基于N－K模型的空中交通安全耦合風(fēng)險分析

羅 帆，劉堂卿

(武漢理工大學(xué)管理學(xué)院，湖北武漢430070)

隨著我國航空運(yùn)輸業(yè)的持續(xù)高速發(fā)展，我國民航空管系統(tǒng)正處于成長的戰(zhàn)略機(jī)遇期、快速發(fā)展期和管理轉(zhuǎn)型期，空中交通安全保障能力的瓶頸效應(yīng)日益凸顯出來?？展茱L(fēng)險因素是空管安全風(fēng)險問題的原因和始端，通常一個風(fēng)險因素不會造成大的系統(tǒng)故障，當(dāng)多個風(fēng)險因素相互作用，疊加放大后就可能造成系統(tǒng)故障。因此，對風(fēng)險因素的耦合進(jìn)行分析和研究，是防止空管不安全事件發(fā)生的關(guān)鍵步驟，也是最終控制安全事故，提高風(fēng)險管理水平的關(guān)鍵所在。

國外學(xué)者FELICI通過對空中交通管理的安全進(jìn)行動態(tài)分析，并結(jié)合案例，提出了動態(tài)安全分析模型框架，指出系統(tǒng)的安全分析要考慮技術(shù)、組織和成本因素［1］。SVEN和ROLAND構(gòu)建了基于事故的程序模型，把擾亂作用障礙分析法引入空管風(fēng)險分析，利用DEB方法分析如何在一個復(fù)雜的系統(tǒng)中識別空中交通管制的風(fēng)險［2］。PETER介紹了歐洲空管對風(fēng)險評估和減弱的要求，即要求用系統(tǒng)的、結(jié)構(gòu)化的方法來評估和減弱空管風(fēng)險，并研究了如何運(yùn)用預(yù)測和監(jiān)測技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這些功能［3］。國內(nèi)對空管的安全風(fēng)險管理研究相對較少，袁樂平等結(jié)合空管運(yùn)行的實(shí)際情況建立了危險嚴(yán)重程度評價指標(biāo)體系，并利用模糊評價的相關(guān)理論，進(jìn)行危險發(fā)生嚴(yán)重程度的評估［4］。萬健等對空管災(zāi)害誘因進(jìn)行分析后，考慮理想狀況與實(shí)際情況的差異，構(gòu)建了空管監(jiān)控指標(biāo)體系［5］。羅帆等根據(jù)安全管理者的訪談記錄，收集整理出影響空管安全的風(fēng)險因素，并按照人員、設(shè)備、環(huán)境和管理4個方面進(jìn)行分類、提煉、合并和綜合，設(shè)計(jì)了風(fēng)險評估指標(biāo)體系并進(jìn)行優(yōu)化［6］。國外學(xué)者提出的安全風(fēng)險系統(tǒng)管理的理論、模型和方法等都有一定的實(shí)踐意義，值得國內(nèi)民航系統(tǒng)參考和借鑒;國內(nèi)學(xué)者大多從單因素風(fēng)險的角度去評估風(fēng)險和設(shè)計(jì)指標(biāo)體系，而沒有從風(fēng)險因素耦合的角度去研究，導(dǎo)致風(fēng)險評估指標(biāo)體系不夠完善，實(shí)踐操作性不強(qiáng)。因此，防范空管安全的耦合風(fēng)險研究，對于空管系統(tǒng)各個層面、各個細(xì)分機(jī)構(gòu)的安全風(fēng)險管理提供了參考和借鑒，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 空管安全單因素風(fēng)險

空中交通管理系統(tǒng)是一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，涉及到人、機(jī)、環(huán)、管4大子系統(tǒng)，在安全上存在著很多風(fēng)險因素。根據(jù)系統(tǒng)工程理論，將空中交通安全的影響因素大致分為4類:人為因素、設(shè)備因素、環(huán)境因素和管理因素。

人為因素風(fēng)險是指空管安全系統(tǒng)中區(qū)域管制、進(jìn)近管制、塔臺管制、報告室、航行情報、通信導(dǎo)航和航空氣象服務(wù)等業(yè)務(wù)單位與安全相關(guān)的日常工作及人員的素質(zhì)和能力所引起的風(fēng)險，包括生理因素風(fēng)險、心理因素風(fēng)險和技術(shù)因素風(fēng)險等［7－8］。

設(shè)備因素風(fēng)險是指空管安全系統(tǒng)中與安全相關(guān)的空中交通服務(wù)和導(dǎo)航服務(wù)中的各種設(shè)備配置、完好性、利用率等所引起的風(fēng)險，包括通信設(shè)備風(fēng)險、監(jiān)視設(shè)備風(fēng)險、導(dǎo)航設(shè)備風(fēng)險和照明設(shè)備風(fēng)險等。

