基于AHP-FCE 绿色空管评价指标体系

廖 涛，陈志雄，陈 丹，田俊杰，黄 成 LIAO Tao, CHEN Zhixiong, CHEN Dan, TIAN Junjie, HUANG Cheng

（1.上海工程技术大学 航空运输学院，上海 201620；2.南京工程学院 汽车与轨道交通学院，江苏 南京 211167；3.上海市环境科学研究院 国家环境保护城市大气复合污染成因与防治重点实验室，上海 200233）

0 引 言

伴随我国新能源汽车广泛使用和铁路电气化全覆盖，预计到2060 年，公路和铁路有望实现零排放[1]。航空运输2019 年二氧化碳排放占全国比重1%，但航空发展快，飞机电动化、绿色航空燃油等新技术受限于安全性和经济性，难有突破，到2060年，航空运输能耗预计为2019 年的3 倍，在交通运输碳排放占比将上升至87.4%[2]。这使我国航空运输面临前所未有的挑战，迫切寻求解决策略。

2015 年12 月第21 届联合国气候变化大会共同通过《巴黎协定》，设定全球控温目标。随后，欧盟、中国和美国等相继制定碳达峰和碳中和实现时间表和技术路线途经。各国积极探索飞机和发动机设计，新清洁能源（包括氢能、电动和可持续航空燃料等），改进运行环境（涉及空中交通管理（ATM）、机场设施和政策等） 等各种先进技术[2-6]。ATM 作为民航运行中枢，欧美相继实施相关计划项目，欧洲单一天空空中交通管理研究（SESAR）[7]，旨在提高网络容量与韧性、改进机场性能和可用性、优化空中自动化运行，实现ATM 的现代化；美国的下一代航空运输系统（NextGen）[8]，目的是增大空域交通容量，节省内部成本、减少碳排放和缩短旅行时间。中国民航局特别制定《“十四五”民航绿色发展专项规划》，明确全行业绿色发展要求。

目前空管研究主要涉及安全运行[9-11]、交通流预测与优化调配[12-14]、空域碳排放[15-17]等。我国绿色空管处于起步阶段，需要梳理空管绿色低碳方面发挥的效能和作用，明确空管绿色发展相关部门职能定位，目前鲜有关于绿色空管的指标体系建立，本文将建立空管绿色低碳发展评价指标体系，以掌握管理、技术、设备等影响空管低碳发展的关键因素。指标体系建立方法有灰色关联度分析法[18]、层次分析法（AHP）[19]和模糊综合评价法（FCE）[20-21]等。灰色关联度分析法是通过一系列关联度分析将其关系进行白化，该方法难以清晰地表征其评价结果。层次分析法（AHP） 可以根据系统独有特性勾勒出其内在的功能联系，使各因素间既相互独立又相互关联，通过建立权重判断矩阵对其内在因素进行重要性排序，层层递进，该方法实用、高效且层次感分明，各因素可得到相对完善的处理。模糊综合评价法（FCE） 主要以模糊数学为基础，能够实现令边界不清、难以定量的因素定量化的功能并对其进行综合评价，很好地解决了判断的不确定性问题。张小虎[22]基于层次分析法（AHP） 建立了一套对飞机维修供应商评价的模型，以增加对维修供应商选择的科学性。杨阳等[23]引入AHP 为现有的交付方式向“一装一试”的模式转变提供了理论依据，促进了发动机厂内实现一次装配与试车，降低了交付经济成本，进而缩短了外场发动机交付周期。李敬强等[24]采用层次分析法（AHP） 确定各评价指标的权重，最后结合模糊综合评价法（FCE），对模型进行实证分析和评价。研究结果显示：其构建的能力评价模型的考核结果与民航监察员的实际安全监管能力基本契合，更能客观、准确地量化其监察员的安全监管能力水平。鉴于空管系统的复杂性[25]，本文采用层次分析法（AHP） 构建绿色空管评价指标体系，确立各指标权重；在此基础上，采用模糊综合评价法（FCE） 对绿色空管进行综合评价，最后对某空管局进行实例验证，证明该评价体系在绿色空管中的科学性和可行性。

1 评价指标体系的构建及指标权重

1.1 评价指标体系的构建

空管的绿色评价是多方面的，其评价需要综合考虑各种因素条件。评价指标体系是一个非线性、动态、模糊的非常复杂的系统，确定能够反映其综合状况的因素是建立科学可行的评价指标体系的前提，在确定绿色空管评价指标体系时，体现出科学性、关联性、系统性、可行性等原则，建立绿色空管评价指标体系的具体流程如图1 所示。

