唐家文，董兵，王超峰

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

（2.中國民用航空飛行學(xué)院機場工程與運輸管理學(xué)院，廣漢618307）

0 引 言

空中交通管理（Air Traffic management），簡稱為空管，其核心任務(wù)是保障空中交通安全、維護空中交通秩序、促進空中交通順暢。隨著民航運輸?shù)母咚侔l(fā)展，愈益彰顯出空管安全運行保障能力存在的瓶頸問題。相關(guān)研究表明，空管監(jiān)控不當不力是造成航空器空中相撞的主要原因，比例達到74.3%。因此，研究空管安全運行保障能力的綜合評價問題，對正確認識空管安全運行保障能力現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)影響空管安全運行保障能力的主要因素，制定空管安全運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值和現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

對于空管安全保障的探索，國內(nèi)外主要從三個方面開展了研究。第一方面主要是對空管安全運行保障中的風(fēng)險問題開展研究，在對空管安全危險源識別的基礎(chǔ)上開展了安全風(fēng)險評價研究，提出了降低安全風(fēng)險的措施；第二方面主要基于國際民航組織（ICAO）所倡導(dǎo)的民航安全管理體系建設(shè)問題，研究了如何在空管系統(tǒng)中開展安全管理體系建設(shè)等方面的問題；第三方面針對保障空管安全運行的一些基本要素開展了相關(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、安全績效等內(nèi)容。

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

本文提出基于云模型的空管安全運行保障能力評價模型，在系統(tǒng)分析空管安全運行保障的需求和特點的基礎(chǔ)上，構(gòu)建空管安全運行保障能力評價指標體系，運用排隊理論計算評價指標的權(quán)重，通過對評價數(shù)據(jù)進行逆向云發(fā)生器處理得到因素層的評價云，經(jīng)過云代數(shù)運算分別得到準則層和目標層的綜合云，對綜合云與基準云進行正向云發(fā)生器處理后，根據(jù)圖形對比，得到空管安全運行保障能力的等級。

1 空管安全運行保障能力評價指標體系構(gòu)建

1.1 空管安全運行保障能力評價指標

空管安全運行保障能力是指在空中交通安全運行過程中，通過安全風(fēng)險管理、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行的能力。目前關(guān)于空管安全運行保障能力尚未形成一套確定的評價指標體系，難以對空管安全運行保障能力開展全面性研究。

空管安全運行保障能力評價指標體系的構(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，評價指標的選取不僅要充分反映保障空管安全運行管理的內(nèi)容，還應(yīng)結(jié)合中國民航局已經(jīng)實施的《空管安全審計》和《空中交通服務(wù)安全評估系統(tǒng)》等管制規(guī)定，同時在廣泛征求空管安全專家建議的基礎(chǔ)上，構(gòu)建空管安全運行保障能力評價指標，如表1所示，該評價指標是由6個準則層指標和26個指標層指標構(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Table 1 Air traffic management safe support ability index

續(xù)表

1.2 確定評價指標權(quán)重

對指標進行準確的權(quán)重賦值是開展空管安全運行保障能力評價的前提。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)法是在綜合了評價專家的知識、經(jīng)驗與偏好等基礎(chǔ)上給出權(quán)重值；客觀賦權(quán)法主要依據(jù)評價指標的原始數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)模型計算得到指標的權(quán)重值。主觀賦權(quán)法具有運算簡單的優(yōu)點，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，可能會出現(xiàn)與實際情況不符的情況，這些都會對指標權(quán)重確定的準確性帶來影響。為確保評價指標權(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，指標權(quán)重的求解可采用

