基于改進(jìn)群組層次分析法的機(jī)場(chǎng)II/III類運(yùn)行效益影響因素研究

劉楊，楊得用，何昕，孫強(qiáng)

(1.中國民用航空局 空管行業(yè)管理辦公室，北京 100710；2.中國民用航空飛行學(xué)院 a.飛行技術(shù)與飛行安全科研基地；b.空中交通管理學(xué)院，四川 廣漢 618307)

運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)II/III類運(yùn)行為全天候運(yùn)行中的一部分，根據(jù)國際民航組織(International Civil Aviation Organization，簡(jiǎn)稱ICAO)ManualofAll-WeatherOperations文件定義[1]，全天候運(yùn)行(all weather operation, AWO)是在目視參考受到天氣條件限制的情況下所進(jìn)行的任何地面活動(dòng)、起飛、離場(chǎng)、進(jìn)近或著陸運(yùn)行。機(jī)場(chǎng)II/III類運(yùn)行主要是為低能見度天氣下飛機(jī)的精密儀表進(jìn)近和著陸提供保障服務(wù)，類別的劃分主要依據(jù)決斷高度、跑道視程或能見度[2]。II/III類運(yùn)行可以降低運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)、減少航班延誤備降概率、提高航班正常性，因此國內(nèi)提倡推進(jìn)II/III類運(yùn)行建設(shè)。但是II/III類運(yùn)行建設(shè)存在資金投入大、建設(shè)難度高、建設(shè)時(shí)間長等問題，其運(yùn)行效益一直以來是困擾相關(guān)決策者的一個(gè)重要問題。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)機(jī)場(chǎng)II/III類運(yùn)行效益進(jìn)行了相關(guān)的研究，但是大部分學(xué)者對(duì)影響因素的選擇過于單一，評(píng)估較為簡(jiǎn)單。Braga等[3]通過政治動(dòng)機(jī)、經(jīng)濟(jì)偏見、相關(guān)私營公司效益之間的關(guān)系對(duì)巴西機(jī)場(chǎng)安裝III類儀表著陸系統(tǒng)(instrument landing system，ILS)的成本效益進(jìn)行了分析，但是作者僅僅對(duì)巴西的主要機(jī)場(chǎng)的低能見度、建設(shè)難度、資金問題進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，得出的結(jié)果難免片面性。Kim等[4]提出了機(jī)場(chǎng)跑道精密進(jìn)近類別升級(jí)的效益評(píng)估方法，對(duì)經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益進(jìn)行了評(píng)估，并著重分析了升級(jí)對(duì)客貨運(yùn)帶來的經(jīng)濟(jì)效益提升。作者只是對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行了簡(jiǎn)單評(píng)估，未使用相關(guān)模型進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的分析。國內(nèi)學(xué)者對(duì)II/III類運(yùn)行效益的研究較為薄弱，目前只是停留在對(duì)相關(guān)概念的論述。比如郭曉東[5]對(duì)盲降的分類、工作原理以及注意事項(xiàng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的論述。陸欣[6]對(duì)儀表著陸系統(tǒng)III類升級(jí)方案進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)各機(jī)場(chǎng)配置的I類標(biāo)準(zhǔn)ILS中，一部分由于已使用超過十年以上，可通過設(shè)備更新為II類或III類標(biāo)準(zhǔn)ILS，而另一部分使用年限不長的通過對(duì)現(xiàn)有ILS進(jìn)行升級(jí)改造即可。

綜上所述，國內(nèi)外對(duì)運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)II/III類運(yùn)行效益影響因素的研究較為片面、簡(jiǎn)單，未通過相關(guān)模型進(jìn)行系統(tǒng)的分析。本文采用改進(jìn)的群組層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)分析效益影響因素；優(yōu)化打分方式降低了打分負(fù)荷，避免了AHP一致性較難通過問題；同時(shí)通過k-means聚類算法進(jìn)行專家賦權(quán)，弱化了單個(gè)專家評(píng)價(jià)的主觀不確定性、認(rèn)知的單一性，從而提取影響效益的重要指標(biāo)，輔助民航相關(guān)單位進(jìn)行II/III類建設(shè)決策，具有非常實(shí)際的意義。

