李涵,於勇,賀祥
93868部隊
防止航空器空中相撞是飛行安全工作的重要內容,而空中飛行矛盾激增,急須一種新的安全評價方法。以“人—機—環(huán)—管”理念為基礎,結合層次分析法、熵權法,建立防相撞與安全評價方法模型,對影響航空器飛行安全的各種因素進行量化分析,以此為標準對各單位的防相撞工作進行評價,更好地指導各項防相撞工作的開展。
防相撞是空軍明確的防范“十個領域”重大風險的重要內容,事關國家、軍隊聲譽,人民生命、財產安全。切實做好防相撞工作是空中交通管理的一項重要任務。隨著航空技術的不斷發(fā)展,國防建設的不斷推進,軍用和民用航空器對空域資源的使用需求不斷增長,由此帶來的航空器相撞隱患也越來越大。
針對上述問題,本文提出基于AHP-Entropy綜合權重法的防相撞與安全評價方法。在實際工作中,部隊可對防相撞工作進行預先科學評價,有利于制訂針對性強的實施方案,指導防相撞工作順利有效開展。
本文首先建立防相撞與安全指標體系,然后利用AHP-Entropy綜合權重法進行安全評價。
影響航空器飛行安全,致使航空器相撞的因素主要包括:人員的不安全行為、設備的不安全狀態(tài)、環(huán)境中的不安全成分和管理中的不完善工作,即“人—機—環(huán)—管”理念。以系統(tǒng)安全為指導思想,全面分析空中交通管理系統(tǒng)中的人為因素、設備因素、環(huán)境因素和管理因素四者之間的內在聯(lián)系,以此為依據(jù)建立防相撞與安全指標體系。
(1)人為因素
人為因素是指人的主觀行為,包括人本身,人與人、環(huán)境甚至機器之間的行為等。人是最靈活、最具適應性的因素,但同時也容易產生差錯。通常,對航空器飛行安全產生較大影響的人員可分為飛行人員、管制人員以及機務維修人員。
(2)設備因素
設備是進行空中交通活動的物質基礎,其作用是為航空器正常、安全、經濟和有效運行提供技術保障,主要包括通信、導航、監(jiān)視、管制以及氣象等設備。設備故障或者異常狀態(tài)直接造成航空器相撞事故的概率較低,卻是構成事故的一個重要因素。
(3)環(huán)境因素
系統(tǒng)科學認為,任何系統(tǒng)都是在一定的環(huán)境中產生,又在一定的環(huán)境中運行、延續(xù),不存在沒有環(huán)境的系統(tǒng)。空中交通管理系統(tǒng)也是如此,它必然處于一定的自然環(huán)境、空域環(huán)境以及機場環(huán)境之中。
(4)管理因素
航空器相撞事故研究表明,盡管事故通常是由“人—機—環(huán)—境”不安全因素中的單一或兩個以上因素引發(fā),但是總存在一個“條件事件”,這個“條件事件”就是管理因素。人、機、環(huán)境因素是造成事故的直接原因。而管理是事故的間接因素,卻是本質原因。航空器在運行過程中,如果空中交通管理系統(tǒng)存在管理缺陷或混亂,不安全因素就會發(fā)生。通常,管理因素包括組織機制、組織監(jiān)督、組織文化。
通過分析航空器相撞原因,匯總和分析相關資料以及利用專家咨詢,以分層方式初步構建防相撞與安全指標體系,詳見表1。
表1 防相撞與安全指標體系。
層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)在分析繁瑣、層次較多的問題時,將問題分層,分析各個因素之間的關聯(lián)性和影響程度,從而令問題簡化,方便直觀理解。利用專家打分,將定性因素定量化。該方法方便、靈活、簡潔,但是主觀色彩濃厚,分析結果容易片面化。
熵權法(Entropy)將熵作為信息的一個度量,信息量越大,熵也越大。通過計算熵值可以判斷一個事件的隨機性和無序程度,或者某個指標的離散程度,離散程度越大,該指標對綜合評價的影響也越大。熵權法是一種客觀賦權法,僅依賴于數(shù)據(jù)本身的離散性。因此,評價結果客觀,但極易受極差影響,可能導致結果不真實。
上述兩種方法相結合,得到AHPEntropy綜合權重法。利用數(shù)學計算,綜合分析主觀和客觀因素,得到每個因素的影響權重,然后利用模糊綜合評價法,對防相撞工作進行評價。具體步驟如下所述。
(1)確定綜合權重
①利用層次分析法確定權重
步驟一:根據(jù)實際需要,建立相關遞階層次結構。在確定權重時,重點在于建立防相撞安全指標體系層次結構。通過專家打分,理順各影響因素之間的關系和層次,建立目標層U、準則層V以及指標層X。
