唐家文，董兵，王超峰

（1.中國(guó)民用航空飛行學(xué)院空中交通管理學(xué)院，廣漢618307）

（2.中國(guó)民用航空飛行學(xué)院機(jī)場(chǎng)工程與運(yùn)輸管理學(xué)院，廣漢618307）

0 引 言

空中交通管理（Air Traffic management），簡(jiǎn)稱為空管，其核心任務(wù)是保障空中交通安全、維護(hù)空中交通秩序、促進(jìn)空中交通順暢。隨著民航運(yùn)輸?shù)母咚侔l(fā)展，愈益彰顯出空管安全運(yùn)行保障能力存在的瓶頸問(wèn)題。相關(guān)研究表明，空管監(jiān)控不當(dāng)不力是造成航空器空中相撞的主要原因，比例達(dá)到74.3%。因此，研究空管安全運(yùn)行保障能力的綜合評(píng)價(jià)問(wèn)題，對(duì)正確認(rèn)識(shí)空管安全運(yùn)行保障能力現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)影響空管安全運(yùn)行保障能力的主要因素，制定空管安全運(yùn)行保障能力的整改措施，提高空管系統(tǒng)安全管理水平等具有顯著的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

對(duì)于空管安全保障的探索，國(guó)內(nèi)外主要從三個(gè)方面開(kāi)展了研究。第一方面主要是對(duì)空管安全運(yùn)行保障中的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題開(kāi)展研究，在對(duì)空管安全危險(xiǎn)源識(shí)別的基礎(chǔ)上開(kāi)展了安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究，提出了降低安全風(fēng)險(xiǎn)的措施；第二方面主要基于國(guó)際民航組織（ICAO）所倡導(dǎo)的民航安全管理體系建設(shè)問(wèn)題，研究了如何在空管系統(tǒng)中開(kāi)展安全管理體系建設(shè)等方面的問(wèn)題；第三方面針對(duì)保障空管安全運(yùn)行的一些基本要素開(kāi)展了相關(guān)研究，主要涉及空管系統(tǒng)安全信息、設(shè)備保障、組織支持、安全文化、安全績(jī)效等內(nèi)容。

針對(duì)空管安全運(yùn)行保障能力進(jìn)行整體評(píng)價(jià)的研究還較為缺乏，鑒于空管安全運(yùn)行保障能力整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性，以及影響空管安全運(yùn)行保障能力的各因素所具有的模糊性和隨機(jī)性，模糊綜合評(píng)價(jià)法等傳統(tǒng)方法對(duì)空管安全運(yùn)行保障能力難以得到有效評(píng)價(jià)結(jié)果。云模型是在模糊理論與概率理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，通過(guò)引入熵和超熵的概念解決了定性問(wèn)題轉(zhuǎn)換為定量問(wèn)題過(guò)程中存在的模糊性和隨機(jī)性問(wèn)題。

本文提出基于云模型的空管安全運(yùn)行保障能力評(píng)價(jià)模型，在系統(tǒng)分析空管安全運(yùn)行保障的需求和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建空管安全運(yùn)行保障能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用排隊(duì)理論計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向云發(fā)生器處理得到因素層的評(píng)價(jià)云，經(jīng)過(guò)云代數(shù)運(yùn)算分別得到準(zhǔn)則層和目標(biāo)層的綜合云，對(duì)綜合云與基準(zhǔn)云進(jìn)行正向云發(fā)生器處理后，根據(jù)圖形對(duì)比，得到空管安全運(yùn)行保障能力的等級(jí)。

1 空管安全運(yùn)行保障能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 空管安全運(yùn)行保障能力評(píng)價(jià)指標(biāo)

空管安全運(yùn)行保障能力是指在空中交通安全運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)安全風(fēng)險(xiǎn)管理、安全文化管理、專業(yè)技術(shù)能力、安全保障投入、組織管理程序以及設(shè)備運(yùn)行能力等安全管理組織程序和生產(chǎn)要素的集成，保障空中交通管理能夠在可接受的安全期望（或者安全水平）下，空管單位安全正常運(yùn)行的能力。目前關(guān)于空管安全運(yùn)行保障能力尚未形成一套確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，難以對(duì)空管安全運(yùn)行保障能力開(kāi)展全面性研究。

