唐家文,董兵
(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 空中交通管理學(xué)院, 廣漢 618307)
安全運(yùn)營(yíng)一直都是民航運(yùn)輸業(yè)發(fā)展追求的目標(biāo),也是全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。空管系統(tǒng)在航空運(yùn)輸安全運(yùn)營(yíng)中起著非常特殊的作用,航空運(yùn)輸安全事故的發(fā)生直接或間接地與空中交通管理存在一定關(guān)系,特別是隨著航班增多導(dǎo)致空中擁擠,空中交通管理面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)壓力越來(lái)越大,有必要對(duì)空管系統(tǒng)開(kāi)展安全風(fēng)險(xiǎn)科學(xué)評(píng)價(jià),保證航空運(yùn)輸系統(tǒng)的安全、正常、高效。
針對(duì)空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題,國(guó)外,S.Ternov等建立了基于事故的空管安全風(fēng)險(xiǎn)程序模型,運(yùn)用擾亂作用障礙分析法對(duì)空中交通管理運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究;S.Huan-Jyh首次采用比例風(fēng)險(xiǎn)模型對(duì)航空事故和安全指標(biāo)進(jìn)行了分析,得出人為失誤是造成安全風(fēng)險(xiǎn)事故的主要原因;L.Flavior等通過(guò)隨機(jī)Perti網(wǎng)對(duì)空管系統(tǒng)安全進(jìn)行了評(píng)價(jià)。但是障礙分析法是一種定性分析方法,不能對(duì)空管安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化研究;比例風(fēng)險(xiǎn)模型在使用時(shí)各危險(xiǎn)因素的作用不能隨時(shí)間而變化,不能反映安全變化趨勢(shì);Perti網(wǎng)所具有的精確性不能反映空管安全風(fēng)險(xiǎn)所存在的模糊性。國(guó)內(nèi),丁松濱等采用了層次分析法建立了空中交通管理安全預(yù)警指標(biāo)體系;杜紅兵等采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià);文興忠建立了空管安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的灰色多層次模型;袁丁等應(yīng)用證據(jù)合成理論對(duì)空管安全開(kāi)展了評(píng)價(jià);趙嶷飛等引入集對(duì)論對(duì)空中交通管制運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析;Chang Y H應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)臺(tái)灣地區(qū)的空管安全狀況進(jìn)行了研究。但是層次分析法受限于評(píng)價(jià)對(duì)象不能太多,否則計(jì)算量過(guò)大,且對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)要求較高;模糊綜合評(píng)價(jià)法容易受到評(píng)價(jià)者主觀(guān)性的影響,造成評(píng)價(jià)精度較低;灰色理論中白化函數(shù)的確定缺乏可信的理論依據(jù);數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法高度依賴(lài)于事故發(fā)生樣本,需要與空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)樣本之間保持一致性,限制了數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法在該領(lǐng)域的應(yīng)用;證據(jù)合成理論由于缺乏理論基礎(chǔ)使得其合理性與有效性存在較大的爭(zhēng)議,在計(jì)算方面存在指數(shù)爆發(fā)的可能性;集對(duì)論還未形成較為完整的理論體系,特別是差異度系數(shù)限定在[-1,1]之間不僅簡(jiǎn)單粗糙,而且不能對(duì)客觀(guān)事物或系統(tǒng)的演化規(guī)律進(jìn)行充分展示,在評(píng)價(jià)中存在不相容的問(wèn)題,容易遺漏所需的評(píng)價(jià)信息。物元理論是研究不相容問(wèn)題的常用方法,具有計(jì)算量相對(duì)較小,計(jì)算比較簡(jiǎn)單,對(duì)于復(fù)雜的多指標(biāo)問(wèn)題,易于用計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程處理,能夠把事物的質(zhì)和量很好地結(jié)合等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)逐漸受到重視并得到了廣泛的應(yīng)用。
本文根據(jù)空管系統(tǒng)安全運(yùn)行的實(shí)際,構(gòu)建空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,引入歐幾里得距離函數(shù)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重,采用物元分析方法,建立空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)物元模型,并進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。
對(duì)空管系統(tǒng)進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的先決條件是構(gòu)建科學(xué)合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)。遵循系統(tǒng)性、科學(xué)性、全面性、可比性和可行性等評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建原則,結(jié)合中國(guó)民航局已經(jīng)實(shí)施使用的《空管安全審計(jì)》和《空中交通服務(wù)安全評(píng)估系統(tǒng)》等管制規(guī)定,綜合考慮空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)生會(huì)受到人為因素(空中交通管制員)、設(shè)備因素(管制設(shè)施設(shè)備)、環(huán)境因素(空管系統(tǒng)的工作環(huán)境)以及管理因素(空管系統(tǒng)安全管理以及制度建設(shè))等因素的影響,構(gòu)建基于“人、機(jī)、環(huán)境與管理”等因素的空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(如表1所示),該評(píng)價(jià)指標(biāo)是由4個(gè)一級(jí)指標(biāo)和22個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)因子組成的遞階層次結(jié)構(gòu)。
