張 翔，劉 兵，盧 飛

（1.中國民航大學國家空管運行安全技術(shù)重點實驗室，天津 300300；2.天津航空有限責任公司，天津 300300）

管制系統(tǒng)運行風險控制決策方法研究

張 翔1，劉 兵2，盧 飛1

（1.中國民航大學國家空管運行安全技術(shù)重點實驗室，天津 300300；2.天津航空有限責任公司，天津 300300）

首先,根據(jù)過程方法分析出管制系統(tǒng)運行中的風險過程,并從“人”、“機”、“環(huán)境”和“管理”4個角度得出相應的控制策略。其次,建立資源優(yōu)化配置模型,在資源投入有限和確保所有風險過程安全的約束條件下,得到最優(yōu)的風險控制決策方案,合理地分配資源,從而能達到整體最好的風險控制效果;最后,通過仿真驗證模型的合理性。算例表明,該模型是合理可行的。

管制系統(tǒng)運行;風險控制;優(yōu)化配置模型;控制策略

近年來，隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，空中交通流量急劇增加，與此同時，管制系統(tǒng)保障空中交通安全的負擔也迅速增大[1]。風險控制是進行風險管理的重要步驟，通過建立高效的風險控制決策方案，可以很好地將管制系統(tǒng)的風險程度控制在一個可接受的水平，這對降低民航事故率，保證民航的安全運行具有重要的意義。

風險控制是建立在風險識別和風險評估基礎(chǔ)之上的，三者共同構(gòu)成了完整的風險管理系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外多個領(lǐng)域大力推廣風險管理系統(tǒng)，認為對系統(tǒng)中的風險進行一定程度風險控制是有必要的，同時也對風險控制進行了一定的研究。美國882軍用標準系列有關(guān)內(nèi)容強調(diào)：系統(tǒng)安全工作應該在綜合考慮有關(guān)性能、費用、日程的限定前提下將有關(guān)事故風險控制到可以接受的水平[2-3]。文獻[4-7]分別從環(huán)境、轉(zhuǎn)基因植物、食品安全、船隊運行等領(lǐng)域介紹了風險控制的應用情況，說明了采取風險控制的必要性。文獻[8]系統(tǒng)地對風險控制與風險管理的關(guān)系進行了分析，從理論的角度說明了風險控制的重要性。文獻[9]根據(jù)管制系統(tǒng)中出現(xiàn)的不同等級的不安全事件提出相應的風險控制措施。文獻[10]則基于空管風險管理耦合過程的分析，首次提出了網(wǎng)格化、錯峰法和防脆型3種風險管理策略。

以上風險控制策略大都是相關(guān)人員基于從業(yè)經(jīng)驗提出的，策略的提出過程不具有系統(tǒng)性、完備性，這會影響風險控制的效果；在風險控制策略的具體實施過程中，缺乏對風險控制策略的統(tǒng)籌優(yōu)化，不利于資源在風險控制策略實施過程中的合理分配，一定程度上造成了資源的浪費。針對管制系統(tǒng)運行具有危險環(huán)節(jié)多、安全性要求高的特點，從過程的角度出發(fā)，逐步分析管制系統(tǒng)運行的過程，提取其中的風險過程，并從“人”、“機”、“環(huán)境”和“管理”4個角度歸納出更具針對性的風險控制策略。從整體的角度出發(fā)，建立資源優(yōu)化配置模型，統(tǒng)籌規(guī)劃各個風險過程和風險控制策略，合理地分配資源，達到最好的控制效果。

1 管制系統(tǒng)風險控制原則和分類

在管制系統(tǒng)運行中，風險控制是一項長期的綜合性工作，也是一項龐大的系統(tǒng)工程。結(jié)合管制系統(tǒng)運行的特點，對其進行風險控制應遵循“合理可行、過程、最優(yōu)”的原則。根據(jù)時間順序[11]將風險控制分為事前、事中和事后風險控制。

1.1 風險控制原則

風險控制原則包括：合理可行原則、過程原則和最優(yōu)原則。合理可行原則，即有法律和理論根據(jù)，尊重科學原理、規(guī)章制度、行業(yè)規(guī)程等，并具有較強的可操作性，為多數(shù)人所接受和認同。過程原則，即因為飛行過程中任何一個小細節(jié)的過失都會造成極其嚴重的后果，所以在管制系統(tǒng)的風險控制過程中，不僅要滿足系統(tǒng)整體的安全要求，還要滿足系統(tǒng)運行中各個風險過程的安全要求。最優(yōu)原則，即針對具體的情況，采取最合適的控制措施決策方案，既節(jié)省了控制資金投入，還達到了最佳的控制效果。

1.2 風險控制分類

按照風險發(fā)生的時間順序，一般可將控制方法分為以下3種。

1）事前風險控制 在風險發(fā)生之前對單位內(nèi)部各個風險過程進行詳盡分析，綜合評估各個風險過程，當發(fā)現(xiàn)管制系統(tǒng)整體或個別風險過程風險性較高時，提前采取預防性措施，保證管制系統(tǒng)安全順利運行。