空管安全運(yùn)行保障能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建必須遵循系統(tǒng)性、科學(xué)性、全面性、可比性和可行性等原則，評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取不僅要充分反映保障空管安全運(yùn)行管理的內(nèi)容，還應(yīng)結(jié)合中國(guó)民航局已經(jīng)實(shí)施的《空管安全審計(jì)》和《空中交通服務(wù)安全評(píng)估系統(tǒng)》等管制規(guī)定，同時(shí)在廣泛征求空管安全專家建議的基礎(chǔ)上，構(gòu)建空管安全運(yùn)行保障能力評(píng)價(jià)指標(biāo)，如表1所示，該評(píng)價(jià)指標(biāo)是由6個(gè)準(zhǔn)則層指標(biāo)和26個(gè)指標(biāo)層指標(biāo)構(gòu)建組成的遞階層次結(jié)構(gòu)。

表1 空管安全保障能力指標(biāo)Table 1 Air traffic management safe support ability index

續(xù)表

1.2 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

對(duì)指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的權(quán)重賦值是開(kāi)展空管安全運(yùn)行保障能力評(píng)價(jià)的前提。傳統(tǒng)的權(quán)重取值方法主要有主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。主觀賦權(quán)法是在綜合了評(píng)價(jià)專家的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)與偏好等基礎(chǔ)上給出權(quán)重值；客觀賦權(quán)法主要依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到指標(biāo)的權(quán)重值。主觀賦權(quán)法具有運(yùn)算簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是容易受到專家主觀性影響；客觀賦權(quán)法容易受到原始數(shù)據(jù)的干擾，可能會(huì)出現(xiàn)與實(shí)際情況不符的情況，這些都會(huì)對(duì)指標(biāo)權(quán)重確定的準(zhǔn)確性帶來(lái)影響。為確保評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重獲取的公正性與合理性，能夠良好體現(xiàn)主觀性與客觀性，指標(biāo)權(quán)重的求解可采用

式中：

n

為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)量；

i

為參與評(píng)價(jià)的指標(biāo)排隊(duì)等級(jí)，是根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要程度對(duì)指標(biāo)進(jìn)行排序，當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)處于相同的等級(jí)時(shí)，

i

的取值相同，但是當(dāng)

i

=1時(shí)，

ω

′=1。采用專家咨詢，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行等級(jí)排序，根據(jù)公式（1）得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的絕對(duì)權(quán)重

ω

′，通過(guò)對(duì)

ω

′歸一化計(jì)算得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重值

ω

。

2 空管安全運(yùn)行保障能力云模型

2.1 云模型理論

20世紀(jì)90年代李德毅院士提出了云模型，其主要思想為：假定

U

為一個(gè)可精確度量的定量論域，

C

為

U

上的定性概念。當(dāng)定量值

x

屬于

U

中某一值時(shí)，同時(shí)也屬于

C

中的一個(gè)隨機(jī)數(shù)，

x

在

C

中的確定度為

μ

(

x

)∈[0，1]，并且

μ

(

x

)的分布滿足：

則每一個(gè)

x

對(duì)應(yīng)一個(gè)云滴，

x

在該論域

U

上的分布稱為云。通常(

E

，

E

，

H

)三個(gè)參數(shù)被用于表示云模型的特性，其中

E

表示云滴在論域區(qū)間的期望值，反映云滴在論域空間的位置；熵

E

表示云滴的取值范圍，用于綜合度量定性概念的模糊性；超熵

H

反映熵的不確定性，表示云的厚度，是對(duì)論域空間隨機(jī)性的度量。

云模型中通過(guò)采用云發(fā)生器在定性語(yǔ)言和定量數(shù)值之間進(jìn)行不確定性的轉(zhuǎn)換，云發(fā)生器有正向和逆向兩種。其中，正向高斯云算法被廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)步驟為：

