趙嶷飛，史永亮

（中國民航大學(xué)空中交通管理研究基地，天津 300300）

基于模糊綜合評價(jià)的航路交通態(tài)勢評估

趙嶷飛，史永亮

（中國民航大學(xué)空中交通管理研究基地，天津 300300）

針對中國航路交通態(tài)勢評估問題，通過引入態(tài)勢感知理論，構(gòu)建航路交通態(tài)勢評估的研究框架，建立起一個(gè)評估航路交通態(tài)勢的指標(biāo)體系，并給出了基于模糊綜合評價(jià)的航路交通態(tài)勢評估方法。通過對算例的計(jì)算和分析，驗(yàn)證了評估方法在空中交通態(tài)勢評估中的有效性和可行性。

航路交通態(tài)勢；評估；模糊綜合評價(jià)

隨著中國民航運(yùn)輸業(yè)的高速發(fā)展，空中交通量快速增長。在繁忙的管制地區(qū)頻繁出現(xiàn)由于交通擁擠而影響航班正常的現(xiàn)象，因而有必要對航路交通態(tài)勢進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)評估。

目前，國內(nèi)外學(xué)者或機(jī)構(gòu)在態(tài)勢方面的研究主要涉及戰(zhàn)場、道路、網(wǎng)絡(luò)安全等。在國外，Bass提出了利用入侵檢測系統(tǒng)的分布式傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的方法，對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢進(jìn)行評估[1]；美國國土安全部在TOPOFF演習(xí)中采用的VNN（virtual newsnet work虛擬新聞網(wǎng)絡(luò)）發(fā)布戰(zhàn)場態(tài)勢[2]。在國內(nèi)，西安交通大學(xué)實(shí)現(xiàn)了基于IDS和防火墻的集成網(wǎng)安監(jiān)控平臺(tái)，并提出了層次化安全態(tài)勢量化評估模型[3]；周崇喜等人采用SWOT模型提出了基于態(tài)勢分析法的長江渡運(yùn)安全策略研究[4]。目前，國內(nèi)外在空中交通態(tài)勢，特別是航路交通態(tài)勢評估方面的研究還處于起步階段，極待進(jìn)一步深入研究。

本文結(jié)合公路網(wǎng)交通安全態(tài)勢評估方面的知識，首先闡述了航路交通態(tài)勢的相關(guān)概念；其次，在研究態(tài)勢感知理論的基礎(chǔ)上構(gòu)建了航路交通態(tài)勢評估的總體框架；最后采用模糊綜合評價(jià)法對特定航路的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行了綜合評估。

1 相關(guān)概念描述

航路交通態(tài)勢是對航路運(yùn)行狀況的宏觀描述。通過航路交通態(tài)勢評估得到航路態(tài)勢值，從而確定其態(tài)勢等級，進(jìn)而針對不同態(tài)勢等級實(shí)施有效的調(diào)整方案。要開展態(tài)勢評估的研究工作，首先要明確航路交通態(tài)勢、航路態(tài)勢值以及航路態(tài)勢評估等相關(guān)概念。

1.1 航路交通態(tài)勢

態(tài)勢，顧名思義，狀態(tài)和趨勢。它是一種狀態(tài)，一種趨勢，是一個(gè)整體和全局的概念，任何單一的情況或狀態(tài)都不能稱之為態(tài)勢。交通態(tài)勢指研究區(qū)域（興趣感應(yīng)區(qū)域）內(nèi)所有交通實(shí)體部署和行為所構(gòu)成的狀態(tài)和形勢[5]，航路同樣具有在一定范圍、內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、受多因素影響等特征。因此，航路交通態(tài)勢是對航路運(yùn)行狀況的宏觀描述。

1.2 航路交通態(tài)勢值

根據(jù)航路交通態(tài)勢的定義本文認(rèn)為，航路交通態(tài)勢值是把具有一定相關(guān)性，能夠反映航路擁擠原因的某些特征信息提取出來，運(yùn)用一系列數(shù)學(xué)方法，將這些航路擁擠信息歸并融合成一組或幾組有意義的數(shù)值。這些數(shù)值具有表現(xiàn)航路運(yùn)行狀況的特性，是航對交通態(tài)勢的定量表達(dá)。