1 指標(biāo)體系構(gòu)建

參考ICAO的ManualofAll-WeatherOperations[1]，國內(nèi)的《航空器運(yùn)營人全天候運(yùn)行規(guī)定》[7]《民用航空機(jī)場(chǎng)運(yùn)行最低標(biāo)準(zhǔn)制定與實(shí)施準(zhǔn)則》[8]《運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)儀表著陸系統(tǒng)(ILS)低能見度運(yùn)行管理規(guī)定》[9]以及相關(guān)機(jī)場(chǎng)調(diào)研，以經(jīng)濟(jì)效益、非經(jīng)濟(jì)效益為一級(jí)指標(biāo)建立了II/III類運(yùn)行效益影響因素指標(biāo)體系，如表1所示。

表1 機(jī)場(chǎng)II/III類運(yùn)行效益影響因素指標(biāo)體系Table 1 Index system regarding the influencing factors of airport Category II/III operation benefits

2 研究方法

2.1 群組層次分析法

層次分析法(AHP)是對(duì)一些較為復(fù)雜、較為模糊的問題做出決策的簡(jiǎn)易方法，特別適用于難于完全定量分析的問題[10]。在涉及到多因素、多準(zhǔn)則的項(xiàng)目決策時(shí)，往往采用群組AHP[11]方法，來減小評(píng)價(jià)過程中的隨機(jī)性，弱化單個(gè)評(píng)價(jià)專家主觀上的不確定性和認(rèn)識(shí)上的模糊性[12]。群組AHP計(jì)算流程如下：

(1)AHP得出指標(biāo)權(quán)重和一致性比例

(2)專家賦權(quán)

專家賦權(quán)比較常用的一種方法是基于判斷矩陣的一致性程度賦權(quán)[14-15]。基于各位專家通過AHP得出的一致性比例ICR為分析數(shù)據(jù)，設(shè)m位專家經(jīng)過聚類后分為l類，第k位專家所歸類中包含φk名專家，且該類別專家權(quán)重記為αk，其所給予的判斷矩陣一致性比例為ICR，k，則類別間專家權(quán)重為βj：

。

(1)

類別內(nèi)專家權(quán)重為αk：

(2)

式中，b為人工設(shè)定，根據(jù)文獻(xiàn)及其應(yīng)用常取b=10。最后整合獲得各位專家綜合權(quán)重γ，

γ=βj×αk

。

(3)

通過各位專家的權(quán)重γ以及W進(jìn)行加權(quán)求平均即可得出各指標(biāo)最終權(quán)重W′，

。

(4)

本文的指標(biāo)體系具有指標(biāo)較多、體系較大的特點(diǎn)，如果使用傳統(tǒng)的各個(gè)指標(biāo)兩兩比較進(jìn)行重要性打分，則會(huì)增大專家的打分負(fù)荷，得出的結(jié)果也較難通過一致性檢驗(yàn)，也就是較容易出現(xiàn)打分邏輯的錯(cuò)誤。因此要求專家獨(dú)立對(duì)指標(biāo)的重要性進(jìn)行打分。專家k先以ni(n為指標(biāo)體系中的某一層，i為當(dāng)層所包含的指標(biāo))為子目標(biāo)，對(duì)(n+1)ij(i為n層中某個(gè)指標(biāo)，j為ni下屬的某個(gè)指標(biāo))的重要性進(jìn)行打分。評(píng)價(jià)的是當(dāng)前指標(biāo)對(duì)上一層相關(guān)聯(lián)指標(biāo)的重要程度。這種打分方法可以有效避免指標(biāo)過多進(jìn)而打分負(fù)荷較大問題，也可以有效避免打分難通過一致性檢驗(yàn)問題。以B2下屬的12個(gè)指標(biāo)對(duì)比新、舊兩種打分方式的優(yōu)劣，如表2所示。

