基于云模型的民用機(jī)場(chǎng)消防指揮員決策能力測(cè)評(píng)研究*

高大磊，于曉芳，杜紅兵

(中國民航大學(xué) 飛行技術(shù)學(xué)院，天津 300300)

0 引言

機(jī)場(chǎng)發(fā)生的突發(fā)事件，尤其是涉及航空器失事的緊急事件，第一支響應(yīng)力量是消防救援部門[1]。消防指揮員作為救援力量的組織協(xié)調(diào)者與決策處置者，是整個(gè)救援行動(dòng)的關(guān)鍵，其決策能力的高低直接影響著救援的效果。因此，深入分析民用機(jī)場(chǎng)消防指揮員決策能力，構(gòu)建測(cè)評(píng)其能力的方法體系，對(duì)于人才的鑒定、選拔、配置具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國內(nèi)學(xué)者主要研究建筑火災(zāi)指揮員[2-3]、軍事指揮員[4-5]、礦山救援指揮員[6]等的決策能力，歸納總結(jié)各領(lǐng)域指揮員決策能力的構(gòu)成要素發(fā)現(xiàn)，指揮員決策能力是由一系列的定性與定量變量構(gòu)成的，評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)綜合考慮指標(biāo)的模糊性與隨機(jī)性等特點(diǎn)。同時(shí)，由于定性變量與定量變量的評(píng)價(jià)方式不同，評(píng)估結(jié)果可能產(chǎn)生類似于“精確數(shù)值”或“優(yōu)、良、中、差”形式的2類評(píng)價(jià)結(jié)果。為整合2類結(jié)果，確定最終評(píng)價(jià)值，需確立一個(gè)定性與定量相互轉(zhuǎn)化的測(cè)評(píng)方法。傳統(tǒng)的定性定量轉(zhuǎn)換方法包括[7]：層次分析法、量化加權(quán)法、專家群體打分法、模糊綜合評(píng)判法等，但上述方法均未兼顧測(cè)量實(shí)體的模糊性及隨機(jī)性?；诖?，李德毅提出了一種定性變量與定量變量可相互轉(zhuǎn)化的云理論，該理論已應(yīng)用于船員適任性綜合評(píng)價(jià)[8]、水庫誘發(fā)地震風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)[9]、水體富營養(yǎng)化程度評(píng)價(jià)[10]、隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)[11]等研究。云模型作為一種能夠進(jìn)行定性與定量相互轉(zhuǎn)化的不確定性模型，可充分體現(xiàn)出用模糊語言評(píng)價(jià)定性變量時(shí)的模糊性和隨機(jī)性，是進(jìn)行定性與定量相互轉(zhuǎn)化的有效工具。

基于云模型的思想及原理，將相關(guān)理論運(yùn)用到民用機(jī)場(chǎng)消防指揮員決策能力測(cè)評(píng)研究中，運(yùn)用云模型的特征參數(shù)期望Ex(Excepted Value)、熵En(Entropy)、超熵He(Hyper Entropy)建立一個(gè)由定性到定量的測(cè)評(píng)轉(zhuǎn)換模型，使定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單、直觀的定量評(píng)價(jià)，為分析民用機(jī)場(chǎng)消防指揮員決策能力提供理論依據(jù)。

1 云模型

云模型包含3個(gè)量值，分別反映定性概念的定量特征，記做C(Ex,En,He)，如圖1所示。其中，Ex為期望，是云滴在論域空間最具代表性的定性概念值，反映了論域空間的中心值；En為熵，描述了云滴的模糊性與隨機(jī)性，表示了以云滴形式表現(xiàn)出來的定性概念結(jié)果的分散度，以及在一定論域空間內(nèi)能夠被定性概念所接納的云滴的取值范圍；He為超熵，是對(duì)熵的不確定性的度量，是針對(duì)熵值的不確定度的衡量，表達(dá)了在一定論域空間內(nèi)云滴的不確定性的聚合性。

