唐家文，董兵

(中國民用航空飛行學(xué)院 空中交通管理學(xué)院， 廣漢 618307)

0 引 言

安全運營一直都是民航運輸業(yè)發(fā)展追求的目標(biāo)，也是全社會關(guān)注的焦點?？展芟到y(tǒng)在航空運輸安全運營中起著非常特殊的作用，航空運輸安全事故的發(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)險壓力越來越大，有必要對空管系統(tǒng)開展安全風(fēng)險科學(xué)評價，保證航空運輸系統(tǒng)的安全、正常、高效。

針對空管系統(tǒng)安全風(fēng)險問題，國外，S.Ternov等建立了基于事故的空管安全風(fēng)險程序模型，運用擾亂作用障礙分析法對空中交通管理運行風(fēng)險進(jìn)行了研究；S.Huan-Jyh首次采用比例風(fēng)險模型對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)險事故的主要原因；L.Flavior等通過隨機Perti網(wǎng)對空管系統(tǒng)安全進(jìn)行了評價。但是障礙分析法是一種定性分析方法，不能對空管安全風(fēng)險進(jìn)行量化研究；比例風(fēng)險模型在使用時各危險因素的作用不能隨時間而變化，不能反映安全變化趨勢；Perti網(wǎng)所具有的精確性不能反映空管安全風(fēng)險所存在的模糊性。國內(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價法對空管系統(tǒng)安全風(fēng)險進(jìn)行了評價；文興忠建立了空管安全風(fēng)險評價的灰色多層次模型；袁丁等應(yīng)用證據(jù)合成理論對空管安全開展了評價；趙嶷飛等引入集對論對空中交通管制運行風(fēng)險進(jìn)行了分析；Chang Y H應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計方法對臺灣地區(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價對象不能太多，否則計算量過大，且對評價目標(biāo)經(jīng)驗數(shù)據(jù)要求較高；模糊綜合評價法容易受到評價者主觀性的影響，造成評價精度較低；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)計方法高度依賴于事故發(fā)生樣本，需要與空管系統(tǒng)安全風(fēng)險樣本之間保持一致性，限制了數(shù)理統(tǒng)計方法在該領(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議，在計算方面存在指數(shù)爆發(fā)的可能性；集對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]之間不僅簡單粗糙，而且不能對客觀事物或系統(tǒng)的演化規(guī)律進(jìn)行充分展示，在評價中存在不相容的問題，容易遺漏所需的評價信息。物元理論是研究不相容問題的常用方法，具有計算量相對較小，計算比較簡單，對于復(fù)雜的多指標(biāo)問題，易于用計算機進(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，近年來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)安全運行的實際，構(gòu)建空管系統(tǒng)安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系，引入歐幾里得距離函數(shù)確定評價指標(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)險評價物元模型，并進(jìn)行實例驗證。

1 空管系統(tǒng)安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系

1.1 安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系構(gòu)建

對空管系統(tǒng)進(jìn)行安全風(fēng)險評價的先決條件是構(gòu)建科學(xué)合理的評價指標(biāo)。遵循系統(tǒng)性、科學(xué)性、全面性、可比性和可行性等評價指標(biāo)構(gòu)建原則，結(jié)合中國民航局已經(jīng)實施使用的《空管安全審計》和《空中交通服務(wù)安全評估系統(tǒng)》等管制規(guī)定，綜合考慮空管系統(tǒng)安全風(fēng)險的產(chǎn)生會受到人為因素(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、環(huán)境與管理”等因素的空管系統(tǒng)安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系(如表1所示)，該評價指標(biāo)是由4個一級指標(biāo)和22個二級評價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)險評價指標(biāo)體系

