韓豫斌，樸春子

(1.中國民用航空華東地區(qū)空中交通管理局 安全管理部，上海 200335)(2.中國民航大學(xué) 空中交通管理學(xué)院，天津 300300)

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空中交通管制系統(tǒng)安全績效評估模型研究

韓豫斌1，樸春子2

(1.中國民用航空華東地區(qū)空中交通管理局 安全管理部，上海 200335)(2.中國民航大學(xué) 空中交通管理學(xué)院，天津 300300)

客觀準(zhǔn)確的安全績效評估，可以反映出空中交通管制系統(tǒng)運行的安全狀況，并識別出安全管理存在的薄弱環(huán)節(jié)。從管制員、空中交通管制設(shè)備、環(huán)境、管理四方面找出影響系統(tǒng)安全運行的過程性指標(biāo)，將過程性指標(biāo)與結(jié)果性指標(biāo)相結(jié)合構(gòu)建空中交通管制系統(tǒng)安全績效評估指標(biāo)體系；在模糊物元分析法的基礎(chǔ)上，對隸屬度函數(shù)的確定方法進行改進，建立基于改進的模糊物元分析法的空中交通管制系統(tǒng)安全績效評估模型；利用該模型對某空中交通管制單位的安全績效進行評估，評估結(jié)果能夠反映出該單位的安全狀況，并指出應(yīng)當(dāng)改進的環(huán)節(jié)。結(jié)果表明：本模型可以對空中交通管制系統(tǒng)的安全績效作出綜合評判，并可以對空中交通管制系統(tǒng)的安全性進行量化描述。

空中交通管制系統(tǒng)；安全績效；模糊物元分析法；評估指標(biāo)體系；安全運行

0 引 言

民航業(yè)的快速發(fā)展離不開空中交通管制(Air Traffic Control，簡稱ATC)的保駕護航，但隨著飛行流量的快速增長，空中交通普遍呈現(xiàn)高或超高密度的運行狀態(tài)，這對我國空中交通管制運行保障能力提出了嚴(yán)峻考驗。國際民用航空組織(International Civil Aviation Organization，簡稱ICAO)在附件十一中明確規(guī)定：提供空中交通管制服務(wù)的單位要積極建設(shè)并實施安全管理體系(Safety Management System，簡稱SMS)。安全績效評估是安全管理體系的一個重要環(huán)節(jié)，它能夠反映空中交通管制系統(tǒng)運行的安全狀況，根據(jù)評估結(jié)果可以識別并改善其中的薄弱環(huán)節(jié)。因此，有必要對空中交通管制系統(tǒng)安全績效評估進行研究，以提高空中交通管制系統(tǒng)運行的安全水平。

吳景泰等[1]采用改進的數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(Data Envelopment Analysis，簡稱DEA)方法建立具有非阿基米德無窮小量的CCR模型，為我國航空公司安全績效輸入/輸出指標(biāo)提供了評價方法。王廷春等[2]以職業(yè)健康安全管理體系中的管理要素為基礎(chǔ)，通過建立評價的因素集、評價集、權(quán)重集等提出了模糊綜合評價方法。郭進平等[3]將層次分析法、群決策和證據(jù)理論相結(jié)合，提出了企業(yè)安全績效綜合評定方法。肖文娟[4]基于我國基層空中交通管制部門安全管理現(xiàn)狀，提出基層空中交通管制安全績效評價的指標(biāo)體系，并建立了基于灰色關(guān)聯(lián)分析法的安全績效評估模型。周馳[5]綜合考慮了項目風(fēng)險評估中影響風(fēng)險因素的正向指標(biāo)和逆向指標(biāo)，引入DEA方法，并證明出規(guī)避風(fēng)險的有效指標(biāo)。林峰[6]在我國航空公司績效評價體系的革新探索中，通過典型案例指出現(xiàn)行績效評價體系的缺陷，并借鑒平衡計分卡理論，對現(xiàn)行績效評價體系提出創(chuàng)新性建議。孟娜[7]基于模糊數(shù)學(xué)理論對空中交通管制系統(tǒng)進行了綜合安全評估。束琬等[8]在構(gòu)建航空維修機組工作效率評估指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，通過DEA方法對航空維修機組工作效率進行了綜合評估。徐文清[9]在現(xiàn)有實時調(diào)度策略的基礎(chǔ)上，提出了一種基于三層調(diào)度器機制的、在空中交通管制系統(tǒng)中更為合適的實時調(diào)度策略。李柯等[10]和楊智[11]從空中交通管制決策模式出發(fā)，給出了提高風(fēng)險決策水平的方法與建議。

