人機(jī)環(huán)境工程的空管安全性模糊綜合評(píng)判*

左保龍，張久星，徐浩軍

（1.空軍工程大學(xué)空管領(lǐng)航學(xué)院，西安　710051；2.空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，西安　710038）

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人機(jī)環(huán)境工程的空管安全性模糊綜合評(píng)判*

左保龍1，張久星2，徐浩軍2

（1.空軍工程大學(xué)空管領(lǐng)航學(xué)院，西安710051；2.空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，西安710038）

摘要：針對(duì)人機(jī)環(huán)復(fù)雜因素的空管安全性評(píng)價(jià)難題，基于非對(duì)稱貼近度，提出一種的多級(jí)模糊綜合評(píng)判方法。首先構(gòu)建了基于人機(jī)環(huán)境工程的空管安全影響因素集，包括人的因素、人機(jī)關(guān)系和環(huán)境條件這三大類因素集，然后依據(jù)因素評(píng)判的等級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)，建立了基于非對(duì)稱貼近度的空管安全性的多級(jí)模糊綜合評(píng)判模型，最后以專家系統(tǒng)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)某實(shí)際空管部門的安全性進(jìn)行了模糊綜合評(píng)判。研究方法和研究結(jié)論為科學(xué)評(píng)價(jià)空管系統(tǒng)的安全性提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：空管，安全性，非對(duì)稱貼近度，模糊綜合評(píng)判

0　引言

空管是指對(duì)航空器的飛行活動(dòng)實(shí)施的管理和控制，其任務(wù)是防止航空器與航空器空中相撞，防止航空器與地面障礙物相撞，維護(hù)空中飛行秩序，保障飛行暢通和安全、提高飛行空間和時(shí)間的利用率［1 - 2］。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，近幾年出現(xiàn)的由于空管原因造成的事故征候呈逐年上升趨勢(shì)，造成這種現(xiàn)象既有部分管制員業(yè)務(wù)素質(zhì)不佳、管制行為不規(guī)范的因素，同時(shí)也有管制員在特定的人機(jī)環(huán)境下承受過重的工作壓力導(dǎo)致失誤的因素［3 - 4］。面對(duì)飛行流量快速增加的新形勢(shì)，研究人的因素、人機(jī)關(guān)系、環(huán)境與人的關(guān)系以及人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)總體性能對(duì)空管安全的影響，對(duì)保障飛行安全具有十分重要的作用。

目前，在如何準(zhǔn)確評(píng)估考慮人機(jī)環(huán)境因素的空管安全方面存在許多尚待解決的問題。在空管安全的影響因素分析方面，王永剛［5］對(duì)管制員人為差錯(cuò)影響因素進(jìn)行了分析，黃寶軍［6］對(duì)空管人員人格特征進(jìn)行了分析；姚錫凡［7］在進(jìn)行模糊評(píng)判的綜合評(píng)估時(shí)，采用的最大隸屬度原則，因有效信息亦缺失，導(dǎo)致評(píng)價(jià)失真，文獻(xiàn)［8］采用的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型容易產(chǎn)生局部極值致問題。

本文根據(jù)空管安全的實(shí)際情況，通過分析空管安全的影響因素，構(gòu)建基于人機(jī)環(huán)境工程的空管安全影響因素集，并采用基于非對(duì)稱貼近度的多級(jí)模糊綜合評(píng)判方法來評(píng)價(jià)空管安全。

1　非對(duì)稱貼近度

貼近度是對(duì)2個(gè)模糊子集接近程度的一種度量，分為對(duì)稱貼近度和非對(duì)稱貼近度［9-11］。

定義1［9］非對(duì)稱貼近度：

是rk的特征模糊子集，即第i個(gè)分量是1。

2　空管安全影響因素

空管人機(jī)環(huán)境工程主要是研究在飛行環(huán)境下，管制員、空管系統(tǒng)、管制工作環(huán)境之間的相互關(guān)系。

2.1人的因素

2.1.1專業(yè)能力

管制員的技能成熟度。相同的管制任務(wù)下，管制員的技能成熟度不同，其表現(xiàn)出來的工作緊張程度也不同，使其在制定預(yù)案和管制指揮上花費(fèi)的時(shí)間不同。技能較強(qiáng)的管制員，可以花費(fèi)較少的時(shí)間在制定預(yù)案，從而有更多精力關(guān)注沖突或進(jìn)行協(xié)調(diào)。相反，技能較差的管制員就需要更多思考或反應(yīng)時(shí)間，從而降低了其對(duì)沖突的關(guān)注。管制員的個(gè)性、知識(shí)技能、等的不同，尤其在長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷的工作之下發(fā)生錯(cuò)誤或疏漏的可能性也有一定的差異。

