基于TOPSISI的空管運(yùn)行單位安全能力分類評(píng)估研究

付新偉，楊昌其，肖 奇

(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 空中交通安全管理實(shí)驗(yàn)室，四川 廣漢 618300)

空管運(yùn)行單位是空管系統(tǒng)中的一線運(yùn)行基層單位，該單位以飛機(jī)安全有序飛行為目的提供空中交通服務(wù)。安全保障能力是對(duì)各種危險(xiǎn)因素的控制狀態(tài)及使運(yùn)行單位保持在一種可接受運(yùn)行狀態(tài)的能力[1]。近些年我國(guó)乘客吞吐量逐年增加，空中交通系統(tǒng)面臨越來(lái)越嚴(yán)重的航線擁堵，大量航班延誤，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，并埋藏隱患?？展苓\(yùn)行單位分類評(píng)估在整個(gè)航空運(yùn)輸安全有著十分重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于空管運(yùn)行單位分類方法的研究很少。對(duì)空管運(yùn)行單位的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估較多，大多停留在單一單位評(píng)估，結(jié)合我國(guó)空管運(yùn)行單位現(xiàn)狀并進(jìn)行分類的研究還停留在初步探索階段。Alberto Pasquinia、Simone Pozzi提出從三個(gè)維度出發(fā)，對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行進(jìn)行評(píng)估，該研究結(jié)合了國(guó)外某機(jī)場(chǎng)的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行信息處理分析評(píng)價(jià)[2]。羅帆等人以人員、環(huán)境硬件等幾個(gè)方面為基礎(chǔ)，搭建了對(duì)于空管一線運(yùn)行單位的評(píng)價(jià)體系[3]。郭臻等人第一次系統(tǒng)的搭建了評(píng)估體系，對(duì)華東局使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型模型進(jìn)行研究，得出了該單位的評(píng)估分值[4]。

空管運(yùn)行安全將長(zhǎng)期面臨著基礎(chǔ)設(shè)施陳舊和專業(yè)隊(duì)伍建設(shè)相對(duì)滯后，資源配置與發(fā)展需求不協(xié)調(diào)等問(wèn)題，這也是民航運(yùn)輸快速發(fā)展下引發(fā)的挑戰(zhàn)與難題。航班量持續(xù)增長(zhǎng)、專業(yè)隊(duì)伍建設(shè)滯后、復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境影響、安全管理不到位造成了安全問(wèn)題的發(fā)生。為此，進(jìn)行空管運(yùn)行單位分類研究，查閱FAA等國(guó)內(nèi)外大量相關(guān)文獻(xiàn)，通過(guò)收集反映以上四個(gè)方面的相關(guān)指標(biāo)和數(shù)據(jù)，邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)民航安全領(lǐng)域的專家，根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步梳理、篩選和完善安全保障能力指標(biāo)；采用標(biāo)準(zhǔn)離差法-TOPSIS排序法，通過(guò)輸出結(jié)果驗(yàn)證單位分類評(píng)估的合理性。

1 空管運(yùn)行單位分類研究

根據(jù)近幾年的空管不安全事件發(fā)生規(guī)律，很多航班量增長(zhǎng)速度過(guò)快的運(yùn)行單位會(huì)發(fā)生一些不安全事件，仔細(xì)思考其原因是管理和資源與快速發(fā)展不匹配。為此，需要將塔臺(tái)、區(qū)域保障架次和跑道數(shù)量作為重要的屬性來(lái)進(jìn)行空管安全能力評(píng)估單位分類選取。

1.1 按塔臺(tái)保障架次評(píng)估單位分類

按照2017年日均塔臺(tái)保障架次數(shù)據(jù)[5-6]，將空管系統(tǒng)44個(gè)機(jī)場(chǎng)分為200架次以下、200～300架次、300～500架次、500～800架次、800架次以上五個(gè)級(jí)別。

1.1.1 200架次以下機(jī)場(chǎng)

200架次以下的機(jī)場(chǎng)包括西寧、銀川、湛江、呼倫貝爾、桂林、汕頭、阿克蘇機(jī)場(chǎng)。這幾個(gè)具備共同的特點(diǎn)，機(jī)場(chǎng)保障架次小、增長(zhǎng)速度幾乎都在20%以上。