2）事中風險控制 在管制系統(tǒng)運行過程中，通過檢查發(fā)現(xiàn)某個風險過程發(fā)生了風險，管制系統(tǒng)根據(jù)既定標準對風險進行判斷，根據(jù)判斷結(jié)果采取相應的措施，快速反應，并對管制系統(tǒng)的運行過程進行改善。

3）事后風險控制 在運行風險發(fā)生之后，通過實際與計劃運行結(jié)果的區(qū)別，查找風險產(chǎn)生的原因環(huán)節(jié)，總結(jié)經(jīng)驗教訓，采取相關(guān)措施對發(fā)生的錯誤進行彌補。事后風險控制需要完成兩項任務：①盡可能地減少風險損失；②調(diào)整管制運行過程，減少風險再次發(fā)生的可能性。

管制系統(tǒng)運行過程要求具有極高安全性，因為任何一點的錯誤都可能造成機毀人亡的結(jié)果，帶來不可估量的損失，所以管制系統(tǒng)運行的風險控制應采取事前風險控制策略，始終將管制系統(tǒng)運行的風險程度控制在一個可以接受的水平。

2 管制系統(tǒng)運行的風險過程及控制策略

管制系統(tǒng)主要是通過調(diào)節(jié)航空器之間的安全間隔，保障航班能夠安全、流暢的運行。根據(jù)管制系統(tǒng)運行流程，將管制系統(tǒng)分為3部分，即塔臺管制、進近管制和區(qū)域管制。塔臺管制主要負責為起飛或著陸階段的飛機提供管制服務；進近管制主要負責為爬升或進近階段的飛機提供管制服務；區(qū)域管制則負責為巡航階段的飛機提供管制服務。

系統(tǒng)地識別和管理組織所應用的過程，特別是這些過程間的相互作用，稱之為過程方法[12]。將過程方法應用于管制系統(tǒng)運行中，可保證系統(tǒng)中風險分析的全面性，有助于對管制系統(tǒng)的風險進行控制。即將管制系統(tǒng)運行中的相關(guān)單位和活動環(huán)節(jié)視為過程，認為管制系統(tǒng)的運行是由一系列這樣的過程構(gòu)成的，其中可能產(chǎn)生風險的過程稱之為風險過程。具體分析管制系統(tǒng)每部分的運行過程，則可以得到管制運行中主要的風險過程，如圖1所示。

圖1 風險過程圖Fig.1 Risk process diagram

分析各個風險過程產(chǎn)生風險的原因，并提出具有針對性的風險控制策略，如及時調(diào)配管制員的在崗工作時間，實施雙崗工作制，提高管制員業(yè)務技能和安全意識，培養(yǎng)管制員良好的工作習慣，強化班組資源管理，提升軍民航協(xié)調(diào)能力，完善規(guī)章程序，關(guān)鍵管制設備備份，提升設備技術(shù)含量，提升管理者水平等。

由于上述具體的風險控制策略之間一定程度上存在重復性，如雙崗制工作制和班組資源管理，不利于資源的優(yōu)化配置。從“人”、“機”、“環(huán)境”“管理”4個角度系統(tǒng)地總結(jié)歸納上述具體的風險控制策略，并提出以下5點風險控制策略：提高領(lǐng)導組織和決策能力、加強員工的綜合素質(zhì)、更新、改良或備份相關(guān)設備、完善監(jiān)視和監(jiān)督措施、建立合理的管理制度。

3 管制系統(tǒng)運行中資源優(yōu)化配置模型

管制系統(tǒng)中各個風險過程的風險影響水平不同，降低各個風險過程的單位成本也不同，因此如何將有限資源投入風險控制，達到最大程度上降低風險的目的是一個優(yōu)化決策問題。有必要建立數(shù)學模型權(quán)衡各種矛盾，求出最優(yōu)風險控制決策方案。

3.1 模型的建立

模型規(guī)劃的目標是整體風險降低值最大，約束條件是風險控制的費用小于等于投入費用，各個風險過程風險值控制在風險最低值與風險最高值之間，模型的決策變量為危險環(huán)節(jié)風險值的降低值。管制系統(tǒng)運行中資源優(yōu)化配置模型為

其中：H為系統(tǒng)風險值的降低值；R為投入的風險控制總資源；ei為降低風險過程i風險的單位成本；wi為風險過程i的風險權(quán)重；Δpi為風險過程i風險值的降低值；pi1為風險過程i可以達到的風險最低值；pi2為可以接受風險過程i的風險最高值。