表2 兩種打分方式優(yōu)劣對(duì)比Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of the two scoring methods

2.2 采用k均值聚類算法確定專家權(quán)重

k均值聚類算法是由Steinhaus、Lloyd、Ball&Hall、Mc Queen分別在各自不同的科學(xué)研究領(lǐng)域獨(dú)立提出的[16]，是一種典型的無監(jiān)督學(xué)習(xí)算法。主要用于將相似的樣本自動(dòng)歸到一個(gè)類別中，對(duì)于不同的相似度計(jì)算方法，會(huì)得到不同的聚類結(jié)果，常用的相似度計(jì)算方法有歐式距離法[17]，如公式(5)所示：

。

(5)

在k均值聚類算法中k值的選擇非常重要，因?yàn)閗值會(huì)直接影響最終的聚類效果。本文主要使用輪廓系數(shù)法(silhouette coefficient)[18]對(duì)聚類模型進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而選取最佳的k值，實(shí)現(xiàn)步驟如公式(6)所示。輪廓系數(shù)法結(jié)合了聚類的凝聚度和分離度，用于評(píng)估聚類的效果，要實(shí)現(xiàn)的目的就是內(nèi)部距離最小化、外部距離最大化。平均輪廓系數(shù)的取值范圍為[-1,1]，系數(shù)越大代表簇內(nèi)樣本的距離越近、簇間樣本距離越遠(yuǎn)，聚類效果越好。

(6)

式中，i為某一個(gè)樣本；a(i)為樣本i到同一簇內(nèi)其他點(diǎn)不相似程度的平均值；b(i)為樣本i到其他簇的平均不相似程度的最小值。

群組AHP涉及到較多專家的打分，現(xiàn)實(shí)生活中，由于每位專家所處的社會(huì)環(huán)境、個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和職業(yè)的不同，對(duì)于同一問題的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)有所不同，每個(gè)專家的權(quán)重幾乎不可能一樣。通過聚類算法可以快速把握各專家打分的相似度，然后通過各專家所填崗位、聚類后各類別內(nèi)比例賦權(quán)每個(gè)專家的權(quán)重。本文選取k均值聚類算法進(jìn)行專家打分聚類，進(jìn)而確定專家本身的權(quán)重。k均值聚類算法對(duì)AHP進(jìn)行優(yōu)化的流程如圖1所示。

圖1 k均值聚類算法改進(jìn)AHP數(shù)據(jù)分析流程圖Fig.1 Flow chart of k-means clustering algorithm-improved AHP data analysis

3 權(quán)重計(jì)算

3.1 數(shù)據(jù)獲取

因成本指標(biāo)定量數(shù)據(jù)較為敏感，獲取困難，本文采用問卷的方式獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。以西南地區(qū)某機(jī)場(chǎng)為例，對(duì)其涉及II/III類運(yùn)行的機(jī)場(chǎng)、空管人員為對(duì)象進(jìn)行1～9標(biāo)度的獨(dú)立重要性打分。問卷基于指標(biāo)體系的層級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，每個(gè)指標(biāo)都有9個(gè)選項(xiàng)，通過問卷星平臺(tái)進(jìn)行線上發(fā)布。問卷共收回114份，有效問卷109份。由于打分專家所處單位不同，對(duì)問題的認(rèn)識(shí)會(huì)有一定的差異性。因此機(jī)場(chǎng)投入(B2)、機(jī)場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力(B6)的下屬指標(biāo)只考慮機(jī)場(chǎng)相關(guān)專家的打分結(jié)果，共12份問卷；空管投入(B4)、空管運(yùn)行(B7)的下屬指標(biāo)只考慮空管相關(guān)專家，共97份問卷。剩余體系下的指標(biāo)考慮所有專家的109份打分結(jié)果。