（1）生成一個(gè)以

E

為期望值，

H

為方差的高斯隨機(jī)數(shù)

E

′=

NORM

(

E

，

H

)；

（3）計(jì)算云滴的隸屬度，其確定度值為

（4）將

x

作為確定度

μ

在數(shù)域中生成的云滴；（5）重復(fù)以上步驟，直到

N

個(gè)云滴生成為止。

2.2 確定評(píng)語(yǔ)集和基準(zhǔn)云

基于空管安全運(yùn)行保障能力的運(yùn)行特性，征詢空管安全專家建議，將空管安全運(yùn)行保障能力分為五個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)保障能力極低、較低、一般、較高、極高，各等級(jí)的具體分值區(qū)間如表2所示。

表2 空管安全運(yùn)行保障能力標(biāo)準(zhǔn)量化值Table 2 Standard quantization value of safe operation support ability

根據(jù)表2中的空管安全運(yùn)行保障能力等級(jí)，結(jié)合云模型理論，可得到空管安全運(yùn)行保障能力評(píng)價(jià)的基準(zhǔn)云模型，其云數(shù)字特征通過(guò)式（4）~式（6）計(jì)算得到。

式中：

x

和

x

分別為保障能力等級(jí)分值區(qū)間的上下限；

l

為常數(shù)，可根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊閾度進(jìn)行取值，且不宜取值過(guò)大，本文取

l

=0.05。

由式（4）~式（6）計(jì)算基準(zhǔn)云的數(shù)字特征，如表3所示。應(yīng)用正向云發(fā)生器算法通過(guò)Matlab得到基準(zhǔn)云云圖，如圖1所示。

表3 基準(zhǔn)云數(shù)字特征Table 3 Digital characteristics of benchmark cloud

圖1 基準(zhǔn)云云圖Fig.1 Benchmark cloud diagram

2.3 確定指標(biāo)層各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)云

評(píng)價(jià)專家根據(jù)表2中的標(biāo)準(zhǔn)，基于中國(guó)民航局已經(jīng)實(shí)施的《空管安全審計(jì)》和《空中交通服務(wù)安全評(píng)估系統(tǒng)》等管制規(guī)定，對(duì)空管安全運(yùn)行保障能力每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行具體打分，得到每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的得分?jǐn)?shù)據(jù)

x

，通過(guò)逆向云發(fā)生器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的安全保障能力評(píng)價(jià)云

A

，其數(shù)字特征為

2.4 計(jì)算綜合云

將評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)云與對(duì)應(yīng)的權(quán)重進(jìn)行模糊合成，分別得到準(zhǔn)則層和目標(biāo)層的綜合云。以準(zhǔn)則層的綜合云

A

為例，其數(shù)字特征為

2.5 計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)

根據(jù)計(jì)算可得空管安全運(yùn)行保障能力的綜合評(píng)價(jià)云、熵及超熵，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)云進(jìn)行對(duì)比分析，能夠?qū)展馨踩\(yùn)行保障能力現(xiàn)狀進(jìn)行判斷與評(píng)價(jià)，從而確定空管安全運(yùn)行保障能力的評(píng)價(jià)等級(jí)。

3 實(shí)證分析

基于所構(gòu)建的空管安全運(yùn)行保障能力評(píng)價(jià)指標(biāo)，邀請(qǐng)10位空管領(lǐng)域的安全運(yùn)行管理專家進(jìn)行專家評(píng)分，運(yùn)用云模型理論對(duì)西南某空管分局的空管安全運(yùn)行保障能力進(jìn)行實(shí)證評(píng)價(jià)。

3.1 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

對(duì)空管安全管理專家進(jìn)行反復(fù)征詢，按照重要程度對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)排序，根據(jù)式（1）得到準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算結(jié)果如表4～表5所示。