環(huán)境因素風(fēng)險是指空管安全系統(tǒng)運(yùn)行的內(nèi)外環(huán)境，如航路空域環(huán)境、地理環(huán)境、氣象環(huán)境、人文環(huán)境、通信環(huán)境和空管內(nèi)部環(huán)境等所引起的風(fēng)險，包括航路設(shè)計(jì)不合理、空中交通流量過大、高原山地異物干擾、飛行動物干擾、惡劣天氣、非法活動干擾、電磁干擾和室內(nèi)工作環(huán)境不適等。

管理因素風(fēng)險是指空管安全系統(tǒng)中各機(jī)關(guān)和部門的安全指導(dǎo)思想、組織結(jié)構(gòu)、規(guī)章制度建設(shè)、培訓(xùn)和安全文化等引發(fā)的風(fēng)險，包括空域管理不當(dāng)、規(guī)章制度不合理、工作程序不合理、決策失誤、執(zhí)行決策不力、排班不科學(xué)、管理制度落實(shí)不到位和人力資源管理不配套等風(fēng)險。

2 空管安全耦合風(fēng)險的含義及分類

2.1 空管安全風(fēng)險耦合的含義

物理學(xué)中把兩個或兩個以上的體系或兩種運(yùn)動形式之間通過各種相互作用而彼此影響以致聯(lián)合起來的現(xiàn)象稱之為耦合。系統(tǒng)動力學(xué)認(rèn)為世界上的萬事萬物不是孤立存在的，必須以系統(tǒng)部分的方式存在。自組織理論認(rèn)為系統(tǒng)與系統(tǒng)之間存在著非線性的相互作用，系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的相互作用是事物存在的普遍范式，這種范式稱為耦合［9］。風(fēng)險耦合指的是系統(tǒng)活動過程中一類個別風(fēng)險的發(fā)生及其影響力依賴于其他風(fēng)險的程度和影響其他風(fēng)險發(fā)生及影響力的程度，這種風(fēng)險間的依賴和影響關(guān)系稱之為風(fēng)險耦合。空管安全風(fēng)險耦合是指空管安全活動過程中各種風(fēng)險之間的依賴和影響關(guān)系。

2.2 空管安全耦合風(fēng)險的類型

風(fēng)險按不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類，而風(fēng)險耦合的類型與風(fēng)險的分類又有緊密的聯(lián)系。由于空管安全風(fēng)險耦合的存在，擴(kuò)大了空管安全風(fēng)險的范疇，在空管安全風(fēng)險管理理論風(fēng)險分類的基礎(chǔ)上，空管安全耦合風(fēng)險可分為以下3種類型:

(1)單因素耦合風(fēng)險。單因素耦合風(fēng)險是指影響空管安全的單個風(fēng)險因素所屬的風(fēng)險因子之間的相互作用和影響所引發(fā)的風(fēng)險。單因素耦合風(fēng)險包括人為因素耦合風(fēng)險、設(shè)備因素耦合風(fēng)險、環(huán)境因素耦合風(fēng)險和管理因素耦合風(fēng)險，分別記為T11(a)、T12(b)、T13(c)和T14(d)，耦合風(fēng)險總值記為T1。

(2)雙因素耦合風(fēng)險。雙因素耦合風(fēng)險是指影響空管安全的兩個風(fēng)險因素之間的相互作用和影響所導(dǎo)致的風(fēng)險。雙因素耦合風(fēng)險包括人－機(jī)因素耦合風(fēng)險、人－環(huán)因素耦合風(fēng)險、人－管因素耦合風(fēng)險、機(jī)－環(huán)因素耦合風(fēng)險、機(jī)－管因素耦合風(fēng)險、環(huán)－管因素耦合風(fēng)險，分別記為T21(a，b)、T22(a，c)、T23(a，d)、T24(b，c)、T25(b，d)和T26(c，d)，耦合風(fēng)險總值記為T2。

(3)多因素耦合風(fēng)險。多因素耦合風(fēng)險是指影響空管安全的3個及多個風(fēng)險因素之間的相互作用和影響所導(dǎo)致的風(fēng)險。多因素耦合風(fēng)險包括人－機(jī)－環(huán)因素耦合風(fēng)險、人－機(jī)－管因素耦合風(fēng)險、人－環(huán)－管因素耦合風(fēng)險、機(jī)－環(huán)－管因素耦合風(fēng)險、人－機(jī)－環(huán)－管因素耦合風(fēng)險。其中3因素耦合風(fēng)險分別記為T31(a，b，c)、T32(a，b，d)、T33(a，c，d)和T34(b，c，d)，風(fēng)險總值為T3;4因素耦合風(fēng)險記為T41(a，b，c，d)，風(fēng)險值為T4。

