羅 帆，楊 智

(武漢理工大學(xué) 管理學(xué)院，湖北 武漢430070)

空中交通管制的目標(biāo)是維護(hù)空中交通秩序，防止航空器之間相撞。其工作特性決定了風(fēng)險(xiǎn)必然根植于空管任務(wù)的始終，是其內(nèi)在的屬性和必然的產(chǎn)物。近年來(lái)，隨著我國(guó)實(shí)施新標(biāo)準(zhǔn)，飛行間隔不斷縮小，使得飛錯(cuò)高度層、無(wú)線(xiàn)通信干擾情況時(shí)有發(fā)生，甚至空中相撞事故的發(fā)生概率也逐步上升。各種連續(xù)發(fā)生的不安全事件說(shuō)明，在當(dāng)前空管安全風(fēng)險(xiǎn)壓力不斷加大的局面下，傳統(tǒng)的反饋式安全管理模式已無(wú)法有效應(yīng)對(duì)。因此，在“事后處理”向“事前預(yù)防”的管理方式轉(zhuǎn)變中，深入分析空中交通管制安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)管制安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警決策模式，對(duì)于提高預(yù)警精度、完善風(fēng)險(xiǎn)管理體系有著重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。

1 空中交通管制安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警研究現(xiàn)狀

自20 世紀(jì)60 年代以來(lái)，擴(kuò)散指數(shù)、合成指數(shù)及具有評(píng)價(jià)功能的預(yù)警信號(hào)指數(shù)出現(xiàn)，預(yù)警理論逐漸由經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域向安全領(lǐng)域滲透，并取得大量的研究成果。在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警階段及功能特點(diǎn)的界定方面，EHERTS 指出航空風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理過(guò)程包括潛在危險(xiǎn)源識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)控制、尋找風(fēng)險(xiǎn)根源、風(fēng)險(xiǎn)控制效果評(píng)估和安全員信息傳遞的有效性等［1］。羅帆和佘廉在預(yù)警管理功能描述中指出，預(yù)警具有對(duì)系統(tǒng)的災(zāi)害征兆和誘因進(jìn)行監(jiān)測(cè)、識(shí)別、診斷與報(bào)警的警告功能，并對(duì)不良發(fā)展趨勢(shì)具有主動(dòng)預(yù)控和糾錯(cuò)的矯正功能［2］。在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法應(yīng)用方面，ZOLGHADRI 和CAZAURANG 提出改進(jìn)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)的早期預(yù)報(bào)和預(yù)測(cè)方法，認(rèn)為應(yīng)加強(qiáng)飛行子系統(tǒng)狀態(tài)的早期監(jiān)測(cè)，運(yùn)用強(qiáng)數(shù)學(xué)運(yùn)算和技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障的快速識(shí)別［3］。SYBERT 等證明了與安全有關(guān)的空中交通情況的蒙特卡洛模擬對(duì)系統(tǒng)性事故評(píng)估是一種可行的方法［4］。在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模式及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面，PETER 介紹了歐洲空管對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和減弱的要求，即用系統(tǒng)的、結(jié)構(gòu)化的方法來(lái)評(píng)估和減弱空管風(fēng)險(xiǎn)，并運(yùn)用預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一模式［5］。MICHAEL 認(rèn)為美國(guó)飛行安全基金會(huì)推出的飛行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)、代表危險(xiǎn)因素及其相互關(guān)系的模糊專(zhuān)家系統(tǒng)，可對(duì)飛行的相對(duì)危險(xiǎn)度定量指標(biāo)進(jìn)行比較，促進(jìn)整個(gè)組織的安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理［6］。

