Ai的評價權(quán)矩陣Qi，分別如式(1)～式(5)所示。

(1)

(2)

qije=nije/nij

(3)

qij=(qij1,qij2,…,qij4)

(4)

Qi=(qi1,qi2,…,qi3)T

(5)

2.6 綜合評價結(jié)果

對中間層指標(biāo)Ai進(jìn)行綜合評價的等級向量為Bi，進(jìn)而計算出對目標(biāo)層A進(jìn)行綜合評價的等級向量B，最后結(jié)合評價等級向量G對指標(biāo)體系進(jìn)行綜合評價的結(jié)果為M，即：

Bi=Wi×Qi

(6)

B=W×(B1,B2,…,B5)T

(7)

M=B×GT

(8)

3 實例分析

3.1 確定評價指標(biāo)權(quán)重

利用構(gòu)建的灰色層次評價模型，對空管運行亞健康評估指標(biāo)體系進(jìn)行綜合評價。由圖1可知，對目標(biāo)層而言，中間層包含5個指標(biāo)，最底層有15個指標(biāo)，運用層次分析法計算得到各評價指標(biāo)的權(quán)重分別為：W=(0.43,0.06,0.10,0.26,0.15)；W1=(0.11,0.43,0.46)；W2=(0.44,0.17,0.39)；W3=(0.65,0.23,0.12)；W4=(0.16,0.54,0.30)；W5=(0.54,0.30,0.16)。上述評價指標(biāo)的權(quán)重均滿足一致性檢驗。

3.2 評價樣本矩陣

通過5位專家對最底層各指標(biāo)進(jìn)行評分，得到評價樣本矩陣：

3.3 計算灰色評價權(quán)矩陣

根據(jù)評價樣本矩陣計算相應(yīng)屬于各評價灰類的白化權(quán)函數(shù)，并代入式(1)～式(5)可得到各灰色評價權(quán)矩陣：

3.4 綜合評價結(jié)果及分析

由式(6)計算可得對中間層指標(biāo)Ai進(jìn)行綜合評價的等級向量：B1=(0.36，0.40，0.18，0.05)；B2=(0.56，0.43，0.05，0.00)；B3=(0.37，0.23，0.19，0.02)；B4=(0.38，0.42，0.21，0.00)；B5=(0.52，0.44，0.05，0.00)。

由式(7)計算可得對目標(biāo)層A進(jìn)行綜合評價的等級向量：B=W×(B1,B2,…,Bi)T=(0.40,0.40,0.16,0.02)。

由式(8)計算可得對指標(biāo)體系進(jìn)行綜合評價的結(jié)果：M=B×GT=5.30>5。由表1的指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)可知，該指標(biāo)體系的綜合評價結(jié)果為較好。

4 結(jié)論

在前人對空管運行安全管理理論研究的基礎(chǔ)上，考慮空管運行的實際情況，構(gòu)建了空管運行亞健康評估指標(biāo)體系，其中包含一級指標(biāo)5個，二級指標(biāo)15個，二級指標(biāo)下又設(shè)若干三級指標(biāo)。然后基于灰色層次分析法構(gòu)建了針對空管運行亞健康的灰色層次評價模型，利用該模型對所構(gòu)建的空管運行亞健康評估指標(biāo)體系進(jìn)行了綜合評價。綜合評價的結(jié)果表明，該指標(biāo)體系各因素符合實際情況，各指標(biāo)因素權(quán)重排序切實可靠，空管運行亞健康評估中間層指標(biāo)因素按權(quán)重大小的排序為：人員因素、管理因素、運行因素、環(huán)境因素和設(shè)備因素。所建立的評估指標(biāo)體系對于未來空管運行亞健康狀態(tài)的診斷，以及影響因素之間的相關(guān)關(guān)系和影響因子對空管運行亞健康的作用機理等研究奠定了基礎(chǔ)。