表1 空中交通管理系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
在評(píng)價(jià)空管系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)時(shí),評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定將直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。權(quán)重計(jì)算方法主要有主觀(guān)賦權(quán)法和客觀(guān)賦權(quán)法。常用的主觀(guān)賦權(quán)法為層次分析法,也是目前研究空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)時(shí)確定權(quán)重的主要方法。盡管層次分析法存在受限于評(píng)價(jià)對(duì)象的數(shù)目會(huì)產(chǎn)生計(jì)算量過(guò)大的問(wèn)題,但是由于空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)目都在合理的范圍內(nèi),加之層次分析法具有將定性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為定量研究,以及原理簡(jiǎn)單易理解的特點(diǎn),因此選擇層次分析法作為確定空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的主觀(guān)權(quán)重。
考慮評(píng)價(jià)者的主觀(guān)意愿會(huì)對(duì)層次分析法結(jié)果產(chǎn)生影響,使得評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的主觀(guān)性太強(qiáng),引入客觀(guān)賦權(quán)方法有序加權(quán)平均(OWA)算子,與主觀(guān)賦權(quán)方法層次分析法相結(jié)合。通過(guò)組合賦權(quán)的方法確定空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,組合賦權(quán)既能夠有效彌補(bǔ)層次分析法存在的缺陷,又能夠考慮到OWA算子可能會(huì)因過(guò)于依賴(lài)指標(biāo)數(shù)據(jù)而出現(xiàn)的偏差,能相對(duì)客觀(guān)準(zhǔn)確地反映評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的權(quán)重關(guān)系。
采用組合賦權(quán)方法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重時(shí),通過(guò)線(xiàn)性加權(quán)組合方法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,有:
(1)
式中:x
為層次分析法確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)的主觀(guān)權(quán)重值;y
為OWA算子確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)的客觀(guān)權(quán)重值;α
、β
分別為評(píng)價(jià)指標(biāo)的主、客觀(guān)權(quán)重的偏好系數(shù)。應(yīng)用線(xiàn)性加權(quán)組合法最關(guān)鍵的步驟是確定主、客觀(guān)權(quán)重的偏好系數(shù)α
、β
。在目前研究中,偏好系數(shù)的取值通常由評(píng)價(jià)者的經(jīng)驗(yàn)來(lái)決定,具有一定的主觀(guān)性和隨意性,既不客觀(guān)也不合理,給評(píng)價(jià)結(jié)果帶來(lái)不利影響。為了盡可能地縮小由于主觀(guān)隨意性對(duì)組合權(quán)重值的影響,本文引入歐幾里得距離函數(shù),使得主、客觀(guān)權(quán)重之間和偏好系數(shù)間的差異程度保持一致性,避免某一種賦權(quán)方法在組合賦權(quán)中出現(xiàn)影響顯著的問(wèn)題。采用歐幾里得距離函數(shù)d
(x
,y
)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的主、客觀(guān)權(quán)重的偏好系數(shù)α
、β
,為此歐幾里得距離函數(shù)d
(x
,y
)與偏好系數(shù)α
、β
之間具有如式(2)所示的關(guān)系:(2)
根據(jù)公式(2),可以得到層次分析法和OWA算子的偏好系數(shù)α
、β
,進(jìn)而得到空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重值。N
表示事物,事物N
關(guān)于特征C
的特征量值為X
,R
=(N
,C
,X
)是用于表示事物N
的有序基本三元組,被稱(chēng)為物元。當(dāng)事物N
具有n
個(gè)特征C
,C
,…,C
,其對(duì)應(yīng)的特征量值為X
,X
,…,X
時(shí),則n
維物元被用于描述事物N
。物元理論用于空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的思路為:第一步由構(gòu)成空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的相應(yīng)指標(biāo)組成評(píng)價(jià)備選集;第二步計(jì)算空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的特征值,通過(guò)將評(píng)價(jià)指標(biāo)按照不同等級(jí)進(jìn)行物元變換,得到所評(píng)價(jià)的空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)的物元;第三步計(jì)算空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)和對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)集合的關(guān)聯(lián)度,并在關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果中根據(jù)最大隸屬度原則選取最大值,其值就為空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)所隸屬的等級(jí)。
C
為特征,評(píng)價(jià)指標(biāo)的取值為特征值X
,空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)物元可描述為(3)
式中:N
為對(duì)象,即空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn);C