式中：

n

為評價指標數(shù)量；

i

為參與評價的指標排隊等級，是根據(jù)評價指標的重要程度對指標進行排序，當評價指標處于相同的等級時，

i

的取值相同，但是當

i

=1時，

ω

′=1。采用專家咨詢，對評價指標進行等級排序，根據(jù)公式（1）得到評價指標的絕對權(quán)重

ω

′，通過對

ω

′歸一化計算得到評價指標的相對權(quán)重值

ω

。

2 空管安全運行保障能力云模型

2.1 云模型理論

20世紀90年代李德毅院士提出了云模型，其主要思想為：假定

U

為一個可精確度量的定量論域，

C

為

U

上的定性概念。當定量值

x

屬于

U

中某一值時，同時也屬于

C

中的一個隨機數(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

x

對應(yīng)一個云滴，

x

在該論域

U

上的分布稱為云。通常(

E

，

E

，

H

)三個參數(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，是對論域空間隨機性的度量。

云模型中通過采用云發(fā)生器在定性語言和定量數(shù)值之間進行不確定性的轉(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，實現(xiàn)步驟為：

（1）生成一個以

E

為期望值，

H

為方差的高斯隨機數(shù)

E

′=

NORM

(

E

，

H

)；

（3）計算云滴的隸屬度，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

個云滴生成為止。

2.2 確定評語集和基準云

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

表2 空管安全運行保障能力標準量化值Table 2 Standard quantization value of safe operation support ability

根據(jù)表2中的空管安全運行保障能力等級，結(jié)合云模型理論，可得到空管安全運行保障能力評價的基準云模型，其云數(shù)字特征通過式（4）~式（6）計算得到。

式中：

x

和

x

分別為保障能力等級分值區(qū)間的上下限；

l

為常數(shù)，可根據(jù)評價指標的模糊閾度進行取值，且不宜取值過大，本文取

l

=0.05。

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

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

圖1 基準云云圖Fig.1 Benchmark cloud diagram

2.3 確定指標層各個評價指標的評價云

評價專家根據(jù)表2中的標準，基于中國民航局已經(jīng)實施的《空管安全審計》和《空中交通服務(wù)安全評估系統(tǒng)》等管制規(guī)定，對空管安全運行保障能力每個評價指標進行具體打分，得到每個評價指標的得分數(shù)據(jù)

x

，通過逆向云發(fā)生器對數(shù)據(jù)進行處理，得到每個評價指標的安全保障能力評價云

A

，其數(shù)字特征為

2.4 計算綜合云

將評價指標的評價云與對應(yīng)的權(quán)重進行模糊合成，分別得到準則層和目標層的綜合云。以準則層的綜合云

A

為例，其數(shù)字特征為

2.5 計算結(jié)果評價

根據(jù)計算可得空管安全運行保障能力的綜合評價云、熵及超熵，通過與標準云進行對比分析，能夠?qū)展馨踩\行保障能力現(xiàn)狀進行判斷與評價，從而確定空管安全運行保障能力的評價等級。

3 實證分析

基于所構(gòu)建的空管安全運行保障能力評價指標，邀請10位空管領(lǐng)域的安全運行管理專家進行專家評分，運用云模型理論對西南某空管分局的空管安全運行保障能力進行實證評價。

3.1 確定評價指標權(quán)重

對空管安全管理專家進行反復(fù)征詢，按照重要程度對評價指標排序，根據(jù)式（1）得到準則層和指標層的指標權(quán)重，計算結(jié)果如表4～表5所示。

表4 準則層指標權(quán)重Table 4 Index weights at the criterion level

表5 指標層Cij指標權(quán)重Table 5 Cij index weight of the index layer

3.2 二級指標評價云

按照空管安全運行保障能力標準，通過10位空管安全運行管理專家對評價指標進行專家評分，基于云模型中的逆向云發(fā)生器原理，根據(jù)式（7）~式（9）得到指標層評價指標的評價云。每個保障能力指標的數(shù)字特征和保障能力排序結(jié)果如表6所示。

表6 評價云Table 6 Index evaluation cloud

3.3 綜合云評價

根據(jù)式（10）~式（12），由模糊合成運算對準則層評價指標做綜合云評價。同理，將準則層的評價云與其權(quán)重進行模糊合成運算，得到空管安全運行保障能力綜合云，即目標層的綜合云。具體結(jié)果如表7所示，可以看出：

