空中交通管理系统安全的灰色多层次综合评价

第6卷第4期2006年8月
交通运输系统工程与信息
Journal of T ransportation Systems Engineering and In formation T echnology
V ol 16N o 14August 2006
文章编号:100926744(2006)0420042205
空中交通管理系统安全的灰色多层次综合评价
丁松滨,许松林
(中国民航大学无人机研究所,天津300300)
摘要:　针对空中交通管理系统安全评价方法中存在的不足,根据系统工程的基本原则和思路,以空中交通管理系统的人员、设备、环境和管理为基本因素,建立了空中交通安全管理系统的评价指标体系,并结合层次分析与灰色理论,提出了空中交通管理系统安全的多层次灰色评价模型,并结合实例进行了实例计算.仿真计算结果表明该方法能更有效地利用评价指标的信息,所给出的综合评价值不仅能用于描述所评价单位的安全状况,还具有横向比较多个单位安全状态的功能,该方法具有较好的可操作性和实用性,对更加科学合理地评价空中交通管理系统安全状态具有参考价值.关键词:　灰色理论;安全评价;空中交通管理;层次分析法中图分类号:　U491
Multilevel G rey Comprehensive Evaluation for
Safety of Air T raffic Management
DI NG S ong 2bin ,X U S ong 2lin
(Research Institute of Unmanned Aircraft ,China University of Civil Aviation ,T ianjin 300300,China )Abstract :　Aiming at the shortages of the method of evaluating safety for air traffic management system ,this paper establishes a index system based on system engineering principle and idea ,where human ,facility ,environment and managemet are considered as essential factors.Then combining with Analytical Hierarchy Process method and grey theory ,this paper raises a multilevel grey comprehensive evaluation m odel and gives an evaluate example.The result shows that this method can make m ore efficiency use of index in formation ,the given comprehensive evaluate value not only describes the safety state but als o can make comparis on am ong units.This method is efficiency and offers a g ood reference to m ore scientific safety evaluation for air traffic management system.K ey w ords :　grey theory ;safety evaluation ;air traffic management ;AHP C LC number :　U491
收稿日期:2006204226
丁松滨(1964-),男,哈尔滨人,中国民航大学教授,主要研究领域为民航运输系统安全,飞机性能工程等.Email :
dingzhili @
0　引 言
空中交通管理系统担负着地面系统与空中用户联系、有效地使用空域、保障飞行安全和提高飞行效率的重要职责.虽然在民航事故的统计中,空中交通管理部分占的比例不大,但它占有非常重要的地位,绝大多数的安全事故都直接和间接的与空
中交通管理相关[1]
.所以及时掌握空中交通管理系统的安全水平,对其做出合适的评价,对于进一步降低事故率,提高防灾减灾水平,促进空管健康
持续发展有非常积极的作用.
目前,国内外针对空中交通管理系统的安全管理侧重于依靠规章、制度和事后处理等措施与手段[2-5],而针对空中交通安全管理系统的评价研
究,也仅局限于简单的打分法[6]
;而且也有学者提
出了模糊综合评价法[7,8]
.打分法虽然简单明了,但是不能准确地综合各子因素的评分结果,得到一个更加合理的综合评价结果.模糊综合评价中,模糊矩阵是运用“∧”和“∨”算子运算的,遵循“取
大”和“取小”的运算法则,其优点是简洁明了,但在运算过程中丢失了太多的信息,得出的结论是否正确、合理,并不可靠.根据模糊综合评价法所得的最后结果实际上是一种量化的等级评语,所以不能够据此在众多的被评对象之间进行排序选优,也是它的一大缺憾.
由于空中交通管理系统受到人、设备、环境以及管理等方面因素的影响,且各因素往往呈现“部分确定,部分不确定”的状态,有些数据也难以测量,所以仅凭定性分析或运用传统方法很难实现客观、系统的评价.本文采用灰色多层次综合评价理论[9,10],并结合定性评价方法,建立了空中交通管理系统安全评价模型.灰色多层次综合评价是一种直接法,在评价过程中,利用已有的白化信息最大程度地“综合”考虑每一个样本数据对最终评价结果(综合评价值)的影响,从而减少了人为的误差,所得结论在理论上更符合被评对象的本原属性.综合评价值除用于评定被评对象的等级外,当有多个单位参加评价时,还可以根据它们的综合评价值进行排序选优.