圖1 云及其數(shù)字特征Fig. 1 Cloud and its digital characters

云模型的基本算法包含正向云發(fā)生器和逆向云發(fā)生器2類。前者可實(shí)現(xiàn)從定性信息中獲取定量數(shù)據(jù)的取值范圍和分布規(guī)律，后者可實(shí)現(xiàn)將精確數(shù)值轉(zhuǎn)化為合適的定性語言值。本文選用正向正態(tài)云發(fā)生器對(duì)民用機(jī)場(chǎng)消防指揮員決策能力指標(biāo)的評(píng)價(jià)值進(jìn)行云化。對(duì)于具有上下界的評(píng)價(jià)指標(biāo)值，如：(Ymin,Ymax)，利用式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

(1)

式中：k為常數(shù)，可依據(jù)變量本身的穩(wěn)定性具體調(diào)整其數(shù)值，一般取值為0.01。

2 決策能力評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

評(píng)價(jià)指揮員的決策能力水平，首先需深入挖掘其決策能力的構(gòu)成要素。通過了解建筑火災(zāi)指揮員[2-3]、軍事指揮員[4-5]、礦山救援指揮員[6]等的決策能力發(fā)現(xiàn)，各領(lǐng)域的指揮員不僅應(yīng)具備指揮崗位的基本能力，如：身心素質(zhì)、應(yīng)急處置能力、溝通協(xié)調(diào)能力、指揮基礎(chǔ)知識(shí)等，還應(yīng)掌握本專業(yè)的理論知識(shí)與業(yè)務(wù)技能，如：建筑火災(zāi)指揮員應(yīng)具備識(shí)讀建筑圖紙、了解不同建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的能力等，軍事指揮員應(yīng)懂得戰(zhàn)術(shù)的運(yùn)用、開展及隊(duì)伍的組織等。

對(duì)于民用機(jī)場(chǎng)消防指揮員決策能力的研究，應(yīng)結(jié)合航空器應(yīng)急救援流程及事故特點(diǎn)，分析其決策能力影響因素。本文以《民用運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)突發(fā)事件應(yīng)急救援管理規(guī)則》為背景，分析幾個(gè)較大機(jī)場(chǎng)的應(yīng)急救援預(yù)案，當(dāng)航空器突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，經(jīng)機(jī)場(chǎng)應(yīng)急救援總指揮授權(quán)，機(jī)場(chǎng)消防指揮員可擔(dān)任應(yīng)急救援現(xiàn)場(chǎng)指揮員，依據(jù)突發(fā)事件周圍環(huán)境及天氣狀況，開展救援行動(dòng)。根據(jù)《國際民用航空公約》附件19的規(guī)定[12]，為確保發(fā)生航空器突發(fā)事件時(shí)，機(jī)場(chǎng)消防指揮員能夠快速組織救援行動(dòng)、指揮消防員迅速實(shí)施救援，機(jī)場(chǎng)消防指揮員應(yīng)熟知機(jī)場(chǎng)的布局特點(diǎn)，以滿足附件19對(duì)機(jī)場(chǎng)消防部門到達(dá)機(jī)場(chǎng)及其附近區(qū)域內(nèi)任一位置的應(yīng)答時(shí)間僅是3 min的要求；同時(shí)，應(yīng)熟悉各機(jī)型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，便于規(guī)劃出最優(yōu)的人員逃生路徑；而由于航空器結(jié)構(gòu)的特殊性，機(jī)場(chǎng)消防指揮員還應(yīng)掌握航空器火災(zāi)撲救知識(shí)，悉知航空器各部位發(fā)生事故時(shí)的救援對(duì)策；此外，航空運(yùn)輸中涉及9大類危險(xiǎn)品，如運(yùn)載有爆炸性、放射性或腐蝕性物質(zhì)的航空器發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，機(jī)場(chǎng)消防指揮員則應(yīng)根據(jù)物質(zhì)性質(zhì)的要求，安排相應(yīng)人員實(shí)施救援。

經(jīng)上述分析，研究歸納出民用機(jī)場(chǎng)消防指揮員決策能力影響要素，并利用問卷調(diào)查及統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)，確定民用機(jī)場(chǎng)消防指揮員決策能力指標(biāo)體系，如圖2所示。

圖2 指標(biāo)體系Fig. 2 Index system

根據(jù)調(diào)查問卷的回收數(shù)據(jù)，選用結(jié)構(gòu)方程模型確定各級(jí)指標(biāo)權(quán)重。參考文獻(xiàn)[13]的權(quán)值確定法，獲得各指標(biāo)權(quán)重如下：