航路交通態(tài)勢值產(chǎn)生過程如圖1所示。

圖1 航路態(tài)勢值的產(chǎn)生過程Fig.1 Route traffic status generating process

通過數(shù)值變化可以準(zhǔn)確把握航路態(tài)勢處于何種級別，以此為基礎(chǔ)確定恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)行指揮方案。

1.3 航路交通態(tài)勢評估

態(tài)勢評估最初出現(xiàn)在航空領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域，后來逐漸推廣到其他技術(shù)領(lǐng)域，包括交通管理、生產(chǎn)控制、物流管理、醫(yī)學(xué)研究和人類工程學(xué)等[1-4]。態(tài)勢評估包括態(tài)勢元素提取、當(dāng)前態(tài)勢分析和態(tài)勢預(yù)測，最終得出態(tài)勢值和相應(yīng)的態(tài)勢等級，為相關(guān)人員提供輔助決策信息。

航路交通態(tài)勢評估包含了兩層含義：一是根據(jù)航路相關(guān)實(shí)時(shí)信息，進(jìn)行關(guān)聯(lián)歸并，數(shù)據(jù)融合，實(shí)時(shí)的反映航路實(shí)際的運(yùn)行狀況；二是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行一定的處理分析，采用數(shù)據(jù)挖掘等手段對未來可能的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測。本文重點(diǎn)對第一層含義進(jìn)行研究。

2 航路交通態(tài)勢評估研究框架

態(tài)勢感知理論是航路交通態(tài)勢評估的理論基礎(chǔ)。在這里引人態(tài)勢感知理論，明確了航路交通態(tài)勢感知要素，根據(jù)態(tài)勢感知三級模型，構(gòu)建了航路交通態(tài)勢評估的研究框架，為評估技術(shù)的需求提供了理論依據(jù)。

2.1 態(tài)勢感知理論

態(tài)勢感知這一概念源于航天飛行的人為因素（Human Factors）研究[6]，被用來描述飛行員對當(dāng)前情境的觀察、理解及做出決策的過程，這就構(gòu)成了飛行員大腦中的意識框架。此后在核反應(yīng)控制、軍事戰(zhàn)場、醫(yī)療應(yīng)急調(diào)度及空中交通監(jiān)管等領(lǐng)域被廣泛地研究。在文獻(xiàn)[6]中，Endsley把態(tài)勢感知定義為感知在一定的時(shí)間和空間環(huán)境中的元素，包括其現(xiàn)在的狀況和其未來的發(fā)展趨勢。

2.2 航路交通態(tài)勢感知

航路交通態(tài)勢感知是從各層面的航路交通態(tài)勢影響因素出發(fā)，分析影響交通態(tài)勢的主要因子及其關(guān)聯(lián)性；對航路中各元素形成的感知領(lǐng)悟，以及對其即將發(fā)展的狀態(tài)趨勢的理解與預(yù)測。

航路交通態(tài)勢感知本身是一個(gè)系統(tǒng)工程，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列流程的處理最終形成對航路狀態(tài)的宏觀認(rèn)識。態(tài)勢感知是信息融合的過程，是一個(gè)從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)到抽象信息，進(jìn)而到獲取高層知識的過程。

2.3 航路交通態(tài)勢評估的研究框架

基于態(tài)勢感知理論的航路交通態(tài)勢評估由態(tài)勢要素獲取、態(tài)勢理解和態(tài)勢預(yù)測3個(gè)層次構(gòu)成。態(tài)勢要素獲取層是研究框架的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)獲取交通基礎(chǔ)信息。態(tài)勢理解層是從交通態(tài)勢的影響因素分析著手，研究交通態(tài)勢的主要因素及其關(guān)聯(lián)性。態(tài)勢預(yù)測層是研究框架的核心，是對航路各元素的感知領(lǐng)悟，以及對其即將發(fā)展的狀態(tài)趨勢的理解。態(tài)勢預(yù)測層負(fù)責(zé)建立航路交通態(tài)勢評價(jià)指標(biāo)體系和分級標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建評價(jià)和預(yù)測模型，對航路交通態(tài)勢進(jìn)行多角度、多層次、全方位的實(shí)時(shí)評估，如圖2所示。