1　系统安全评价指标的建立
评价指标的正确选择依赖于对空中交通管理系统安全进行正确的分析,本文依据指标体系建立的系统性、科学性、导向性、可比性、可操作性,以及指标间相对独立性等原则,参照文献[5]、[6]、[11]和[12]建立了表1所示的评价指标体系.
2　系统安全的灰色多层次综合评价模型2.1　确定评价指标的权重
在多层次评价中,各个评价指标的重要程度通常是不同的,权重的确定是否合理、科学直接影响着评价的准确性.权重的构造我们可以通过层次分析法[11]来确定.
对于表1所示的空中交通管理系统安全评价三级指标体系,设二级评价指标B
i
(i=1, (4)
的权重系数分别为b
i
(i=1,…,4),且满足b i≥0和64i=1b i=1,用于计算一级指标A的权重向量记
为W
A
,则有W A=(b1,b2,b3,b4);同样,设每个
三级评价指标C
ij的权重系数c ij,且满足c ij≥0及6n i j=1c ij=1.计算二级指标B i(i=1,…,4)的权重
向量记作W
B
i ,则W B
i
=(c i1,c i2,…,c in
i
),n
i表示
二级指标B
i中三级指标的个数.
表1　空中交通安全评价指标体系
空
中
交
通
安
全
评
价
指
标
体
系
A
二级评价指标三级评价指标
人为因素B1
敬业精神、服务意识、安全观念C11
责任心C12
遵章守纪C13
知识与技能C14
身体、保键、酒精饮品C15
日常工作C16
培训C17
管理因素B2
组织机构合理C21
指导思想C22
规章制度建设C23
安全管理C24
技术培训管理C25
安全文化C26
综合素质C27
设备因素B3
基础设施建设C31
设备运行管理C32
维护与保养工作C33
环境因素B4
空域环境C41
地理环境C42
气象环境C43
人文环境C44
通信环境C45
信息环境C46
电磁环境C47
2.2　设计等级评判标准
评价等级标准的制定是空中交通管理系统安
全评价中的关键问题之一,极大地影响着评价的结
果和质量.通常将评价等级分为“优秀”,“良好”,
“中等”,“合格”,“不合格”.
为将定性指标转化为定量指标,应相应地对各
个指标赋值.按照五分制原则确定各等级的赋分,
则五个评定等级分数分别为5、4、3、2、1,指标等级
介于两者之间的相应的评分为4.5、3.5、2.5、1.5
各值.
2.3　按评估因素建立样本矩阵
设评价者序号为k,t{k=1,2,…,p},请评价
者对指标C
ij评分等级标准打分为d ijk,并填写评
价者评分表.根据第k个评价者的评分d
ijk
,求得
其评价样本矩阵为
D=(d ijk)(n
1
+n
2
+…+n
m
)×p
其中　n
m表示第n={1,2,3,4}个二级指标中三
级指标的个数.
2.4　建立白化权函数
确定评价灰类就是要确定评价灰类的等级数,
34
第4期空中交通管理系统安全的灰色多层次综合评价
灰类的灰数以及灰类的白化权函数.设有e(e=1, 2,…,g)个评价灰类,相应的白化权函数以及阀值分别为f
1
(x),f2(x),…,f g(x)和λ1,λ2,…,λg.
2.5　灰色评价系数、权向量和权矩阵的计算
灰色评价认为,每个评价者的评分是一个灰
数.对评价指标C
ij
,全体p个评价者给出的评分
是d
ij1
,d ij2,…,d ijp.所以评价者们认为指标C ij属
于第l个评价灰类的白化权分别为f
l (d
ij1
),
f l(d ij2),…,f l(d ijp),全体评价者认为指标C ij属于第l个灰类的总白化权函数为6p k=1f l(d ijk),而C ij 属于各个评价灰类的总白化权为6
g l=16p k=1f l(d ijk).
