基于物元可拓模型的机场飞行区安全评估研究

摘要：本文将物元分析的方法引入民用机场运行安全评价之中，利用物元可拓模型，从系统的理论角度出发， 通过建立综合评价模型， 对民用机场安全及风险进行定量的分析与评估，并对某机场实际情况进行了分析，得到该机场安全等级属于较差级别的结论。通过本实例分析，证明通过可拓理论建立物元分析模型来对机场运行风险进行安全分析的方法合乎实际，切实有效。这对合理评价机场地面安全等级，保障航空运输的安全具有重要的意义。

中图分类号：F560.81文献标识码： A

安全是关系机场运行及发展的最重要的因素。为防止机场内各类安全事故发生， 必须采取预防为主的策略，因此对机场的运行系统进行安全评价就显得尤为重要。由于机场运行是一个复杂的系统，影响安全的因素众多，一般评价方法往往存在评价指标选取不合理、评价方法不客观的问题。可拓学是一门专门探讨矛盾转化的科学，尤其在处理大量矛盾存在的问题上形成一套成熟的处理理论和方法，其矛盾重点选取科学，评价方法引入数学理论，较为客观。本文以某机场为例，利用物元可拓模型，研究了对民用机场飞行区造成安全风险的主要因素，并对机场的飞行区安全进行了评价。

1、可拓学理论框架

可拓学是一门专门探讨矛盾转化的科学，它将形式逻辑与辩证逻辑有机地结合起来，描述事物性质的可变性和事物变化过程中由量变到质变的规律，是异于经典集合和模糊集合的另一种形式化工具。它为解决现实生活中存在大量矛盾的问题提供了可以遵循的规律，建立了一套处理矛盾问题的理论和方法，既是计算机进行矛盾问题处理的理论基础之一，也是人工智能解决问题的定量化工具。可拓学用形式化的工具，从定性和定量的两个角度去研究解决矛盾问题的规律和方法。可拓学的理论支柱是物元理论和可拓集合理论，其逻辑细胞是物元。

（1）物元定义

物元是形式化描述物的基本元，它由物、特征的名称(简称特征名)及相应的量值构成的有序三元组表示。设影响评价的因素有n个，每个影响因素的指标有m个。根据可拓学基元的定义，则评价指标可用下面n维物元来描述。

式中，N为待评物元，C为待评物元的影响因素，V为数量化的量值域。

（2）经典域和节域

根据物元的定义，可以建立城市交通可持续发展水平评价模型。设城市交通可持续发展水平评价的定性指标有m个，即为cI，c2，…，cm，以这部分指标为基础，将城市交通可持续发展评价指标定量地分为n个等级，把它们描述为以下定性、定量综合评价物元模型(称为“经典域”)。

R0j=（N0j，C，V0jk）== (j=1，2，…n)

其中V0jk的全体取值范围即节域

（3）待评物元

把待评物元的评价信息收集完成之后用物元R0表示，即

式中参数为所收集到待评单元对应于C的具体的取值。

2、构架安全系统评价指标评价体系的原则与方法

2.1评价体系构架原则

民用机场飞行区安全系统影响因素多，结构复杂，但其具有相对明确的层级性，可分解为多层结构，各种影响因素之间关系错综复杂。每个因素又都可以成为一单独的评价指标，要建立一个全面、合理、科学的评价体系非常困难，如果考虑因素过多，则可能评价效果不明显，无法给出合理的评价建议。要建立合理的评价体系，就需要对飞行区交通系统进行深入分析，选择对飞行区安全影响较大的因素来进行评价，所选指标也应该能最大程度地反映各种因素的影响，因此构建飞行区安全系统评价指标体系应遵循如下原则：

（1）系统性和层次性原则

飞行区安全系统是涵盖因素较多的复杂系统，其内部又包含诸多相互影响、相互作用的能提供相对独立功能的安全设施，因此，评价指标体系应力求全面反映道路安全的综合情况，既能反映飞行区内部安全的适应性，又能充分反应部分对系统功能的影响，且体现系统结构特点，从系统的角度对安全的现状进行综合评价。

（2）针对性原则

评价体系的建立，是为了定性确定、定量反应飞行区的安全状况，为改善和提高飞行区安全性提供支撑。

（3）可比较性原则

考虑地理空间因素及安全对象需求特征的差异性，在选择指标的过程中，要注重合理地选用相对指标性指标与绝对性指标，使得评价不仅适合于特定飞行区的评价，也可用于不同地区飞行区之间的横向比较。

2.2评价体系构架方法

（1）指标初步选择

在评价项目中，指标体系的初步选择方法一般采用两类:专家主观评定法及数据统计分析法。一般情况下，在建立评价指标体系时，应首先确定评价目标，然后通过收集资料，建立被选指标集，采用层次分析法建立树状的关系结构，运用目标层次分类展开，将目标按逻辑分类向下展开为若干目标，再把各目标分别向下展开成分目标，依此类推，直到可定量或可定性分析为止。