3.2 數(shù)據(jù)處理

以機(jī)場(chǎng)投入(B2)子目標(biāo)為例，對(duì)其下屬指標(biāo)打分結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理流程分析。選取機(jī)場(chǎng)人員打分?jǐn)?shù)據(jù)12份，B2下屬指標(biāo)打分結(jié)果如表3所示。

表3 B2下屬指標(biāo)問卷打分結(jié)果Table 3 B2 scoring results of a subordinate index questionnaire

首先使用k均值聚類算法進(jìn)行專家賦權(quán)。使用k均值聚類之前先使用輪廓系數(shù)法判斷最佳的聚類類數(shù)，根據(jù)表4的不同類數(shù)輪廓系數(shù)得分可以發(fā)現(xiàn)2類的分?jǐn)?shù)最高，因此聚類數(shù)為2類。

表4 輪廓系數(shù)得分Table 4 Silhouette coefficient score

通過計(jì)算子目標(biāo)B2下屬各指標(biāo)的12個(gè)機(jī)場(chǎng)人員打分?jǐn)?shù)據(jù)，聚類結(jié)果為(1,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,1)，1類別3人，0類別9人。1類別所有打分的平均值為(4.000 0，8.000 0，5.666 7，6.000 0，3.333 3，3.333 3，2.666 7，5.666 7，3.000 0，2.000 0，5.333 3，3.333 3)。0類所有打分的平均值為(7.888 9，7.777 8，7.666 7，7.222 2，7.555 5，7.777 8，7.777 8，7.333 3，7.777 8，7.555 5，7.555 5，7.111 1)。

通過聚類發(fā)現(xiàn)，1類別相關(guān)人員對(duì)應(yīng)的崗位為機(jī)場(chǎng)II/III類建設(shè)直接相關(guān)管理人員，因此1類別專家的打分會(huì)更具備權(quán)威性。所以，需要把1類別對(duì)應(yīng)的專家打分的權(quán)重調(diào)高，設(shè)置為9/12。0類則設(shè)置為3/12。因此最終12位專家打分的加權(quán)平均得分為(4.972 2，7.944 4，6.166 7，6.305 5，4.388 8，4.444 4，3.944 4，6.083 3，4.194 4，3.388 8，5.888 8，4.277 7)。由于其余子目標(biāo)下的指標(biāo)聚類結(jié)果不具上述特征，因此采用類內(nèi)樣本越多權(quán)重越高的方式進(jìn)行處理。根據(jù)最終的加權(quán)平均得分構(gòu)造相對(duì)重要性判斷矩陣，運(yùn)用和積法求解判斷矩陣，得到B2下屬各指標(biāo)權(quán)重如表5所示。

表5 B2下屬各指標(biāo)權(quán)重Table 5 B2 weight of subordinate indicators

以C5～C16指標(biāo)為例，對(duì)比普通AHP以及改進(jìn)后的群組AHP得出的指標(biāo)權(quán)重。通過對(duì)比圖2可以看出，改進(jìn)之后指標(biāo)的權(quán)重差異明顯，較為適合對(duì)重要影響因素進(jìn)行分析。通過C8指標(biāo)也能看出改進(jìn)的方法可以對(duì)某個(gè)異常的打分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行修正。因此，改進(jìn)的群組AHP具有較好的有效性。

圖2 指標(biāo)權(quán)值計(jì)算方法改進(jìn)前后對(duì)比Fig.2 Comparison of the index weight calculation method before and after improvement

3.3 指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)上述指標(biāo)處理流程，同理可以得出所有指標(biāo)的各層權(quán)重值，如表6所示。

表6 機(jī)場(chǎng)II/III類運(yùn)行效益指標(biāo)權(quán)重Table 6 Weight of airport CategoryII/III operation benefit index