二者的比值反映了全体评价者主张指标C
ij属于第l个灰类的强烈程度,即此值越大,说明全体评价
者更大程度地认为C
ij应该属于灰类l,称此值为
指标C
ij
属于灰类l的灰色评价权,记为r
ijl
,即
r ijl=
6p k=1f l(d ijk)
6g l=16p k=1f l(d ijk),l=1,2,…,g(1)
由指标C
ij属于每个灰类的灰色评价权构成的
向量r
ij称为指标C ij的灰色评价权向量,即
r ij=(r ij1,r ij2,…,r ijp),
j=1,2,…,n i;i=1,2,…,m
2.6　对每个B i以及目标A作综合评价
二级指标B
i的权重向量W B i=(c
i1
,c i2,…,
c in
i ),对B
i做综合评价,得到B i的灰色综合评价
权向量为
B i=W B
i ×R
i
=(y i1,y i2,…,y ig)(2)
其中灰色评价权矩阵R
i由向量r ij构成,即
R i=r i
1
r i2
…
r in
i
=
r i11r i12…r i1
g
r i21r i22…r i2g
………
r in
i
1
r in
i
2…r in i g
,
i=1,2,…,m(3) 评价目标A由一级指标B
1
,B2,…,B m组成,
权重向量为W
A
=(b1,b2,…,b m),故对A作综合评价,得A的综合评价权向量为
A=W A×R=(x1,x2,…,x g)(4)
其中矩阵R由向量B
1,B2,…,B m组成,即R=
(B
1
,B2,…,B m)T.
2.7　综合评价值的计算、排序和结论
按最大权的原则确定受评者属于每个评价灰
类等级,即若x
l
=max{x1,x2,…,x g},则评定受
评者为第l类[9].若按取最大原则确定被评者所
属灰类等级,有时会因此丢失信息太多而失效.尤
其是A不能直接被用于被评者间的排序选优.为
此我们将灰色综合评桔权向量A=(x
1
,x2,…,
x g)做进一步处理从而使A单值化,计算被评者的
综合评价值V.设将各灰类等级按“灰水平”赋值,
则各评价灰类等级化向量U=(λ
1
,λ2,…,λg),求
出综合评价值V=A×U T,则可根据V的大小对
任何个数的参加评价的对象进行排序.
从上述对多层次灰色综合评价方法的描述可
以看到,其主要特点就是在于将多个评价者的分散
信息描述成属于不同评价灰类的向量,然后对此向
量进行单值化处理,结果除用于评价受评者的等级
外,当有多个受评者参加评价时,还可以根据他们
的灰色综合评价值进行排序选优.
3　实例计算
3.1　确定空中交通管理系统安全评价指标的权重
向量
根据层次分析法计算一、二级指标的权重如
下:
W A=(b1,b2,b3,b4)=(0.497,0.251,0.103,0.150)
W B
1
=(c11,c12,c13,c14,c15,c16,c17)
=(0.257,0.091,0.117,0.132,0.133,0.077,0.193)
W B
2
=(c21,c22,c23,c24,c25,c26,c27)
=(0.088,0.059,0.137,0.303,0.184,0.095,0.134)
W B
3
=(c31,c32,c33)=(0.175,0.250,0.575)
W B
4
=(c41,c42,c43,c44,c45,c46,c47)
=(0.273,0.159,0.121,0.076,0.211,0.053,0.107)
3.2　邀请5位专家给空中交通管理系统安全各指
标按照评分等级评分
评价等级的打分标准按照五分制原则打分,填
写相应的评分表.
根据5位专家所填写的评分表,因为三级指标
多达24个,为数据处理方便,我们按4个二级指标
列出评分结果,即将样本矩阵分成4块分块矩阵,
对4个一级指标分别作灰色综合评价,最后对顶层
44交通运输系统工程与信息2006年8月
目标作灰色综合评价.
设人为因素、管理因素、设备因素指标、环境因素样本矩阵为
D1=d111d112…d
115 d121d122…d125………d171d172…d173
=4.5 4.555 4.5 4.54 4.55 4.5 34434 3332 2.5 44 4.5 4.5 4.5 4.53 4.5 4.54 555 4.5 4.
5
D2=d211d212...d215 d221d222...d225 (271)
272…d275
=4.555 4.5 4.5
5 4.55 4.54
4.544 4.5 4.5 33 2.53 3.5 2.53 2.5 2.52 2.533 2.
5 2.5 44 4.555
D3=d311d312…d315 d321d322…d325 d331d332…d335
=
34443 22332 4.5 4.545 4.
5
D4=d411d412…d415 d421d422…d425………d471d472…d475
=2.533 1.52
2.52222
4 4.54 4.