總的來(lái)說(shuō)，當(dāng)前研究成果主要關(guān)注于預(yù)警技術(shù)開(kāi)發(fā)、指標(biāo)體系建構(gòu)及基于評(píng)估方法的模型預(yù)警，并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的系統(tǒng)運(yùn)行模式及功能進(jìn)行了界定。但在實(shí)踐中針對(duì)預(yù)警模式的運(yùn)行，如何依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)特征建立指標(biāo)體系以防止漏警，根據(jù)指標(biāo)類(lèi)型選擇風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控方法以防止虛警，在閾值動(dòng)態(tài)設(shè)定中保證預(yù)警信號(hào)的精確性等決策性問(wèn)題上，還缺乏針對(duì)性。因此，從現(xiàn)代決策方法及技術(shù)的角度，針對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警中的階段性任務(wù)，設(shè)計(jì)空管安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警決策模式仍有待深入研究。

2 空管安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警決策特性分析

2.1 空管安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理中的決策性問(wèn)題

預(yù)警管理是從管理角度，以預(yù)警理論為基礎(chǔ)，研究如何采用預(yù)控的管理手段防范危機(jī)的發(fā)生以及發(fā)生后應(yīng)急管理措施的理論。對(duì)于常規(guī)安全風(fēng)險(xiǎn)因子的預(yù)警管理主要集中在監(jiān)測(cè)、識(shí)別、診斷與報(bào)警的警告功能方面。在這些功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，必須面對(duì)的決策性問(wèn)題體現(xiàn)在3 個(gè)方面:

(1)通過(guò)有效識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，使預(yù)警指標(biāo)提供的特征信息與風(fēng)險(xiǎn)事故的狀態(tài)相匹配，既要防止因指標(biāo)太少無(wú)法全面判斷風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)而出現(xiàn)漏警現(xiàn)象，又要避免指標(biāo)過(guò)多而造成維數(shù)災(zāi)難，這是實(shí)際運(yùn)用中的一個(gè)決策性問(wèn)題;

(2)空管安全風(fēng)險(xiǎn)領(lǐng)域中，指標(biāo)種類(lèi)繁多，使得依據(jù)指標(biāo)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、評(píng)估時(shí)，在方法的匹配上形成難點(diǎn)，如果將各種形式的預(yù)測(cè)及評(píng)估方法視為決策器，則指標(biāo)特征與決策器的適應(yīng)性方面也構(gòu)成一個(gè)決策性問(wèn)題;

(3)空管安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信號(hào)的輸出是依據(jù)給定的風(fēng)險(xiǎn)閾值進(jìn)行判定的，而閾值設(shè)置的合適與否及上述決策器的適應(yīng)性是判斷虛警的關(guān)鍵影響因素。因此，要準(zhǔn)確有效地預(yù)警，閾值的設(shè)定也成為一個(gè)重要的決策性問(wèn)題。

2.2 空管安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警決策要素的作用機(jī)理

通過(guò)歸納空管安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理中的決策性問(wèn)題可以看出，要提高預(yù)警精度，必須在漏警及虛警的狀態(tài)選擇中進(jìn)行影響因素的決策分析，而漏警與虛警本身就是一對(duì)目標(biāo)沖突的決策要素，其作用機(jī)理可以利用模式識(shí)別理論的故障特征診斷進(jìn)行描述［7］。

對(duì)一個(gè)被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，設(shè)x 為提取的風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)特征集，w0為無(wú)故障假設(shè)，w1為有故障假設(shè)，其類(lèi)別先驗(yàn)概率分別為P(w0)和P(w1)，則P(x|w0)為被監(jiān)測(cè)對(duì)象在w0時(shí)的條件概率密度，P(x|w1)為被監(jiān)測(cè)對(duì)象在w1時(shí)的條件概率密度。采用錯(cuò)誤率貝葉斯最優(yōu)決策，決策閾值T 把x 的值域劃分為R0和R1兩個(gè)部分，如圖1 所示。

從圖1 可以看出，在預(yù)警監(jiān)測(cè)中存在兩類(lèi)錯(cuò)誤，即:

圖1 最小錯(cuò)誤率貝葉斯決策圖

根據(jù)兩類(lèi)錯(cuò)誤的描述，運(yùn)用決策閾值T 進(jìn)行調(diào)解時(shí)，可以從圖1 中發(fā)現(xiàn)，虛警率和檢測(cè)率以一對(duì)矛盾的形式存在，依靠單獨(dú)改變決策閾值T 來(lái)同時(shí)提高檢測(cè)率降低虛警率是不可能的，即如果提高檢測(cè)率，則虛警率會(huì)增大;如果減小虛警率，則檢測(cè)率也會(huì)減小。這一特性，使得當(dāng)運(yùn)用預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行空管安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理時(shí)，不得不面對(duì)預(yù)警管理中這一決策問(wèn)題。因此，只有針對(duì)預(yù)警管理中的決策性問(wèn)題，系統(tǒng)地構(gòu)建預(yù)警決策模式，才能在提高預(yù)警精確性、防虛警、避漏警方面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性和針對(duì)性。

3 空管安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警決策模式

3.1 空管安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警決策模式的概念界定

決策是指為解決某一問(wèn)題制定所有可能的備選方案并加以選擇與決斷的過(guò)程［8］。對(duì)于具有特定風(fēng)險(xiǎn)特征的空中交通管制預(yù)警決策，就是要在對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警監(jiān)控的各個(gè)階段，利用現(xiàn)代決策技術(shù)，進(jìn)行方案的優(yōu)化選擇。其內(nèi)容包括風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的確定、預(yù)警決策器的選擇、指標(biāo)閾值的界定等預(yù)警技術(shù)優(yōu)化環(huán)節(jié)，其目的是提高預(yù)警的準(zhǔn)確性和精確度。因此，空管安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警決策的內(nèi)涵就是，為提高預(yù)警精度，在空管安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理的各個(gè)階段，對(duì)影響預(yù)警效能的各項(xiàng)因素進(jìn)行分析，利用現(xiàn)代決策方法選擇最優(yōu)預(yù)警方案的活動(dòng)過(guò)程。

模式是指事物客觀(guān)運(yùn)作的標(biāo)準(zhǔn)形式或可參照的標(biāo)準(zhǔn)樣式，它既是對(duì)事物發(fā)生發(fā)展客觀(guān)規(guī)律的總結(jié)，也是指導(dǎo)人們高效地從事實(shí)踐活動(dòng)的參考標(biāo)準(zhǔn)［9］?？展馨踩L(fēng)險(xiǎn)預(yù)警決策模式則是在預(yù)警管理過(guò)程中，針對(duì)預(yù)警實(shí)施階段中特定的決策性問(wèn)題，為提高預(yù)警精度而設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)形式，是對(duì)預(yù)警管理模式的外延進(jìn)行的有效補(bǔ)充，其內(nèi)容包括預(yù)警決策目標(biāo)、原則、決策主體及對(duì)象、決策內(nèi)容及運(yùn)行模式等。因此，空管安全預(yù)警決策模式，是指在現(xiàn)代決策技術(shù)支持下，為防范虛警及漏警問(wèn)題，提高風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信號(hào)輸出的準(zhǔn)確度，而在空管安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理領(lǐng)域構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行方式，它是解決預(yù)警決策問(wèn)題的方法論。

3.2 空管安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警決策目標(biāo)及模式

空中交通管制預(yù)警決策模式的目標(biāo)是針對(duì)預(yù)警管理實(shí)施階段的決策對(duì)象，分析對(duì)預(yù)警信號(hào)準(zhǔn)確性造成影響的各種問(wèn)題，采用現(xiàn)代決策技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化與選擇，以提高預(yù)警管理系統(tǒng)的工作性能，其主要任務(wù)特點(diǎn)集中在漏警及虛警的防治上。根據(jù)預(yù)警決策目標(biāo)的界定，預(yù)警決策模式的工作原理如圖2 所示。