目前，有關(guān)安全績效評估方面的研究很多，但是針對空中交通管制系統(tǒng)安全績效評估方面的研究卻相對較少。空中交通管制系統(tǒng)是由管制員、空中交通管制設(shè)備、環(huán)境和管理四個因素耦合在一起所形成的大系統(tǒng)。空中交通管制系統(tǒng)安全績效強調(diào)專業(yè)性與整合性，研究其績效指標(biāo)不能僅考慮單一的研究方面，還應(yīng)將人機交互、安全文化、安全后果等要素綜合起來，因此其評估方法也更加注重客觀性、聯(lián)系性和整體性。

本文首先根據(jù)空中交通管制系統(tǒng)實際運行狀態(tài)，構(gòu)建一套適用于空中交通管制系統(tǒng)安全績效的評估指標(biāo)體系，在結(jié)果性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，根據(jù)最大熵馬爾科夫模型綜合考量過程性指標(biāo)；其次運用層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重；然后使用模糊物元分析法評估模型，并通過改進隸屬度函數(shù)確定方法來確定各評估指標(biāo)的取值；最后確定各評估指標(biāo)各等級的取值范圍，并根據(jù)最大隸屬度原則判斷出安全績效所屬的等級。

1 構(gòu)造空中交通管制系統(tǒng)安全績效評估指標(biāo)體系

目前，空中交通管制系統(tǒng)實施安全目標(biāo)責(zé)任制，安全目標(biāo)體系完整而嚴(yán)密，然而以結(jié)果為導(dǎo)向的目標(biāo)考核方式尚不能滿足整個空中交通管制系統(tǒng)安全運行的要求。在設(shè)計評估指標(biāo)體系時，應(yīng)考慮對空中交通管制系統(tǒng)運行安全造成影響的過程性指標(biāo)。因此在結(jié)果性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，進一步設(shè)計反映安全運行過程的關(guān)鍵業(yè)績指標(biāo)，既符合理論要求，也具有可行性。

根據(jù)最大熵馬爾科夫模型，過程性指標(biāo)應(yīng)從管制員、空中交通管制設(shè)備、環(huán)境、管理四方面綜合考慮。本文在對某單位實際調(diào)研的基礎(chǔ)上，通過咨詢行業(yè)專家，最終確定了17個關(guān)鍵的過程性指標(biāo)。結(jié)果性指標(biāo)則采用事故癥候萬架次率與不安全事件萬架次率這兩個指標(biāo)，其中不安全事件是指事故后果尚未構(gòu)成事故癥候的危險事件。空中交通管制系統(tǒng)安全績效評估指標(biāo)體系如表1所示。

進行安全績效評估前，首先要確定評語等級，評語等級的級數(shù)越多，則評估結(jié)果越準(zhǔn)確，但同時會使計算過程變得繁瑣，因此要選擇合適的評語等級的級數(shù)?？紤]到三級評語的表述過于寬泛，而七級和九級評語的計算過于復(fù)雜，本文采用五個等級的評語，即很好、較好、一般、較差、很差，分別用M1、M2、M3、M4、M5表示。

