人机环境工程的空管安全性模糊综合评判*

左保龙，张久星，徐浩军

（1.空军工程大学空管领航学院，西安　710051；2.空军工程大学航空航天工程学院，西安　710038）



人机环境工程的空管安全性模糊综合评判*

左保龙1，张久星2，徐浩军2

（1.空军工程大学空管领航学院，西安710051；2.空军工程大学航空航天工程学院，西安710038）

摘要：针对人机环复杂因素的空管安全性评价难题，基于非对称贴近度，提出一种的多级模糊综合评判方法。首先构建了基于人机环境工程的空管安全影响因素集，包括人的因素、人机关系和环境条件这三大类因素集，然后依据因素评判的等级和标准，建立了基于非对称贴近度的空管安全性的多级模糊综合评判模型，最后以专家系统评价数据为基础，对某实际空管部门的安全性进行了模糊综合评判。研究方法和研究结论为科学评价空管系统的安全性提供了借鉴。

关键词：空管，安全性，非对称贴近度，模糊综合评判

0　引言

空管是指对航空器的飞行活动实施的管理和控制，其任务是防止航空器与航空器空中相撞，防止航空器与地面障碍物相撞，维护空中飞行秩序，保障飞行畅通和安全、提高飞行空间和时间的利用率［1 - 2］。统计数据表明，近几年出现的由于空管原因造成的事故征候呈逐年上升趋势，造成这种现象既有部分管制员业务素质不佳、管制行为不规范的因素，同时也有管制员在特定的人机环境下承受过重的工作压力导致失误的因素［3 - 4］。面对飞行流量快速增加的新形势，研究人的因素、人机关系、环境与人的关系以及人机环境系统总体性能对空管安全的影响，对保障飞行安全具有十分重要的作用。

目前，在如何准确评估考虑人机环境因素的空管安全方面存在许多尚待解决的问题。在空管安全的影响因素分析方面，王永刚［5］对管制员人为差错影响因素进行了分析，黄宝军［6］对空管人员人格特征进行了分析；姚锡凡［7］在进行模糊评判的综合评估时，采用的最大隶属度原则，因有效信息亦缺失，导致评价失真，文献［8］采用的BP神经网络模型容易产生局部极值致问题。

本文根据空管安全的实际情况，通过分析空管安全的影响因素，构建基于人机环境工程的空管安全影响因素集，并采用基于非对称贴近度的多级模糊综合评判方法来评价空管安全。

1　非对称贴近度

贴近度是对2个模糊子集接近程度的一种度量，分为对称贴近度和非对称贴近度［9-11］。

定义1［9］非对称贴近度：

是rk的特征模糊子集，即第i个分量是1。

2　空管安全影响因素

空管人机环境工程主要是研究在飞行环境下，管制员、空管系统、管制工作环境之间的相互关系。

2.1人的因素

2.1.1专业能力

管制员的技能成熟度。相同的管制任务下，管制员的技能成熟度不同，其表现出来的工作紧张程度也不同，使其在制定预案和管制指挥上花费的时间不同。技能较强的管制员，可以花费较少的时间在制定预案，从而有更多精力关注冲突或进行协调。相反，技能较差的管制员就需要更多思考或反应时间，从而降低了其对冲突的关注。管制员的个性、知识技能、等的不同，尤其在长时间高负荷的工作之下发生错误或疏漏的可能性也有一定的差异。

2.1.2身体状况

管制过程中，通过通讯联系，管制员与飞行员及其他相关人员进行沟通，其通话过程是反复的听说过程，人为差错在此阶段最易发生。作为管制员，尤其工作负荷较大时，其自身生理、心理等的反应会对整个管制过程造成较大影响。参与工作的过程中的表现也因人的身体状况不同有较大差异。

2.1.3协调沟通状况

管制负荷较大的工作要求，管制员在短时间内根据实际情况迅速用简洁的语言与对方达成一致。因此，管制员的协调、决策等能力影响较大，需要通过设置评判方式，对管制员的协调能力和决策能力进行评价。

2.1.4心理因素

由于心理因素而导致事故或事故征候的重要原因是心理机能失调，包括人的动机、情绪和个体心理特征等因素，其中，情绪是变化最大、影响最深的因素。因此，在评价的过程当中，通过设置一定的评判标准对管制员的心理因素指标进行考核是非常必要的。

2.2人机关系

2.2.1系统条件

空管工作主要是管制员通过观察空中及机场地面状况，包括飞机、行人、车辆或雷达显示屏、进程单、电报或气象信息等，与飞行员通过无线电陆空通话来交换信息、发出和执行指令的过程［5］。因此，空管系统的硬件设备主要指管制工作环境中的监视设备、通讯设备和导航设备等。而对应的软件环境则包括安全规章、特情处置程序、工作程序等规章程序。

