楊 智，羅 帆

(武漢理工大學(xué)管理學(xué)院，湖北武漢 430070)

空管安全作為空管交通服務(wù)的核心戰(zhàn)略目標(biāo)面臨著新時(shí)期的新挑戰(zhàn)，如何從以往的以事后總結(jié)為重心轉(zhuǎn)向事前控制，將預(yù)警管理全面導(dǎo)入空管系統(tǒng)安全管理體系;如何在以往經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上，提高預(yù)警精度，提升預(yù)警決策能力是當(dāng)前亟待解決的課題之一。筆者以粗糙集為分析工具，通過(guò)對(duì)空管安全風(fēng)險(xiǎn)的整理歸納，在粗糙集屬性約簡(jiǎn)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化預(yù)警指標(biāo)選擇，從而減少主觀性，提高預(yù)警精度。

1 安全風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知與預(yù)警指標(biāo)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

基于空管安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的預(yù)警指標(biāo)設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了大量的相關(guān)研究。從目前的研究成果來(lái)看，主要從人、機(jī)、環(huán)、管4個(gè)子系統(tǒng)出發(fā)，通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及系統(tǒng)分析等方法，在危險(xiǎn)源識(shí)別的基礎(chǔ)上，設(shè)定風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控指標(biāo)［1-2］;在警情與警度測(cè)定方面，通過(guò)相關(guān)綜合評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用，將評(píng)估結(jié)果作為警度信號(hào)的輸出，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的目的［3-4］?？罩薪煌ò踩芾硎且豁?xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，基于事故誘因的安全風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知是預(yù)警管理中的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，其難點(diǎn)體現(xiàn)在風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)是否全面、具體及客觀等方面。指標(biāo)的選取通常針對(duì)空管系統(tǒng)中人的行為、機(jī)的狀況、環(huán)境的影響及管理的效能4個(gè)模塊，對(duì)所顯現(xiàn)的或潛在的致災(zāi)因素進(jìn)行識(shí)別和分類(lèi)，將由4個(gè)模塊下屬的若干風(fēng)險(xiǎn)因子構(gòu)成的集合，作為空管安全預(yù)警管理指標(biāo)體系的基礎(chǔ)，由此建立監(jiān)測(cè)方程，即Y=f(t，X1，X2，…，Xn)，其中，Y 為系統(tǒng)適時(shí)風(fēng)險(xiǎn)狀況;t為時(shí)間;X1，X2，…，Xn為指標(biāo)體系變量［5-7］。根據(jù)這種風(fēng)險(xiǎn)分類(lèi)模式，采用系統(tǒng)分析與層次分析的方法，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者根據(jù)不同的風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知程度，進(jìn)行了各子系統(tǒng)或行業(yè)系統(tǒng)的指標(biāo)設(shè)置［8］。

總的來(lái)說(shuō)，由人為致因、設(shè)備致因、環(huán)境致因及管理致因4個(gè)方面構(gòu)成空管安全風(fēng)險(xiǎn)的基本分類(lèi)框架，并在層次分析的基礎(chǔ)上建立各子系統(tǒng)的次級(jí)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控指標(biāo);同時(shí)，人-機(jī)-環(huán)-管各子系統(tǒng)間的相互影響及因素間的耦合作用產(chǎn)生的聯(lián)合致因也是風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型劃分的依據(jù)。由于預(yù)警監(jiān)控指標(biāo)的選擇容易產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)因子自身的客觀性、隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)性，并且人們認(rèn)知中的主觀性與局限性之間存在矛盾，因此指標(biāo)的選擇在很大程度上存在一定的主觀性、相關(guān)性及冗余性，體現(xiàn)在:

(1)層次性分類(lèi)無(wú)法涵蓋風(fēng)險(xiǎn)因子的復(fù)雜性特征。層次性劃分通?；趯哟畏治龅姆椒?，從目標(biāo)、準(zhǔn)則及指標(biāo)3個(gè)層面，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知進(jìn)行歸納總結(jié)和逐層細(xì)分，最終形成若干監(jiān)控指標(biāo)?；谶@種風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的分類(lèi)模式，雖有利于基于人的主觀認(rèn)識(shí)程度進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分類(lèi)，但指標(biāo)的選擇無(wú)法完全避免各層之間的相關(guān)性，從而產(chǎn)生冗余指標(biāo)。

(2)指標(biāo)間的相互作用規(guī)律無(wú)法得到有效認(rèn)知，因而不能有效地在指標(biāo)體系構(gòu)建中進(jìn)行知識(shí)提煉與總結(jié)，其主要制約體現(xiàn)在對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因子相互作用的復(fù)雜性度量模型的構(gòu)建難度上，往往一項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)度是諸多因素相互作用的結(jié)果，是一個(gè)非線性函數(shù)關(guān)系的綜合，其測(cè)度模型的建立難度較大，從而制約指標(biāo)在預(yù)警監(jiān)控中對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)識(shí)別的效能。

2 粗糙集在安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)選取中的優(yōu)勢(shì)

粗糙集的基本思想是通過(guò)案例庫(kù)的分類(lèi)歸納出概念和規(guī)則，通過(guò)案例庫(kù)的條件特征變量將案例庫(kù)分類(lèi)而形成概念，并通過(guò)生成的概念去研究目標(biāo)特征，從而得到關(guān)聯(lián)規(guī)則［9］。而空管安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警監(jiān)控指標(biāo)則是基于安全科學(xué)理論和引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)的主要因素，從零散的、局部的風(fēng)險(xiǎn)因素中提煉的，從更加宏觀的角度來(lái)反映空管運(yùn)行狀態(tài)，指標(biāo)來(lái)源于風(fēng)險(xiǎn)因素又高于風(fēng)險(xiǎn)因素［10］。由此可見(jiàn)，指標(biāo)的選取建立在對(duì)風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型識(shí)別的知識(shí)概念中，是一個(gè)分類(lèi)提煉的過(guò)程，而粗糙集理論作為處理模糊和不確定知識(shí)方面的數(shù)學(xué)工具，在運(yùn)用于空中交通管理安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)選取中有其自身的優(yōu)勢(shì):

(1)粗糙集的核心目標(biāo)是對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行有效的分類(lèi)，尋找大量數(shù)據(jù)中蘊(yùn)藏的知識(shí)，其特有的屬性約簡(jiǎn)功能可以保證在去除冗余屬性后，并不影響原有的分類(lèi)效果。因此，粗糙集具有篩選指標(biāo)的能力，可以用于從指標(biāo)體系中去掉冗余指標(biāo)，提取核心指標(biāo)。

(2)粗糙集能反映指標(biāo)之間的依賴(lài)關(guān)系，通過(guò)粗糙集對(duì)不同類(lèi)型的指標(biāo)進(jìn)行區(qū)分，可以判定哪些是絕對(duì)必要的，哪些是絕對(duì)不必要的，哪些是相對(duì)必要的，進(jìn)而運(yùn)用粗糙集方法從初建指標(biāo)體系中尋找最簡(jiǎn)指標(biāo)集，并歸納出指標(biāo)間相互依賴(lài)的關(guān)系。

(3)粗糙集能從大量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)指標(biāo)與結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則，發(fā)現(xiàn)效率高，抗噪音干擾能力強(qiáng)，使其具有較強(qiáng)的魯棒性和可操作性，從而保證指標(biāo)選取的客觀性。