1)一級(jí)指標(biāo)權(quán)重：W=(WU1,WU2,WU3,WU4)=(0.14,0.21,0.33,0.32)。

2)二級(jí)指標(biāo)權(quán)重：W1=(WX1,WX2,WX3)=(0.33,0.34,0.33)，W2=(WX4,WX5,WX6)=(0.20,0.40,0.40)，W3=(WX7,WX8,WX9,WX10,WX11,WX12,WX13)=(0.13,0.14,0.14,0.14,0.14,0.15,0.16)，W4=(WX14,WX15,WX16,WX17,WX18)=(0.2,0.2,0.2,0.2,0.2)。

3)三級(jí)指標(biāo)權(quán)重：綜合一級(jí)指標(biāo)權(quán)重和二級(jí)指標(biāo)權(quán)重的結(jié)果，得出18個(gè)三級(jí)指標(biāo)對(duì)民用機(jī)場(chǎng)消防指揮員決策能力的影響權(quán)重w=(w1,w2,w3,…，w18)=(0.046 2,0.046 7,0.046 2,0.042,0.084,0.084,0.042 9,0.046 2,0.046 2,0.046 2,0.046 2,0.049 5,0.052 8,0.064,0.064,0.064,0.064,0.064)。

3 決策能力測(cè)評(píng)方法

3.1 方法確定

分析上述評(píng)價(jià)指標(biāo)體系發(fā)現(xiàn)，民用機(jī)場(chǎng)消防指揮員決策能力由9項(xiàng)定量指標(biāo)和9項(xiàng)定性指標(biāo)構(gòu)成。其中，定量指標(biāo)包含：個(gè)人基礎(chǔ)素質(zhì)中的文化素質(zhì)、心理素質(zhì)，以及指揮知識(shí)(二級(jí)指標(biāo))中所含的7項(xiàng)三級(jí)指標(biāo)；其余9項(xiàng)指標(biāo)為定性指標(biāo)。通過比對(duì)現(xiàn)有人才測(cè)評(píng)方法[14]，確定本文各指標(biāo)的測(cè)評(píng)方案：選用通過考核打分確定具體分值的方式測(cè)評(píng)定量指標(biāo)；選用通過專家評(píng)語的形式評(píng)價(jià)定性指標(biāo)。然而，由于評(píng)價(jià)指標(biāo)及人類思維具有隨機(jī)性和模糊性的特點(diǎn)，以評(píng)語方式呈現(xiàn)的測(cè)評(píng)結(jié)果可能存在模糊性及不確定性，為弱化這種情況，采用區(qū)間數(shù)法首先對(duì)定性指標(biāo)的測(cè)評(píng)結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)化[15]，過程如下：

1)篩選出測(cè)評(píng)指標(biāo)體系中的定性指標(biāo)：F={x1,x2,…，xn}，其中：n為正整數(shù)，表示定性指標(biāo)的總數(shù)。

2)確定定性評(píng)價(jià)指標(biāo)集對(duì)應(yīng)的評(píng)語級(jí)和區(qū)間數(shù)。評(píng)語級(jí)：R={R1,R2,R3,R4,R5} ={很好，好，一般，較差，差}，區(qū)間數(shù)：I={I1,I2,I3,I4,I5}={[90,100],[80,90),[60,80),[50,60),[0,50)}，其中評(píng)語級(jí)與區(qū)間數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為，R1與I1對(duì)應(yīng)，即“很好”對(duì)應(yīng)的區(qū)間數(shù)為“[90,100]”，R2、R3、R4、R5評(píng)語級(jí)對(duì)應(yīng)的區(qū)間數(shù)以此類推。

3.2 結(jié)果處理

為確定最終的測(cè)評(píng)結(jié)果，需對(duì)利用上述方法測(cè)評(píng)的定性指標(biāo)和定量指標(biāo)的測(cè)評(píng)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一處理，以便對(duì)民用機(jī)場(chǎng)消防指揮員決策能力做出評(píng)價(jià)。盡管為弱化評(píng)價(jià)指標(biāo)及人類思維的模糊性及不確定性，采用區(qū)間數(shù)法對(duì)定性指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行了轉(zhuǎn)化，但利用這種方法得到的測(cè)評(píng)結(jié)果，在某種程度上仍存在隨機(jī)性的特點(diǎn)。通過對(duì)云模型的分析，云模型在傳統(tǒng)的概率論和模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上，通過三個(gè)數(shù)字特征(Ex,En,He)，能將在評(píng)價(jià)事物過程中產(chǎn)生的模糊性、隨機(jī)性和離散性有機(jī)地結(jié)合起來，且可實(shí)現(xiàn)不確定性語言和定量數(shù)值間的自然轉(zhuǎn)換[16]，且已成功運(yùn)用于評(píng)價(jià)船員的適任性、水庫誘發(fā)地震風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)等。

