張宗路 張兆寧

中國民航大學(xué)，國家空管運行安全技術(shù)重點實驗室，天津 300300

0 引 言

跑道入侵是一種嚴(yán)重影響機(jī)場安全，容易導(dǎo)致災(zāi)難性人員傷亡事故的不安全事件。跑道入侵是一個普遍的問題，每個機(jī)場都存在跑道入侵的風(fēng)險，而且隨著交通量的增長，跑道入侵也將不斷增加。根據(jù)加拿大運輸部的一項研究，一個機(jī)場的交通量增加20%將使跑道侵入可能性增大140%[1]。跑道入侵已經(jīng)成為各國民航組織急需解決的問題。

國際民航大國很早就開始對跑道入侵進(jìn)行研究。從2001 年開始，F(xiàn)AA 跑道安全辦公室每年都發(fā)布一個跑道安全報告，對美國跑道安全狀況及發(fā)生的跑道入侵進(jìn)行統(tǒng)計和分析，在防止跑道入侵的工作上取得了明顯成效[2]；2001 年，ICAO 空中航行委員會開始采取行動解決跑道入侵問題，并于2006 年發(fā)布了《防止跑道入侵手冊》[3]；2007 年，EUROCONTROL 經(jīng)過大量的事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計和實地調(diào)研，應(yīng)用列表式方法建立了跑道入侵風(fēng)險評價模型（ARIA）[4-5]；2012 年2 月，Dohyun Kim 等以韓國金浦機(jī)場為研究對象，提取出15 個跑道入侵風(fēng)險評價指標(biāo)，使用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，并應(yīng)用故障樹分析法對金浦機(jī)場跑道入侵風(fēng)險進(jìn)行了評價[6]。

國內(nèi)對跑道入侵的研究起步較晚。2007 年，孫瑞山等分析了國際上對跑道入侵的研究成果以及所采取的預(yù)防對策和措施，為開展中國跑道入侵問題的研究提供了借鑒和引導(dǎo)[7]。2008 年高揚等綜合運用時間序列分析方法，建立美國民航運輸安全中的機(jī)場跑道入侵的ARMA 模型，揭示出民航跑道入侵的動態(tài)變化規(guī)律[8]。2010 年，許桂梅等將認(rèn)知可靠性與失誤分析方法運用于跑道入侵風(fēng)險評價，提出了一種跑道入侵風(fēng)險評價的新方法，構(gòu)建了基于人的可靠性的跑道入侵風(fēng)險評價模型[9]。同年，徐桂梅、黃圣國又從人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程的角度建立了跑道入侵風(fēng)險評價指標(biāo)體系對跑道入侵風(fēng)險進(jìn)行了評價[10]。

上述建立的評價指標(biāo)體系太過籠統(tǒng)，指標(biāo)體系中所有評價指標(biāo)均為定性指標(biāo)，降低了評價的準(zhǔn)確性和可執(zhí)行性。而且，在風(fēng)險等級評價時，采用受主觀因素影響很大的專家打分的方法，評價結(jié)果缺乏客觀性。影響跑道入侵的因素有很多，包括人為因素、環(huán)境因素、管理因素等，本文僅討論環(huán)境因素對跑道入侵的影響。本文擬在分析出引起跑道入侵的具體環(huán)境因素后，建立定量的評價指標(biāo)體系，并使用非線性可拓綜合評價法對機(jī)場跑道入侵風(fēng)險等級進(jìn)行評價。

1 跑道入侵風(fēng)險評價指標(biāo)體系

影響跑道入侵的因素有很多，據(jù)統(tǒng)計有400 多個因素都會直接或間接的影響跑道入侵[4]。文中按照國際權(quán)威機(jī)構(gòu)觀點的高頻指標(biāo)原則對影響跑道入侵的環(huán)境因素進(jìn)行篩選，對于出現(xiàn)頻率較小的環(huán)境因素，在該評價中不予討論。文中將篩選出的環(huán)境因素分為直接環(huán)境因素和間接環(huán)境因素，并建立評價指標(biāo)體系。利用直接環(huán)境因素下的各評價指標(biāo)建立評價建議值體系，為可拓綜合評價中物元的確定提供依據(jù)。間接環(huán)境因素對跑道入侵的影響比較復(fù)雜，引入風(fēng)險系數(shù)對評價建議值體系中相關(guān)評價指標(biāo)的取值進(jìn)行處理，將間接環(huán)境因素對跑道入侵的影響通過直接環(huán)境因素體現(xiàn)出來。