圖2 預(yù)警決策模式工作原理

由圖2 可以看出，預(yù)警決策模式是在預(yù)警管理中，在風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、診斷評(píng)估階段，為保證預(yù)警信號(hào)輸出的準(zhǔn)確性，再構(gòu)指標(biāo)體系、界定閾值值域、優(yōu)選診斷方法的過(guò)程。在模式運(yùn)行中，需要空管預(yù)警部門(mén)首先根據(jù)安全目標(biāo)計(jì)劃確定預(yù)警對(duì)象，通過(guò)危險(xiǎn)源辨識(shí)廣泛收集數(shù)據(jù)，再對(duì)初設(shè)指標(biāo)體系進(jìn)行優(yōu)化選擇，其目的是在數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，查找與預(yù)警對(duì)象在某一特定時(shí)段風(fēng)險(xiǎn)特征最相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)因子，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)監(jiān)控，減少資源浪費(fèi);其次，在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警持續(xù)監(jiān)測(cè)下，對(duì)不同類(lèi)型指標(biāo)確定與管制系統(tǒng)安全目標(biāo)最符合的告警閾值，通過(guò)優(yōu)選決策器進(jìn)行分類(lèi)決策，突破系統(tǒng)狀態(tài)閾值后再發(fā)出預(yù)警信號(hào)，并對(duì)每次信號(hào)輸出進(jìn)行實(shí)際檢驗(yàn)，通過(guò)反饋促進(jìn)決策過(guò)程的不斷調(diào)整和優(yōu)化。

3.3 空管安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警決策模式的任務(wù)導(dǎo)向

(1)實(shí)現(xiàn)指標(biāo)與安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)特征的匹配。指標(biāo)是各風(fēng)險(xiǎn)特征的函數(shù)，指標(biāo)的選取標(biāo)準(zhǔn)要求能夠較好地反映風(fēng)險(xiǎn)的特征。但風(fēng)險(xiǎn)具有不確定性，每個(gè)指標(biāo)都不能完全準(zhǔn)確地描述某一特定風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，空管安全風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)性及多誘因性，使得指標(biāo)的選擇不是一成不變的。因此，指標(biāo)的選取必須與風(fēng)險(xiǎn)特征匹配，這種匹配的程度取決于指標(biāo)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)特征或其狀態(tài)描述的不確定性大小。

因此，在預(yù)警監(jiān)控及風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別階段，為避免漏警及虛警現(xiàn)象，必須對(duì)收集什么樣的指標(biāo)進(jìn)行決策判斷，這就需要在預(yù)警決策模式架構(gòu)下，組織與調(diào)動(dòng)相關(guān)資源，盡量多收集信息質(zhì)量好的指標(biāo)，并進(jìn)行相關(guān)決策分析，使得指標(biāo)與空管安全風(fēng)險(xiǎn)的特征相匹配。

(2)指標(biāo)信息冗余度的判定決策。預(yù)警診斷的過(guò)程，即為對(duì)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)值進(jìn)行劃分的過(guò)程。由于風(fēng)險(xiǎn)特征的樣本集總是有限的，根據(jù)模式識(shí)別理論，在有限樣本的情況下，特征的維數(shù)并不是越多越好，因?yàn)榇嬖凇熬S數(shù)災(zāi)難”及“峰值現(xiàn)象”，即決策器診斷的性能會(huì)隨著新特征的加入而得到改善，但當(dāng)維數(shù)達(dá)到一定值后，引入更多的特征會(huì)引起性能退化，從而導(dǎo)致虛警發(fā)生［10］。因此，在選擇與管制風(fēng)險(xiǎn)相適應(yīng)的指標(biāo)進(jìn)行預(yù)警評(píng)估或監(jiān)測(cè)時(shí)，需要對(duì)冗余指標(biāo)進(jìn)行剔除，這樣既可以針對(duì)特定的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷，發(fā)出預(yù)警信號(hào)，也可以使有限的資源得到集中利用。進(jìn)行指標(biāo)信息冗余度的判定決策，其任務(wù)內(nèi)容的描述如下:

