基于組合賦權的空管系統安全風險物元評價

唐家文，董兵

(中國民用航空飛行學院 空中交通管理學院， 廣漢 618307)

0 引 言

安全運營一直都是民航運輸業發展追求的目標，也是全社會關注的焦點?？展芟到y在航空運輸安全運營中起著非常特殊的作用，航空運輸安全事故的發生直接或間接地與空中交通管理存在一定關系，特別是隨著航班增多導致空中擁擠，空中交通管理面臨的安全風險壓力越來越大，有必要對空管系統開展安全風險科學評價，保證航空運輸系統的安全、正常、高效。

針對空管系統安全風險問題，國外，S.Ternov等建立了基于事故的空管安全風險程序模型，運用擾亂作用障礙分析法對空中交通管理運行風險進行了研究；S.Huan-Jyh首次采用比例風險模型對航空事故和安全指標進行了分析，得出人為失誤是造成安全風險事故的主要原因；L.Flavior等通過隨機Perti網對空管系統安全進行了評價。但是障礙分析法是一種定性分析方法，不能對空管安全風險進行量化研究；比例風險模型在使用時各危險因素的作用不能隨時間而變化，不能反映安全變化趨勢；Perti網所具有的精確性不能反映空管安全風險所存在的模糊性。國內，丁松濱等采用了層次分析法建立了空中交通管理安全預警指標體系；杜紅兵等采用模糊綜合評價法對空管系統安全風險進行了評價；文興忠建立了空管安全風險評價的灰色多層次模型；袁丁等應用證據合成理論對空管安全開展了評價；趙嶷飛等引入集對論對空中交通管制運行風險進行了分析；Chang Y H應用數理統計方法對臺灣地區的空管安全狀況進行了研究。但是層次分析法受限于評價對象不能太多，否則計算量過大，且對評價目標經驗數據要求較高；模糊綜合評價法容易受到評價者主觀性的影響，造成評價精度較低；灰色理論中白化函數的確定缺乏可信的理論依據；數理統計方法高度依賴于事故發生樣本，需要與空管系統安全風險樣本之間保持一致性，限制了數理統計方法在該領域的應用；證據合成理論由于缺乏理論基礎使得其合理性與有效性存在較大的爭議，在計算方面存在指數爆發的可能性；集對論還未形成較為完整的理論體系，特別是差異度系數限定在[-1,1]之間不僅簡單粗糙，而且不能對客觀事物或系統的演化規律進行充分展示，在評價中存在不相容的問題，容易遺漏所需的評價信息。物元理論是研究不相容問題的常用方法，具有計算量相對較小，計算比較簡單，對于復雜的多指標問題，易于用計算機進行編程處理，能夠把事物的質和量很好地結合等優點，近年來逐漸受到重視并得到了廣泛的應用。

本文根據空管系統安全運行的實際，構建空管系統安全風險評價指標體系，引入歐幾里得距離函數確定評價指標的組合權重，采用物元分析方法，建立空管系統安全風險評價物元模型，并進行實例驗證。

1 空管系統安全風險評價指標體系

1.1 安全風險評價指標體系構建

對空管系統進行安全風險評價的先決條件是構建科學合理的評價指標。遵循系統性、科學性、全面性、可比性和可行性等評價指標構建原則，結合中國民航局已經實施使用的《空管安全審計》和《空中交通服務安全評估系統》等管制規定，綜合考慮空管系統安全風險的產生會受到人為因素(空中交通管制員)、設備因素(管制設施設備)、環境因素(空管系統的工作環境)以及管理因素(空管系統安全管理以及制度建設)等因素的影響，構建基于“人、機、環境與管理”等因素的空管系統安全風險評價指標體系(如表1所示)，該評價指標是由4個一級指標和22個二級評價因子組成的遞階層次結構。

表1 空中交通管理系統安全風險評價指標體系

1.2 評價指標權重的組合賦權法

在評價空管系統的安全風險時，評價指標權重的確定將直接影響評價結果的準確性。權重計算方法主要有主觀賦權法和客觀賦權法。常用的主觀賦權法為層次分析法，也是目前研究空管系統安全風險時確定權重的主要方法。盡管層次分析法存在受限于評價對象的數目會產生計算量過大的問題，但是由于空管系統安全風險的評價指標數目都在合理的范圍內，加之層次分析法具有將定性問題轉化為定量研究，以及原理簡單易理解的特點，因此選擇層次分析法作為確定空管系統安全風險評價指標的主觀權重。