鑒于此，為能夠統(tǒng)一處理定量指標(biāo)與定性指標(biāo)的測(cè)評(píng)結(jié)果，同時(shí)將評(píng)價(jià)結(jié)果的模糊性、隨機(jī)性、離散性有機(jī)結(jié)合起來，本文利用云模型將各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)評(píng)結(jié)果轉(zhuǎn)化成包含期望、熵、超熵3個(gè)特征值的云形式。最后，為使測(cè)評(píng)結(jié)果更加直觀、簡(jiǎn)便，選用加權(quán)逆向云測(cè)評(píng)算法對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算，即輸入n個(gè)云滴的集合Y={y1,y2,…，yn}及云滴的權(quán)重集合Z=(z1,z2,…，zn)，輸出n個(gè)云滴所表示的定性概念的期望值Ex，熵En和超熵He，步驟如下：

由云模型及其數(shù)字特征可知，測(cè)評(píng)結(jié)果的期望值表示民用機(jī)場(chǎng)消防指揮員進(jìn)行指揮活動(dòng)時(shí)預(yù)期達(dá)到的救援效果；熵表示民用機(jī)場(chǎng)消防指揮員的各次指揮活動(dòng)效果的差異程度，該值能夠體現(xiàn)出民用機(jī)場(chǎng)消防指揮員的決策能力水平；超熵表示民用機(jī)場(chǎng)消防指揮員的某次指揮活動(dòng)效果與預(yù)期效果的偏離程度，該值能夠反映出民用機(jī)場(chǎng)消防指揮員指揮素質(zhì)的穩(wěn)定性。

3.3 測(cè)評(píng)流程

整體測(cè)評(píng)流程可以按照以下5個(gè)步驟開展，如圖3所示。

圖3 測(cè)評(píng)流程Fig. 3 Evaluation flow chart

1)按定性指標(biāo)與定量指標(biāo)2種類別劃分測(cè)評(píng)指標(biāo)，其中定量指標(biāo)按精確值法測(cè)評(píng)，定性指標(biāo)按區(qū)間數(shù)法測(cè)評(píng)。

2)將測(cè)評(píng)結(jié)果利用云模型轉(zhuǎn)化為云參數(shù)矩陣，如式

(2)所示。

(2)

3)確定指標(biāo)權(quán)重Z=(z1,z2,…,zn)。

4)利用加權(quán)逆向云測(cè)評(píng)算法計(jì)算測(cè)評(píng)結(jié)果，如式(3)所示。

(3)

5)根據(jù)測(cè)評(píng)結(jié)果分析民用機(jī)場(chǎng)消防指揮員決策能力水平。

式(2)和式(3)中：q為測(cè)評(píng)指標(biāo)數(shù)量。

4 算例分析

為驗(yàn)證基于云模型理論構(gòu)建的民用機(jī)場(chǎng)消防指揮員決策能力測(cè)評(píng)模型的有效性，選取2名指揮能力差異較大的指揮員(V1,V2)為測(cè)評(píng)對(duì)象，以5位消防指揮專家(Z1,Z2,Z3,Z4,Z5)為評(píng)委，應(yīng)用上述方法分析其決策能力水平。

根據(jù)本文的決策能力指標(biāo)體系，確定評(píng)估指標(biāo)集F={x1,x2,…，x18}={文化素質(zhì)，身體素質(zhì)，心理素質(zhì)，…，洞察力}，其中x1、x3、x7、x8、x9、x10、x11、x12、x13為定量指標(biāo)，其余為定性指標(biāo)。綜合專家評(píng)價(jià)法和考核法的測(cè)評(píng)結(jié)果，利用云模型得到定量與定性指標(biāo)的期望、熵、超熵值，如表1所示。