表4 準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重Table 4 Index weights at the criterion level

表5 指標(biāo)層Cij指標(biāo)權(quán)重Table 5 Cij index weight of the index layer

3.2 二級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)云

按照空管安全運(yùn)行保障能力標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)10位空管安全運(yùn)行管理專家對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行專家評(píng)分，基于云模型中的逆向云發(fā)生器原理，根據(jù)式（7）~式（9）得到指標(biāo)層評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)云。每個(gè)保障能力指標(biāo)的數(shù)字特征和保障能力排序結(jié)果如表6所示。

表6 評(píng)價(jià)云Table 6 Index evaluation cloud

3.3 綜合云評(píng)價(jià)

根據(jù)式（10）~式（12），由模糊合成運(yùn)算對(duì)準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)指標(biāo)做綜合云評(píng)價(jià)。同理，將準(zhǔn)則層的評(píng)價(jià)云與其權(quán)重進(jìn)行模糊合成運(yùn)算，得到空管安全運(yùn)行保障能力綜合云，即目標(biāo)層的綜合云。具體結(jié)果如表7所示，可以看出：

E

綜合評(píng)價(jià)云結(jié)果為8.589 4，

E

綜合評(píng)價(jià)云結(jié)果為0.286 4，

H

綜合評(píng)價(jià)云結(jié)果為0.077 5；準(zhǔn)則層和目標(biāo)層的綜合云熵值和超熵值都在［0.23，0.35］和［0.05，0.10］之間，其值都比較小，表明評(píng)價(jià)結(jié)果是可靠穩(wěn)定的。

表7 綜合評(píng)價(jià)云Table 7 Comprehensive evaluation cloud

3.4 安全運(yùn)行保障能力等級(jí)確定

基于正向云發(fā)生器，通過(guò)Matlab繪出準(zhǔn)則層和目標(biāo)層的綜合云與基準(zhǔn)云的對(duì)比圖，據(jù)此可以得到準(zhǔn)則層和目標(biāo)層空管安全運(yùn)行的保障能力等級(jí)，具體如圖2~圖7所示。

圖2 安全風(fēng)險(xiǎn)管理B1評(píng)價(jià)云Fig.2 Cloud graph of evaluative cloud B1

圖3 安全文化管理B2評(píng)價(jià)云Fig.3 Cloud graph of evaluative cloud B2

圖4 專業(yè)技術(shù)能力B3評(píng)價(jià)云Fig.4 Cloud graph of evaluative cloud B3

圖5 安全保障投入B4評(píng)價(jià)云Fig.5 Cloud graph of evaluative cloud B4

圖6 組織管理程序B5評(píng)價(jià)云Fig.6 Cloud graph of evaluative cloud B5

圖7 設(shè)備運(yùn)行能力B6評(píng)價(jià)云Fig.7 Cloud graph of evaluative cloud B6

3.5 結(jié)果分析

根據(jù)所得到的空管安全運(yùn)行保障能力目標(biāo)層的云數(shù)字特征和基準(zhǔn)云的數(shù)字特征，采用Matlab畫(huà)出對(duì)比圖，如圖8所示，圖中深色為基準(zhǔn)云，淺色為目標(biāo)層的綜合云。

圖8 基準(zhǔn)云與綜合云Fig.8 Reference cloud and integrated cloud

該空管分局整體安全運(yùn)行保障能力等級(jí)期望值為8.589 4，從圖8可以看出：其云滴主要集中于［8，10］，說(shuō)明空管安全運(yùn)行的總體保障能力介于較高與極高之間；熵值為0.286 4，超熵值為0.077 5，說(shuō)明云層厚度較小，運(yùn)行保障能力的評(píng)價(jià)結(jié)果是可靠穩(wěn)定的。