4 權(quán)重結(jié)果分析

4.1 第一層指標(biāo)相對(duì)于總目標(biāo)的權(quán)重

根據(jù)表6指標(biāo)中的權(quán)重值可以看出，經(jīng)濟(jì)效益和非經(jīng)濟(jì)效益幾乎具有相同的權(quán)重。表明機(jī)場(chǎng)II/III類建設(shè)的效益不僅要考慮建設(shè)的投入產(chǎn)出問題，還要注重對(duì)非經(jīng)濟(jì)效益的提升。這是因?yàn)闄C(jī)場(chǎng)作為一個(gè)城市乃至一個(gè)地區(qū)的門戶，在提升經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，也會(huì)注重對(duì)出行質(zhì)量、自身形象的提升，因此非經(jīng)濟(jì)效益也是機(jī)場(chǎng)發(fā)展的重要考慮方面。

4.2 第二層指標(biāo)相對(duì)于總目標(biāo)的權(quán)重

以第二層指標(biāo)為例，說明指標(biāo)數(shù)量不一致帶來的差異化誤差的問題。經(jīng)濟(jì)效益(A1)指標(biāo)下屬具有產(chǎn)出(B1)、機(jī)場(chǎng)投入(B2)、航司投入(B3)、空管投入(B4)4個(gè)指標(biāo)，非經(jīng)濟(jì)效益(A2)下屬具有出行質(zhì)量(B5)、機(jī)場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力(B6)、空管運(yùn)行(B7)3個(gè)指標(biāo)。在求解第二層指標(biāo)相對(duì)于總目標(biāo)的權(quán)重時(shí)，一般的做法是B1～B4的權(quán)重分別與A1的權(quán)重值相乘，B5～B7的權(quán)重分別與A2的權(quán)重值相乘。但是如果A1和A2的權(quán)重值幾乎相同，此時(shí)本層子目標(biāo)下屬的指標(biāo)數(shù)越多，則越容易造成分布到各指標(biāo)的權(quán)值越小。因此求第二層7個(gè)指標(biāo)相對(duì)于總目標(biāo)的權(quán)重值時(shí)，就會(huì)造成B1～B4每個(gè)指標(biāo)的權(quán)值整體較小，B5～B7每個(gè)指標(biāo)的權(quán)值整體較大。這種情況是不符合客觀事實(shí)的，是指標(biāo)數(shù)量的不一致所帶來的差異。

為消除上述差異，本文提出一種改進(jìn)的方法。先使用傳統(tǒng)的方法求出B1～B7相對(duì)于總目標(biāo)的權(quán)值。然后消除差異，權(quán)重值設(shè)置為對(duì)應(yīng)的子層級(jí)指標(biāo)的數(shù)量值，即B1～B4指標(biāo)的權(quán)重為4/7，B5～B7的權(quán)重值為3/7，以對(duì)應(yīng)的指標(biāo)數(shù)量設(shè)置權(quán)重可以自動(dòng)調(diào)節(jié)指標(biāo)數(shù)量不同帶來的差異性。歸一化處理后即可得到第二層指標(biāo)相對(duì)于總目標(biāo)的權(quán)重值。優(yōu)化過程中B1～B7權(quán)重變化如表7所示。

表7 B1～B7相對(duì)于總目標(biāo)的權(quán)值優(yōu)化Table 7 Weight optimization of B1～B7 relative to the overall goal

第二層指標(biāo)相對(duì)重要性為：B2>B5>B3>B7>B4>B6>B1。第二層指標(biāo)相對(duì)于總目標(biāo)的權(quán)重排名如圖3所示?？梢钥闯鰴C(jī)場(chǎng)投入(B2)的權(quán)重最高，由于II/III類建設(shè)涉及的場(chǎng)地改造、ILS升級(jí)改造、A-SMGCS(advanced-surface movement guidance and control systems)建設(shè)、燈光系統(tǒng)升級(jí)等主要項(xiàng)目幾乎是機(jī)場(chǎng)承擔(dān)，因此II/III類建設(shè)機(jī)場(chǎng)投入會(huì)比較大。同時(shí)出行質(zhì)量(B5)的權(quán)重也比較大，排第二位。這是由于II/III類運(yùn)行可以降低運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，有效應(yīng)對(duì)低能度天氣情況，可以給出行質(zhì)量帶來較大的提升。