图1 指标体系的建立流程图

空管的绿色评价需要考虑管理水平、能效提升、技术应用等方面的影响。在充分考虑以上影响条件的基础上，遵循指标体系建立原则，根据空管的绿色发展的各项需求，按照民用航空节能减排相关法规、批准文件要求，通过走访调研相关机构、专家意见，结合空管系统现状，通过趋势分析和定性定量相结合的方法对各项指标进行相应的评定。以绿色空管评价为目标层，以组织机构的建设C1、低碳型机关的建设C2、绿色低碳新技术新设备的必要性C3、节能减排标准的执行C4、绿色低碳政策的执行C5、运输结构的优化C6和节能减排机制的必要性C7等7 个维度为子准则层，从绿色低碳机构设置的合理度D1、绿色低碳人员职责的明确度D2、绿色低碳人员职能的履行度D3、低碳型机关建设政策制定D4、低碳型机关能源消耗下降比率D5、绿色低碳资金投入比例与增长率比值D6、绿色低碳新设备的推广度D7、在空管系统中的重要程度D8、绿色低碳新技术的应用项数D9、节能减排设备的配套率D10、节能减排的执行率D11、节能减排应急措施的响应率D12、绿色低碳政策的制定D13、绿色低碳政策宣传D14、绿色低碳政策的执行D15、空中折返线路的比例D16、减少航空器等待时间的结构调整度D17、激励机制措施的制定D18、激励机制措施的执行D19、激励机制措施的满意度D20等20 个方面建立评价指标体系[2,12-13,15,26-28]，如图2 所示。

图2 绿色空管评价指标体系

1.2 确立指标权重

通过开展对现有节能减排情况的调研，数据的收集等工作，本文主要采用的是利用专家调查法对其进行打分，从而构造判断矩阵，再采用层次分析法（AHP） 去求解各指标的权重，确立各指标权重的具体过程如下：

（1） 构造判断矩阵

对于在同一层次中的指标，需要进行两两比较各指标对于上一层某因素的重要程度，再对其依次构造出评价指标对应的判断矩阵，记为A：

式中：A 为判断矩阵，aij表示因素i 对因素j 的重要性比较结构，通过采用如表1 所示的1~9 的量化比例标度来反映其重要程度。

表1 AHP 常用的量化比例标度及其含义

（2） 权重向量的计算

①将各行判断矩阵分值的乘积开n 次方：

③进行一致性检验：

式（4）、式（5） 中：λm是判断矩阵A 的最大特征值；CI 是一致性检验指标，n 是判断矩阵的阶数；CR 是检验系数，RI是平均随机一致性指标。

RI 的值如表2 所示，若RI<0.1，则说明矩阵具有一致性，若RI≥0.1，则说明等式不成立，需要修正以通过一致性检验。

表2 RI 的值

使用Matlab 软件计算出准则层判断矩阵A 和权重向量，以及判断矩阵最大特征值λmax，并进行一致性检检验。具体步骤为：首先计算准则层对目标层的判断矩阵及权重，计算结果进行一致性检验，通过后进行指标层对准则层B1的判断矩阵及权重结果计算，计算结果同样进行一致性检验，一样的步骤，完成指标层对准则层B2、B3的判断矩阵及权重结果的计算。之后再依次完成指标层对子准则层C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7的判断矩阵及权重结果计算，每一步都需要完成一致性检验通过。权重结果计算如图3 所示。

图3 子准则层权重结果

基于上述内容，各层完整指标权重如表3 所示。绿色低碳机构设置的合理度、绿色低碳人员职责的明确度、绿色低碳人员职能的履行度。

表3 绿色空管评价指标体系及其权重

2 评价步骤

2.1 模糊综合评价基本原理

模糊综合评价法（FCE） 就是运用模糊数学和模糊统计方法，通过对影响某事物的各个因素综合考虑，对该事物做出科学评价，模糊综合评价就是应用模糊变换原理和最大隶属度原则考虑相关的各个因素，从而对其进行的综合评价。

2.2 模糊评价步骤

（1） 利用AHP 确定权重集W= （w1,w2,…,wn）。

（2） 建立评语集：Vi= ｛v1,v2,…,vw｝。

确定评价集，取评价集为X= （X1,X2,X3,X4,X5）分别代表绿色空管关于指标层的等级：好，较好，一般，较低，低五个等级。为进一步去模糊化，构造加权分数向量= （1,0.75,0.5,0.25,0 ）。各定量指标模糊映射分级标准如表4 所示。