2.2.2工作负荷

由于空管工作责任重大，关系着航空器及机上人员的安全，管制员必须在一定的时间内作出判断和发送管制指令。尤其在高峰时段或对复杂航路的管制工作，以及有可能出现特情的管制，管制员必须快速作出反应，及时指挥飞机，瞬间的迟疑或错误的判断都可能造成不可挽回的损失。因此，管制员需要严密把握空中动态，对区域内飞行活动实施全程监控，需要工作投入度极高，这就使得管制员在工作中一直处于紧张的状态，容易形成身心俱疲的状态［2］。

2.3人与环境的关系

空管工作环境主要是指塔台、管制大厅工作环境，既包含了工作环境的布局，也包含塔台的光线、温度、湿度、噪音对空管工作的影响。

根据以上的分析，包括设备、环境和人3个子系统的影响空管安全的因素体系的结构如下页图1所示。

3　空管安全性模糊综合评判

为了分析空管安全各影响因素以及根据各因素分析空管安全等级，结合非对称贴近度理论，构造如图2所示的基于非对称贴近度的空管安全模糊综合评判流程图。

图1影响空管安全的因素体系

图2基于非对称贴近度的模糊综合评判流程图

3.1确定因素集

因素集F即评价项目或指标的集合，一般有F= （F1，F2，…，Fm），且Fi∩Fj=0（i≠j），Fi=（Fi1，Fi2，Fi3，…），（i=1，2，…，n）。其中F为第1层因素集，Fi为第2层因素集，以此类推，可以得到空管安全影响因素的因素集。

3.2确定评语集

评价集即评价等级的集合，空管安全评价集是用于表征空中管制的安全状况，根据系统状态，用语气算子来构建评价集{很好v1，好v2，较好v3，一般v4，较差v5，差v6，很差v7}，即

V={v1，v2，…，v7}（3）

构造不同等级的评价集，有利于正确直观地分析空中管制的安全等级，进而指导安全管理工作。

3.3隶属度矩阵

依据隶属度函数，计算各影响因素对应的隶属度，从而将各指标对固有风险的可能最终值的支持程度量化，得到空管安全影响因素的隶属度模糊评价矩阵：

式中：tij为指标i的j级隶属度值。

3.4构造评价指标权重值

通常各个因素的重要程度是不一样的，对重要的因素应该特别看重，对不重要的因素不十分看重。为了反映出各因素的重要程度，对各因素应给予一个相应的权数αi（i=1，2，…，n），由各权数组成的集合

A=（α1，α2…αn）（5）

称为因素权重集，简称权重集。

各权数αi可以视为各因素对“重要”的隶属度，满足非负性和归一性，即

各个权数一般根据实际问题的需要主观确定，也可以按照隶属度的方法确定。选取的权数不同，则评价的方法结果也不同。

3.5运用模糊非对称贴近度进行综合评价

3.5.1确定评价集

为了有效进行模糊综合度量，防止丢失有效信息，做到真正的客观公正，可采用加权平均算子代替取大取小算子，设模糊综合评价集为B，即：

B=W·T=（bj），j=1，2，…，c（7）

3.5.2运用非对称贴近度确定空管安全等级

基于非对称贴近度的等级评价步骤为：

步骤1：对B标准化

首先把bi，i∈ic={1，2，…，c}排在第c位（最后一位），对任何i1，i2∈ic，若，则把bi1放在bi2的前面；若，且i1＞i2，则把bi1放在bi2的前面，标准化后的B记作：

步骤2：计算非对称贴近度N（B，Di）：

4　实例分析

以某空管部门人机与环境安全为例，通过邀请空管人员代表、该领域有关专家等20人组成评审团，通过问卷调查的形式对系统各因素进行单因素评价，各因素在相应等级下的专家投票数见表1所示。