充分分析各個風險過程可能引發(fā)風險的原因，進而確定每個風險過程與風險控制策略的關(guān)聯(lián)度，進一步得到風險控制資源在具體實施策略中的分配

其中：Mk為各個控制策略所分配的資源；cki為控制策略k與風險過程的關(guān)聯(lián)度；ri為每個風險過程的資源分配情況。

3.2 模型的求解步驟

數(shù)學中常用圖解法和單純形法來求解滿足約束條件的目標函數(shù)的最優(yōu)解，但是圖解法只適用于2個變量的目標函數(shù)，單純形法則由于計算量相當大，步驟繁瑣，不宜采用。在Excel中建立電子表格模型，并利用其提供的“規(guī)劃求解”工具，能輕松快捷地解決該問題。其求解步驟[13]如下：

1）在工具菜單中選擇“規(guī)劃求解”，將目標函數(shù)值鍵入目標單元格，把決策變量輸入可變單元格里，同時選中“最大值”；

2）點擊對話框中的“添加”按鈕（Add），彈出添加約束對話框，輸入約束條件，將約束條件具體化，點擊“確定”按鈕回到“規(guī)劃求解”對話框；

3）點擊“選項”按鈕，在新彈出的對話框中，選中“采用線性模型”和“假定非負”選項，這就告訴了計算機要求解的問題是一個線性規(guī)劃問題以及非負約束，點擊“確定”再回到“規(guī)劃求解”對話框；

4）點擊“求解”按鈕，對所輸入的線性規(guī)劃問題進行求解；

5）通過風險過程與控制措施的關(guān)聯(lián)度矩陣，求得其控制措施決策方案。

4 算例分析

下面以塔臺管制運行為例來說明模型的有效性和可行性。某塔臺管制單位計劃投入12萬元資金對管制系統(tǒng)運行進行事前風險控制，以使整體的風險值保持在一個合理的水平。該管制單位根據(jù)通過對既往風險控制所獲得的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得到各個風險過程的單位成本e、風險權(quán)重w、可以接受的風險最高值pi1和可以降低達到的風險最低值pi2，如表1所示。

風險控制小組通過對管制系統(tǒng)各個風險過程的調(diào)研，具體分析每個風險過程可能會產(chǎn)生風險的原因，確定了風險環(huán)節(jié)與控制策略的關(guān)聯(lián)度，如表2所示。

利用建立資源優(yōu)化配置模型，在Excel表中輸入相應的目標函數(shù)和約束條件，通過規(guī)劃求解工具進行數(shù)據(jù)處理后，可得到各個風險過程所應降低的風險值及資源分布，從而得到最終的風險控制決策方案，如表3所示。

表1 初始值表Tab.1 Initial values

表2 風險過程與控制策略關(guān)聯(lián)度表Tab.2 Relational degree of risk process and control strategy

表3 資源配置結(jié)果Tab.3 Results of resourcs allocation

表3顯示，風險值降低了7.64，風險值的降低率為17.72%，所以優(yōu)化配置方案有利于管制運行風險的降低。對風險控制決策方案進行分析，發(fā)現(xiàn)“提高領(lǐng)導組織和決策能力”和“加強員工的綜合素質(zhì)”所投入的資源超過了總資源的50%，這比較符合實際運行情況：隨著技術(shù)的不斷進步，管制設備和管制措施的可靠性大大增加，管制系統(tǒng)運行的風險主要來源于人為因素，所以重點加強管制員工的綜合素質(zhì)，注重相關(guān)領(lǐng)導的組織和決策能力，可以有效降低管制系統(tǒng)的風險。

5 結(jié)語

利用過程方法分析管制系統(tǒng)運行中可能存在的風險過程，可以減少風險的遺漏現(xiàn)象，使分析出的風險過程更具有完整性，在此基礎(chǔ)上提出的風險策略才更全面，更具針對性更有效。建立合理的規(guī)劃模型，可以統(tǒng)籌各個風險過程，優(yōu)化配置風險控制資源，從而在受投入資源約束的情況下，能夠達到最好的風險控制效果。

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（責任編輯：黃 月）

Research on risk control decision in ATC system operation

ZHANG xiang1，LIU Bing2，LU Fei1
（1.Air Traffic Operation Planning and Safety Technology Key Lab of Tianjin，CAUC，Tianjin 300300，China；2.Tianjin Airlines Co.，Ltd.，Tianjin 300300，China）

First of all，according to the process methods，all the risk processes in ATC operation can be found，and control measures can be drawn from“people”，“machine”，“environment”and“management”.Secondly，resources can be distributed reasonably by a linear programming model，so implementation plan of control measures can be got.As a result，under constraint conditions of limited resources inputting，it can achieve the overall best risk control effect.Examples show that the model is reasonable and feasible.

ATC system operation；risk control；linear programming model；control measures

V355.1;V328

:A

:1674-5590(2015)02-0007-04

2014-03-12；

:2014-06-30

:國家自然基金項目（71171190）

張 翔（1978—），男，江蘇大豐，實驗師，工學碩士，研究方向為空中交通運輸規(guī)劃與管理.