1.1 評價指標(biāo)體系

本文借鑒國內(nèi)外對跑道入侵影響因素分析的研究成果[11-12]，結(jié)合跑道安全專家意見，對跑道入侵影響因素進(jìn)行歸納總結(jié)，并篩選出影響跑道入侵的環(huán)境因素。利用篩選出的直接環(huán)境因素和間接環(huán)境因素建立如圖1 所示的跑道入侵風(fēng)險評價指標(biāo)體系。直接環(huán)境因素是指該因素可以直接影響跑道入侵，而間接環(huán)境因素則是通過影響其他因素間接的影響跑道入侵。

圖1 基于環(huán)境因素的跑道入侵風(fēng)險評價指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation index system of runway incursion risk assessment based on the environmental factors

1.2 評價建議值體系

綜合考慮相關(guān)專家的意見，選取機(jī)場塔臺管制人員、飛行員、車輛駕駛員以及有關(guān)專家共30 名為調(diào)查對象，結(jié)合機(jī)場的實際運行經(jīng)驗，給出了直接環(huán)境因素下的各評價指標(biāo)關(guān)于不同風(fēng)險等級的評價標(biāo)準(zhǔn)建議值，建立如表1 所示的跑道入侵風(fēng)險等級評價建議值體系。通過該體系可以確定可拓綜合評價中的經(jīng)典域物元。由于“跑道在積雪或積冰情況下運行”因素統(tǒng)計起來比較困難，無法得到它的風(fēng)險系數(shù)，并且，它對跑道入侵的影響也比較小，所以將它和直接環(huán)境因素一起討論。這里跑道入侵風(fēng)險等級按照國際民航組織建議的評判標(biāo)準(zhǔn)分為三個級別：低風(fēng)險、中等風(fēng)險、高風(fēng)險[3]。

1.3 風(fēng)險系數(shù)

風(fēng)險系數(shù)用來表明間接環(huán)境因素對跑道入侵的影響。定義某因素的風(fēng)險系數(shù)為：

風(fēng)險系數(shù)體現(xiàn)了某一因素對跑道入侵發(fā)生概率的影響，當(dāng)風(fēng)險系數(shù)大于1 時，表明該因素的出現(xiàn)會提高跑道入侵發(fā)生的概率。例如，如果某一因素的風(fēng)險系數(shù)是2，說明在該因素影響下機(jī)場運行發(fā)生跑道入侵的概率是正常運行時的2 倍。

表1 跑道入侵風(fēng)險等級評價建議值體系Tab.1 Evaluation index suggested value system of runway incursion risk assessment

跑道穿越風(fēng)險系數(shù) Rcro由風(fēng)險系數(shù)的概念，要得出 Rcro需要知道在跑道穿越過程中發(fā)生的跑道入侵次數(shù)和跑道入侵的總次數(shù)。通過對40 多家機(jī)場發(fā)生跑道入侵的資料統(tǒng)計得出，一架正在進(jìn)行跑道穿越的航空器發(fā)生跑道入侵的風(fēng)險要比正常運行的航空器高出一倍[4]。而在現(xiàn)實運行中，包含跑道穿越的運行只占全部運行的一小部分，本文認(rèn)為包含跑道穿越的運行在全部運中所占的比重 x 與Rcro成簡單的線性關(guān)系。

低能見度風(fēng)險系數(shù) Rvis能見度與跑道入侵的關(guān)系特別密切。當(dāng)能見度降低時，機(jī)場發(fā)生跑道入侵的概率增大，尤其當(dāng)能見度低于1000 m 時，機(jī)場發(fā)生跑道入侵的概率迅速增大到原來的10 倍。為了簡化低能見度對跑道入侵的影響，本文取能見度為1500 m 時為基準(zhǔn)。當(dāng)能見度高于1500 m 時，視為該條件下的運行為正常運行，當(dāng)能見度小于或等于1500 m 時，機(jī)場發(fā)生跑道入侵的概率增大為正常運行時的5.7 倍[4]。當(dāng)然，Rvis的取值也與低能見度下的運行在全部運行中所占的比重y 有關(guān)，其函數(shù)關(guān)系如式（2）所示。如果某機(jī)場在低能見度下的運行次數(shù)占全部運行次數(shù)的20%，那么，風(fēng)險系數(shù) Rvis=1+4.7×0.2=1.94。

夜間或黎明運行風(fēng)險系數(shù) Rnig事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，22%的跑道入侵事故發(fā)生在夜間或黎明，并且在該時段的航空器運行量占總運行量的11%[13]。根據(jù)式（1）得到航空器在夜間或黎明時運行發(fā)生跑道入侵的概率增大為正常運行時的（0.22/0.11）/(0.78/0.89)=2.3 倍。Rnig與夜間或黎明時運行在全部運行中所占的比重Z 的線性函數(shù)如下所示。