2.1.2身體狀況

管制過程中，通過通訊聯(lián)系，管制員與飛行員及其他相關(guān)人員進(jìn)行溝通，其通話過程是反復(fù)的聽說過程，人為差錯(cuò)在此階段最易發(fā)生。作為管制員，尤其工作負(fù)荷較大時(shí)，其自身生理、心理等的反應(yīng)會(huì)對(duì)整個(gè)管制過程造成較大影響。參與工作的過程中的表現(xiàn)也因人的身體狀況不同有較大差異。

2.1.3協(xié)調(diào)溝通狀況

管制負(fù)荷較大的工作要求，管制員在短時(shí)間內(nèi)根據(jù)實(shí)際情況迅速用簡(jiǎn)潔的語言與對(duì)方達(dá)成一致。因此，管制員的協(xié)調(diào)、決策等能力影響較大，需要通過設(shè)置評(píng)判方式，對(duì)管制員的協(xié)調(diào)能力和決策能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1.4心理因素

由于心理因素而導(dǎo)致事故或事故征候的重要原因是心理機(jī)能失調(diào)，包括人的動(dòng)機(jī)、情緒和個(gè)體心理特征等因素，其中，情緒是變化最大、影響最深的因素。因此，在評(píng)價(jià)的過程當(dāng)中，通過設(shè)置一定的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管制員的心理因素指標(biāo)進(jìn)行考核是非常必要的。

2.2人機(jī)關(guān)系

2.2.1系統(tǒng)條件

空管工作主要是管制員通過觀察空中及機(jī)場(chǎng)地面狀況，包括飛機(jī)、行人、車輛或雷達(dá)顯示屏、進(jìn)程單、電報(bào)或氣象信息等，與飛行員通過無線電陸空通話來交換信息、發(fā)出和執(zhí)行指令的過程［5］。因此，空管系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要指管制工作環(huán)境中的監(jiān)視設(shè)備、通訊設(shè)備和導(dǎo)航設(shè)備等。而對(duì)應(yīng)的軟件環(huán)境則包括安全規(guī)章、特情處置程序、工作程序等規(guī)章程序。

2.2.2工作負(fù)荷

由于空管工作責(zé)任重大，關(guān)系著航空器及機(jī)上人員的安全，管制員必須在一定的時(shí)間內(nèi)作出判斷和發(fā)送管制指令。尤其在高峰時(shí)段或?qū)?fù)雜航路的管制工作，以及有可能出現(xiàn)特情的管制，管制員必須快速作出反應(yīng)，及時(shí)指揮飛機(jī)，瞬間的遲疑或錯(cuò)誤的判斷都可能造成不可挽回的損失。因此，管制員需要嚴(yán)密把握空中動(dòng)態(tài)，對(duì)區(qū)域內(nèi)飛行活動(dòng)實(shí)施全程監(jiān)控，需要工作投入度極高，這就使得管制員在工作中一直處于緊張的狀態(tài)，容易形成身心俱疲的狀態(tài)［2］。

2.3人與環(huán)境的關(guān)系

空管工作環(huán)境主要是指塔臺(tái)、管制大廳工作環(huán)境，既包含了工作環(huán)境的布局，也包含塔臺(tái)的光線、溫度、濕度、噪音對(duì)空管工作的影響。

根據(jù)以上的分析，包括設(shè)備、環(huán)境和人3個(gè)子系統(tǒng)的影響空管安全的因素體系的結(jié)構(gòu)如下頁圖1所示。

3　空管安全性模糊綜合評(píng)判

為了分析空管安全各影響因素以及根據(jù)各因素分析空管安全等級(jí)，結(jié)合非對(duì)稱貼近度理論，構(gòu)造如圖2所示的基于非對(duì)稱貼近度的空管安全模糊綜合評(píng)判流程圖。

圖1影響空管安全的因素體系

圖2基于非對(duì)稱貼近度的模糊綜合評(píng)判流程圖

3.1確定因素集

因素集F即評(píng)價(jià)項(xiàng)目或指標(biāo)的集合，一般有F= （F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)m），且Fi∩Fj=0（i≠j），F(xiàn)i=（Fi1，F(xiàn)i2，F(xiàn)i3，…），（i=1，2，…，n）。其中F為第1層因素集，F(xiàn)i為第2層因素集，以此類推，可以得到空管安全影響因素的因素集。