圖2 航路交通態(tài)勢評估研究框架Fig.2 Route traffic status assessment framework

3 航路交通態(tài)勢評估

航路交通態(tài)勢的評估是一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題。目前，常用的方法主要有：層次分析法（AHP）、模糊層次分析法（FAHP）、模糊綜合評價(jià)法等。

FAHP簡化了人們判斷目標(biāo)相對重要性的復(fù)雜程度，借助優(yōu)先關(guān)系矩陣實(shí)現(xiàn)對決策由定性向定量的轉(zhuǎn)化，直接由優(yōu)先關(guān)系矩陣構(gòu)造模糊一致矩陣使判斷的一致性問題得到解決，因此比傳統(tǒng)層次的AHP更科學(xué)、更簡便。但FAHP在進(jìn)行判斷目標(biāo)的總體評價(jià)時(shí)，缺乏一個(gè)統(tǒng)一的、具體的指標(biāo)量化方法。因此，這就需要將模糊層次分析法與模糊綜合評價(jià)法相結(jié)合，即首先用模糊層次分析法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，然后用模糊綜合評價(jià)法進(jìn)行綜合評價(jià)。

將評價(jià)系統(tǒng)分為2個(gè)層評價(jià)結(jié)構(gòu)，第一層指標(biāo)包括航路外部限制、航路自身狀態(tài)2項(xiàng)指標(biāo)，第2層有9項(xiàng)量化指標(biāo)。具體指標(biāo)分類[7]如圖3所示。

圖3 航路交通態(tài)勢評估指標(biāo)體系Fig.3 Route traffic status assessment index system

1）建立權(quán)重集

權(quán)重指標(biāo)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、現(xiàn)場調(diào)研以及專家分析綜合得出。

一級指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重wi（i=1，2，…，m），一級指標(biāo)權(quán)重集 W={w1，w2，…，wm}。

2）建立評判集

評判集是可能評價(jià)結(jié)果的集合，表示為V={v1，v2，…，vk}，其中各元素 vt（t=1，2，…，t）代表各種可能的評判結(jié)果。

3）模糊綜合評判[8]

它是綜合一類因素中各個(gè)因素對評判對象取值的貢獻(xiàn)得出的單因素模糊評判。假設(shè)對評判對象按一級指標(biāo)集中第i類指標(biāo)的第j個(gè)因素進(jìn)行評判，第j個(gè)因素對評判集中第t個(gè)元素vt的隸屬程度為eijt（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n；t=1，2，…，k），可得一級指標(biāo)中第i類指標(biāo)的隸屬度矩陣Ei，則一級模糊評判向量Bi=Wi·Ei=（bi1，bi2，…，bij）。

式中，m，k表示隸屬程度，本文設(shè)定為4級。

隸屬度矩陣Ei和bij以為元素組建的一級模糊綜合評判矩陣分別為

式中，Ei表示第i類指標(biāo)的隸屬度矩陣；eijt表示每個(gè)元素的隸屬程度；B表示一級模糊評判向量矩陣；bij表示評價(jià)集中每元素的隸屬度。

4）處理結(jié)果

評估結(jié)果處理用加權(quán)平均法處理

式中，bit表示評價(jià)集中每元素的隸屬度；vt每個(gè)元素評價(jià)結(jié)果。

航路交通當(dāng)前狀態(tài)ηsitu是航路外部限制ηouter和航路自身狀態(tài)ηinner的綜合反映

式中，α1和α2分別是航路外部限制和航路自身的權(quán)重，α1+ α2=1。

4 算例分析

4.1 航路自身狀態(tài)的計(jì)算

在航路運(yùn)行狀態(tài)中，通常采用4分制，將模糊評判集分為 4級，4-1級分別表示嚴(yán)重?fù)頂D（v1）、擁擠（v2）、輕度擁擠（v3）、暢通（v4）。評判集為 V={v1，v2，v3，v4}。

根據(jù)某民航單位的的實(shí)際情況，采用同行評議統(tǒng)計(jì)法確定指標(biāo)隸屬度，在實(shí)際操作過程中，邀請10位專家組組成評判小組進(jìn)行評判[9]：