混合運行風(fēng)險系數(shù) Rgen通過對歐洲機(jī)場跑道入侵?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，約有17%的跑道入侵事件同時包含通用航空運輸和商業(yè)航空運輸，并且通用航空運行量占總航空運行量的15%[14]。所以，由式（1）可計算混合運行會使跑道入侵風(fēng)險增大（0.17/0.15）/(0.83/0.85)=1.2 倍。Rgen與通航運行在全部運行中所占的比重m 的函數(shù)關(guān)系如下所示。

經(jīng)過對大量跑道入侵事件統(tǒng)計分析得出，跑道布局和使用情況下的七個指標(biāo) u1i(i=1,2,…,7)受到“跑道穿越、低能見度、夜間或黎明時運行”的影響，機(jī)場的三個指標(biāo) u2i(i=1,2,3)除此之外還受到“通航和商業(yè)航空混合運行”的影響，從而增大跑道入侵發(fā)生的概率。本文通過使用風(fēng)險系數(shù)對各評價指標(biāo)的取值進(jìn)行處理，來體現(xiàn)間接環(huán)境因素對跑道入侵的影響。令 v1i(i=1,2,…,7)和 v2i(i=1,2,3)表示處理后的各評價指標(biāo)的取值。

2 跑道入侵風(fēng)險評價模型

非線性可拓綜合評價法是以可拓學(xué)的物元模型和可拓集合、關(guān)聯(lián)函數(shù)理論為基礎(chǔ)而創(chuàng)立的多元數(shù)據(jù)量化決策的一種新方法。文中在建立評價所需的物元模型的基礎(chǔ)上，針對傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)函數(shù)在處理邊界問題時與現(xiàn)實不符的缺陷，提出改進(jìn)的關(guān)聯(lián)函數(shù)。然后對物元進(jìn)行歸一化處理，消除量綱的影響。將評價指標(biāo)在所統(tǒng)計的跑道入侵事件中出現(xiàn)的頻率和層次分析法相結(jié)合，確定各級評價指標(biāo)的權(quán)重。最后計算評價指標(biāo)關(guān)于不同風(fēng)險等級的關(guān)聯(lián)度，對待評價機(jī)場的跑道入侵風(fēng)險等級進(jìn)行評定。

2.1 建立物元模型和關(guān)聯(lián)函數(shù)

給定事物的名稱N 和它關(guān)于特征c 的量值v，以有序三元組R=(N,c,v)作為描述事物的基本元稱為物元[15]。在可拓綜合評價模型中，物元包括經(jīng)典域物元 Ro、節(jié)域物元 RP和待評價物元 Rq。根據(jù)表1 中各評價指標(biāo)的建議值范圍，確定該評價模型中的各個物元。

式中，Ro為經(jīng)典域物元。[N N1N2…Nm]是可拓評價空間F 的一個分割，其中 Nj表示跑道入侵所劃分的第j 類風(fēng)險等級。Ci表示影響跑道入侵的第i 個評價指標(biāo)。Vj=（V1jV2j…Vnj），其中Vij=（aij,bij）為風(fēng)險等級Nj關(guān)于評價指標(biāo)Ci所建議的量值范圍，既不同風(fēng)險等級關(guān)于對應(yīng)的評價指標(biāo)的經(jīng)典域。

式中，RP為節(jié)域物元。P 表示風(fēng)險等級的全體，Vip為P 關(guān)于Ci的取值范圍，既P 的節(jié)域。

式中，Rq為待評價物元。q 表示待評價機(jī)場的風(fēng)險等級，vi表示經(jīng)風(fēng)險系數(shù)處理后的各評價指標(biāo)的取值。

非線性可拓綜合評價法中的關(guān)聯(lián)度的概念和模糊綜合評價法中的隸屬度的概念相似，都表征某一評價指標(biāo)相對于某個風(fēng)險等級的隸屬程度。本文針對傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)函數(shù)在處理邊界問題時與現(xiàn)實不符的缺點，對關(guān)聯(lián)函數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的關(guān)聯(lián)函數(shù)如下：

式中：

Kj（vi）表示第i 個指標(biāo)相對于第j 類風(fēng)險等級的關(guān)聯(lián)度。

2.2 歸一化處理

在物元模型的建立過程中，由于各評價指標(biāo)的性質(zhì)不同，單位不同，不能直接進(jìn)行比較,為消除量綱的影響，對各物元模型進(jìn)行規(guī)一化處理。

