基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的航空公司安全管理體系評價(jià)

溫 超， 張 黎， 孟 斌， 左 權(quán)

（1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院管理工程學(xué)院，鄭州 450046； 2.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院民航學(xué)院，鄭州 450046）

國際民航組織（ICAO）定義：在航空領(lǐng)域方面，安全是“將與航空器運(yùn)行相關(guān)或直接支持航空器運(yùn)行的航空活動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)降低和控制到可接受水平的狀態(tài)［1］”. 航空安全管理的發(fā)展過程分為技術(shù)、人為因素、組織、全面系統(tǒng)等4個(gè)階段，發(fā)展到組織階段時(shí)，航空安全管理就開始強(qiáng)調(diào)從整個(gè)航空系統(tǒng)出發(fā)，對航空安全系統(tǒng)進(jìn)行全面控制，重視所有安全飛行環(huán)節(jié)，這使人們意識到航空安全是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，需要一種有效可行的管理方法，民航安全管理體系（SMS）便應(yīng)運(yùn)而生［2］.

自ICAO 倡導(dǎo)構(gòu)建民航SMS發(fā)展以來，各國航空公司紛紛響應(yīng). 目前SMS已成為解決航空安全問題的重要依據(jù)，其既要面對航空業(yè)的所面臨的壓力與挑戰(zhàn)［3］，又要幫助航空企業(yè)合理有效地提高安全管理水平.SMS是一種正式的、自上而下的、有條理的管理安全風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)方法［4］，以“積極主動(dòng)組織化的”管理方式進(jìn)行安全工作的管理，強(qiáng)調(diào)事故發(fā)生前就進(jìn)行預(yù)防與管理，通過對危險(xiǎn)源的識別與評估，制定相應(yīng)措施，主動(dòng)將風(fēng)險(xiǎn)降到可接受范圍內(nèi).

國內(nèi)外學(xué)者對SMS體系都有所研究. Batuwangala等［5］提供一種監(jiān)管框架用來調(diào)查SMS在航空領(lǐng)域?qū)嵤┣闆r. Nektarios［6］等從系統(tǒng)的制度化、能力、有效性3 個(gè)角度對航空公司SMS 進(jìn)行評價(jià). 孫奕捷［7］結(jié)合SMS中對安全信息管理的要求建立指標(biāo)評價(jià)體系，并使用主成分分析法進(jìn)行評價(jià)分析. 田利軍等［8］研究航空公司內(nèi)部控制與安全文化對航空安全產(chǎn)生的影響，從而提高航空公司安全管理能力. 文獻(xiàn)［9-10］從SMS中風(fēng)險(xiǎn)管理角度出發(fā)，對航空公司進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià).

綜上所述，各國雖對SMS有所研究，但也有不足之處：一是多數(shù)文獻(xiàn)是從SMS中某一角度或某一領(lǐng)域展開研究，以SMS整體為出發(fā)點(diǎn)展開研究的文獻(xiàn)相對較少；二是我國對SMS研究起步較晚，與國際先進(jìn)水平還有差距，無論是研究方法還是研究內(nèi)容都有所不足；三是SMS是一個(gè)復(fù)雜多變量的系統(tǒng)，多數(shù)研究評價(jià)法都是以線性方法為主，而線性方法往往不能盡可能滿足此類復(fù)雜多變量系統(tǒng). 本文引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其具有良好的非線性擬合能力［11］與映射能力，適合復(fù)雜多因素系統(tǒng). 利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算速度快且精確、自學(xué)習(xí)與自組織能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可減少和弱化評價(jià)時(shí)人為干擾帶來的影響.

1 航空公司SMS評價(jià)指標(biāo)體系

民航SMS包括安全政策、風(fēng)險(xiǎn)管理、安全保證與安全促進(jìn)4個(gè)組成部分，也稱民航SMS的四大支柱，其結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1［2］所示.