1.2 評價指標(biāo)權(quán)重的組合賦權(quán)法

在評價空管系統(tǒng)的安全風(fēng)險時，評價指標(biāo)權(quán)重的確定將直接影響評價結(jié)果的準(zhǔn)確性。權(quán)重計算方法主要有主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。常用的主觀賦權(quán)法為層次分析法，也是目前研究空管系統(tǒng)安全風(fēng)險時確定權(quán)重的主要方法。盡管層次分析法存在受限于評價對象的數(shù)目會產(chǎn)生計算量過大的問題，但是由于空管系統(tǒng)安全風(fēng)險的評價指標(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題轉(zhuǎn)化為定量研究，以及原理簡單易理解的特點，因此選擇層次分析法作為確定空管系統(tǒng)安全風(fēng)險評價指標(biāo)的主觀權(quán)重。

考慮評價者的主觀意愿會對層次分析法結(jié)果產(chǎn)生影響，使得評價指標(biāo)權(quán)重的主觀性太強，引入客觀賦權(quán)方法有序加權(quán)平均(OWA)算子，與主觀賦權(quán)方法層次分析法相結(jié)合。通過組合賦權(quán)的方法確定空管系統(tǒng)安全風(fēng)險評價指標(biāo)權(quán)重，組合賦權(quán)既能夠有效彌補層次分析法存在的缺陷，又能夠考慮到OWA算子可能會因過于依賴指標(biāo)數(shù)據(jù)而出現(xiàn)的偏差，能相對客觀準(zhǔn)確地反映評價指標(biāo)之間的權(quán)重關(guān)系。

采用組合賦權(quán)方法確定評價指標(biāo)權(quán)重時，通過線性加權(quán)組合方法確定評價指標(biāo)的權(quán)重，有：

(1)

式中：

x

為層次分析法確定的評價指標(biāo)的主觀權(quán)重值；

y

為OWA算子確定的評價指標(biāo)的客觀權(quán)重值；

α

、

β

分別為評價指標(biāo)的主、客觀權(quán)重的偏好系數(shù)。應(yīng)用線性加權(quán)組合法最關(guān)鍵的步驟是確定主、客觀權(quán)重的偏好系數(shù)

α

、

β

。在目前研究中，偏好系數(shù)的取值通常由評價者的經(jīng)驗來決定，具有一定的主觀性和隨意性，既不客觀也不合理，給評價結(jié)果帶來不利影響。為了盡可能地縮小由于主觀隨意性對組合權(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)影響顯著的問題。采用歐幾里得距離函數(shù)

d

(

x

,

y

)確定評價指標(biāo)的主、客觀權(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)險評價指標(biāo)的組合權(quán)重值。

2 空管系統(tǒng)安全風(fēng)險評價物元模型

2.1 物元的基本概念

假設(shè)

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，被稱為物元。當(dāng)事物

N

具有

n

個特征

C

,

C

,…,

C

，其對應(yīng)的特征量值為

X

,

X

,…,

X

時，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)險評價的思路為：第一步由構(gòu)成空管系統(tǒng)安全風(fēng)險評價的相應(yīng)指標(biāo)組成評價備選集；第二步計算空管系統(tǒng)安全風(fēng)險評價指標(biāo)的特征值，通過將評價指標(biāo)按照不同等級進(jìn)行物元變換，得到所評價的空管系統(tǒng)安全風(fēng)險的物元；第三步計算空管系統(tǒng)安全風(fēng)險評價指標(biāo)和對應(yīng)的風(fēng)險評價等級集合的關(guān)聯(lián)度，并在關(guān)聯(lián)度計算結(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)險所隸屬的等級。

2.2 物元模型的表示方法

以空管系統(tǒng)安全風(fēng)險評價為事物，評價指標(biāo)

C

為特征，評價指標(biāo)的取值為特征值

X

，空管系統(tǒng)安全風(fēng)險評價物元可描述為

(3)

式中：

N

為對象，即空管系統(tǒng)安全風(fēng)險；

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

為各特征對應(yīng)的特征值。

2.3 單項評價指標(biāo)評價物元

空管系統(tǒng)安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系中的一級評價指標(biāo)集合

C

=(

C

,

C

,…,

C

)，(

f

=4)，評價指標(biāo)