2.3 確定指標(biāo)權(quán)重

上述跑道入侵風(fēng)險等級評價建議值體系中二級評價指標(biāo)的權(quán)重是根據(jù)各評價指標(biāo)在所統(tǒng)計的跑道入侵事件中出現(xiàn)的頻率確定的，某指標(biāo)出現(xiàn)的頻率越高，說明該指標(biāo)對跑道入侵的影響越大，所占的權(quán)重也就越高。對于一級評價指標(biāo)權(quán)重，由于“跑道在積冰或積雪情況下運行”因素統(tǒng)計起來比較困難，所以無法直接根據(jù)指標(biāo)出現(xiàn)的頻率計算權(quán)重。本文采用層次分析法[16]，根據(jù)對所統(tǒng)計的跑道入侵事件進(jìn)行分析，對每一指標(biāo)進(jìn)行客觀判斷，得到各個評價指標(biāo)之間重要程度的判斷矩陣，再用冪法求出判斷矩陣的最大特征向量，將該特征向量規(guī)范化就可得到一級評價指標(biāo)的權(quán)重。

2.4 確定關(guān)聯(lián)度

式中，Kij（q）為第i 一級評價指標(biāo)相對于第j 類風(fēng)險等級的關(guān)聯(lián)度；wil為二級評價指標(biāo)權(quán)重。

式中 Kj（q）表示綜合關(guān)聯(lián)度；Wi為一級評價指標(biāo)權(quán)重。

2.5 風(fēng)險等級評定方法

則評定待評價機(jī)場的跑道入侵風(fēng)險等級為j′。

稱上式中 j*為待評價物元的級別變量特征值，例如j '=1，j*=1.8 表示待評價物元風(fēng)險等級屬于第一類偏向第二類，嚴(yán)格來講屬于第1.8 類，從 j *中可以看出偏向另一類的程度。

3 實例分析

通過中國民用航空局網(wǎng)站，民航資源網(wǎng)，《航行資料匯編》及《民航行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公告》等相關(guān)資料，對某機(jī)場運行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，確定該機(jī)場跑道入侵風(fēng)險評價指標(biāo)體系中各項指標(biāo)的取值及風(fēng)險系數(shù)。根據(jù)表1 中的數(shù)據(jù)建立評價所需的經(jīng)典域物元和節(jié)域物元。數(shù)據(jù)經(jīng)過處理之后，一級評價指標(biāo)“跑道布局和使用情況、機(jī)場情況、跑道在積冰或積雪情況下運行”所對應(yīng)的經(jīng)典域物元、節(jié)域物元和待評價物元如下所示：

該機(jī)場各間接環(huán)境因素的風(fēng)險系數(shù)：

評價指標(biāo)體系中一級評價指標(biāo)權(quán)重 Wi和二級評價指標(biāo)權(quán)重 wil：

一級評價指標(biāo)相對于跑道入侵各風(fēng)險等級的關(guān)聯(lián)度分別為：

綜合關(guān)聯(lián)度為：

式中，j '=2，所以，評定該機(jī)場基于環(huán)境因素的跑道入侵風(fēng)險等級為中等風(fēng)險。又因為級別變量特征值 j *=1.72，所以，該機(jī)場基于環(huán)境因素的跑道入侵風(fēng)險等級屬于中等風(fēng)險且偏向低風(fēng)險，從 j*可以看出偏向的程度。

通過對該機(jī)場實際運行安全現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，機(jī)場運行中雖然存在跑道繁忙、滑行道布局及運行規(guī)程不合理等問題，增加了跑道入侵發(fā)生的風(fēng)險，但基本不會導(dǎo)致嚴(yán)重跑道入侵事件的發(fā)生，與評價結(jié)果基本吻合，驗證了該評價方法的可行性。

4 結(jié)束語

本文針對機(jī)場跑道入侵風(fēng)險評價進(jìn)行了初步研究。在建立跑道入侵風(fēng)險評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，應(yīng)用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，并利用可拓學(xué)中物元模型和關(guān)聯(lián)函數(shù)的理論，建立跑道入侵風(fēng)險評價模型。通過實例分析，結(jié)果與實際相符，驗證了該評價方法的可行性。文中建立了量化的評價指標(biāo)體系，增強了評價的客觀性。應(yīng)用可拓綜合評價法對跑道入侵風(fēng)險進(jìn)行評價時，通過關(guān)聯(lián)度和級別變量特征值綜合反映出待評價機(jī)場屬于某一風(fēng)險等級的程度，使得評價結(jié)果更加詳細(xì)、準(zhǔn)確。同時該評價方法中物元模型建模方便，并可以根據(jù)實際情況靈活調(diào)整評價指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，便于計算機(jī)實現(xiàn)。

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