表1 空中交通管制系統(tǒng)安全績效評估指標(biāo)體系

2 層次分析法確定權(quán)重

層次分析法(Analytical Hierarchy Process，簡稱AHP)是一種被廣泛應(yīng)用的權(quán)重計算方法，其計算步驟如下。

(1) 構(gòu)造判斷矩陣

為了使各要素的重要性能夠定量地表示出來，引入1-9標(biāo)度法[12]，對兩兩指標(biāo)的重要性進行比較，得到判斷矩陣：

(1)

(2) 計算判斷矩陣各行元素乘積的n次方根：

(2)

(3) 對向量M=(M1,M2,…,Mm)歸一化：

(3)

W=(w1,w2,…,wm)為所求各個指標(biāo)的特征向量。

(4) 進行一致性檢驗

由于篇幅所限，本文不再對一致性檢驗過程進行詳細介紹，具體步驟詳見文獻[12]。

3 模糊物元評估模型

物元分析法是中國學(xué)者蔡文于20世紀(jì)80年代初提出并發(fā)展的，它以現(xiàn)實世界中不相容問題為研究對象，從定性和定量兩方面探討不相容問題的解決方法[13]。物元模型的三要素為：事物、事物特征及該特征所對應(yīng)的量值，當(dāng)事物特征所對應(yīng)的量值具有模糊性時，便構(gòu)成了一個模糊不相容問題。模糊物元法是把模糊數(shù)學(xué)與物元理論相結(jié)合，將事物特征對應(yīng)的量值所具有的模糊性和影響事物的眾多因素間的不相容性進行綜合分析，從而解決該模糊不相容問題[14]。在本文所研究的模型中，其三要素為：空中交通管制系統(tǒng)安全績效評估指標(biāo)、評語等級及根據(jù)實際運行現(xiàn)狀得出的運行數(shù)據(jù)。

3.1 模糊物元的基本概念

模糊物元表示為

(4)

式中：R為模糊物元；M為給定的事物；C為事物M的特征；u(x)為與事物特征C相對應(yīng)的模糊量值，即隸屬度。

在本文中，C指安全績效評估體系中的指標(biāo)，如表1所示；M指五個等級的評語，分別用M1、M2、M3、M4、M5表示。

如果給定m個事物，它們共有n個特征，即C1,C2,…,Cn，分別對應(yīng)的模糊量值為u1(x1i)，u2(x2i)，…,um(xmi)，其中i=1,2,…,n，則稱Rn×m為m個事物的n維模糊物元。

(5)

3.2 模糊物元的評估步驟

(1) 確定各評估指標(biāo)的取值

首先要確定各評估指標(biāo)所對應(yīng)的量值，并將結(jié)果用復(fù)合物元形式表示：

(6)

式中：Ci為第i個一級評價指標(biāo)，其中i=1,2,…,n，n為一級指標(biāo)的個數(shù)，本文一級指標(biāo)的個數(shù)為5；Cik為第i個一級指標(biāo)下的第k個二級指標(biāo)，其中k=1,2,…,p，p為二級指標(biāo)的個數(shù)；Xik為二級指標(biāo)所對應(yīng)的量值，其取值參考中國華東某空中交通管制局歷年統(tǒng)計數(shù)據(jù)而得。

(2) 確定指標(biāo)關(guān)于各等級的經(jīng)典域

確定各評估指標(biāo)關(guān)于各等級的取值范圍，可用如下物元模型表示：

(7)

式中：Mj為第j個等級，其中j=1,2,…,m,m為評估等級的個數(shù)；ajik為二級指標(biāo)Cik在Mj等級范圍內(nèi)的取值下限；bjik為二級指標(biāo)Cik在Mj等級范圍內(nèi)的取值上限。 因此在后續(xù)計算中引入了安全績效每個評定等級的上下限。

(3) 確定隸屬度函數(shù)