表4 定量指标模糊映射评价分级标准

（3） 确定隶属度

为减少评价误差，使隶属度更加客观真实，根据空管绿色低碳评价规范，结合空管系统实际情况，建立评价因素集到评语集的模糊映射，采用隶属函数计算定量指标隶属度，可得到其指标隶属函数，具体如表5 所示。

表5 评价指标隶属函数

（4） 构造模糊评价矩阵

评价指标体系中既有定量指标，又有定性指标，而它们的隶属度确定需要分别进行评估。对于定量指标，采用三角隶属度函数建立各评价因子对各级标准的隶属函数rij，从而建立模糊关系矩阵R= （rij）；定性指标的隶属度确定则采用中间型为三角形分布，偏大、偏小选择半梯形分布建立各评价因子对各级标准的隶属函数rij，从而建立模糊关系矩阵R= （rij）：

本文提出了基于NJ运动控制的Delta机器人动态抓取系统,以NJ控制器为核心,通过EtherCAT网络将运动、逻辑、视觉控制等功能合而为一,提高图像处理系统、控制器及伺服驱动器输入输出总处理能力的速度,实现高速、高精度控制。在对样机进行测试中,Delta机器人的漏抓率小于2%,误抓率为0,表明在以几何分析为基础的机器人动态抓取算法迭代次数少、运算时间短,能够达到抓取系统的实时性要求,在实际工程中具有一定的应用价值。

矩阵中的第m 行第n 列的元素表示指标Ri对于评价等级V 的模糊隶属度。

（5） 计算模糊综合评价结果

最后将得到的模糊矩阵R 和权重集W 进行复合运算：

由最大隶属度原则得出模糊综合评价的结果。

（6） 计算模糊综合值

每个层次指标的模糊综合值H 可由模糊综合评价结果向量Z 与评分等级向量C 的转置矩阵相乘求得：

3 实例分析

以某空管局为例进行验证。首先建立权重集，利用软件Matlab 对构造的判断矩阵进行运算，各指标权重由表3 可得：W= （0.195 8 0.310 8 0.4934 ），WB1= （0.666 7 0.3333 ），WB2= （0.333 3 0.6667 ），WB3= （0.493 4 0.310 8 0.1958 ），WC1= （0.297 0.163 4 0.5396 ），WC2= （0.25 0.75 ），WC3= （0.189 9 0.121 3 0.268 5 0.4203 ），WC4= （0.539 6 0.297 0.1634 ），WC5= （0.310 8 0.195 8 0.4934 ），WC6= （0.8 0.2 ），WC7= （0.249 3 0.593 6 0.1571 ）。

表6 定量指标原始数据

表7 定性指标原始数据

将定量指标和定性指标的评语集综合后得到模糊综合评价矩阵，如表8 所示。

表8 指标层隶属度矩阵

将各评价因子的实际值和评价标准代入隶属函数（表5） 中即可建立出单因素评价矩阵，进而能够得到第三层的指标相对于每个评价等级的隶属度结果，据此构建模糊关系矩阵，进而计算其模糊值，此处以C1的模糊评价矩阵为例：

计算其模糊值：

即其对应第一级指标的模糊值，其他子准则层指标、准则层指标均按此方法进行计算，可得到其模糊评价向量，从而得到各子准则层指标、各准则层指标对各等级的隶属度和模糊值，即二级指标模糊值。最后由准则层指标隶属度及权重，得到总指标的模糊综合值，再计算、归一化处理可得总的模糊值Z=0.75，各指标层结果如表9 所示。

表9 各指标层结果

按照最大隶属度原则可知该空管局绿色低碳效果较好，与实际相符。说明在空管的绿色评价中，“能效提升”是相对重要的指标，也是提高空管的绿色发展的重要着力点。

4 结 论

（1） 基于空管系统现状，建立了“能效提升、管理水平、技术应用”3 个一级指标层次，通过文献分析和走访调查，构建20 个底层指标，运用层次分析法（AHP） 建立评价指标体系和各层的评价指标权重，构造完整的绿色空管评价指标体系；采用模糊综合评价法（FCE） 建立评价模型，计算各层因素的评价向量，根据结果的隶属度对评价指标进行分析，最终对该空管局状况等级做出评价。结果与实际相符，一定程度上证明该评价体系在绿色空管中有科学性和可行性。

（2） 我国民航仍处于快速发展阶段，航空运输量的持续增加势必对空管系统的保障工作提出了更高要求。在未来空管绿色发展中，应以提高空管运行效率、减少污染排放、推进新技术应用、建设低碳型机关为重要任务，全面推进空管系统的绿色发展工作。