5 4.5
4.5 4.5 4.5 4.5 4.5
5 4.545 4.5
3 2.532 2.5
55 4.555
3.3　评价灰类的白化权函数
由于本评价设定五个评价灰类(取m=5),它
们是“优秀”、
“良好”、
“中等”、
“合格”、
“不合格”,建
立其相应的灰类和白化权函数,设定第e灰类(e
=1,2,3,4,5)的白化权函数为
f1(x)=
1
5
x0≤x<5
1x≥5
(5)
f2(x)=
1
4x
0≤x<4
5-x4≤x≤5
(6)
f3(x)=
1
3x
0≤x<3
1
2
(5-x)3≤x≤5
(7)
f4(x)=
1
2x
0≤x<2
1
3
(5-x
)2≤x≤5
(8)
f5(x)=
10≤x<1
1
4
(5-x)1≤x≤5
(9)
同时设置各灰类的阀值都为零,即λ
1
=λ2=
λ
3
=λ4=λ5=0.
3.4　计算灰色评价权矩阵
依据灰色理论计算得到人为因素指标、管理因
素指标、设备因素指标、环境因素指标所属指标对
于各评价灰类的灰色评价权矩阵分别如下:
R
1
=
0.6010.1920.0960.0640.048
0.4640.2580.1290.0860.064
0.2300.2870.2230.1490.112
0.1560.195
0.2600.2210.166
0.3710.3020.1510.1010.076
0.3350.2660.1840.1230.092
0.6970.1450.0730.0480.036
,
R2=
0.4150.2180.1690.1130.085
0.5250.2280.1140.0760.057
0.3710.3020.1510.1010.075
0.1750.2180.2670.1940.146
0.1460.1830.2440.2440.183
0.1560.1950.2600.2210.166
0.4640.2580.1290.0860.064
,
R3=
0.2300.2870.2230.1490.112
0.1410.1770.2360.2550.191
0.3920.2620.1600.1060.080
,
54
第4期空中交通管理系统安全的灰色多层次综合评价
R4=0.1450.1810.2410.2360.
196 0.1260.1570.2100.2900.217 0.3710.3020.1510.1010.075 0.4640.2580.1290.0860.064 0.5250.2280.1140.0760.057 0.1510.1890.2520.2330.175 0.8250.0840.0420.0280.021
根据上述计算得到的4个二级因素的灰色评价权矩阵为R
1
,R2,R3,R4,再结合二级权向量得二级评价结果分别为
B1=W B
1×R
1
=[0.454,0.221,0.145,0.103,0.077]
B2=W B
2×R
2
=[0.275,0.227,0.210,0.164,0.123]
B3=W B
3×R
3
=[0.301,0.245,0.190,0.151,0.113]
B4=W B
4×R
4
=[0.347,0.198,0.169,0.161,0.125]
3.5　对空中交通管理系统指标作综合评价
总的灰色评价权矩阵R=[B
1
,B2,B3,B4]T,那么空中交通管理系统}安全指标的综合评价结果为
A=W A×R=(0.497,0.251,0.103,0.150)
×0.4540.2210.1450.1030.077 0.2750.2270.2100.1640.123 0.3010.2450.1900.1510.113 0.3470.1980.1690.1610.125
得到归一化的结果为
A=(x1,x2,x3,x4,x5)
=(0.378,0.222,0.170,0.132,0.100)
如果评价的结果仅仅为了确定等级,按照最大权数法可得到该评价的结果为“0.378”—“优秀”.
如果为了求得结果的修正系数,按照加权平均
法,即取x
i 为权数,对每个评价等级指标v
j
(j=1,2,
…,5)进行加权平均,其中v
1
=5,v2=4,v3=3,v4= 2,v5=1,即灰类等级化向量V=(5,4,3,2,1)T.
因为x
i已经归一化了,则
W=A×V=65j=1x j v j=3.652
因此,可得到空中交通管理系统安全指标体系的修正系数为3.652,同样也可计算得到二级评价指标的修正系数.灰色综合评价值除用于评定被评对象的等级外,当有多个被评者参加评价时,还可以根据它们的灰色综合评价值进行排序选优.上述等级的打分应该根据具体情况和单位以及部门来确定,不同部门和不同单位以及不同的指标都可以有不同的分值.
4　结轮
本文探讨了空中交通管理系统安全的灰色多层次综合评价方法,所设定的指标体系基本上反映了影响系统安全的主要因素,并针对所建立的数学模型给出了评价的量化过程,结合实例进行了计算,结果表明该方法能较充分地利用每一个评价指标的信息,综合评价值即能用于描述所评价单位的安全状况,又能够进行横向比较.空中交通管理系统安全的灰色多层次综合评价方法,具有广泛的实用性和良好的可操作性,对实际工作具有良好的参考价值.
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