確定隸屬度函數(shù)是模糊物元的核心。本文對隸屬度函數(shù)的確定方法進行改進。金建平[15]采用三角分布組合確定隸屬度函數(shù)，其前提是基于隸屬度線性變化，但實際上各指標(biāo)的隸屬度通常是呈非線性變化的，故采用非線性分布的隸屬度函數(shù)其評價精度要高于采用線性分布的隸屬度函數(shù)，本文選取應(yīng)用廣泛的正態(tài)函數(shù)來確定隸屬度函數(shù)。對正向指標(biāo)(指標(biāo)值越大安全績效越好)和負向指標(biāo)(指標(biāo)值越大安全績效越差)，xik∈Mj的隸屬度函數(shù)均為

通過式(8)計算得出的uj(xjk)不一定滿足歸一性，需對隸屬度進行歸一化處理：

(9)

進而得到模糊復(fù)合物元：

(10)

(4) 多級模糊物元的綜合評估

① 第二級綜合評價

通過邀請行業(yè)專家，利用層次分析法對一級指標(biāo)進行兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣，并通過一致性檢驗，得到一級和二級指標(biāo)的權(quán)重。

將二級指標(biāo)的權(quán)重(RWjk)與二級指標(biāo)的隸屬度相乘，得到各一級指標(biāo)關(guān)于各等級的隸屬度矩陣：

(11)

② 第一級綜合評價

將一級指標(biāo)的權(quán)重(RWi)與一級指標(biāo)的隸屬度相乘，得出評價對象關(guān)于各等級的隸屬度矩陣：

(12)

(5) 確定評估等級

根據(jù)最大隸屬度原則，可以判斷出安全績效所屬的等級。

4 實例分析

以某空中交通管制分局為例，對其安全績效進行綜合評估。根據(jù)該單位設(shè)定的安全目標(biāo)，結(jié)合專家意見，確定二級指標(biāo)關(guān)于各個等級的取值范圍。定性指標(biāo)的取值采用專家評分法得到，定量指標(biāo)的取值根據(jù)該單位的統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到。二級指標(biāo)關(guān)于各等級的取值范圍以及各個指標(biāo)的實際取值如表2所示[2]。

表2 二級指標(biāo)的經(jīng)典域與實際取值

4.1 權(quán)重的確定

邀請行業(yè)相關(guān)專家對一級指標(biāo)進行兩兩比較，構(gòu)造出判斷矩陣，并通過一致性檢驗，得到一級指標(biāo)的權(quán)重：

W=(0.232,0.105,0.072,0.189,0.402)

同理可得二級指標(biāo)的權(quán)重。管制員因素中二級指標(biāo)權(quán)重為

W1=(0.083,0.131,0.116,0.562,0.108)

空中交通管制設(shè)備因素中二級指標(biāo)權(quán)重為

W2=(0.651,0.256,0.093)

環(huán)境因素中二級指標(biāo)權(quán)重為

W3=(0.451,0.193,0.356)

管理因素中各二級指標(biāo)權(quán)重為

W4=(0.126,0.118,0.136,0.242,0.281,0.097)

安全后果因素中二級指標(biāo)權(quán)重為

W5=(0.667,0.333)

4.2 綜合評估

以管制員因素為例，確定評估指標(biāo)關(guān)于各個等級的隸屬度，歸一化處理得到模糊復(fù)合物元：

R1(u)

(1) 第二層次綜合評估

將二級指標(biāo)的權(quán)重與二級指標(biāo)的隸屬度相乘，得出管制員因素關(guān)于各風(fēng)險等級的隸屬度矩陣：

同理，可得空中交通管制設(shè)備因素關(guān)于各風(fēng)險等級的隸屬度矩陣：

環(huán)境因素關(guān)于各風(fēng)險等級的隸屬度矩陣：

管理因素關(guān)于各風(fēng)險等級的隸屬度矩陣：

安全后果因素關(guān)于各風(fēng)險等級的隸屬度矩陣：

(2) 第一層次綜合評估

將一級指標(biāo)的權(quán)重與一級指標(biāo)的隸屬度相乘，得出評價對象(即該單位的安全績效)關(guān)于各風(fēng)險等級的隸屬度矩陣：