1.1.2 200～300架次機(jī)場(chǎng)

200～300架次的機(jī)場(chǎng)包括南寧、蘭州、太原、福州、呼和浩特、南昌、長(zhǎng)春、石家莊、合肥、珠海、溫州、寧波機(jī)場(chǎng)。該類機(jī)場(chǎng)保障架次增長(zhǎng)速度較快，增長(zhǎng)率基本在15%～20%以上。

1.1.3 300～500架次機(jī)場(chǎng)

300到500架次包括沈陽(yáng)、哈爾濱、大連、濟(jì)南、青島、海南、三亞、貴陽(yáng)、新疆、長(zhǎng)沙、天津機(jī)場(chǎng)。該類機(jī)場(chǎng)保障架次增長(zhǎng)率基本在10%～20%之間。

1.1.4 500～800架次機(jī)場(chǎng)

500到800架次包括上海、杭州、南京、鄭州、武漢、重慶機(jī)場(chǎng)。該類機(jī)場(chǎng)增長(zhǎng)率基本在5%～15%之間，多為雙跑道或多跑道機(jī)場(chǎng)。其中廈門機(jī)場(chǎng)是全國(guó)單跑道保障架次最高的機(jī)場(chǎng)，已經(jīng)趨于飽和，增長(zhǎng)率較低。

1.1.5 800架次以上機(jī)場(chǎng)

800以上架次包括北京、浦東、廣州、昆明、深圳、成都、西安機(jī)場(chǎng)。該類機(jī)場(chǎng)主要是一線城市機(jī)場(chǎng)，跑道容量已趨于飽和，該類機(jī)場(chǎng)保障架次基數(shù)大，增長(zhǎng)率基本在5%左右。

1.2 按區(qū)域保障架次評(píng)估單位分類

按照2017年日均區(qū)域保障架次數(shù)據(jù)，將區(qū)域管制單位分為1 000架次以下、1 000～2 000架次、2 000架次以上三個(gè)級(jí)別。

1.2.1 1 000架次以下區(qū)域

1 000架次以下機(jī)場(chǎng)包括呼和浩特、呼倫貝爾、哈爾濱、南昌、濟(jì)南、桂林、烏魯木齊、阿克蘇機(jī)場(chǎng)。

1.2.2 1 000～2 000架次區(qū)域

在2017年已有16家區(qū)域管制單位的日均保障架次突破1 000，而且全部分布在1 000～1 500架次之間，包括太原、沈陽(yáng)、大連、青島、廈門、合肥、三亞、南寧、湛江、貴陽(yáng)、蘭州、鄭州、武漢、長(zhǎng)沙、昆明、重慶機(jī)場(chǎng)。

1.2.3 2 000架次以上區(qū)域

2 000架次以上機(jī)場(chǎng)包括北京、上海、廣州、成都、西安機(jī)場(chǎng)。該區(qū)域主要是地區(qū)空管局本部的區(qū)域管制中心。

1.3 按同一類型單位和同一類指標(biāo)相匹配的原則分類

通過(guò)以上的分析，在同類型單位中，選取七大局本部作為一個(gè)分類。在同類型指標(biāo)中，按照塔臺(tái)保障架次和區(qū)域保障架次的數(shù)量級(jí)作為基礎(chǔ)分類，把單跑道和雙跑道兩種類型再次分類。本研究將對(duì)跑道類型和兩種保障架次分級(jí)的評(píng)估匹配處理。塔臺(tái)保障架次分級(jí)300到500單跑道、500到800雙跑道，區(qū)域保障架次1 000到2 000單雙跑道。

塔臺(tái)保障架次300到500單跑道單位包括東北局本部、黑龍江分局、大連空管站、山東分局、青島空管站、海南空管分局、貴州分局、新疆空管局本部。

塔臺(tái)保障架次500到800雙跑道單位包括華東局本部、浙江分局、江蘇分局、河南分局、湖北分局。

區(qū)域保障架次1 000到2 000單跑道單位包括山西分局、東北局本部、大連空管站、青島空管站、廈門空管站、安徽分局、廣西分局、湛江空管站、貴州分局、甘肅分局。