（2）体表体系的筛选

经过初步筛选后的指标体系并不一定是令人满意的，还必须对初选的指标体系进行完善化处理，应对指标体系中指标的重要性、必要性及完备性进行详细分析。

a重要性。重要性是指根据各评价指标的重要程度，一般利用专家打分法对初步拟定的指标体系进行评议。比如设指标体系中某层次有m个指标，请n位专家评议(一般将重要程度分为5级，即j=l，2，3，4，5，分别代表:极重要、很重要、重要、一般、不重要)；

b 必要性。必要性是指构成统计指标体系的所有指标从全局考虑是否都是必不可少的，有无冗余现象。如果有高度相关的指标，会影响评价结果的客观性。为此，必须对指标体系进行相关性检验。

c 完备性。完备性是指考察评价指标体系是否已全面地覆盖和测度了高速公路安全系统的主要特征和状况，一般通过定性分析进行判断。

3、民用机场安全系统评价实例

3.1机场评价指标体系建立

在本次针对某机场的飞行区风险评估研究中，将作者所能取得的有可能影响该机场飞行区安全的因素选取如下表，共分为交通、航班保障、应急救援、管理四方面八个影响因素。

把飞行区的安全水平分为“优秀”、“良好”、“一般”、“较差”、“很差”五个等级，对评价指标按百分制记分，根据相关专家建议，各个等级对应的分值区间如表1所示。

指标/等级 优秀 良好 一般 较差 很差

飞行区交通 车辆复杂程度 100-90 90-80 80-70 70-60 60-0

驾驶员培训 100-90 90-80 80-70 70-60 60-0

交通标志 100-90 90-80 80-70 70-60 60-0

航班保障 人员素质 100-95 95-85 85-70 70-60 60-0

培训状况 100-90 90-80 80-70 70-60 60-0

管理体系 100-90 90-80 80-70 70-60 60-0

应急救援 应急指挥系统 100-95 95-90 90-80 80-70 70-0

管理 规章制度及人员准入 100-90 90-80 80-70 70-60 60-0

表1 某机场飞行区安全影响因素及打分标准

3.2待评物元权重因子确定

在选取合适的指标后，本次评估采用专家打分的方法，邀请36位长期在机场一线保障工作的专家对以上指标进行打分并计算平均值，形成的各项指标打分结果如表2。

指标/等级 机场得分

飞行区交通 车辆复杂程度 65

驾驶员培训 87

交通标志 95

航班保障 人员素质 72

培训状况 85

管理体系 94

应急救援 应急指挥系统 92

管理 规章制度及人员准入 91

表2 各项评价指标打分结果

根据以上结果形成本评估的物元模型及其对应的打分矩阵如下：

对矩阵各行求和得到：

将打分矩阵各行归一化后，计算得各影响指标的权重因子。

。

将以上计算结果汇总，可得各项指标权重表，如表4-3。

指标 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8

权重 0.130 0.139 0.116 0.158 0.109 0.109 0.144 0.096

表4-3 指标与权重表

3.3建立关联度函数并计算关联度

根据可拓集合理论和具体条件建立如下关联度：

，

其中，

，

，

式中，为第i项特征值属于第j级的关联度。根据以上公式计算待评单元属于各质量等级的综合关联度，计算过程为：

当x=1时：

，，

，，，

，；

当时，

；

用同样的方法计算其余计算关联度，并将影响因子的作用考虑在内，得出最终各参数的关联度如下表：

指标(i)/等级(j) 优秀 良好 一般 较差 很差 权重

因子

车辆复杂程度 0.417 0.300 0.125 3.500 0.125 0.130

驾驶员培训 0.188 1.300 0.350 0.536 0.675 0.139

交通标志 0.500 0.500 0.750 0.866 0.875 0.116

人员素质 0.451 0.317 1.876 0.067 0.300 0.158

培训状况 0.250 1.500 0.250 0.500 0.625 0.109

管理体系 0.600 0.400 0.700 0.800 0.850 0.109

应急指挥系统 0.273 1.600 0.200 0.600 0.733 0.144

规章制度及

人员准入 0.900 0.100 0.550 0.700 0.775 0.096

综合关联度 (k) 0.427962 0.774886 0.633458 0.935846 0.599702 /

表4 各参数关联度

根据最大隶属原则，由以上关联度计算结果可以看出，max kj(p)=k4=0.935846，即机场的安全度等级隶属第四等级，即较差级别。

4、结论

（1）飞行区交通方面的关联度等级较为分散，驾驶员培训方面主要位于良好水平，但是车辆复杂程度属于较差、交通标志均属于很差水平，是最终综合关联度水平较差的主要原因。

（2）针对此机场的安全水平处于较差安全等级的情况，有关部门应加强对该机场的安全管理，对此，建议将场内车辆进行种类和数量进行一次重新优化，尽量将无关车辆集中清理出场，降低厂内车辆复杂度；同时针对驾驶员数量多、驾驶技能参差不齐等现状进行改进。建议各单位严把准入关口，控制人员素质，并制定相应的学习及培训计划，提高已入场的人员素质水平，从加大培训力度， 以人为本，倡导企业文化建设等方面提升机场整体的安全水平，减少事故的发生。

（3）通过本实例分析，证明通过可拓理论建立物元分析模型来对机场运行风险进行安全分析的方法合乎实际，切实有效。该方法理论严谨,计算方法简便, 评价结果准确, 为机场保障系统效能评价提供了一种新的方法, 在机场安全保障制度编制和实际运行中具有较高的实际应用价值。

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