步驟二:構造判斷矩陣。通過咨詢專家,將統(tǒng)一準則層中的各個指標進行相互之間重要性對比,利用1 ~9位標度法,針對不同情況的結果,計算出數(shù)量標度,構成判斷矩陣。例如,準則層中包含4個指標,通過專家打分,可以得出指標之間的權重關系y,得到式(1)判斷矩陣:
步驟三:進行層次單排序和一致性檢驗。層次單排序是指根據(jù)判斷矩陣,研究本層次中的因素對于上一層次中的某因素的重要性,并對其進行排序。接下來進行一致性檢驗。
式(3)中,λ為判斷矩陣的最大特征根,n為指標數(shù)量(判斷矩陣階數(shù)),CR為一致性檢驗結果,CI為一致性指標。在式(2)中,RI為平均隨機一致性指標,可查看表2。
表2 平均隨機一致性指標取值參考。
當CR<0.1時,判斷矩陣具有一致性。反之,則須要調整判斷矩陣,使其滿足一致性檢驗。
②利用熵權法確定權重
假設有n個指標。
步驟一:計算第i個指標的信息熵:
步驟二:計算第i個指標差異因素:
步驟三:計算第i個指標的權重:
則得到指標體系權重向量W:
③計算綜合權重
具體步驟如下。
步驟一:用層次分析法確定準則層的權重矩陣V,以及指標層的權重矩陣:
式(9)中,q表示準則層個數(shù)。式(10)中,p表示指標個數(shù)。
步驟二:利用熵權法確定指標層權重矩陣X2,并計算綜合權重X:
式(13)為向量值計算過程。
步驟三:將X中的每個指標進行歸一化處理,得到X’。
步驟四:計算每個指標的最后綜合權重,并進行歸一化處理,得到q×p的矩陣C。
(2)模糊綜合評價
模糊綜合評價一般有以下幾個步驟。
①建立綜合評價集
設立5個評價等級,分別為優(yōu)秀(90分以上)、良好(80 ~90分)、一般(60 ~0分)、差(30 ~60分)、極差(30分以下),得到評價等級向量E(e1,e2,e3,e4,e5)。e1至e5分別代表90分、70分、50分、30分、10分,詳見表3。
表3 評價等級表。
②計算綜合隸屬度向量
通過專家打分,對n項指標進行評價,得到隸屬度矩陣R:
式(15)中,rij(i=1,2,3,4,5j=1,2,…,n)表示每個指標在每個評價等級中對應的可能程度,可能程度越大,代表此項指標越接近于此評價。
③計算評價結果
式(16)中,bij(i=1,2,…,n j=1,2,3,4,5)表示第i項因素對應第j項評價等級的可能程度;S為綜合隸屬度向量;G為量化分析評價等級。
以2018年1月某機場防相撞與安全評價為例,分別利用層次分析法和熵權法計算權重,然后計算綜合評價結果,對該機場進行模糊綜合評價。
(1)基于AHP的權重計算
根據(jù)每個準則層以及各準則層中的每個指標層的專家評價結果,通過Matlab矩陣函數(shù)計算,可以得到準則層和指標層經歸一化處理后的權重值,詳見表4至表9。
表4 準則層分析。
表9 基于AHP的權重計算值。
(2)基于Entropy的權重計算
邀請5位防相撞專家組成評價小組,對防相撞與安全評價賦予分值,分值越高說明該指標在防相撞工作中存在的風險越大。同樣,得到各個指標層的權重計算值,詳見表10。
表10 Entropy 權重計算值。
(3)綜合權重計算
將基于AHP和Entropy兩種方法分別得到的權重計算值進行整理,可以得到14個指標層在目標層中所占的權重,即表11。
表11 綜合權重值。
(4)模糊綜合評價
將上一步計算出的綜合權重值在同一準則層內進行歸一化處理,得到該準則層的綜合權重矩陣,分別為WV1,WV2,WV3,WV4,將所有準則層在目標層內進行歸一化處理,得到權重矩陣WU。
表5 人為因素V1分析。
表6 設備因素V2 分析。
表7 環(huán)境因素V3分析。
表8 管理因素V4分析。
將某機場防相撞與安全評價指標的評價等級的隸屬度進行整理,詳見表12。
表12 安全評價指標隸屬度統(tǒng)計表。
將每個權重向量與對應隸屬度相乘,進行因素評價,得到的值即為評價結果。
人為因素V1的隸屬度評價值SV1:
根據(jù)前文中得到的評價等級向量E(90,70,50,30,10),計算等級如下:
設備因素V2的隸屬度評價值SV2:
計算等級如下:
由上面計算可知,2018年1月某機場涉及人為因素和設備因素的防相撞與安全評價等級為一般,涉及環(huán)境因素和管理因素的防相撞與安全評價等級為差,整個防相撞與安全評價等級為一般。
本文在對目前防相撞工作進行充分考察的基礎上,建立了防相撞與安全指標體系,結合層次分析法和熵權法的各自優(yōu)勢,將影響因素的主觀性和客觀性相結合,確定各指標的綜合權重,并用模糊綜合評價法對安全等級進行分類,希望為實際防相撞工作提供必要的理論依據(jù)?!?/p>