式中：nt表示贊同某指標(biāo)歸屬于第t個(gè)評判集的評價(jià)人數(shù)；n表示參加評估的專家總?cè)藬?shù)。

航路自身狀態(tài)評估指標(biāo)數(shù)據(jù)如表1所示。

運(yùn)用式（1）通過計(jì)算，得到模糊綜合評判為：

表1 航路自身狀態(tài)評估指標(biāo)數(shù)據(jù)Tab.1 Route themselves state evaluation index data

以結(jié)果向量為權(quán)重，運(yùn)用式（2）對評價(jià)集加權(quán)后的計(jì)算結(jié)果為2.87，該結(jié)果就是航路自身狀態(tài)體現(xiàn)，與模糊評判集相對照，航路狀態(tài)度處于中輕度擁擠與擁擠之間，且接近擁擠。

4.2 航路外部限制的計(jì)算

航路外部限制評估指標(biāo)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 航路外部限制評估指標(biāo)數(shù)據(jù)Tab.2 Route external restrictions evaluation index data

同理通過計(jì)算可得模糊綜合評判為

對其進(jìn)行加權(quán)后的計(jì)算結(jié)果為2.85。對照評判集，該結(jié)果位于中輕度擁擠與擁擠之間。

4.3 當(dāng)前態(tài)勢的計(jì)算與分析

依據(jù)歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和專家分析取α1=0.4，α2=0.6，根據(jù)航路當(dāng)前狀態(tài)計(jì)算式（3）得

介于中輕度擁擠與擁擠之間，接近擁擠。

4.4 航路交通態(tài)勢預(yù)測

預(yù)測技術(shù)一般可分為定量預(yù)測和定性預(yù)測：定量預(yù)測是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，采用移動(dòng)平均法、指數(shù)平滑法、時(shí)間序列分解法和回歸分析法進(jìn)行預(yù)測；定性預(yù)測是根據(jù)一定的數(shù)據(jù)資料，結(jié)合人的經(jīng)驗(yàn)和分析能力，用系統(tǒng)的、邏輯的思維方法，把有關(guān)資料加以綜合，進(jìn)行預(yù)測[10]。當(dāng)前典型的預(yù)測算法有：回歸分析法，時(shí)間序列預(yù)測法，灰色模型法，貝葉斯預(yù)測算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法等。

在航路交通態(tài)勢的研究中，對所需關(guān)心的預(yù)測量有兩種描述：一種是得到一個(gè)預(yù)測值；另一種是得到一個(gè)滿足一定置信度要求的預(yù)測區(qū)間，即點(diǎn)預(yù)測和區(qū)間預(yù)測。航路交通態(tài)勢的變化具有一定的規(guī)律性和時(shí)序性，因而一般預(yù)測方法的基本規(guī)則和步驟在此同樣適用。

5 結(jié)語

本文對航路交通態(tài)勢相關(guān)概念進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，構(gòu)建了基于態(tài)勢感知理論的航路交通態(tài)勢評估的研究框架，采用模糊綜合評價(jià)的方法對航路當(dāng)前態(tài)勢進(jìn)行了計(jì)算。由于采用專家打分方法進(jìn)行態(tài)勢評估具有較大的主觀性，需要在以后的研究中進(jìn)一步改進(jìn)。

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Evaluation of Route Traffic Status Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation Algorithm

ZHAO Yi-fei，SHI Yong-liang
（Air Traffic Management Research Base，CAUC，Tianjin300300，China）

Aiming at route traffic status assessment problems in our country， base on situation awareness theory， a research framework of the evaluation is constructed and an assessment index system of air traffic status is established.Finally the fuzzy comprehensive evaluation method in the air traffic status is proved.

route traffic status； evaluation；fuzzy comprehensive evaluation

V355

A

1674－5590（2011）01－0005－04

2010-07-07；

2010-12-07

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（ZXH2009A004、ZXH2010C010）；天津市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（08ZCKFGX04100）

趙嶷飛（1971—），男，湖南常德人，教授，博士，研究方向?yàn)榭罩薪煌ü芾?

（責(zé)任編輯：李 侃）