為事物特征,即人為因素、設(shè)備因素、環(huán)境因素和管理因素等;X
為各特征對(duì)應(yīng)的特征值。C
=(C
,C
,…,C
),(f
=4),評(píng)價(jià)指標(biāo)C
對(duì)應(yīng)的二級(jí)評(píng)價(jià)因子集合C
=(C
1,C
2,…,C
),C
表示第f
類(lèi)評(píng)價(jià)指標(biāo)中的第i
個(gè)評(píng)價(jià)因子,n
在4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中對(duì)應(yīng)的取值分別為7、4、6、5。在評(píng)價(jià)空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)時(shí),需要先評(píng)價(jià)安全風(fēng)險(xiǎn)中的每一個(gè)單項(xiàng)指標(biāo),再對(duì)空管系統(tǒng)的整體安全風(fēng)險(xiǎn)狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)就是對(duì)表1中四個(gè)一級(jí)指標(biāo)進(jìn)行物元評(píng)價(jià),分別構(gòu)建四個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的經(jīng)典域、節(jié)域以及待評(píng)物元,同時(shí)計(jì)算各等級(jí)對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)度。
四個(gè)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度計(jì)算分別為:
(1) 確定空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)經(jīng)典域
(4)
式中:R
為安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為第j
級(jí)時(shí),空管系統(tǒng)安全狀況對(duì)應(yīng)的物元模型;N
為評(píng)價(jià)指標(biāo)C
(如人為因素等)對(duì)應(yīng)的第j
級(jí)安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)(j
=1,2,…,m
);X
為空管系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)在第j
級(jí)時(shí)第i
項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的取值范圍,就是評(píng)價(jià)因子在安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為第j
級(jí)時(shí)所對(duì)應(yīng)的特征C
的經(jīng)典域,取值范圍為<a
,b
>。(2) 確定節(jié)域
(5)
式中:R
為空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)物元評(píng)價(jià)模型的節(jié)域;N
為空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的集合;X
為N
對(duì)應(yīng)于特征C
的特征值,取值范圍為<a
,b
>。(3) 確定待評(píng)物元
當(dāng)待評(píng)物元對(duì)象為N
(如人為因素等)時(shí),通過(guò)對(duì)N
進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,用物元表示為(6)
式中:R
為空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)中單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的待評(píng)物元;N
為需要評(píng)價(jià)的指標(biāo);Y
為N
對(duì)于特征C
的量值,具體取值由空中交通管理安全風(fēng)險(xiǎn)專(zhuān)家評(píng)分處理后得到。(4) 單因子關(guān)聯(lián)度
評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于安全風(fēng)險(xiǎn)各個(gè)等級(jí)j
的關(guān)聯(lián)度為(7)
其中:
(8)
(9)
(5) 單指標(biāo)的綜合關(guān)聯(lián)度
確定待評(píng)物元N
(如人為因素)在安全風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)為j
時(shí)的關(guān)聯(lián)度K
(N
):(10)
式中:w
為評(píng)價(jià)指標(biāo)C
所屬的權(quán)重值,由組合賦權(quán)計(jì)算得到。N
(空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)),當(dāng)其安全風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)為j
級(jí)時(shí)的關(guān)聯(lián)度K
(N
)通過(guò)式(11)得到:(11)
式中:w
為評(píng)價(jià)指標(biāo)C
的組合賦權(quán)權(quán)重值。通過(guò)計(jì)算空管系統(tǒng)對(duì)應(yīng)不同安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度,基于最大隸屬度原則,得到空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)際安全風(fēng)險(xiǎn)狀況。具體為
(12)
(13)
式中:J
為所評(píng)的物元-空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)N
所對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)特征值,即空管系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。m
=5)等級(jí),分別對(duì)應(yīng)為Ⅰ級(jí)(很安全)、Ⅱ級(jí)(安全)、Ⅲ級(jí)(較安全)、Ⅳ級(jí)(不安全),Ⅴ(很不安全),每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的各等級(jí)取值范圍如表1所示,通過(guò)邀請(qǐng)8位空管領(lǐng)域的安全管理專(zhuān)家進(jìn)行專(zhuān)家評(píng)分,經(jīng)整理得到每項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的原始數(shù)據(jù)(如表1所示)。α
=0.606 6,β