考慮評價者的主觀意愿會對層次分析法結果產生影響，使得評價指標權重的主觀性太強，引入客觀賦權方法有序加權平均(OWA)算子，與主觀賦權方法層次分析法相結合。通過組合賦權的方法確定空管系統安全風險評價指標權重，組合賦權既能夠有效彌補層次分析法存在的缺陷，又能夠考慮到OWA算子可能會因過于依賴指標數據而出現的偏差，能相對客觀準確地反映評價指標之間的權重關系。

采用組合賦權方法確定評價指標權重時，通過線性加權組合方法確定評價指標的權重，有：

(1)

式中：

x

為層次分析法確定的評價指標的主觀權重值；

y

為OWA算子確定的評價指標的客觀權重值；

α

、

β

分別為評價指標的主、客觀權重的偏好系數。應用線性加權組合法最關鍵的步驟是確定主、客觀權重的偏好系數

α

、

β

。在目前研究中，偏好系數的取值通常由評價者的經驗來決定，具有一定的主觀性和隨意性，既不客觀也不合理，給評價結果帶來不利影響。為了盡可能地縮小由于主觀隨意性對組合權重值的影響，本文引入歐幾里得距離函數，使得主、客觀權重之間和偏好系數間的差異程度保持一致性，避免某一種賦權方法在組合賦權中出現影響顯著的問題。采用歐幾里得距離函數

d

(

x

,

y

)確定評價指標的主、客觀權重的偏好系數

α

、

β

，為此歐幾里得距離函數

d

(

x

,

y

)與偏好系數

α

、

β

之間具有如式(2)所示的關系：

(2)

根據公式(2)，可以得到層次分析法和OWA算子的偏好系數

α

、

β

，進而得到空管系統安全風險評價指標的組合權重值。

2 空管系統安全風險評價物元模型

2.1 物元的基本概念

假設

N

表示事物，事物

N

關于特征

C

的特征量值為

X

，

R

=(

N

,

C

,

X

)是用于表示事物

N

的有序基本三元組，被稱為物元。當事物

N

具有

n

個特征

C

,

C

,…,

C

，其對應的特征量值為

X

,

X

,…,

X

時，則

n

維物元被用于描述事物

N

。

物元理論用于空管系統安全風險評價的思路為：第一步由構成空管系統安全風險評價的相應指標組成評價備選集；第二步計算空管系統安全風險評價指標的特征值，通過將評價指標按照不同等級進行物元變換，得到所評價的空管系統安全風險的物元；第三步計算空管系統安全風險評價指標和對應的風險評價等級集合的關聯度，并在關聯度計算結果中根據最大隸屬度原則選取最大值，其值就為空管系統安全風險所隸屬的等級。

2.2 物元模型的表示方法

以空管系統安全風險評價為事物，評價指標

C

為特征，評價指標的取值為特征值

X

，空管系統安全風險評價物元可描述為

(3)

式中：

N

為對象，即空管系統安全風險；

C

為事物特征，即人為因素、設備因素、環境因素和管理因素等；

X

為各特征對應的特征值。

2.3 單項評價指標評價物元

空管系統安全風險評價指標體系中的一級評價指標集合

C

=(

C

,

C

,…,

C

)，(

f

=4)，評價指標

C

對應的二級評價因子集合

C

=(

C

1,

C

2,…,

C

)，

C

表示第

f

類評價指標中的第

i

個評價因子，

n

在4個評價指標中對應的取值分別為7、4、6、5。

在評價空管系統安全風險時，需要先評價安全風險中的每一個單項指標，再對空管系統的整體安全風險狀況進行綜合評價。單項指標評價就是對表1中四個一級指標進行物元評價，分別構建四個評價指標的經典域、節域以及待評物元，同時計算各等級對應的關聯度。

四個指標關聯度計算分別為：

(1) 確定空管系統安全風險評價經典域

(4)

式中：

R

為安全風險等級為第

j

級時，空管系統安全狀況對應的物元模型；

N

為評價指標

C

(如人為因素等)對應的第

j

級安全風險等級(

j

=1,2,…,

m

)；

X

為空管系統的安全風險等級在第

j

級時第

i

項評價因子的取值范圍，就是評價因子在安全風險等級為第

j

級時所對應的特征

C

的經典域，取值范圍為<

a

,

b

>。

(2) 確定節域

(5)

式中：

R

為空管系統安全風險物元評價模型的節域；

N

為空管系統安全風險等級的集合；

X

為

N

對應于特征

C

的特征值，取值范圍為<

a

,

b

>。

(3) 確定待評物元

當待評物元對象為

N

(如人為因素等)時，通過對

N

進行數據處理，用物元表示為

(6)

式中：

R

為空管系統安全風險中單項評價指標的待評物元；

N

為需要評價的指標；

Y

為

N

對于特征

C

的量值，具體取值由空中交通管理安全風險專家評分處理后得到。

(4) 單因子關聯度

評價指標相對于安全風險各個等級

j

的關聯度為

(7)