根據(jù)最大隸屬度原則，可知該單位的安全績效評估等級為M2，即評估結(jié)果等級為“較好”，評估結(jié)果與該單位的實際運行情況相符，驗證了模型的有效性。

對評估結(jié)果進行分析，認為該單位整體安全績效水平仍有待提高。其中，安全規(guī)章制度落實與管制員特情處置能力分數(shù)較低，因此改善上述兩項將成為該單位未來安全工作的重點。針對安全規(guī)章制度落實不夠問題，應(yīng)加強單位的安全文化建設(shè)，使其從被動服從轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極嚴(yán)格執(zhí)行安全規(guī)章制度；同時建立一個從上至下的責(zé)任體系，對安全規(guī)章制度執(zhí)行情況進行定期考核，對失職或不負責(zé)的人員進行嚴(yán)格問責(zé)。針對管制員特情處置能力不足問題，管理者應(yīng)加大在設(shè)備失效、惡劣天氣等條件下的特殊訓(xùn)練，切實提高管制員應(yīng)對各種突發(fā)情況的處置能力，防止最后一道防線被完全穿透。

5 結(jié) 論

(1) 本文將過程性指標(biāo)與結(jié)果性指標(biāo)相結(jié)合，建立空中交通管制系統(tǒng)安全績效評估指標(biāo)體系。將模糊物元法進行改進，提高了評價精度，運算方法簡便、可操作性強。

(2) 構(gòu)建基于改進的模糊物元的空中交通管制系統(tǒng)安全績效評估模型。通過所建立的評估模型，可以對空中交通管制系統(tǒng)的安全績效作出綜合評判，并可對空中交通管制系統(tǒng)的安全性進行量化描述。

(3) 通過對某空中交通管制單位的實際安全績效情況進行算例分析，證明該模型對于實際運行的空中交通管制系統(tǒng)具有積極的借鑒意義。

(4) 可通過該模型找出影響空中交通管制系統(tǒng)安全管理的薄弱環(huán)節(jié)，對提高空中交通管制系統(tǒng)安全管理、安全運行水平，促進空中交通發(fā)展有著重要意義，并可對實際空中交通管制安全運行進行理論性指導(dǎo)與幫助。

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(編輯：馬文靜)

Research on Safety Performance Assessment Model of ATC(Air Traffic Control) System

Han Yubin1, Piao Chunzi2

(1.Safety Management Department, East China Airtraffic Management Bureau of CAAC, Shanghai 200335, China)(2.College of Air Traffic Management, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

Objectively and accurately evaluating the safety performance can reflect the safety status of ATC system operation, and identify the weak links in safety management. Finding key process indicators which affect the system operation safety from the four aspects of controllers, ATC equipment, environment and management, combining process index and result index, the safety performance evaluation index system of air traffic control system is established. On the basis of fuzzy matter-element analysis, the membership function is improved, and the model of ATC system safety performance evaluation based on the improved fuzzy matter-element analysis method is established. Secondary, the evaluation results of evaluating ATC unit safety performance reflect the safety status of the ATC unit, and the segments which should be improved are pointed out. Finally, the results show that this model can make a comprehensive evaluation of air traffic management system and it can make quantitative description to the ATM(Air Traffic Management) system. It is of important significance to improve the level of safety management.

air traffic control system; safety performance; fuzzy matter-element method; evaluate index system; safety operation

2016-06-13；

2016-07-30

國家自然科學(xué)基金(71171190)

國家空管委基金(GKG201410001)

樸春子,1139282725@qq.com

1674-8190(2016)04-477-07

V328

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2016.04.013

韓豫斌(1982-)，男，工程師。主要研究方向：空中交通運輸安全管理。

樸春子(1992-)，女，碩士研究生。主要研究方向：交通運輸規(guī)劃與管理。