C

對應(yīng)的二級評價因子集合

C

=(

C

1,

C

2,…,

C

)，

C

表示第

f

類評價指標(biāo)中的第

i

個評價因子，

n

在4個評價指標(biāo)中對應(yīng)的取值分別為7、4、6、5。

在評價空管系統(tǒng)安全風(fēng)險時，需要先評價安全風(fēng)險中的每一個單項指標(biāo)，再對空管系統(tǒng)的整體安全風(fēng)險狀況進(jìn)行綜合評價。單項指標(biāo)評價就是對表1中四個一級指標(biāo)進(jìn)行物元評價，分別構(gòu)建四個評價指標(biāo)的經(jīng)典域、節(jié)域以及待評物元，同時計算各等級對應(yīng)的關(guān)聯(lián)度。

四個指標(biāo)關(guān)聯(lián)度計算分別為：

(1) 確定空管系統(tǒng)安全風(fēng)險評價經(jīng)典域

(4)

式中：

R

為安全風(fēng)險等級為第

j

級時，空管系統(tǒng)安全狀況對應(yīng)的物元模型；

N

為評價指標(biāo)

C

(如人為因素等)對應(yīng)的第

j

級安全風(fēng)險等級(

j

=1,2,…,

m

)；

X

為空管系統(tǒng)的安全風(fēng)險等級在第

j

級時第

i

項評價因子的取值范圍，就是評價因子在安全風(fēng)險等級為第

j

級時所對應(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)險物元評價模型的節(jié)域；

N

為空管系統(tǒng)安全風(fēng)險等級的集合；

X

為

N

對應(yīng)于特征

C

的特征值，取值范圍為<

a

,

b

>。

(3) 確定待評物元

當(dāng)待評物元對象為

N

(如人為因素等)時，通過對

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)險中單項評價指標(biāo)的待評物元；

N

為需要評價的指標(biāo)；

Y

為

N

對于特征

C

的量值，具體取值由空中交通管理安全風(fēng)險專家評分處理后得到。

(4) 單因子關(guān)聯(lián)度

評價指標(biāo)相對于安全風(fēng)險各個等級

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

確定待評物元

N

(如人為因素)在安全風(fēng)險的等級為

j

時的關(guān)聯(lián)度

K

(

N

)：

(10)

式中：

w

為評價指標(biāo)

C

所屬的權(quán)重值，由組合賦權(quán)計算得到。

2.4 綜合評價

對于待評事物

N

(空管系統(tǒng)安全風(fēng)險)，當(dāng)其安全風(fēng)險的等級為

j

級時的關(guān)聯(lián)度

K

(

N

)通過式(11)得到：

(11)

式中：

w

為評價指標(biāo)

C

的組合賦權(quán)權(quán)重值。

通過計算空管系統(tǒng)對應(yīng)不同安全風(fēng)險等級的關(guān)聯(lián)度，基于最大隸屬度原則，得到空管系統(tǒng)安全風(fēng)險的實際安全風(fēng)險狀況。具體為

(12)

(13)

式中：

J

為所評的物元-空管系統(tǒng)安全風(fēng)險

N

所對應(yīng)的風(fēng)險等級特征值，即空管系統(tǒng)的安全風(fēng)險等級。

3 實例分析

將組合賦權(quán)方法和物元理論對某空中交通管制單位的空管系統(tǒng)安全風(fēng)險進(jìn)行評價，本文將空管系統(tǒng)的安全風(fēng)險劃分為5個(取

m

=5)等級，分別對應(yīng)為Ⅰ級(很安全)、Ⅱ級(安全)、Ⅲ級(較安全)、Ⅳ級(不安全)，Ⅴ(很不安全)，每個評價指標(biāo)所對應(yīng)的各等級取值范圍如表1所示，通過邀請8位空管領(lǐng)域的安全管理專家進(jìn)行專家評分，經(jīng)整理得到每項評價因子的原始數(shù)據(jù)(如表1所示)。

3.1 評價指標(biāo)權(quán)重的組合賦權(quán)

應(yīng)用層次分析法(AHP)和有序加權(quán)平均(OWA)算子，分別對空管系統(tǒng)的安全風(fēng)險評價指標(biāo)進(jìn)行主、客觀權(quán)重計算，然后根據(jù)公式(1)和公式(2)進(jìn)行組合權(quán)重計算，限于文章篇幅所限，評價指標(biāo)的組合權(quán)重值表如2所示(其中偏好系數(shù)