圖1 民航SMS結(jié)構(gòu)關(guān)系圖Fig.1 Civil aviation SMS structure relationship

根據(jù)圖1可知，SMS系統(tǒng)較為復(fù)雜且涉及因素較多. 如何科學(xué)合理地構(gòu)建指標(biāo)體系是能否有效正確評價(jià)航空公司SMS建設(shè)實(shí)施水平高低的關(guān)鍵. 建立完善的SMS指標(biāo)體系，應(yīng)能體現(xiàn)出航空公司SMS的幾項(xiàng)能力：查明危險(xiǎn)源且做好評估風(fēng)險(xiǎn)工作的能力；有相應(yīng)預(yù)防與糾正措施以保持安全水平的能力；是否能對安全性能進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控和定期評估；以持續(xù)改進(jìn)SMS整體性能為目標(biāo)根據(jù). 根據(jù)ICAO出版Doc9859《安全管理手冊》［1］與我國已經(jīng)實(shí)施的《民用航空安全管理規(guī)定》［12］里的有關(guān)內(nèi)容，且基于科學(xué)性、目的性、完備性［13］、可比性等原則，與航空安全運(yùn)輸方面專家討論，參考文獻(xiàn)［14-15］，建立一套能夠貫徹于航空公司SMS開展全過程且反應(yīng)航空公司SMS建設(shè)實(shí)施情況的指標(biāo)體系（表1）. 該體系共4個(gè)一級指標(biāo)，19個(gè)二級指標(biāo)和44項(xiàng)評價(jià)內(nèi)容.

表1 航空公司SMS評價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Airline SMS evaluation index system

2 OWA算子AP法初始賦權(quán)、評價(jià)與建設(shè)水平等級判定

2.1 指標(biāo)賦權(quán)

OWA算子由Yager教授提出［16］，主要特點(diǎn)是可以清除主觀因素的影響，具有較強(qiáng)的客觀性. 當(dāng)每位評價(jià)者對某一個(gè)指標(biāo)給出一個(gè)權(quán)重值，將其從大到小排列，再進(jìn)行加權(quán)集結(jié)，權(quán)重只與相應(yīng)位置相關(guān). OWA算子的集結(jié)公式：

位置權(quán)重向量是對指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行集結(jié)的關(guān)鍵［17］，本文選擇AP（基于等差數(shù)列）賦權(quán)法確定位置權(quán)重，AP賦權(quán)法能從充分利用數(shù)據(jù)信息，符合人們普遍心理規(guī)律，且計(jì)算簡單方便. 由于篇幅有限，具體AP算法公式與步驟見參考文獻(xiàn)［18］.

邀請4位民航安全管理專家，根據(jù)專家的專業(yè)知識與經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定各二級指標(biāo)的評價(jià)分值標(biāo)準(zhǔn). 由專家給出一、二級指標(biāo)權(quán)重，按照OWA算子AP賦權(quán)法步驟，進(jìn)行評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定（表2）.

表2 權(quán)重與評價(jià)分值標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Weight and evaluation score criteria

2.2 評價(jià)值與建設(shè)水平等級確定

1）請安全檢察、航空安全、公司管理方面的專家共8名確定評分標(biāo)準(zhǔn)（表2）. 按照表1各二級指標(biāo)評價(jià)內(nèi)容對該航空公司實(shí)際安全建設(shè)實(shí)施水平情況或能力強(qiáng)弱打分，得到各二級指標(biāo)的各評價(jià)內(nèi)容分?jǐn)?shù)和均值，得到所屬二級指標(biāo)評價(jià)的最終得分.

2）根據(jù)以上評分要求，得到各二級指標(biāo)的最終得分. 根據(jù)OWA 算子AP 法位置權(quán)重，對其進(jìn)行得分集結(jié)，方法與權(quán)重集結(jié)方法相同.

3）二級指標(biāo)最終得值與二級指標(biāo)權(quán)重集結(jié)后得到各一級指標(biāo)得分；各一級指標(biāo)權(quán)重與一級指標(biāo)得分集結(jié)得到該航空公司SMS建設(shè)最終綜合得分；各二級指標(biāo)權(quán)重和綜合權(quán)重與其對應(yīng)評價(jià)分值等級區(qū)間集結(jié)，得到各一級指標(biāo)與最終評價(jià)等級區(qū)間（表3）. 將4個(gè)數(shù)位的表達(dá)數(shù)值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出值，一級指標(biāo)得分與最終綜合得分與表3對應(yīng)，判定建設(shè)水平等級與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所對應(yīng)的輸出值.

