跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)層次分析法研究

丁松濱，劉佳玙，徐蘇

(南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，南京 211106)

0 引 言

截至2017年底，我國共有頒證民用航空機(jī)場229個，全年我國民用航空運(yùn)輸機(jī)場共完成起降架次為1 024.9萬架次，較2016年增長10.9%[1]。為了滿足日益增長的民航運(yùn)輸需求，航空公司擴(kuò)大了機(jī)隊(duì)規(guī)模，機(jī)場方面采取增加跑道數(shù)量、跑道入口以及擴(kuò)大機(jī)場設(shè)施規(guī)模等措施，以此擴(kuò)增機(jī)場容量、提高跑道的使用率。但機(jī)場飛行區(qū)內(nèi)交通流量的增大和機(jī)場布局的日益復(fù)雜程度大大增加了跑道入侵的風(fēng)險(xiǎn)，據(jù)FAA數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年全年美國共發(fā)生了跑道侵入事件1 742起，較2016年增長11.7%[2]，因此制定有效的跑道侵入事件防范策略已成為保障民航飛機(jī)安全運(yùn)行的重要因素之一。

國際民航組織(ICAO)將跑道侵入定義為：在機(jī)場發(fā)生的任何飛機(jī)、車輛或人員不正確地出現(xiàn)在指定用于飛機(jī)著陸和起飛的地面保護(hù)區(qū)的事件[3]。目前，國內(nèi)外對跑道侵入相關(guān)問題做了很多研究。國外主要采用案例研究與數(shù)據(jù)分析[4]、層次分析法、故障樹[5]等方法以及通過建立統(tǒng)計(jì)學(xué)模型[6-7]、識別跑道侵入中的人為因素[8]、機(jī)場環(huán)境因素等來開展跑道侵入問題研究。國內(nèi)通過對國際民航組織關(guān)于跑道侵入問題的研究進(jìn)行綜合分析[9]，主要選取威脅和差錯管理模型[10]、基于人因可靠性的風(fēng)險(xiǎn)評估模型[11]、可拓評價(jià)物元模型[12]、SHELLO模型[13]、模糊集與改進(jìn)的TOPSIS方法[14]、模糊綜合評價(jià)法[15]等不同方法開展對跑道侵入問題的研究。

國外學(xué)者通常采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對跑道侵入事件相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究角度較為宏觀，較少地從影響跑道侵入事件發(fā)生的具體因素角度進(jìn)行分析。國內(nèi)學(xué)者在對跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)評估的研究中通常忽略了風(fēng)險(xiǎn)之間的相互影響關(guān)系，同時也存在指標(biāo)體系不夠全面的問題。

本文采用系統(tǒng)工程理論思想，從人員、設(shè)備、環(huán)境、管理四個角度對影響跑道侵入事件發(fā)生的關(guān)鍵因素進(jìn)行分類，建立較為全面的跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系；利用三角模糊數(shù)對網(wǎng)絡(luò)層次分析法(Analytic Network Process，簡稱ANP)進(jìn)行改進(jìn)，并確定指標(biāo)體系中各影響因素的權(quán)重，同時反映出各因素間存在的關(guān)聯(lián)性；通過實(shí)例分析，驗(yàn)證該方法的有效性與合理性。

1 改進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)層次分析方法

網(wǎng)絡(luò)層次分析法是T.L.Saaty教授于1996年正式提出的，主要解決的是具有反饋性與依賴性的網(wǎng)絡(luò)決策問題。而跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系是一個包含多風(fēng)險(xiǎn)因素的復(fù)雜評估系統(tǒng)，其同層指標(biāo)和上下層指標(biāo)之間通常存在著相互作用和依賴性。同時由于評估指標(biāo)的不確定性、部分定性指標(biāo)無法具體定量化描述的特點(diǎn)，跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)評估系統(tǒng)具有很大的模糊性。在確定指標(biāo)權(quán)重時，通常選用主觀賦權(quán)法，忽略了人的主觀判斷模糊性。因此，利用三角模糊數(shù)對網(wǎng)絡(luò)層次分析法判斷矩陣的構(gòu)造進(jìn)行改進(jìn)，能夠降低主觀判斷對指標(biāo)權(quán)重的影響。

1.1 三角模糊數(shù)

μM(x)

(1)

1.2 網(wǎng)絡(luò)層次分析法

網(wǎng)絡(luò)層次分析法的典型結(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)控制層和影響網(wǎng)絡(luò)層組成，如圖1所示[17]。

圖1 網(wǎng)絡(luò)層次分析法典型的層次結(jié)構(gòu)

(2)

超矩陣W只考慮到單一元素集對次準(zhǔn)則的影響，因此超矩陣W的列向量不是歸一化的。把每個元素集作為一個元素，以SN作為準(zhǔn)則，對元素集之間進(jìn)行重要度比較，得到其他元素集的歸一化權(quán)重排序向量(a1j,a2j,…,aNj)T,aij表示第i個元素集對第j個元素集的影響權(quán)值，進(jìn)而可以得到反饋影響加權(quán)矩陣

(3)

1.3 利用三角模糊數(shù)的網(wǎng)絡(luò)層次分析法

在對網(wǎng)絡(luò)層次分析法判斷矩陣構(gòu)造的過程中使用三角模糊數(shù)，具體分為三步。

Step1采用三角模糊數(shù)構(gòu)造判斷矩陣F=(Mij),其中

(4)

(5)

Step3將得到的綜合模糊值去模糊化。M1(l1,m1,u1)和M2(l2,m2,u2)為兩個三角模糊數(shù)，定義M1≥M2的可能度為

v(M1≥M2)=supx≥y{min[uM1(x),uM2(y)]}

(6)