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應(yīng)的評價因子的組合權(quán)重值如表3所示。

表2 一級評價指標(biāo)組合權(quán)重值

表3 二級評價指標(biāo)組合權(quán)重值

3.2 單項評價指標(biāo)的物元綜合評價

由于對每個單項評價指標(biāo)進(jìn)行物元綜合評價過程是相同的，因此以人為因素評價指標(biāo)為例，具體介紹評價過程。

(1) 確定人為因素評價指標(biāo)的經(jīng)典域、節(jié)域、待評物元

①經(jīng)典域物元

②節(jié)域物元

③待評物元

(2) 計算待評物元的評價因子關(guān)聯(lián)度和評價指標(biāo)綜合關(guān)聯(lián)度

根據(jù)組合賦權(quán)方法得到評價指標(biāo)組合權(quán)重值后，根據(jù)式(7)～式(10)，計算空管系統(tǒng)安全風(fēng)險中人為因素指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度。同理的計算過程，可以分別得到設(shè)備因素、環(huán)境因素和管理因素對應(yīng)的評價因子的關(guān)聯(lián)度和評價指標(biāo)的綜合關(guān)聯(lián)度，結(jié)果如表4所示。

3.3 整體綜合評價

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)險的綜合關(guān)聯(lián)度、安全風(fēng)險等級以及對應(yīng)的特征值，結(jié)果如表5所示。該空管系統(tǒng)的安全風(fēng)險綜合特征值為2.096 8，意味著其準(zhǔn)確的安全風(fēng)險等級為二級，說明其安全風(fēng)險狀況屬于Ⅱ級，即安全的狀況。

表4 評價指標(biāo)關(guān)于各等級的關(guān)聯(lián)度

表5 空中交通管理系統(tǒng)安全風(fēng)險綜合評價結(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值分別為2.235 4和2.502 1，均高于綜合安全等級值2.096 8，應(yīng)重點關(guān)注空管系統(tǒng)中的設(shè)備因素和管理因素，尤其要加強影響空管系統(tǒng)安全風(fēng)險的管理因素?？梢娢镌椒瓤梢缘玫娇展芟到y(tǒng)的整體安全風(fēng)險水平，又可以得到各個評價指標(biāo)的安全風(fēng)險等級。相關(guān)管理部門可以針對不同評價指標(biāo)存在的安全風(fēng)險問題進(jìn)行相應(yīng)的整改，從而提高空管系統(tǒng)的安全風(fēng)險管理能力，保障航空運輸?shù)陌踩\行。

4 結(jié) 論

(1) 將物元分析理論應(yīng)用于空管系統(tǒng)安全風(fēng)險評價，構(gòu)建了空管系統(tǒng)安全風(fēng)險物元評價模型，不僅解決了空管系統(tǒng)安全風(fēng)險評價中的不相容問題，而且能夠正確反映空管系統(tǒng)安全風(fēng)險中事物質(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)險評價指標(biāo)的權(quán)重，能夠更真實地反映出空管系統(tǒng)安全風(fēng)險的實際，使研究結(jié)論更能體現(xiàn)空管系統(tǒng)安全風(fēng)險的現(xiàn)狀。

(3) 空管系統(tǒng)安全風(fēng)險的物元評價，既可以得到空管系統(tǒng)安全風(fēng)險的整體安全風(fēng)險等級，又可以得到每個評價指標(biāo)的安全水平狀況，可以找到空管系統(tǒng)中存在安全風(fēng)險的不足之處，為指導(dǎo)空管系統(tǒng)改進(jìn)安全風(fēng)險提供了理論依據(jù)。

(4) 物元評價方法能夠充分利用評價指標(biāo)的信息，使得評價結(jié)果準(zhǔn)確可靠，并與空管系統(tǒng)安全風(fēng)險的可拓物元特征相適應(yīng)，為開展空管系統(tǒng)的安全風(fēng)險評價提供了一種新思路。