机场场面交通冲突风险演化的SD模型研究

肖 琴，罗 帆

(武汉理工大学管理学院，武汉430070)

0 引言

机场场面交通冲突指交通工具在跑道、滑行道、停机坪和服务道4个场面区域运行过程中，发生的不符合安全规范的行为，其中，交通工具包括航空器和场面保障车辆，因此场面交通冲突主要包括航空器与航空器之间、航空器与保障车辆之间、保障车辆与保障车辆之间产生的冲突.近年来，我国民航机场场面冲突事件频繁发生，危害程度不断增大，据统计50%的民航不安全事件都发生在机场场面[1].因此，开展机场场面冲突的研究至关重要.

国内外针对机场场面冲突的研究主要集中在场面冲突监测与解决等方面.张睿等[2]提出了基于多Agent的场面冲突监测与解脱算法，并通过仿真验证了该算法的有效性和可行性.朱新平等[3]，针对先进机场场面引导与控制系统(A-SMGCS)，建立了Petri网模型，重点研究了对头冲突预测与避免控制策略.牟奇峰等[4]，从滑行道冲突监视告警、跑道侵入监视告警、禁区闯入监视告警、道路通过性检测、偏离计划告警5个方面设计了机场场面冲突监测告警系统.葛亚威等[5]采用先进的机场场面引导与控制系统对航空器滑行道和跑道运行冲突进行了分析，并构建了冲突探测系统框架.此外，系统动力学因其运用系统科学理论与计算机仿真结合研究系统反馈结构与行为的特点，而被广泛运用于机场路面维修管理和机场终端性能评估[6]等方面.

目前，国内外已有研究只检测了单一因素的作用结果，未研究因素间相互作用导致的场面冲突风险，部分学者对航空器运动带来的冲突进行了研究缺乏针对场面保障车辆引发的场面冲突的研究.此外，已有的研究主要采用的是多Agent、Petri网等模型从静态的层面研究了场面冲突风险，缺乏对场面冲突风险动态演化过程的分析.由于机场场面交通冲突风险是一个具有结构复杂、不确定性高等特点的系统，而系统动力学在仿真复杂系统方面具有其独特的优势[7]，因此可以运用系统动力学研究该问题.基于此，本文在文献分析和实地调研的基础上，明确机场场面冲突的影响因素，构建机场场面冲突风险演化的系统动力学模型，探究因素间的相互作用关系，借助Vensim PLE软件揭示场面交通冲突风险的演化规律，对基准情景和策略下的场面冲突风险进行仿真，以期在理论方面弥补既有研究未从管理的角度对场面冲突风险进行研究、无法动态演化场面冲突风险变化过程及无法反映影响因素相互作用的不足，在实践方面为机场场面交通冲突风险管控提供有效的指导.

1 SD模型构建

1.1 系统边界与研究假设

模型建立的目标是分析场面交通冲突风险随时间的动态演化情况，以便确定风险控制的最佳时期，探究单风险因素的演化特点.文献研究和现场调研结果显示，人、设备设施、环境和管理是影响机场场面冲突的主要风险因素，增加机场安全投资和完善机场监管机制能有效控制机场场面交通冲突风险.本文将机场场面交通冲突限定在交通工具之间，将整个机场场面作为一个系统，把人、设备、管理和环境作为4个子系统纳入到场面交通冲突系统中，分析场面交通冲突风险随时间的动态演化过程.

假设1风险值越大导致的损失就越大.

假设2不考虑政府政策、经济景气指数、科技发展水平、战争、自然灾害等不可抗力对系统的影响.

假设3排除事件的次生影响，即对某一特定场面冲突风险的分析不受当前其他风险事件的交叉影响.

假设4场面交通冲突是一个复杂系统，主要包括人员风险、设备风险、管理风险、环境风险4个子系统，且每个子系统中的风险因素综合作用于4个子系统风险.

1.2 SD模型因果关系分析

根据上述分析可知，机场场面交通冲突风险是一个具有内部边界、存在反馈回路的复杂系统，具体因果关系如图1所示.其中，包括4个子系统和27个风险因素，“+”表示正关系，即某个变量增加导致另一变量增加；“-”表示负关系，即某个变量增加会导致另一变量减小.由于系统中的反馈回路较多，下面仅选取各子系统中具有代表性的反馈回路进行分析.

(1)人为因素风险子系统中，当人为风险增加时，会加大场面冲突风险发生的概率，此时相关部门会通过完善场面监管机制和规范机场工作人员的职业发展通道来降低人为风险，进而减少场面冲突风险.

(2)设备设施因素风险子系统中，当设备设施风险增加时，会加大场面冲突风险发生的概率，此时相关部门会通过完善场面监管机制和引进新的设备设施来降低设备设施风险，进而减少场面冲突风险.