其中：

(8)

(9)

(5) 單指標的綜合關聯度

確定待評物元

N

(如人為因素)在安全風險的等級為

j

時的關聯度

K

(

N

)：

(10)

式中：

w

為評價指標

C

所屬的權重值，由組合賦權計算得到。

2.4 綜合評價

對于待評事物

N

(空管系統安全風險)，當其安全風險的等級為

j

級時的關聯度

K

(

N

)通過式(11)得到：

(11)

式中：

w

為評價指標

C

的組合賦權權重值。

通過計算空管系統對應不同安全風險等級的關聯度，基于最大隸屬度原則，得到空管系統安全風險的實際安全風險狀況。具體為

(12)

(13)

式中：

J

為所評的物元-空管系統安全風險

N

所對應的風險等級特征值，即空管系統的安全風險等級。

3 實例分析

將組合賦權方法和物元理論對某空中交通管制單位的空管系統安全風險進行評價，本文將空管系統的安全風險劃分為5個(取

m

=5)等級，分別對應為Ⅰ級(很安全)、Ⅱ級(安全)、Ⅲ級(較安全)、Ⅳ級(不安全)，Ⅴ(很不安全)，每個評價指標所對應的各等級取值范圍如表1所示，通過邀請8位空管領域的安全管理專家進行專家評分，經整理得到每項評價因子的原始數據(如表1所示)。

3.1 評價指標權重的組合賦權

應用層次分析法(AHP)和有序加權平均(OWA)算子，分別對空管系統的安全風險評價指標進行主、客觀權重計算，然后根據公式(1)和公式(2)進行組合權重計算，限于文章篇幅所限，評價指標的組合權重值表如2所示(其中偏好系數

α

=0.606 6，

β

=0.393 4)，人為因素、設備因素、環境因素以及管理因素所對應的評價因子的組合權重值如表3所示。

表2 一級評價指標組合權重值

表3 二級評價指標組合權重值

3.2 單項評價指標的物元綜合評價

由于對每個單項評價指標進行物元綜合評價過程是相同的，因此以人為因素評價指標為例，具體介紹評價過程。

(1) 確定人為因素評價指標的經典域、節域、待評物元

①經典域物元

②節域物元

③待評物元

(2) 計算待評物元的評價因子關聯度和評價指標綜合關聯度

根據組合賦權方法得到評價指標組合權重值后，根據式(7)～式(10)，計算空管系統安全風險中人為因素指標的關聯度。同理的計算過程，可以分別得到設備因素、環境因素和管理因素對應的評價因子的關聯度和評價指標的綜合關聯度，結果如表4所示。

3.3 整體綜合評價

從底層到頂層逐層遞歸，根據式(11)～式(13)，最終得到空管系統安全風險的綜合關聯度、安全風險等級以及對應的特征值，結果如表5所示。該空管系統的安全風險綜合特征值為2.096 8，意味著其準確的安全風險等級為二級，說明其安全風險狀況屬于Ⅱ級，即安全的狀況。

表4 評價指標關于各等級的關聯度

表5 空中交通管理系統安全風險綜合評價結果

從表5可以看出：該空管系統設備因素和管理因素的安全等級值分別為2.235 4和2.502 1，均高于綜合安全等級值2.096 8，應重點關注空管系統中的設備因素和管理因素，尤其要加強影響空管系統安全風險的管理因素?？梢娢镌椒瓤梢缘玫娇展芟到y的整體安全風險水平，又可以得到各個評價指標的安全風險等級。相關管理部門可以針對不同評價指標存在的安全風險問題進行相應的整改，從而提高空管系統的安全風險管理能力，保障航空運輸的安全運行。

4 結 論

(1) 將物元分析理論應用于空管系統安全風險評價，構建了空管系統安全風險物元評價模型，不僅解決了空管系統安全風險評價中的不相容問題，而且能夠正確反映空管系統安全風險中事物質與量之間的內在聯系與演變規律。

(2) 基于歐幾里得距離函數的組合賦權方法確定空管系統安全風險評價指標的權重，能夠更真實地反映出空管系統安全風險的實際，使研究結論更能體現空管系統安全風險的現狀。

(3) 空管系統安全風險的物元評價，既可以得到空管系統安全風險的整體安全風險等級，又可以得到每個評價指標的安全水平狀況，可以找到空管系統中存在安全風險的不足之處，為指導空管系統改進安全風險提供了理論依據。

(4) 物元評價方法能夠充分利用評價指標的信息，使得評價結果準確可靠，并與空管系統安全風險的可拓物元特征相適應，為開展空管系統的安全風險評價提供了一種新思路。