表3 SMS等級表Tab.3 SMS scales

3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的航空公司SMS評價(jià)模型

3.1 輸入層、隱含層與輸出層的確定

BP（Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是1986 年由Rumelhart 和McClelland 為首的科學(xué)家提出的概念，是一種按照誤差逆向傳播算法訓(xùn)練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是應(yīng)用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形式之一，包括輸入層、隱含層（單或多層）和輸出層. BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過正向與反向傳播兩個(gè)過程不斷反復(fù)，利用梯度下降的方法進(jìn)行權(quán)值修正，最終當(dāng)誤差減小到可接受程度，或者達(dá)到預(yù)先設(shè)定的學(xué)習(xí)次數(shù)時(shí)，訓(xùn)練過程結(jié)束［19］.

3 層的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就能夠以任意精度逼近任何非線性連續(xù)函數(shù)，特別適合于求解內(nèi)部機(jī)制復(fù)雜的問題［20］. 本文采用3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立評價(jià)模型.

表4 神經(jīng)元個(gè)數(shù)表Tab.4 Number of neurons

3.2 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練與檢驗(yàn)

為使樣本種類盡可能全面，按照國內(nèi)航空公司建設(shè)實(shí)施SMS不同程度水平，選取國內(nèi)11家航空公司，根據(jù)上述2.2項(xiàng)中的相關(guān)步驟進(jìn)行評分與最終等級確定（表5、表6）.

表5 樣本評價(jià)值Tab.5 Sample evaluation value

表6 各樣本值所對應(yīng)評價(jià)等級Tab.6 Sample evaluation grade

以MATLAB.R2016b 軟件為平臺，編寫B(tài)P 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序，各評價(jià)項(xiàng)的各層傳遞函數(shù)均選擇tansig 與purelin. 訓(xùn)練函數(shù)選擇trainlm，設(shè)置期望誤差為0.000 01，學(xué)習(xí)速率為0.01，訓(xùn)練次數(shù)直到滿足設(shè)置誤差精度為止.

輸入表5、表6中數(shù)據(jù)，運(yùn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序（圖2），測試樣本各評價(jià)項(xiàng)經(jīng)過多次迭代后，達(dá)到誤差精度（0.001）. 圖2中各坐標(biāo)圖中的下滑線最底端均在精度為0.000 01的虛線之下，訓(xùn)練停止.

運(yùn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序所得測試樣本的實(shí)際輸出結(jié)果如表7所示，測試樣本各評價(jià)項(xiàng)實(shí)際輸出結(jié)果符合期望輸出，說明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練結(jié)果較為精確，具有較高的預(yù)測精度，測試樣本航空公司SMS建設(shè)水平評價(jià)模型科學(xué)合理.

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練圖Fig.2 Neural network training diagrams

表7 訓(xùn)練輸出結(jié)果Tab.7 The training output result

3.3 討論

1）評價(jià)指標(biāo)建立對航空公司適用情況. 航空安全系統(tǒng)較為復(fù)雜，且各組成部分聯(lián)系緊密. 要想建立全面的SMS指標(biāo)體系，則需從航空公司SMS系統(tǒng)運(yùn)行全過程出發(fā)，在符合當(dāng)前最先進(jìn)的SMS理念情況下，又需要與我國航空公司SMS發(fā)展實(shí)際情況結(jié)合. 在參考國際最新SMS文件［1］與我國已實(shí)施的《民用航空安全管理規(guī)定》［12］文件后，建立一套能夠較好地貫徹于航空SMS全過程的指標(biāo)體系，并針對不同的指標(biāo)提出較為具體的、可操作性與適用性較強(qiáng)的評價(jià)內(nèi)容.