3.2確定評(píng)語集

評(píng)價(jià)集即評(píng)價(jià)等級(jí)的集合，空管安全評(píng)價(jià)集是用于表征空中管制的安全狀況，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)，用語氣算子來構(gòu)建評(píng)價(jià)集{很好v1，好v2，較好v3，一般v4，較差v5，差v6，很差v7}，即

V={v1，v2，…，v7}（3）

構(gòu)造不同等級(jí)的評(píng)價(jià)集，有利于正確直觀地分析空中管制的安全等級(jí)，進(jìn)而指導(dǎo)安全管理工作。

3.3隸屬度矩陣

依據(jù)隸屬度函數(shù)，計(jì)算各影響因素對(duì)應(yīng)的隸屬度，從而將各指標(biāo)對(duì)固有風(fēng)險(xiǎn)的可能最終值的支持程度量化，得到空管安全影響因素的隸屬度模糊評(píng)價(jià)矩陣：

式中：tij為指標(biāo)i的j級(jí)隸屬度值。

3.4構(gòu)造評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值

通常各個(gè)因素的重要程度是不一樣的，對(duì)重要的因素應(yīng)該特別看重，對(duì)不重要的因素不十分看重。為了反映出各因素的重要程度，對(duì)各因素應(yīng)給予一個(gè)相應(yīng)的權(quán)數(shù)αi（i=1，2，…，n），由各權(quán)數(shù)組成的集合

A=（α1，α2…αn）（5）

稱為因素權(quán)重集，簡(jiǎn)稱權(quán)重集。

各權(quán)數(shù)αi可以視為各因素對(duì)“重要”的隸屬度，滿足非負(fù)性和歸一性，即

各個(gè)權(quán)數(shù)一般根據(jù)實(shí)際問題的需要主觀確定，也可以按照隸屬度的方法確定。選取的權(quán)數(shù)不同，則評(píng)價(jià)的方法結(jié)果也不同。

3.5運(yùn)用模糊非對(duì)稱貼近度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)

3.5.1確定評(píng)價(jià)集

為了有效進(jìn)行模糊綜合度量，防止丟失有效信息，做到真正的客觀公正，可采用加權(quán)平均算子代替取大取小算子，設(shè)模糊綜合評(píng)價(jià)集為B，即：

B=W·T=（bj），j=1，2，…，c（7）

3.5.2運(yùn)用非對(duì)稱貼近度確定空管安全等級(jí)

基于非對(duì)稱貼近度的等級(jí)評(píng)價(jià)步驟為：

步驟1：對(duì)B標(biāo)準(zhǔn)化

首先把bi，i∈ic={1，2，…，c}排在第c位（最后一位），對(duì)任何i1，i2∈ic，若，則把bi1放在bi2的前面；若，且i1＞i2，則把bi1放在bi2的前面，標(biāo)準(zhǔn)化后的B記作：

步驟2：計(jì)算非對(duì)稱貼近度N（B，Di）：

4　實(shí)例分析

以某空管部門人機(jī)與環(huán)境安全為例，通過邀請(qǐng)空管人員代表、該領(lǐng)域有關(guān)專家等20人組成評(píng)審團(tuán)，通過問卷調(diào)查的形式對(duì)系統(tǒng)各因素進(jìn)行單因素評(píng)價(jià)，各因素在相應(yīng)等級(jí)下的專家投票數(shù)見表1所示。

表1空管安全單因素評(píng)價(jià)的調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4.1模糊評(píng)判矩陣

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，首先構(gòu)造模糊評(píng)判矩陣，則人的因素中關(guān)于專業(yè)能力、身體狀況、協(xié)調(diào)溝通狀況、心理狀況4個(gè)方面的評(píng)判矩陣分別為：

4.2空管影響因素權(quán)重的確定

對(duì)某空管部門進(jìn)行了走訪座談，根據(jù)相關(guān)人員的判斷，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2空管安全影響因素權(quán)重表

4.3多級(jí)模糊綜合評(píng)判

①由式（7）可知人的因素中關(guān)于專業(yè)能力、身體狀況、協(xié)調(diào)溝通狀況、心理狀況4個(gè)方面的因素集模糊綜合評(píng)判矩陣為：