設(shè)空管安全風(fēng)險(xiǎn)特征集為X，特征Xi∈X，Si=X－{xi}，風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)類(lèi)別集為w，則:

定義1 特征Fi是不相關(guān)特征，若?S′i?Si，則P(w|Xi，S′i)=P(w|S′i);

定義2 S 為特征集，Xi∈S，若P(w|S)=P(w|S－{Xi})，則Fi稱(chēng)為S 的冗余特征，此時(shí)S－{Xi}中已經(jīng)包含Xi的類(lèi)信息，S 稱(chēng)為冗余特征集。

(4)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)閾值的界定。針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)程度發(fā)出告警信號(hào)是預(yù)警管理的核心功能，風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信號(hào)的輸出，依據(jù)事先界定的告警閾值，其預(yù)警信號(hào)輸出如圖3 所示。

圖3 預(yù)警信號(hào)輸出

由圖3 可知，在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中，當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)的預(yù)警信號(hào)超出某一預(yù)設(shè)閾值時(shí)，就發(fā)出等級(jí)不同的警級(jí)告警。由此可見(jiàn)，閾值選取是否科學(xué)直接影響信號(hào)的準(zhǔn)確性。空管安全風(fēng)險(xiǎn)閾值，既涵蓋關(guān)鍵指標(biāo)的單指標(biāo)閾值，又包括針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)評(píng)估的系統(tǒng)閾值。由于指標(biāo)性質(zhì)、類(lèi)型、量綱等不同，閾值的確定必須進(jìn)行認(rèn)真的分析與選擇，可以依據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析、專(zhuān)家調(diào)查等方法進(jìn)行系統(tǒng)決策，從而降低虛警率，保證預(yù)警信號(hào)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)預(yù)警工作中客觀(guān)存在的決策性問(wèn)題進(jìn)行描述，定義了預(yù)警決策的內(nèi)涵，描述了預(yù)警決策模式的工作原理，深入分析了預(yù)警決策模式的主要任務(wù)導(dǎo)向，從而為在空中交通管制安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理中，有效解決虛警及漏警的矛盾，減少預(yù)警信號(hào)輸出的偏差，指出工作方向，即重點(diǎn)針對(duì)指標(biāo)優(yōu)選、閾值界定及決策器選擇提高預(yù)警精度。其研究結(jié)果豐富了空中交通管制安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理，從決策分析角度實(shí)現(xiàn)了可行理論的導(dǎo)入。

［1］ EHERTS D M. Lessons learned from aviation safety［J］.Journal of Safety Research，2008(1):141－142.

［2］ 羅帆，佘廉.航空交通災(zāi)害預(yù)警管理［M］. 石家莊:河北科學(xué)技術(shù)出版社，2004:248－249.

［3］ ZOLGHADRI A，CAZAURANG F. Adaptive nonlinear state－space modeling for the prediction of daily mean concentrations environment［J］. Modeling and Software，2006，21(6):885－894.

［4］ SYBERT H S，HENK A P B，BAKKER G J.Systemic accident risk assessment in air traffic by monte carlo stimulation［J］.Safety Science，2009，47(2):238－249.

［5］ PETER S.Risk assessment ＆ mitigation in ATM［J］.Safety Science，2006，44 (7):629－655.

［6］ MICHAEL H. A fuzzy expert system for flight disruption management［J］.International Journal of Information Management，2008，32(7):311－327.

［7］ 邊肇棋，張學(xué)工.模式識(shí)別［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2000:45－98.

［8］ RONALD A H. The foundation of decision analysis［M］.［S.l.］:Prentice Hall，2013:105－237.

［9］ 李建華，楊軍，黃鄭華.基于時(shí)效性和不確定性的決策模式研究［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2008，27(2):90－94.

［10］ JAIN A，ZONGKER D.Feature selection:evaluation，application，and small sample performance［J］. IEEE Transactions on Pttern Analysis and Machine Intelligence，1997，19(2):153－158.