3 空管安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)優(yōu)選概念界定

在預(yù)警評(píng)估的決策過(guò)程中，信息系統(tǒng)中的屬性對(duì)于決策者來(lái)說(shuō)通常并不是同等重要，屬性約簡(jiǎn)是指可以找到一個(gè)較小的屬性集B?A，使得可用A描述的對(duì)象集合必然可用B描述，從而消除冗余屬性，既可以簡(jiǎn)化分類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)，又可以更加深入地認(rèn)識(shí)分類(lèi)的實(shí)質(zhì)。這對(duì)于在考慮預(yù)警成本的基礎(chǔ)上，結(jié)合信息所提供的實(shí)際狀況分析當(dāng)前的主要風(fēng)險(xiǎn)影響因素，在不失決策精度的情況下有效進(jìn)行預(yù)警決策具有重要意義。運(yùn)用粗糙集進(jìn)行空管安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)選取時(shí)，其信息系統(tǒng)的形式定義及約簡(jiǎn)規(guī)則如下:

定義1 稱(chēng)(U，A，F(xiàn))為一個(gè)信息系統(tǒng)，其中U 為對(duì)象集，即 U={x1，x2，…，xn}，U 中的每個(gè)元素xi(i≤n)稱(chēng)為一個(gè)對(duì)象。A為屬性集，即A={a1，a2，…，an}，A 中的每個(gè)元素 al(l≤m)稱(chēng)為一個(gè)屬性。F為U與A之間的關(guān)系集，即F={fl:U→Vl(l≤m)}，其中 Vl為 al(l≤m)的值域。

定義2 設(shè)(U，A，F(xiàn))為一個(gè)信息系統(tǒng)，對(duì)于B?A，記RB={(xi，xj)fl(xi)=fl(xj)(al∈B)}，則RB為 U 上的等價(jià)關(guān)系，記［xi］B={xj(xi，xj) ∈RB}，則 U/RB={［xi］Bxl∈U}為U上的劃分。

定義3 設(shè)(U，A，F(xiàn))為一個(gè)信息系統(tǒng)，記U/RA={［xi］A∣ xl∈U}，D(［xi］A，［xj］A)={al∈A ∣ fl(xi)≠fl(xj)}，稱(chēng) D(［xi］A，［xj］A)為［xi］A與［xj］A的劃分辨識(shí)集，稱(chēng) D=(D(［xi］A，［xj］A)［xi］A，［xj］A∈U/RA)為信息系統(tǒng)劃分辨識(shí)矩陣。

定義4 設(shè)(U，A，F(xiàn))為一個(gè)信息系統(tǒng)，X?U，B?A，稱(chēng) X是可用 B簡(jiǎn)單描述的，若存在vl∈Vl(al∈B)，使 X={xi∣ fl(xi)=vl(al∈B)}，則記作 φ(X)=

定義 5 設(shè)(U，A，F(xiàn))為一個(gè)信息系統(tǒng)，Bk(k≤r)為所有劃分約簡(jiǎn)集，記 C=，a∈C 時(shí)稱(chēng) a 為劃分核心，稱(chēng)C為劃分核心集;a∈K時(shí)稱(chēng)a為劃分相對(duì)必要屬性，稱(chēng)K為劃分相對(duì)必要屬性集;a∈I時(shí)稱(chēng)a為劃分不必要屬性，稱(chēng)I為劃分不必要屬性集。

在數(shù)據(jù)挖掘過(guò)程中，粗糙集理論的核心是知識(shí)約簡(jiǎn)，其算法是在保持分類(lèi)能力不變的前提下，通過(guò)知識(shí)約簡(jiǎn)導(dǎo)出問(wèn)題的決策或分類(lèi)規(guī)則。根據(jù)以上定義可將知識(shí)約簡(jiǎn)的模式歸納如圖1所示。

圖1 信息系統(tǒng)屬性約簡(jiǎn)模式圖

4 實(shí)例分析

4.1 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系構(gòu)建

在文獻(xiàn)［3］和文獻(xiàn)［10］的研究中，已對(duì)空中交通安全相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了提煉，筆者借鑒以往的研究，并通過(guò)與某空管局下屬空管站合作調(diào)研，指出目前該空管系統(tǒng)的安全管理存在的問(wèn)題，主要?dú)w納為安全意識(shí)欠缺、安全基礎(chǔ)薄弱、規(guī)章制度執(zhí)行不力、人為因素“錯(cuò)忘漏”現(xiàn)象嚴(yán)重、設(shè)備維護(hù)保障不到位和外部環(huán)境變化等6大方面，并通過(guò)訪談提煉指標(biāo)26項(xiàng)，指標(biāo)預(yù)警閾值根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行界定，指標(biāo)體系如表1所示。