(3)环境因素风险子系统中，当环境风险增加时，加大了场面冲突风险发生的可能性，此时相关部门会通过完善场面监管机制来降低环境风险带来的场面冲突风险.

(4)管理因素风险子系统中，当管理风险增加时，会加大场面冲突风险发生的概率，此时相关部门会通过完善场面监管机制、EAP建设、安全培训投资、机场安全文化建设等手段减少管理风险进而有效控制场面冲突风险.

图1 场面交通冲突风险因果关系Fig.1 Causality map of airport surface traffic conflict risk

1.3 SD模型流图

系统流图能够清晰地反映系统要素之间的逻辑关系及系统中各变量的性质，进而阐明系统的反馈和控制过程.因此，本研究在机场场面交通冲突风险因果关系图的基础上通过量化处理，构建了系统流图，具体如图2所示.系统流图包括5个状态变量，6个速率变量，15个辅助变量和20个常数变量.

1.4 模型参数及方程的确定

本文选取我国某机场作为研究对象，该机场的场面冲突事件较频繁，冲突的类型众多，具有一定的代表性.通过调研、专家打分、历史数据分析整理等方式确定模型的参数.采用方程的形式描述系统变量间的逻辑关系，机场场面冲突风险主要变量的表达式为

式中：INTEG是状态函数；DELAY1是延迟函数；Y、Yz、Ys、Y0分别表示场面冲突风险的仿真值、增加量、减少量、初始值；A、△A、A0分别表示人员风险的仿真值、变化量、初始值；B、△B、B0分别表示设备设施风险的仿真值、变化量、初始值；C、△C、C0分别表示环境风险的仿真值、变化量、初始值；D、△D、D0分别表示管理风险的仿真值、变化量、初始值；a1、a2、a3、a4分别表示变量对结果变量的影响系数值.令Y0=0.335 0，A0=0.333 4，B0=0.307 8，C0=0.288 0，D0=0.363 8，a1=0.005 3，a2=0.003 3，a3=0.003 1，a4=0.005 6.

图2 场面交通冲突风险SD流量图Fig.2 SD flow graph of airport surface traffic conflict risk

2 SD仿真及结果分析

2.1 模型有效性检验

为了保证模型的准确性，在模拟之前需要对模型进行检验.首先对模型的结构进行检验，在构建机场场面冲突系统动力学模型前，参考了大量的文献，并结合实地调研提出了机场场面交通冲突风险因素，排除了相关度低的外生因素.此外，软件的模拟运行结果表明，模型中变量的函数关系式合理.因此，模型的结构符合建模目的，具有合理性.

接着采用现实性测验和极限测验两种模型测试方法来检验模型的有效性.对SD模型进行现实性检验，假设场面监管机制受到某些原因的影响使得其转化率大大提高，比如政策的鼓励和惩罚力度加大，此时设置投资转化率1=IF THEN ELSE(time＜=24,0.243,0.93)，新的运行结果和初始结果不同，多次反复测验均通过，具体如图3(a)所示，说明模型的现实性检验通过.对模型的极端情况进行检验，在机场场面冲突风险、人员风险、设备设施风险、环境风险、管理风险完全得到控制的情况下，各风险因素会减少至接近0；当各类风险均得不到有效控制时，各风险值会增加至接近1，具体如图3(b)和图3(c)所示，该仿真结果符合自然规律，通过极限检验.

2.2 风险预警级别确定

通过征询专家意见确定机场场面冲突风险、人员风险、设备设施风险、环境风险、管理风险的预警级别.场面冲突风险、人员风险、管理风险的预警级别均为，无警[0.00,0.38)，轻警[0.38,0.40)，中警[0.40,0.45)，重警[0.45,1.00]；设备设施风险预警级别为，无警[0.00,0.40)，轻警[0.40,0.45)，中警[0.45,0.53)，重警[0.53,1.00]；环境风险预警级别为，无警[0.00,0.42)，轻警[0.42,0.00)，中警[0.50,0.60)，重警[0.60,1.00].

2.3 模型情景分析

重点研究场面监管机制、安全文化建设、规范职业发展通道、引进新的设备设施这4种干预措施在应对场面冲突风险、人员风险、设备设施风险、环境风险、管理风险过程中的有效性.对基准情景和实行干预方案下的机场场面冲突风险状况进行仿真，假设分别在4种干预措施方面增加投入30万元，其中方案1～方案4表示分别在完善场面监管机制、安全文化建设、规范职业发展通道、引进新的设备设施方面增加投入30万元，组合策略表示将30万元按照18万、6万、3万、3万元的方式分配到上述4种干预措施.以2017年4月为基期，仿真时间设置为60个月，时间步长设置为1个月.