3 基于N－K模型的風(fēng)險耦合分析

N－K模型［10?是一個解決復(fù)雜問題的通用模型，包括兩個參數(shù):N為組成整體組件的數(shù)目;K為網(wǎng)絡(luò)中相互依賴關(guān)系的數(shù)目，它是適應(yīng)度景觀圖的主要決定因素，適應(yīng)度的值依賴于K。如果系統(tǒng)中有N類組元，每類組元各可取n種不同的情況，則所有可能的組合方式就有nN種。當(dāng)系統(tǒng)組元按一定的方式組合起來時，就會形成網(wǎng)絡(luò)。K最小為0，最大為N－1。由于影響空管安全的所有風(fēng)險因素不可能在同一時刻突破所有的防御系統(tǒng)，進(jìn)行耦合超出安全系統(tǒng)所能承受的最大閾值，而是部分風(fēng)險因素在突破局部防御系統(tǒng)后，在耦合的過程中才逐步達(dá)到全局的最大耦合值，因此當(dāng)它們找到局部耦合點(diǎn)之后，就會依據(jù)這一模式進(jìn)行耦合活動，而不是再費(fèi)精力和時間去尋找所有風(fēng)險因素的耦合。局部耦合是在風(fēng)險傳導(dǎo)的過程中逐步顯露出來的，不能與局部耦合風(fēng)險再次耦合的風(fēng)險就會趨于消失，只有與局部耦合風(fēng)險進(jìn)行耦合的風(fēng)險才能不斷導(dǎo)致耦合風(fēng)險進(jìn)一步擴(kuò)大，這就導(dǎo)致了空管安全風(fēng)險耦合的專門化。通過對適應(yīng)度的考察就可對不同組元的合作效果、系統(tǒng)的復(fù)雜現(xiàn)狀進(jìn)行考察。這一模型為復(fù)雜系統(tǒng)的研究提供了一個通用的分析工具。下面就利用N－K模型來研究空管安全風(fēng)險耦合的復(fù)雜性。一個直接評價不同的人為因素風(fēng)險、設(shè)備因素風(fēng)險、環(huán)境因素風(fēng)險、管理因素風(fēng)險相互耦合，形成新的風(fēng)險狀態(tài)的方法是計(jì)算四者之間的交互信息T［11］，也就是說如果運(yùn)用某一組合方式進(jìn)行耦合的次數(shù)越多，則說明這種耦合方式發(fā)生的概率越大;某一組合方式進(jìn)行耦合的值越大，則說明這種耦合風(fēng)險越大，發(fā)生不安全事件的可能性就越大。N－K模型起源于信息理論，原本是用來測度信息的傳輸量的。交互信息的計(jì)算公式為:

Ph，i，j，k為人在第h種狀態(tài)、設(shè)備在第i種狀態(tài)、環(huán)境在第j種狀態(tài)、管理在第k種狀態(tài)下耦合發(fā)生的概率，計(jì)算所得的T值越高，說明空中交通安全風(fēng)險越大。T是空中交通安全風(fēng)險的總的狀況的數(shù)量化評估。

由于空中交通安全風(fēng)險大多是發(fā)生在局部的，而局部的耦合可以是由3個風(fēng)險因素發(fā)生耦合的不同情況，例如人為因素風(fēng)險、環(huán)境因素風(fēng)險和管理因素風(fēng)險耦合后導(dǎo)致不安全事件，此時與設(shè)備因素風(fēng)險關(guān)系不大時，就發(fā)生了局部風(fēng)險耦合的情況。因此可以通過計(jì)算發(fā)生在三者之間的信息交互來考察局部耦合的風(fēng)險情況。三者之間的風(fēng)險耦合計(jì)算公式為:

同理，兩者之間的風(fēng)險耦合計(jì)算公式為:

局部的耦合也可以是一個風(fēng)險因素內(nèi)部因子之間發(fā)生耦合的不同情況，因此，單因素風(fēng)險耦合可以看作是雙因素耦合的特例，單因素之間的風(fēng)險耦合另作進(jìn)一步深入的研究。

4 空管安全風(fēng)險耦合實(shí)證分析

下面對空中交通安全人、機(jī)、環(huán)、管4大風(fēng)險因素之間的耦合在N－K模型中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的說明。未發(fā)生的各種情況和發(fā)生的各種情況分別用0，1來代表，則有16種可能的風(fēng)險耦合形式。根據(jù)民航局空中交通管理局2000—2009年民航空中交通事件報告整理的數(shù)據(jù)，10年間共發(fā)生空管不安全事件519起，風(fēng)險耦合發(fā)生次數(shù)以及每一種耦合發(fā)生的頻率如表1所示。