表1 空管部門(mén)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

4.2 數(shù)據(jù)離散化處理

通過(guò)對(duì)該局所屬的相關(guān)部門(mén)進(jìn)行調(diào)研及評(píng)估，主要針對(duì)空管技術(shù)保障部所屬的信息站、導(dǎo)航站、雷達(dá)站、修供站、終端站以及機(jī)場(chǎng)的塔臺(tái)、近進(jìn)管制室情況，基于日常監(jiān)測(cè)記錄并結(jié)合專(zhuān)家打分對(duì)8個(gè)測(cè)試對(duì)象的年度數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，對(duì)象集為{X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8}，各實(shí)測(cè)值以月度實(shí)測(cè)值為單位進(jìn)行簡(jiǎn)單算術(shù)平均，各評(píng)估分值以上年度各考評(píng)人評(píng)估值為單位進(jìn)行加權(quán)算術(shù)平均。由于在運(yùn)用粗糙集理論處理決策表時(shí)，要求決策表中的值用離散數(shù)據(jù)表達(dá)，對(duì)于部分值域?yàn)檫B續(xù)值的條件屬性，則先進(jìn)行離散化處理，對(duì)于部分離散數(shù)據(jù)，也需要將離散值進(jìn)行合并以得到更高抽象層次的離散值，離散化處理后的信息數(shù)據(jù)如表2所示。

4.3 屬性約簡(jiǎn)計(jì)算

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)信息，由于指標(biāo)數(shù)據(jù)所構(gòu)建的(U，A，F(xiàn))為信息系統(tǒng)，則其劃分約簡(jiǎn)集必然存在?；诖植诩畔⑾到y(tǒng)相關(guān)概念，若任意a∈A，RA-{a}≠RA，即不存在A的真子集為劃分協(xié)調(diào)集，則A即為劃分約簡(jiǎn)集;若存在a∈A，RA-{a}=RA，則研究 B1=A-{a}，若對(duì)于 b1∈B1，都有RB1-{b1}≠RA，則B1即為劃分約簡(jiǎn)集。重復(fù)以上過(guò)程，由于A為有限集，通過(guò)有限步總可以找到B?A，使得 RB=RA，且?b∈B，RB-≠RA，這時(shí) B 即為信息系統(tǒng)的一個(gè)劃分約簡(jiǎn)集，根據(jù)約簡(jiǎn)定義構(gòu)建信息系統(tǒng)劃分辨識(shí)矩陣，其劃分辨識(shí)矩陣如下:

表2 離散化數(shù)據(jù)信息表

通過(guò)對(duì)非空辨識(shí)矩陣的析取與合取，存在B1={U13U34U42U45}及 B2={U13U14U24U34}滿(mǎn)足RB-{a}≠RA，且滿(mǎn)足［xi］A∩［xj］A= Ф 時(shí) B∩Z(［xi］A，［xj］A)≠Ф，則最后確定 B1、B2為劃分約簡(jiǎn)集，根據(jù)定義可得出劃分核心為{U13U14}，相對(duì)必要屬性集為{U34U24U42U45}，其余為非必要屬性。經(jīng)過(guò)屬性約簡(jiǎn)計(jì)算，影響該空管部門(mén)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警監(jiān)測(cè)指標(biāo)分別為技術(shù)考核不合格率、安全意識(shí)和責(zé)任心、設(shè)備運(yùn)行及管理效率、飛行流量大小、管理規(guī)范執(zhí)行不力程度和技術(shù)培訓(xùn)有效性6項(xiàng)。

4.4 屬性重要性檢驗(yàn)