=0.393 4),人為因素、設(shè)備因素、環(huán)境因素以及管理因素所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)因子的組合權(quán)重值如表3所示。表2 一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)組合權(quán)重值
表3 二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)組合權(quán)重值
由于對(duì)每個(gè)單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行物元綜合評(píng)價(jià)過(guò)程是相同的,因此以人為因素評(píng)價(jià)指標(biāo)為例,具體介紹評(píng)價(jià)過(guò)程。
(1) 確定人為因素評(píng)價(jià)指標(biāo)的經(jīng)典域、節(jié)域、待評(píng)物元
①經(jīng)典域物元
②節(jié)域物元
③待評(píng)物元
(2) 計(jì)算待評(píng)物元的評(píng)價(jià)因子關(guān)聯(lián)度和評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合關(guān)聯(lián)度
根據(jù)組合賦權(quán)方法得到評(píng)價(jià)指標(biāo)組合權(quán)重值后,根據(jù)式(7)~式(10),計(jì)算空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)中人為因素指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度。同理的計(jì)算過(guò)程,可以分別得到設(shè)備因素、環(huán)境因素和管理因素對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)因子的關(guān)聯(lián)度和評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合關(guān)聯(lián)度,結(jié)果如表4所示。
從底層到頂層逐層遞歸,根據(jù)式(11)~式(13),最終得到空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)的綜合關(guān)聯(lián)度、安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)以及對(duì)應(yīng)的特征值,結(jié)果如表5所示。該空管系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)綜合特征值為2.096 8,意味著其準(zhǔn)確的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為二級(jí),說(shuō)明其安全風(fēng)險(xiǎn)狀況屬于Ⅱ級(jí),即安全的狀況。
表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于各等級(jí)的關(guān)聯(lián)度
表5 空中交通管理系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果
從表5可以看出:該空管系統(tǒng)設(shè)備因素和管理因素的安全等級(jí)值分別為2.235 4和2.502 1,均高于綜合安全等級(jí)值2.096 8,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注空管系統(tǒng)中的設(shè)備因素和管理因素,尤其要加強(qiáng)影響空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)的管理因素。可見(jiàn)物元方法既可以得到空管系統(tǒng)的整體安全風(fēng)險(xiǎn)水平,又可以得到各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。相關(guān)管理部門(mén)可以針對(duì)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)存在的安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題進(jìn)行相應(yīng)的整改,從而提高空管系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)管理能力,保障航空運(yùn)輸?shù)陌踩\(yùn)行。
(1) 將物元分析理論應(yīng)用于空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),構(gòu)建了空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)物元評(píng)價(jià)模型,不僅解決了空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的不相容問(wèn)題,而且能夠正確反映空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)中事物質(zhì)與量之間的內(nèi)在聯(lián)系與演變規(guī)律。
(2) 基于歐幾里得距離函數(shù)的組合賦權(quán)方法確定空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,能夠更真實(shí)地反映出空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)際,使研究結(jié)論更能體現(xiàn)空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)的現(xiàn)狀。
(3) 空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)的物元評(píng)價(jià),既可以得到空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)的整體安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),又可以得到每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的安全水平狀況,可以找到空管系統(tǒng)中存在安全風(fēng)險(xiǎn)的不足之處,為指導(dǎo)空管系統(tǒng)改進(jìn)安全風(fēng)險(xiǎn)提供了理論依據(jù)。
(4) 物元評(píng)價(jià)方法能夠充分利用評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息,使得評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確可靠,并與空管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)的可拓物元特征相適應(yīng),為開(kāi)展空管系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供了一種新思路。