4.3 第三層指標(biāo)相對(duì)于總目標(biāo)的權(quán)重

通過計(jì)算可以得到第三層指標(biāo)相對(duì)于總目標(biāo)的權(quán)重，選取第三層指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重排名前12的指標(biāo)繪制權(quán)重圖如圖4所示?？梢钥闯鰣?chǎng)地改造成本(C6)的權(quán)重最高，也較為明顯；A-SMGCS系統(tǒng)升級(jí)改造成本(C7)、燈光系統(tǒng)升級(jí)改造成本(C8)、改造施工成本(C12)、設(shè)備維護(hù)成本(C15)、安全性提升(C23)指標(biāo)的權(quán)重也明顯較高。第三層指標(biāo)為決策層指標(biāo)，與機(jī)場(chǎng)II/III類運(yùn)行效益直接相關(guān)，因此機(jī)場(chǎng)進(jìn)行II/III類建設(shè)時(shí)應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況首先考慮第三層上述指標(biāo)對(duì)效益帶來的影響。

圖3 第二層指標(biāo)權(quán)重Fig.3 Second layer index weight

圖4 第三層部分指標(biāo)權(quán)重Fig.4 Part of the third layer index weight

4.4 相關(guān)建議

運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)在進(jìn)行II/III類建設(shè)時(shí)不僅要考慮經(jīng)濟(jì)效益中投入產(chǎn)出的情況，也要注重非經(jīng)濟(jì)效益的提升。具有運(yùn)行需求的運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)決策是否進(jìn)行II/III類建設(shè)時(shí)，應(yīng)該首先考慮場(chǎng)地建設(shè)投入情況。不同機(jī)場(chǎng)升類建設(shè)過程中場(chǎng)地改造會(huì)有較大的差異，平原地區(qū)因?yàn)閳?chǎng)地平整，場(chǎng)地改造投入就會(huì)較少。而山區(qū)、沿海地區(qū)，由于場(chǎng)地限制，場(chǎng)地改造就會(huì)比較困難，而且投入會(huì)很大。因此，場(chǎng)地改造指標(biāo)對(duì)II/III建設(shè)效益評(píng)估至關(guān)重要。A-SMGCS系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)、ILS系統(tǒng)則應(yīng)根據(jù)各機(jī)場(chǎng)現(xiàn)有具體設(shè)備情況、升級(jí)改造的難度情況，進(jìn)行合理的抉擇是否升級(jí)改造。最后，運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)應(yīng)考慮整體改造施工的難度、施工過程中對(duì)運(yùn)行效率的影響等，對(duì)是否進(jìn)行II/III類建設(shè)進(jìn)行評(píng)估。

5 結(jié)論

運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)II/III類運(yùn)行可以降低運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)、提升旅客出行質(zhì)量，對(duì)機(jī)場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益和非經(jīng)濟(jì)效益都有較大的影響，然而其效益影響因素也較多，建立的指標(biāo)體系也較為復(fù)雜。本文以群組AHP為基本研究方法，通過改進(jìn)打分方式、k均值聚類、設(shè)置權(quán)重解決子目標(biāo)下屬指標(biāo)數(shù)量不同帶來的差異性問題等方式對(duì)群組AHP進(jìn)行優(yōu)化，使得研究方法更加合理、可靠。最后通過對(duì)最終方案層指標(biāo)的關(guān)鍵影響指標(biāo)進(jìn)行分析，提出了相關(guān)建議，研究結(jié)果可以為機(jī)場(chǎng)II/III類建設(shè)提供相關(guān)決策依據(jù)。