表1 指標(biāo)測(cè)評(píng)值云化結(jié)果

根據(jù)式(3)，通過加權(quán)逆向云測(cè)評(píng)法，得出民用機(jī)場(chǎng)消防指揮員決策能力的測(cè)評(píng)結(jié)果云化值，如表2所示，并將其通過matlab軟件仿真得到測(cè)評(píng)結(jié)果云滴分布圖，如圖4所示。

表2 云的數(shù)字特征測(cè)評(píng)結(jié)果

圖4 測(cè)評(píng)結(jié)果云滴分布Fig. 4 The cloud drop distribution chart of the evaluation results

由表2和圖4可以看出，民用機(jī)場(chǎng)消防指揮員V1的期望值較V2的大，且V1的熵和超熵均小于V2的熵和超熵。根據(jù)云數(shù)字特征內(nèi)涵可知，開展消防救援指揮活動(dòng)時(shí)，指揮員V1較V2能達(dá)到較好的救援效果，做出的決策能力水平更高，且指揮素質(zhì)的穩(wěn)定性較好。通過實(shí)例驗(yàn)證得出，基于云模型的測(cè)評(píng)方法獲得的測(cè)評(píng)結(jié)果與實(shí)際情況基本相符。

影響民用機(jī)場(chǎng)消防指揮員決策能力的因素涉及定性和定量2類指標(biāo)共18項(xiàng)，由于定性和定量指標(biāo)的評(píng)價(jià)方式及評(píng)價(jià)結(jié)果呈現(xiàn)形式的不同，使得很難選用一個(gè)適宜的數(shù)學(xué)模型對(duì)這18項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一處理。同時(shí)，為了對(duì)民用機(jī)場(chǎng)消防指揮員決策能力這個(gè)定性概念做出良好的評(píng)價(jià)，在測(cè)評(píng)過程中，還需考慮測(cè)評(píng)主體及被測(cè)對(duì)象在概念理解、等級(jí)評(píng)價(jià)方面可能存在的模糊性與隨機(jī)性等因素。經(jīng)上述實(shí)測(cè)結(jié)果分析，本文采用的基于云模型的測(cè)評(píng)方法所獲得的評(píng)價(jià)結(jié)果較好地體現(xiàn)了測(cè)評(píng)過程存在的模糊性與隨機(jī)性的本質(zhì)，較好地展示了在評(píng)價(jià)民用機(jī)場(chǎng)消防指揮員決策能力過程中定性語言與定量數(shù)值間不確定性的相互轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步表明該測(cè)評(píng)方法是有效且合理可行的。

5 結(jié)論

1)綜合其他領(lǐng)域指揮員的決策能力影響要素，根據(jù)中國民用航空規(guī)章和民用機(jī)場(chǎng)應(yīng)急救援預(yù)案要求，通過咨詢相關(guān)專家，采用問卷調(diào)查法確定了影響民用機(jī)場(chǎng)消防決策能力的指標(biāo)體系，并利用結(jié)構(gòu)方程模型法確定了各項(xiàng)指標(biāo)的影響權(quán)重。

2)提出適用于本文研究對(duì)象的測(cè)評(píng)方案，并針對(duì)評(píng)價(jià)主體在評(píng)價(jià)被測(cè)對(duì)象決策能力過程中，存在不可避免的模糊性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，研究引入云模型，提出基于云模型的民用機(jī)場(chǎng)消防指揮員決策能力測(cè)評(píng)方法。經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證得出，該測(cè)評(píng)方法及思路具有較好的實(shí)用性。

3)采用區(qū)間數(shù)法評(píng)價(jià)民用機(jī)場(chǎng)消防指揮員決策能力指標(biāo)體系中難以量化的、模糊的定性指標(biāo)，并利用云模型轉(zhuǎn)化測(cè)評(píng)結(jié)果，能將評(píng)價(jià)主體的人為主觀因素和客觀數(shù)據(jù)相融合，提高評(píng)估結(jié)果的科學(xué)性。

4)目前，本文研究成果僅選取了較少人員進(jìn)行測(cè)評(píng)，在后續(xù)研究中，將對(duì)更多的對(duì)象實(shí)施測(cè)評(píng)，并根據(jù)測(cè)評(píng)結(jié)果及反饋意見對(duì)模型做進(jìn)一步完善。

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