图3 模型的有效性检验Fig.3 Validation of SD model

2.3.1 机场场面冲突风险

机场场面冲突风险预警仿真结果如图4所示.初始条件下场面冲突风险值为0.335，在第16个月的时候增加到0.381，第28个月的时候增加到了0.401，第52个月时增加到了0.450.其中有55%的时间处于中警和重警的警级，说明机场场面冲突风险警情较严重.由图4可知，方案1＞组合策略＞方案3＞方案2＞方案4＞初始结果，即完善场面监管机制、机场安全文化建设、规范机场员工职业发展通道、引进新设备设施、组合策略均能缓解场面冲突风险，且完善场面监管机制的效果最显著，机场安全文化建设、规范机场员工职业发展通道、引进新设备设施虽然能使风险值有所降低但是效果不明显，组合策略对降低场面冲突风险的效果不如单独完善场面监管机制的效果好.

图4 场面冲突风险仿真结果Fig.4 Simulation result of airport surface traffic conflict risk

2.3.2 人员风险

人员风险的仿真结果如图5所示.初始条件下人员风险值为0.333，在第17个月时增加至0.382，第27个月时增至0.402，第48个月时增至0.454.其中有26.67%的时间处于无警、16.67%的时间处于轻警、35%的时间处于中警、21.67%的时间处于重警，说明机场人员风险警情较严重.方案3＞方案1＞组合策略＞方案2＞方案4=初始结果，即规范机场员工职业发展通道、完善场面监管机制、组合策略对降低人员风险的效果显著，机场安全文化建设虽然能在一定程度上缓解人员风险，但是却未能改变其变化趋势，组合策略的效果没有单独规范职业发展通道和完善场面监管机制的效果佳.

图5 人员风险仿真结果Fig.5 Simulation result of human risk

2.3.3 设备设施风险

设备设施风险仿真结果如图6所示.初始条件下人员风险值为0.308，在第36个月时增加至0.401，第58个月时增至0.402，第48个月时增至0.453.其中只有5%的时间处于中警级别，大部分时间处于无警状态，说明设备设施风险的警情不是很严重.方案1＞方案4＞组合策略＞方案2=方案3=初始结果，即完善场面监管机制、引进新设备设施、组合策略均能显著降低设备设施风险，且完善场面监管机制的作用更显著.

图6 设备设施风险仿真结果Fig.6 Simulation result of equipment risk

2.3.4 环境风险

环境风险仿真结果如图7所示.初始条件下人员风险值为0.288，在第50个月时增加至0.424，到第60个月时增至0.459.环境风险在所有时间中均处于轻警及以下级别，说明环境风险的警情相对较轻.方案1＞组合策略＞方案2=方案3=方案4=初始结果，即完善场面监管机制、组合策略均能将环境风险有效地控制在无警状态，且单独完善场面监管机制的效果更优.

图7 环境风险仿真结果Fig.7 Simulation result of environment risk

2.3.5 管理风险

管理风险仿真结果如图8所示.初始条件下人员风险值为0.364，在第11个月时增加至0.382，到第25个月时增至0.401.其中有60%的时间处于中警级别，说明管理风险警情较严重，需要采取有效措施预防中警转化为重警.方案1＞组合策略＞方案2＞方案3=方案4=初始结果，即完善监管机制、机场安全文化、组合策略建设均能有效控制管理风险，使其处于无警状态，且单独完善场面监管机制的效果好.

图8 管理风险仿真结果Fig.8 Simulation result of management risk

3 结论

本文在机场场面冲突风险影响因素分析的基础上，构建了场面冲突风险的系统动力学演化模型，描述了场面冲突风险因素间的相互作用关系，揭示了场面冲突风险、人员风险、设备设施风险、环境风险、管理风险的演化机理.模拟仿真了不同的策略对场面冲突风险改善效果.完善场面监管机制、建设机场安全文化、规范员工职业发展通道、引进新设备设施能有效缓解场面冲突风险；完善场面监管机制、建设机场安全文化、规范员工职业发展通道能有效缓解人员风险；完善场面监管机制、引进新设备设施能有效缓解设备设施风险；完善场面监管机制能有效缓解环境风险；完善场面监管机制、建设机场安全文化能有效缓解管理风险；同时增加完善场面监管机制、建设机场安全文化、规范员工职业发展通道、引进新设备设施方面的投资能有效降低场面交通冲突风险、人员风险、设备设施风险、环境风险、管理风险，但均没有单独增加完善场面监管机制投资的效果理想，因为总有方案能使其对应的风险降低，然而多数方案对该风险的效果不明显或者无效果，当采取组合策略时，总体效果会受到无效方案的限制不能发挥最大效应，所以组合策略的效果不如单一策略的效果好.本文为机场完善场面冲突风险预防方案和制定针对性风险缓解策略提供了有力支撑.