E

綜合評價云結(jié)果為8.589 4，

E

綜合評價云結(jié)果為0.286 4，

H

綜合評價云結(jié)果為0.077 5；準則層和目標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，表明評價結(jié)果是可靠穩(wěn)定的。

表7 綜合評價云Table 7 Comprehensive evaluation cloud

3.4 安全運行保障能力等級確定

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

圖2 安全風(fēng)險管理B1評價云Fig.2 Cloud graph of evaluative cloud B1

圖3 安全文化管理B2評價云Fig.3 Cloud graph of evaluative cloud B2

圖4 專業(yè)技術(shù)能力B3評價云Fig.4 Cloud graph of evaluative cloud B3

圖5 安全保障投入B4評價云Fig.5 Cloud graph of evaluative cloud B4

圖6 組織管理程序B5評價云Fig.6 Cloud graph of evaluative cloud B5

圖7 設(shè)備運行能力B6評價云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行保障能力目標層的云數(shù)字特征和基準云的數(shù)字特征，采用Matlab畫出對比圖，如圖8所示，圖中深色為基準云，淺色為目標層的綜合云。

圖8 基準云與綜合云Fig.8 Reference cloud and integrated cloud

該空管分局整體安全運行保障能力等級期望值為8.589 4，從圖8可以看出：其云滴主要集中于［8，10］，說明空管安全運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，說明云層厚度較小，運行保障能力的評價結(jié)果是可靠穩(wěn)定的。

根據(jù)六個準則層指標的云數(shù)字特征，將準則層的期望值按照從大到小排序，得到空管安全運行保障能力的優(yōu)先級順序依次為安全風(fēng)險管理、專業(yè)技術(shù)能力、設(shè)備運行能力、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：六個準則層指標的云數(shù)字特征值都落在較高與極高的區(qū)間，表明這些指標的保障能力都是比較強的，尤其是安全風(fēng)險管理指標，其保障能力等級期望值為8.917 9，是所有指標中評價值最高的；而組織管理程序是所有準則層指標中評價值最低的，其保障能力等級期望值為7.971 7，說明相對而言組織管理程序是準則層中最薄弱的，應(yīng)加強空管安全保障能力中的組織程序建設(shè)。

將指標層評價指標的期望值按照從小到大進行排序，得到組織交流有效性

C

、組織結(jié)構(gòu)合理性

C

、團隊合作精神

C

、安全責(zé)任意識

C

、基礎(chǔ)設(shè)施投入

C

、安全價值觀建設(shè)

C

等指標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

、團隊合作精神

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)，這對組織管理程序

B

評價產(chǎn)生了負面的影響；同樣由于安全責(zé)任意識

C

和安全價值觀建設(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

的評價結(jié)果。

基于云模型的評價結(jié)果，該空管分局在下一階段的安全運行保障能力建設(shè)中，應(yīng)重點增強組織交流有效性的建設(shè)，改進組織結(jié)構(gòu)的合理性，提升團隊合作精神，還應(yīng)該加強對員工安全責(zé)任意識的培養(yǎng)和落實安全價值觀建設(shè)。

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

表8 三種方法的評價結(jié)果對比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行保障所面對的復(fù)雜性和不確定性，構(gòu)建了空管安全運行保障能力云模型評價模型，實現(xiàn)了定性概念與定量數(shù)值的有效轉(zhuǎn)換，實踐證明其評價結(jié)果是可靠的、穩(wěn)定的。

（2）引入云模型對空管安全運行保障能力進行評價，不僅可以通過云圖直觀形象地給出空管安全運行保障能力的評價結(jié)果，而且能夠找出影響空管安全運行保障能力的主要因素，明確了改進空管安全運行保障能力的具體方向，為有效解決空管安全運行保障能力評價問題提供了一種新思路。