為了計(jì)算T值，先計(jì)算以下各項(xiàng)的值:

(1)單因素耦合不同情況下發(fā)生的概率為:

(2)雙因素耦合不同情況下發(fā)生的概率為:

表1 2000—2009年風(fēng)險耦合發(fā)生次數(shù)及頻率

(3)多因素耦合不同情況下發(fā)生的概率為:

根據(jù)式(1)～式(11)，可分別計(jì)算出下列各項(xiàng)耦合的T值:

5 結(jié)論

(1)隨著耦合因素的增加，其風(fēng)險也隨之增大。從計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，3因素耦合的風(fēng)險比兩因素耦合造成的風(fēng)險大，4因素耦合的風(fēng)險比3因素耦合造成的風(fēng)險大得多。

(2)在控制風(fēng)險耦合的過程中，主觀因素造成的風(fēng)險比客觀因素耦合造成的風(fēng)險易于控制。因此，要充分發(fā)揮人的主觀能動性，減少不安全事件的發(fā)生。從計(jì)算的結(jié)果看出，3因素耦合的風(fēng)險中，人－機(jī)－環(huán)因素耦合風(fēng)險、機(jī)－環(huán)－管因素耦合風(fēng)險比人－環(huán)－管因素耦合風(fēng)險、人－機(jī)－管因素耦合風(fēng)險大得多;因此說明主觀因素(人為因素和管理因素)完全耦合比不完全耦合風(fēng)險要小，客觀因素(環(huán)境因素和設(shè)備因素)完全耦合比不完全耦合風(fēng)險要大。

(3)要加強(qiáng)對空域環(huán)境和現(xiàn)代空管設(shè)備的管理和研究，增強(qiáng)人與設(shè)備、環(huán)境界面的友好合作。兩因素耦合的風(fēng)險中，機(jī)－環(huán)因素耦合風(fēng)險、人－環(huán)因素耦合風(fēng)險較大，人－管因素耦合風(fēng)險、人－機(jī)因素耦合風(fēng)險其次，環(huán)－管因素耦合風(fēng)險、機(jī)－管因素耦合風(fēng)險較小。因此說明客觀因素耦合風(fēng)險大于主觀因素耦合風(fēng)險，同時也說明環(huán)境因素和設(shè)備因素之間存在著較大的耦合性，只要特定的環(huán)境因素和特定的設(shè)備因素相結(jié)合，發(fā)生風(fēng)險的概率就較大。從2000—2009年發(fā)生的空管不安全事件中也可以看出這個規(guī)律。

(4)計(jì)算結(jié)果所得出的結(jié)論為空管安全管理工作提供了理論依據(jù)，即盡量避免多因素風(fēng)險耦合，特別是4因素風(fēng)險耦合，控制事故或事故癥候的發(fā)生;盡量避免客觀因素風(fēng)險耦合，以減少空管不安全事件的發(fā)生。

［1］FELICIM.Modeling safety case evolution－examples from the air traffic management reliability［J］.Engineering＆System Safety，2004，86(3):269－284.

［2］SVEN T，ROLAND A.A method，DEB analysis，for proactive risk analysis applied to air traffic control［J］.Safety Science，2004，42(7):657－673.

［3］PETER S.Risk assessment＆mitigation in ATM［J］.Safety Science，2006，44(7):629－655.

［4］袁樂平，孫瑞山，成媛.基于模糊評價和未確知數(shù)的空管安全風(fēng)險評估［J］.中國民航學(xué)院學(xué)報，2006，7(4):55－57.

［5］萬健.空管災(zāi)害誘因分析及監(jiān)測指標(biāo)體系的構(gòu)建［J］.中國民航大學(xué)學(xué)報，2007，25(5):1－3.

［6］羅帆，賈貴娟，陳高明，等.空管安全風(fēng)險評估指標(biāo)體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2009，19(8):115－120.

［7］丁松濱，石榮.空中交通管制人員風(fēng)險評價的證據(jù)理論模型［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2007，19(15):3368－3371.

［8］唐衛(wèi)貞，付令.空中交通管制員操作可靠性模糊綜合評價［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報:信息與管理工程版，2010，32(1):114－117.

［9］李廣城.工程地質(zhì)學(xué)耦合理論初步研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2001，9(4):435－441.

［10］LEE F，OLAV S.Technology as a complex adaptive system:evidence from patent data［J］.Research Policy，2001(30):1019－1039.

［11］郭曉林.產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)創(chuàng)新體系及共享機(jī)制研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)圖書館，2006.