根據(jù)六個(gè)準(zhǔn)則層指標(biāo)的云數(shù)字特征，將準(zhǔn)則層的期望值按照從大到小排序，得到空管安全運(yùn)行保障能力的優(yōu)先級(jí)順序依次為安全風(fēng)險(xiǎn)管理、專業(yè)技術(shù)能力、設(shè)備運(yùn)行能力、安全保障投入、安全文化管理、組織管理程序。從圖2~圖7可以看出：六個(gè)準(zhǔn)則層指標(biāo)的云數(shù)字特征值都落在較高與極高的區(qū)間，表明這些指標(biāo)的保障能力都是比較強(qiáng)的，尤其是安全風(fēng)險(xiǎn)管理指標(biāo)，其保障能力等級(jí)期望值為8.917 9，是所有指標(biāo)中評(píng)價(jià)值最高的；而組織管理程序是所有準(zhǔn)則層指標(biāo)中評(píng)價(jià)值最低的，其保障能力等級(jí)期望值為7.971 7，說(shuō)明相對(duì)而言組織管理程序是準(zhǔn)則層中最薄弱的，應(yīng)加強(qiáng)空管安全保障能力中的組織程序建設(shè)。

將指標(biāo)層評(píng)價(jià)指標(biāo)的期望值按照從小到大進(jìn)行排序，得到組織交流有效性

C

、組織結(jié)構(gòu)合理性

C

、團(tuán)隊(duì)合作精神

C

、安全責(zé)任意識(shí)

C

、基礎(chǔ)設(shè)施投入

C

、安全價(jià)值觀建設(shè)

C

等指標(biāo)的安全保障能力期望值是最低的。從表6可以看出：組織交流有效性

C

、組織結(jié)構(gòu)合理性

C

、團(tuán)隊(duì)合作精神

C

的安全保障能力期望值分別為7.800 0、7.860 0和7.970 0，幾乎都處于安全保障能力的較高區(qū)間內(nèi)，這對(duì)組織管理程序

B

評(píng)價(jià)產(chǎn)生了負(fù)面的影響；同樣由于安全責(zé)任意識(shí)

C

和安全價(jià)值觀建設(shè)

C

的安全保障能力期望值也較低，也直接影響了安全文化管理

B

的評(píng)價(jià)結(jié)果。

基于云模型的評(píng)價(jià)結(jié)果，該空管分局在下一階段的安全運(yùn)行保障能力建設(shè)中，應(yīng)重點(diǎn)增強(qiáng)組織交流有效性的建設(shè)，改進(jìn)組織結(jié)構(gòu)的合理性，提升團(tuán)隊(duì)合作精神，還應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)員工安全責(zé)任意識(shí)的培養(yǎng)和落實(shí)安全價(jià)值觀建設(shè)。

將本文的云模型評(píng)價(jià)方法與層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，具體結(jié)果如表8所示，可以看出：三種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果是非常接近的，但是基于云模型的空管安全運(yùn)行保障能力評(píng)價(jià)能夠充分利用評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的有效信息，實(shí)現(xiàn)空管安全保障能力等級(jí)分界的模糊化，并且借助云模型中的熵和超熵展現(xiàn)了評(píng)價(jià)結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)通過(guò)云圖增強(qiáng)了直觀性和可視性。

表8 三種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比Table 8 Comparison of assessment result between three methods

4 結(jié) 論

（1）基于空中交通管理安全運(yùn)行保障所面對(duì)的復(fù)雜性和不確定性，構(gòu)建了空管安全運(yùn)行保障能力云模型評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)了定性概念與定量數(shù)值的有效轉(zhuǎn)換，實(shí)踐證明其評(píng)價(jià)結(jié)果是可靠的、穩(wěn)定的。

（2）引入云模型對(duì)空管安全運(yùn)行保障能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，不僅可以通過(guò)云圖直觀形象地給出空管安全運(yùn)行保障能力的評(píng)價(jià)結(jié)果，而且能夠找出影響空管安全運(yùn)行保障能力的主要因素，明確了改進(jìn)空管安全運(yùn)行保障能力的具體方向，為有效解決空管安全運(yùn)行保障能力評(píng)價(jià)問(wèn)題提供了一種新思路。