表1空管安全单因素评价的调查结果统计表

4.1模糊评判矩阵

根据表1数据，首先构造模糊评判矩阵，则人的因素中关于专业能力、身体状况、协调沟通状况、心理状况4个方面的评判矩阵分别为：

4.2空管影响因素权重的确定

对某空管部门进行了走访座谈，根据相关人员的判断，统计结果如表2所示。

表2空管安全影响因素权重表

4.3多级模糊综合评判

①由式（7）可知人的因素中关于专业能力、身体状况、协调沟通状况、心理状况4个方面的因素集模糊综合评判矩阵为：

B11=［0.17 0.28 0.35 0.1 0.07 0.03 0］

B12=［0.175 0.165 0.325 0.265 0.035 0 0.035］

B13=［0.18 0.105 0.36 0.285 0.07 0 0］

B14=［0 0.125 0.3 0.225 0.2 0.1 0.05］

所以，人的因素一级模糊综合评判矩阵为

②其二级模糊综合评判矩阵为：

B1=［0.113 0 0.176 5 0.329 0 0.240 5 0.108 5 0.044 0 0.024 5］

同理，可以得到人机关系和环境条件的因素集模糊综合评判矩阵B2和B3。

③结合人的因素、人机关系、环境条件3个因素集，可以得到三级模糊综合评判矩阵为：

B1=［0.079 7 0.146 6 0.319 3 0.277 6 0.130 4 0.033 0 0.013 5］

4.4根据最大隶属度原则确定空管安全等级

根据最大隶属度原则，评判结果应该选为模糊综合评判矩阵B中数值最大的值所对应的评价等级，即应选定最大值0.319 3所对应的评价“较好”。

但是，观察评价矩阵B可以发现，评价集中“较好”所对应的数值0.319 3与其邻值0.277 6（“一般”）相接近。由于采用最大隶属度原则容易丢失有效信息，可能导致评价失真，为进一步确定评价结果，应当再次验证，即对本次评价结果进行基于非对称贴近度的遴选方法。

4.5根据非对称贴近度原则确定空管安全等级

根据式（8）所示方法对B标准化，结合式（9）、式（10），通过计算机编程可知非对称贴近度为：

N（B，D1）=N（B（1），D7）=0.920 1

同理可知：

N（B，D2）=0.952 9

N（B，D3）=0.990 3

N（B，D4）=0.985 3

N（B，D5）=0.946 3

N（B，D6）=0.887 0

N（B，D7）=0.870 1

显然：

根据计算的贴近度值可以判断出该空管部门人机与环境安全水平为“较好”，即与最大隶属度原则所判定的空管安全等级相同。

5　结论

本文从空管安全的实际出发，用人机与环境工程的专业观点分析影响空管安全的因素，并对各因素进行分类整合，建立了人的因素、人机关系和环境条件三大类因素集，并将非对称贴近度应用于模糊综合评判结果的集化，在此基础上，构建了基于非对称贴近度的空管安全性多级模糊综合评判方法，并结合实际空管部门，进行了安全等级模糊综合评判。该研究方法和研究结论不仅为某空管部门安全提供了安全资料，也为分析空管安全的影响因素、空管安全在不同人机环境条件下的安全评价问题提供了一定借鉴。

参考文献：

［1］王玲.空中交通管制模拟系统的模型及开发过程研究［D］.成都：四川大学，2005.

［2］万莉莉.管制员工作负荷评估问题研究［D］.南京：南京航空航天大学，2005.

［3］张林，马良，万新龙.改进遗传算法的多机超视距协同空战目标分配方法［J］.四川兵工学报，2013，32（10）：20-24.

［4］张明，韩松臣.基于可拓学的管制员工作负荷综合评价［J］.南京航空航天大学学报，2008，40（6）：840-844.

［5］王永刚，董保健.管制员人为差错影响因素及指标权重分析［J］.中国安全生产科学技术，2011，7（2）：28-33.

［6］黄宝军，戴福青.空中交通管制员人格特征分析［J］.中国民航大学学报，2007，25（2）：52-56.

［7］姚锡凡.不确定信息的度量及其在制造中的应用示例［J］.计算机集成制造系统，2004，10（11）：1466-1470.

［8］汪送. BP神经网络在航空机务人员本质安全程度评价中的应用［J］.中国安全生产科学技术，2010，6（6）：35-39.

［9］何新华，马一楠，王琼基于主观综合评判的武器装备体系作战效能仿真［J］.四川兵工学报，2012，31（12）：38-40.

［10］李本海.贴近度分析法在等级划分中的应用［J］.系统工程理论与实践，1990，10（3）：43-48.

［11］张晓平.基于贴近度的模糊综合评判结果的集化［J］.山东大学学报（理学版），2004，39（2）：25-29.

欢迎订阅本刊欢迎刊登广告

Fuzzy Comprehensive Evaluation of ATC Security Based on Man- machine Environment Engineering

ZUO Bao-long1，ZHANG Jiu-xing2，XU Hao-jun2
（1. ATC Navigation College，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China；
2. Aeronautics and Astronautics Engineering Institute，Air Force Engineering University，Xi’an，710038，China）

Abstract：It is a difficult problem to evaluate the ATC security in consideration of man-machine environment factors. This paper puts forward a multilevel fuzzy comprehensive assessment method based on asymmetric proximity. First，are the influencing ATC security factors based on man -machine environment engineering collected，these include human factors，man -machine connections and environment conditions which are the three primary factors. Then，is a multilevel fuzzy comprehensive assessment model of ATC security based on man -machine environment engineering constructed. Finally，a fuzzy comprehensive assessment of security for certain ATC unit is given. This researching method and conclusion can be scientifically used for reference to evaluate the security of ATC system.

Key words：air traffic control，security，asymmetric proximity，fuzzy comprehensive assessment

作者简介：左保龙（1965-），男，陕西西安人，副教授。研究方向：空管运行与安全。

*基金项目：国家自然科学基金资助项目（61074007）

收稿日期：2015-01-08

文章编号：1002-0640（2016）02-0060-05

中图分类号：V355.2

文献标识码：A

修回日期：2015-02-26