區(qū)域保障架次1 000到2 000雙跑道單位包括河南分局、湖北分局、湖南分局、云南分局。

2 空管運(yùn)行單位安全保障能力評(píng)估指標(biāo)體系

參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，借鑒國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在民航安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[7]指標(biāo)體系建設(shè)中的研究成果。根據(jù)空中交通管制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行，邀請(qǐng)民航空中交通管制系統(tǒng)相關(guān)安全專家，根據(jù)專家多年的經(jīng)驗(yàn)，充分考慮各指標(biāo)項(xiàng)的數(shù)據(jù)收集性，完成了空中交通管制單位安全保障能力指標(biāo)體系的構(gòu)建。充分考慮指標(biāo)項(xiàng)對(duì)空中交通管制單位實(shí)際運(yùn)行的適宜性，挖掘空中交通管制安全保障能力指標(biāo)。如下表1所示。

表1 空管運(yùn)行單位安全保障能力評(píng)估指標(biāo)體系

3 空管運(yùn)行單位安全保障能力TOPSIS評(píng)價(jià)模型

TOPSIS排序法[8]主要原理是根據(jù)待評(píng)估對(duì)象各評(píng)估指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)設(shè)定一個(gè)最優(yōu)理想目標(biāo)(該目標(biāo)所有評(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)均為最優(yōu)值)，通過(guò)計(jì)算待評(píng)估對(duì)象與最優(yōu)理想目標(biāo)間的相對(duì)貼近度，根據(jù)相對(duì)貼近度值大小按照某種評(píng)估特性對(duì)各待評(píng)估對(duì)象進(jìn)行優(yōu)劣排序。

具體計(jì)算步驟如下所示：

3.1 構(gòu)建初始判斷矩陣

假設(shè)待評(píng)估對(duì)象有m個(gè)，針對(duì)評(píng)估對(duì)象的某一特性進(jìn)行評(píng)估時(shí)共挖掘指標(biāo)項(xiàng)n個(gè)，則xij表示第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象在第j個(gè)指標(biāo)項(xiàng)上的原始數(shù)據(jù)值，其中(1≤i≤m,1≤j≤n)，則初始判斷矩陣如下(1)所示：

(1)

3.2 構(gòu)建規(guī)范化決策矩陣

TOPSIS排序法中評(píng)估指標(biāo)形式各異，因此需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理以消除指標(biāo)項(xiàng)間的量綱，使后續(xù)計(jì)算免受因各指標(biāo)項(xiàng)單位不同所造成的計(jì)算不便。由于基于TOPSIS空管單位綜合安全能力評(píng)估涉及正向指標(biāo)、逆向指標(biāo)之分，故本節(jié)采用min-max法進(jìn)行原始數(shù)據(jù)規(guī)范化處理，具體計(jì)算公式如下：

對(duì)于正向指標(biāo)而言：

(2)

對(duì)于逆向指標(biāo)而言：

(3)

用bij表示原始數(shù)據(jù)xij經(jīng)規(guī)范化處理后的值，所以規(guī)范化決策矩陣如下所示：

(4)

3.3 構(gòu)建加權(quán)規(guī)范化決策矩陣

構(gòu)建加權(quán)規(guī)范化決策矩陣，首先要計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重。為保證最終評(píng)估結(jié)果的客觀性、科學(xué)性，本文采用標(biāo)準(zhǔn)離差法求解各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重wj。標(biāo)準(zhǔn)離差法計(jì)算權(quán)重步驟如下：

1)計(jì)算第j項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)的均值。

(5)

2)計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差。

(6)

3)計(jì)算各指標(biāo)項(xiàng)權(quán)重。

(7)

4)確定正、負(fù)理想解。

1>正理想解：

(8)

(9)

2>負(fù)理想解：

(11)

(12)

其中J+為正向指標(biāo)集，J-為逆向指標(biāo)集。

5)計(jì)算評(píng)估對(duì)象到正、負(fù)理想解的距離。

評(píng)估對(duì)象到正、負(fù)理想解之間的距離計(jì)算公式如下：

(13)

(14)

其中：1≤i≤m。

6)計(jì)算相對(duì)貼近度。

(15)

通過(guò)對(duì)比Ei值的大小，判斷評(píng)估對(duì)象在某一特性評(píng)估中的相對(duì)優(yōu)劣情況。

貼近度越大說(shuō)明樣本越優(yōu)，空管運(yùn)行單位安全保障能力越高；貼近度越小說(shuō)明樣本越差，空管運(yùn)行單位安全保障能力越低。