將屬性約簡(jiǎn)計(jì)算得到的約簡(jiǎn)集C，即指標(biāo){U13U14U24U34U42U45}進(jìn)行重要性檢驗(yàn)，其屬性重要性度量算法定義如下:

定義7 屬性a∈P相對(duì)于D的屬性重要性SGF(a，P，D)=DEP(P，D)-DEP(P-{a}，D)，即重要性體現(xiàn)在包含或不包含某條件屬性a時(shí)屬性P的正區(qū)域變化，重要性越高表明屬性對(duì)分類(lèi)所起的作用越大。

根據(jù)定義，約簡(jiǎn)后的指標(biāo)集{U13U14U24U34U42U45}的重要性計(jì)算數(shù)值均大于0，均為不可缺屬性，重要性計(jì)算結(jié)果與屬性約簡(jiǎn)的核心及相對(duì)必要屬性的劃分一致，其檢驗(yàn)數(shù)值如表3所示。

表3 指標(biāo)重要性度量表

4.5 監(jiān)測(cè)指標(biāo)現(xiàn)實(shí)性驗(yàn)證

根據(jù)約簡(jiǎn)所得屬性集中的關(guān)鍵指標(biāo)，通過(guò)進(jìn)一步訪談與實(shí)地調(diào)查進(jìn)行現(xiàn)實(shí)性驗(yàn)證，結(jié)果顯示該空管部門(mén)近年來(lái)的內(nèi)外環(huán)境變化特點(diǎn):①由于航空運(yùn)輸量的直線上升，陸續(xù)引進(jìn)一批年輕的管制員，在上崗過(guò)程中由于熟練帶班管制員人數(shù)不足，新管制員在崗培訓(xùn)機(jī)會(huì)相對(duì)缺乏，這一現(xiàn)象與飛行流量、管制技能和在崗培訓(xùn)的潛在風(fēng)險(xiǎn)因素密切相關(guān);②由于SMS體系的全面導(dǎo)入，各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)與制度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，管制員不適應(yīng)性增大，標(biāo)準(zhǔn)與制度在宣導(dǎo)與貫徹中的力度仍有待提高，這一結(jié)果與管制規(guī)范執(zhí)行效果的潛在風(fēng)險(xiǎn)相關(guān);③軍航活動(dòng)較為頻繁，管制變更增加，管制員工作壓力加大，特別在年輕管制員中反而造成責(zé)任意識(shí)因疲勞與壓力的增加而相對(duì)下降的現(xiàn)象，說(shuō)明在飛行流量增加的背景下，軍航影響與管制員、尤其是年輕管制員的管制技能及責(zé)任意識(shí)風(fēng)險(xiǎn)聯(lián)系緊密;④設(shè)備更新在近年來(lái)未做明顯調(diào)整，設(shè)備維護(hù)與設(shè)備穩(wěn)態(tài)運(yùn)行壓力逐漸加大，致使設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)隱患危害性相對(duì)突顯。

根據(jù)現(xiàn)實(shí)性調(diào)查，通過(guò)粗糙集屬性約簡(jiǎn)算法提煉的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)與該空管部門(mén)的實(shí)際情況相吻合。由此可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行預(yù)警監(jiān)控，有利于該空管局根據(jù)自身現(xiàn)狀，采取針對(duì)性的預(yù)警管控對(duì)策。

5 結(jié)論

通過(guò)利用粗糙集的屬性約簡(jiǎn)算法核心集的概念去掉冗余的條件屬性及重復(fù)信息，求出核心集，將核心集與相對(duì)必要屬性信息作為空中交通安全預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)所具代表性的主因子進(jìn)入預(yù)警監(jiān)控體系;其他非必要屬性則視為冗余信息，在預(yù)警動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與決策評(píng)估中不予重點(diǎn)考慮。這樣，一方面可以節(jié)省預(yù)警監(jiān)測(cè)成本;另一方面也利于決策者針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的主要影響因素，更為有效地減少預(yù)警評(píng)估決策模型的構(gòu)建難度并提高預(yù)警精度。

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