(7)

定義一個模糊數(shù)大于其他K個模糊數(shù)的可能度為

v(M≥M1,M2,…,Mk)=minv(M≥Mi)
i=1,2,…,K

(8)

令z′(ci)=minv(Mi≥Mk)，i=1,2,…,K，則可得到Z′=[z′(c1),z′(c2),…,z′(cn)]T，將Z′做歸一化處理后得到構(gòu)造超矩陣所需的指標(biāo)排序向量Z=[z(c1),z(c2),…,z(cn)]T。

2 構(gòu)建跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型

2.1 建立跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系

跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)管理涉及到機(jī)場、空中交通管制、航空公司三個方面和多種因素，是一個整體的、復(fù)雜的、動態(tài)的系統(tǒng)。人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程理論將“人-機(jī)-環(huán)境”作為系統(tǒng)中的三大要素，研究各個要素間信息傳輸?shù)南嗷リP(guān)系?；诖讼到y(tǒng)工程思想，并充分考慮管理因素對跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)管理的作用，從人員、設(shè)備、環(huán)境、管理四個角度對影響跑道侵入事件發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分類，結(jié)合國內(nèi)外跑道侵入實(shí)際案例的屬性與相關(guān)專家的研究成果[3-5,13-15,18]建立跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系，如表1所示。

2.2 跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型

綜合分析所構(gòu)建指標(biāo)體系中各級指標(biāo)之間的相互作用關(guān)系，構(gòu)建跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

表1 跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系R

圖2 跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)評估網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型

3 實(shí)例分析

機(jī)場飛行區(qū)交通流量的增加將會提升跑道侵入事件發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，因此，選取國內(nèi)某干線機(jī)場作為實(shí)例分析對象，分析結(jié)果將更具有針對性與實(shí)際意義。依據(jù)上述跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)評估網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型，利用改進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)層次分析法對該干線機(jī)場跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究。

3.1 構(gòu)造未加權(quán)的初始超級矩陣

采用傳統(tǒng)的1～9標(biāo)度法，根據(jù)準(zhǔn)則對該機(jī)場跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)評估網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型中的各因素進(jìn)行兩兩重要度比較，利用三角模糊數(shù)表征專家的重要度判斷決策，構(gòu)建模糊判斷矩陣，通過去模糊化得到各指標(biāo)因素的權(quán)重，進(jìn)而得到初始加權(quán)超矩陣。分別以一級指標(biāo)管制員風(fēng)險(xiǎn)R1元素集中的各元素作為評估基本面，基本面元素的影響將通過元素集R1中其他元素的兩兩重要度比較獲得。以R11短時遺忘作為評估基本面為例，根據(jù)三位國內(nèi)民航業(yè)專家的判斷決策，得到指標(biāo)元素R12、R14、R16間的三個成對比較矩陣。

利用式(4)綜合整理判斷矩陣H11、H12、H13中的三角模糊評判值，得到模糊判斷矩陣F

利用式(5)，計(jì)算出R12、R14、R16的初始權(quán)重值，分別為

同理，可得

以此類推，可以得到二級指標(biāo)未加權(quán)超矩陣

3.2 建立指標(biāo)元素集的權(quán)矩陣

指標(biāo)元素集權(quán)重矩陣的計(jì)算采用與計(jì)算二級指標(biāo)初始超級矩陣相同的方法，將R1、R2、R3、R4、R5、R6元素集作為一個元素，針對其中某個元素集進(jìn)行兩兩重要度比較，得到以該元素集作為準(zhǔn)則下其他元素集的歸一化排序向量(a1j,a2j,…,a6j)T，整合后可得指標(biāo)元素集權(quán)重矩陣為

3.3 超矩陣運(yùn)算

表2 跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)權(quán)重值

3.4 結(jié)果分析

從表2可以看出：管制員工作負(fù)荷(0.109)、管制員情景意識喪失(0.087)、飛行員操作偏差/疏忽(0.083)為產(chǎn)生跑道侵入的主要風(fēng)險(xiǎn)因素。通過對識別的指標(biāo)元素和跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)評估網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)模型的整體分析可見，權(quán)重值較高的指標(biāo)對其他風(fēng)險(xiǎn)因素的影響范圍較大或較易受到其他風(fēng)險(xiǎn)因素影響，使得跑道侵入事件的不安全狀態(tài)產(chǎn)生了傳遞，增加了系統(tǒng)整體風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的概率。

4 結(jié) 論

(1) 本文從機(jī)場、空中交通管制、航空公司三個方面對造成跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)源因素進(jìn)行識別，采用系統(tǒng)工程思想，從人員-環(huán)境-設(shè)備-管理四個角度出發(fā)，將跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)源因素分類并建立指標(biāo)體系。結(jié)合三角模糊數(shù)與網(wǎng)絡(luò)層次分析法，構(gòu)建跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)評估二級指標(biāo)初始超矩陣與指標(biāo)元素集權(quán)重矩陣，通過計(jì)算得出管制員工作負(fù)荷、管制員情景意識喪失、飛行員操作偏差/疏忽為產(chǎn)生跑道侵入的主要風(fēng)險(xiǎn)因素。

(2) 根據(jù)改進(jìn)的跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)評估網(wǎng)絡(luò)層次模型，不僅可以得出指標(biāo)元素的相對重要度排序與各指標(biāo)元素之間的相互影響關(guān)系，同時避免了人的主觀判斷的影響。基于此可以更好地提高機(jī)場跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)管理的有效性與針對性，并為進(jìn)一步對跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行評估奠定基礎(chǔ)。