4 算例分析

4.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

選取國(guó)內(nèi)區(qū)域保障架次1 000到2 000單跑道單位為研究對(duì)象，以單位1、2…命名。

選取2017年作為研究時(shí)間段，根據(jù)本文表1中確定的指標(biāo)體系，完整采集所需指標(biāo)數(shù)據(jù)，利用基于TOPSIS法空管運(yùn)行單位安全保障能力評(píng)估模型進(jìn)行評(píng)估。表2為原始數(shù)據(jù)。

4.2 計(jì)算過(guò)程將上表原始數(shù)據(jù)寫成矩陣形式作為初始評(píng)判矩陣

采用min-max方法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將各項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)寫成矩陣形式作為標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣。

構(gòu)建加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣首先是求得各指標(biāo)項(xiàng)在空管單位安全能力影響中所占的權(quán)重wj。為保證最終結(jié)果的客觀性，本文采用標(biāo)準(zhǔn)離差法計(jì)算各評(píng)估指標(biāo)項(xiàng)的權(quán)重，根據(jù)公式(5)、(6)、(7)計(jì)算求得各指標(biāo)項(xiàng)權(quán)重如表3所示。

表2 區(qū)域保障架次1 000到2 000單跑道單位原始數(shù)據(jù)

表3 基于TOPSIS空管單位綜合安全能力定量評(píng)估指標(biāo)權(quán)重

確定正、負(fù)理想解。根據(jù)公式(8)、(9)計(jì)算空管單位安全能力評(píng)估正理想解與負(fù)理想解分別為：

C+=[0.0680 0.0725 0.0803 0.0721 0.0602 0.0742 0.0736 0.0629 0.0734 0.0724 0.0830 0.0712 0.0620 0.0743]

C-=[0,0,0,0,0,0,0,0,0，0]

確定評(píng)判對(duì)象到正、負(fù)理想解的距離，根據(jù)公式(10)、(11)計(jì)算求得各空管單位到正負(fù)理想解的距離如表4所示。

表4 基于TOPSIS空管單位綜合安全能力定量評(píng)估評(píng)判對(duì)象到正、負(fù)理想解距離

4.3 結(jié)果分析

根據(jù)公式計(jì)算基于TOPSIS法的9家空管單位相對(duì)貼近度值及相對(duì)安全程度排序如表5所示。

結(jié)果表明：

1)空管運(yùn)行單位安全保障能力最高的是單位8，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示以及現(xiàn)實(shí)運(yùn)行狀況，這家單位的人均架次不高，設(shè)備完善，空域及天氣相對(duì)較好，管制員工作負(fù)荷相對(duì)較低，空管運(yùn)行單位安全保障能力相對(duì)較高。

表5 基于TOPSIS空管單位綜合安全能力定量評(píng)估貼近度表

2)空管運(yùn)行單位安全保障能力最低的是單位9，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示以及現(xiàn)實(shí)運(yùn)行狀況，這家單位的人均架次較高，設(shè)備完善程度較差，空域相對(duì)較差，管制員工作負(fù)荷相對(duì)較高，空管運(yùn)行單位安全保障能力相對(duì)較低。

通過(guò)多次開(kāi)展相關(guān)研討會(huì)議，經(jīng)過(guò)資深管制專家評(píng)判，此分類方式合理。

5 結(jié)論

從空管運(yùn)行單位保障量以及工作組成出發(fā)，將塔臺(tái)、區(qū)域保障架次和跑道數(shù)量作為重要的屬性來(lái)進(jìn)行空管安全能力評(píng)估單位分類選取。

建立并采集了完整的空管運(yùn)行單位安全保障能力綜合評(píng)估指標(biāo)體系。利用TOPSIS法對(duì)空管運(yùn)行單位安全保障能力綜合評(píng)估，分析評(píng)估結(jié)果并通過(guò)多次開(kāi)展相關(guān)研討會(huì)議，經(jīng)過(guò)資深管制專家評(píng)判證明此單位分類合理。

如何基于單位分類評(píng)估結(jié)果，采取多種方法進(jìn)一步為單位提出優(yōu)化策略，筆者將進(jìn)一步研究。