2）評價(jià)方法運(yùn)用情況. 從航空安全管理角度出發(fā)，進(jìn)行航空安全評價(jià)的方法有很多，回歸模型、集成對分析理論、物元可拓法，灰色層次區(qū)間法、灰色系統(tǒng)理論方法等. 這些方法都有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢. 但航空安全管理系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜多因素影響的系統(tǒng)，傳統(tǒng)的線性方法往往不能盡可能滿足此類復(fù)雜多變量系統(tǒng)，且BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相較于其他方法，無須冗長的計(jì)算并具有高度精確的判斷能力. BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已用于鐵路安全風(fēng)險(xiǎn)、煤礦安全管理績效、煤炭安全等多種安全評價(jià)領(lǐng)域，其評價(jià)結(jié)果符合實(shí)際情況，能夠較好地反映出指標(biāo)與待評價(jià)目標(biāo)之間的相互關(guān)系，具有良好擬合力與適應(yīng)力.

3）評價(jià)結(jié)果. 根據(jù)表4可知，雖然測試樣本航空公司SMS綜合得分等級為良好，但其在安全促進(jìn)方面得分等級為一般，說明其在安全促進(jìn)方面還有待提高.

3.4 建議

1）公司高層領(lǐng)導(dǎo)應(yīng)積極主動(dòng)倡導(dǎo)良好安全文化的建立并起帶頭作用，影響各級管理人員與每一名員工，有助于提高員工的工作積極性、信任感和責(zé)任感. 應(yīng)有明確的安全措施，建立正確的價(jià)值觀與行為準(zhǔn)則，將SMS安全管理理論自上而下推廣深入到基層. 編寫安全文化手冊，建立安全文化宣傳日，用定期舉辦安全文化活動(dòng)、編寫安全文化報(bào)、合理制定安全獎(jiǎng)罰標(biāo)準(zhǔn)等方法，提高員工安全意識與能力，鼓勵(lì)員工積極反饋公司文化漏洞缺陷等. 定期請有關(guān)方面專家對公司安全文化進(jìn)行測評.

2）公司高層管理人員應(yīng)定期舉行會議，交流安全理念，分享安全經(jīng)驗(yàn). 交流內(nèi)容要包括安全方面的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、安全工作的政策和方針、安全績效等多方面安全工作內(nèi)容. 建立安全質(zhì)量監(jiān)察部門，定期對安全信息溝通工作進(jìn)行管理監(jiān)控.

3）完善培訓(xùn)制度與標(biāo)準(zhǔn)，制定公司教育培訓(xùn)大綱并結(jié)合國家民航局在對安全培訓(xùn)方面的規(guī)章制度進(jìn)行改進(jìn)更新，嚴(yán)格遵守規(guī)章制度標(biāo)準(zhǔn)，保證培訓(xùn)質(zhì)量，并通過學(xué)習(xí)記錄、考核、審查等方式做好實(shí)時(shí)監(jiān)督工作.要豐富教育培訓(xùn)方法，可通過網(wǎng)上教學(xué)或定期課堂教學(xué)，聘請專業(yè)培訓(xùn)授課人員. 根據(jù)不同員工工作方式制定不同的培訓(xùn)方法，方便員工學(xué)習(xí)SMS理論.

4 結(jié)論

科學(xué)合理評價(jià)航空公司SMS建設(shè)實(shí)施情況，有助于提高航空公司安全管理能力，對民航運(yùn)輸安全提供良好的保障，本文可為航空公司SMS評價(jià)研究提供理論參考.

1）以SMS 的4 個(gè)組成要素建立航空公司SMS 建設(shè)水平進(jìn)價(jià)指標(biāo)體系，此體系的19 個(gè)二級評價(jià)指標(biāo)與44項(xiàng)評價(jià)內(nèi)容，基本涵蓋SMS建設(shè)全過程.

2）運(yùn)用OWA算子AP法進(jìn)行指標(biāo)初始賦權(quán)，此方法在保證專家主觀判斷的專業(yè)性基礎(chǔ)上，又可降低主觀判斷帶來的隨意性與偏好性.

3）選取10家航空公司作為訓(xùn)練樣本，1家航空公司作為測試樣本，得到測試樣本評價(jià)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相符合，說明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)模型構(gòu)建合理.

4）可繼續(xù)增加BP訓(xùn)練樣本數(shù)，提高計(jì)算精度. 因本文選取的測試樣本無處在“差”等級，若當(dāng)測試樣本處在“差”狀態(tài)時(shí)，可根據(jù)OWA算子所得各指標(biāo)評分值，對該樣本公司得處在差狀態(tài)下的指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)與加強(qiáng)，提高等級.