B11=［0.17 0.28 0.35 0.1 0.07 0.03 0］

B12=［0.175 0.165 0.325 0.265 0.035 0 0.035］

B13=［0.18 0.105 0.36 0.285 0.07 0 0］

B14=［0 0.125 0.3 0.225 0.2 0.1 0.05］

所以，人的因素一級(jí)模糊綜合評(píng)判矩陣為

②其二級(jí)模糊綜合評(píng)判矩陣為：

B1=［0.113 0 0.176 5 0.329 0 0.240 5 0.108 5 0.044 0 0.024 5］

同理，可以得到人機(jī)關(guān)系和環(huán)境條件的因素集模糊綜合評(píng)判矩陣B2和B3。

③結(jié)合人的因素、人機(jī)關(guān)系、環(huán)境條件3個(gè)因素集，可以得到三級(jí)模糊綜合評(píng)判矩陣為：

B1=［0.079 7 0.146 6 0.319 3 0.277 6 0.130 4 0.033 0 0.013 5］

4.4根據(jù)最大隸屬度原則確定空管安全等級(jí)

根據(jù)最大隸屬度原則，評(píng)判結(jié)果應(yīng)該選為模糊綜合評(píng)判矩陣B中數(shù)值最大的值所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)，即應(yīng)選定最大值0.319 3所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)“較好”。

但是，觀察評(píng)價(jià)矩陣B可以發(fā)現(xiàn)，評(píng)價(jià)集中“較好”所對(duì)應(yīng)的數(shù)值0.319 3與其鄰值0.277 6（“一般”）相接近。由于采用最大隸屬度原則容易丟失有效信息，可能導(dǎo)致評(píng)價(jià)失真，為進(jìn)一步確定評(píng)價(jià)結(jié)果，應(yīng)當(dāng)再次驗(yàn)證，即對(duì)本次評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行基于非對(duì)稱貼近度的遴選方法。

4.5根據(jù)非對(duì)稱貼近度原則確定空管安全等級(jí)

根據(jù)式（8）所示方法對(duì)B標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)合式（9）、式（10），通過計(jì)算機(jī)編程可知非對(duì)稱貼近度為：

N（B，D1）=N（B（1），D7）=0.920 1

同理可知：

N（B，D2）=0.952 9

N（B，D3）=0.990 3

N（B，D4）=0.985 3

N（B，D5）=0.946 3

N（B，D6）=0.887 0

N（B，D7）=0.870 1

顯然：

根據(jù)計(jì)算的貼近度值可以判斷出該空管部門人機(jī)與環(huán)境安全水平為“較好”，即與最大隸屬度原則所判定的空管安全等級(jí)相同。

5　結(jié)論

本文從空管安全的實(shí)際出發(fā)，用人機(jī)與環(huán)境工程的專業(yè)觀點(diǎn)分析影響空管安全的因素，并對(duì)各因素進(jìn)行分類整合，建立了人的因素、人機(jī)關(guān)系和環(huán)境條件三大類因素集，并將非對(duì)稱貼近度應(yīng)用于模糊綜合評(píng)判結(jié)果的集化，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于非對(duì)稱貼近度的空管安全性多級(jí)模糊綜合評(píng)判方法，并結(jié)合實(shí)際空管部門，進(jìn)行了安全等級(jí)模糊綜合評(píng)判。該研究方法和研究結(jié)論不僅為某空管部門安全提供了安全資料，也為分析空管安全的影響因素、空管安全在不同人機(jī)環(huán)境條件下的安全評(píng)價(jià)問題提供了一定借鑒。

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Fuzzy Comprehensive Evaluation of ATC Security Based on Man- machine Environment Engineering

ZUO Bao-long1，ZHANG Jiu-xing2，XU Hao-jun2
（1. ATC Navigation College，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China；
2. Aeronautics and Astronautics Engineering Institute，Air Force Engineering University，Xi’an，710038，China）

Abstract：It is a difficult problem to evaluate the ATC security in consideration of man-machine environment factors. This paper puts forward a multilevel fuzzy comprehensive assessment method based on asymmetric proximity. First，are the influencing ATC security factors based on man -machine environment engineering collected，these include human factors，man -machine connections and environment conditions which are the three primary factors. Then，is a multilevel fuzzy comprehensive assessment model of ATC security based on man -machine environment engineering constructed. Finally，a fuzzy comprehensive assessment of security for certain ATC unit is given. This researching method and conclusion can be scientifically used for reference to evaluate the security of ATC system.

Key words：air traffic control，security，asymmetric proximity，fuzzy comprehensive assessment

作者簡(jiǎn)介：左保龍（1965-），男，陜西西安人，副教授。研究方向：空管運(yùn)行與安全。

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61074007）

收稿日期：2015-01-08

文章編號(hào)：1002-0640（2016）02-0060-05

中圖分類號(hào)：V355.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

修回日期：2015-02-26