空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警決策模式探討

韓镕駿

民航江蘇空管局，江蘇南京，211000

0 引言

空中交通管制的主要目的是維護空中交通服務(wù)和流量管理，防止航空器發(fā)生碰撞而造成重大安全事故，實現(xiàn)空域交通有序流動。區(qū)別于地面交通管理，空中交通事故影響因素多、管理難度大，一旦出現(xiàn)空中交通事故將造成嚴(yán)重、惡劣的社會影響。隨著我國航空器數(shù)量不斷增長，航空器飛行間距縮小，飛行錯高度層、無線通信干擾等問題頻發(fā)，導(dǎo)致航空器空中相撞風(fēng)險不斷上升，被動的反饋式空中交通模式已難以適應(yīng)當(dāng)前空中交通管制安全管理要求。因此，有必要通過構(gòu)建空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警決策模型，實現(xiàn)空中交通管制由事后處理向事前預(yù)防的轉(zhuǎn)變[1]。

1 空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)60年代以來，針對空中管制安全風(fēng)險預(yù)警，相關(guān)理論逐步完善，如合成指數(shù)、擴散指數(shù)等，基本形成了覆蓋風(fēng)險分析、風(fēng)險評價、風(fēng)險預(yù)警和風(fēng)險控制的風(fēng)險預(yù)警管理理論體系。羅帆、佘廉在《企業(yè)組織管理危機的早期診斷及預(yù)警管理》中指出，通過構(gòu)建風(fēng)險預(yù)警決策系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)險因素識別、狀態(tài)監(jiān)測和風(fēng)險預(yù)警，實現(xiàn)風(fēng)險主動預(yù)防和主動控制[2]。在風(fēng)險預(yù)警模式和系統(tǒng)設(shè)計方面，Peter等人詳細闡述了歐洲空中交通管制風(fēng)險評估方法，即采用系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化方法對空中交通管制風(fēng)險進行評估、預(yù)警和決策。基于當(dāng)前研究成果，空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警機制主要集中在風(fēng)險指標(biāo)體系構(gòu)建、風(fēng)險閾值、風(fēng)險監(jiān)控方法等方面，其理論具有廣泛適用性，但缺乏針對性，尤其是在空中交通管制安全風(fēng)險決策領(lǐng)域針對性偏低，有必要構(gòu)建符合空中交通管制安全風(fēng)險特點的預(yù)警決策模型。

2 空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警決策特點研究

由于空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警與其他行業(yè)、領(lǐng)域存在顯著差異，一旦發(fā)生安全風(fēng)險，則可能造成嚴(yán)重生命財產(chǎn)損失和社會不良影響，因此，有必要分析空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警決策特點，并深入研究決策要素作用機理。

2.1 空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警決策特點分析

空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警決策是以預(yù)警理論為基礎(chǔ)，從管理角度探討如何采用預(yù)防、控制手段防范安全風(fēng)險因素發(fā)展的理論。相對于常規(guī)的安全風(fēng)險管理理論研究重點在于風(fēng)險識別、風(fēng)險監(jiān)控、風(fēng)險預(yù)警等方面而言，空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警決策理論的特點主要體現(xiàn)在三個方面[3]。

2.1.1 風(fēng)險因素識別與風(fēng)險事故的匹配性

相較于常規(guī)安全風(fēng)險管理強調(diào)風(fēng)險因素識別的全面性，空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警決策理論既要防止因風(fēng)險指標(biāo)過少造成安全風(fēng)險分析不準(zhǔn)確、不全面導(dǎo)致漏警現(xiàn)象出現(xiàn)，還應(yīng)當(dāng)避免風(fēng)險指標(biāo)過多造成安全風(fēng)險預(yù)警維數(shù)災(zāi)難，確保空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)能夠與風(fēng)險事故狀態(tài)相匹配。

2.1.2 安全風(fēng)險評估方法特殊性

由于安全風(fēng)險指標(biāo)種類較多，由此導(dǎo)致安全風(fēng)險指標(biāo)評估方法與安全風(fēng)險預(yù)警決策適應(yīng)性問題。由于安全風(fēng)險預(yù)警評價方法較多，如何確保指標(biāo)特征和安全風(fēng)險預(yù)警決策需求匹配，是空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警決策體系的關(guān)鍵。

2.1.3 安全風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)閾值問題

安全風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)閾值直接關(guān)系到風(fēng)險指標(biāo)預(yù)警輸出，其閾值設(shè)置合理性直接關(guān)系到安全風(fēng)險預(yù)警結(jié)果的準(zhǔn)確性，如閾值設(shè)置過低，則可能引發(fā)安全風(fēng)險預(yù)警“虛警”現(xiàn)象頻發(fā)，過高則可能造成安全風(fēng)險上升，因此，合理設(shè)置安全風(fēng)險指標(biāo)閾值是安全風(fēng)險預(yù)警體系的關(guān)鍵[4]。

2.2 空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警決策作用機理

通過研究空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警決策體系面臨的關(guān)鍵性問題，不難發(fā)現(xiàn)空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警決策體系既要避免“虛警”問題，同時還要防范“漏警”問題。為確保安全風(fēng)險預(yù)警作用機理可采用模式識別理論進行故障特征診斷描述，根據(jù)模式識別理論，假設(shè)待測系統(tǒng)指標(biāo)集為x，u1為無故障假設(shè)，u2為故障假設(shè)，其類別先驗概率分別為P(u1)和P(u2)，則無故障假設(shè)概率可表示為P(x|u1)，故障概率可表示為P(x|u2)。通過采用錯誤率貝斯也最優(yōu)決策方法，假設(shè)決策閾值為T，則無故障輸出可表示為R1，故障預(yù)警輸出可表示為R2。根據(jù)上述假設(shè)，無故障輸出和故障預(yù)警輸出存在兩個交叉區(qū)域，即當(dāng)指標(biāo)特征分布在u1區(qū)域，但x位于R2區(qū)域內(nèi)，此時預(yù)警系統(tǒng)出現(xiàn)“虛警”現(xiàn)象（FAR），可表示為：

當(dāng)指標(biāo)特征分布在u2區(qū)域時，且x位于R1區(qū)域內(nèi)時，則安全風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)出現(xiàn)“漏警”現(xiàn)象，漏警率（FDR）可表示為：

根據(jù)空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警體系兩種故障問題，當(dāng)采用單一決策閾值T進行預(yù)測調(diào)整，如提高檢測率，則可能導(dǎo)致虛警率上升，反之降低虛警率則可能導(dǎo)致檢測率下降，因此，針對虛警率和檢測率矛盾問題，應(yīng)系統(tǒng)性構(gòu)建空中交通管制安全風(fēng)險決策模式才能提高安全風(fēng)險預(yù)警準(zhǔn)確率，避免出現(xiàn)虛警、漏警等問題。

3 空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警決策模式研究

針對空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警體系面臨的“漏警”和“虛警”問題，可引入安全風(fēng)險預(yù)警決策模式，即在現(xiàn)代決策技術(shù)支持下，通過在數(shù)據(jù)采集、風(fēng)險監(jiān)控、狀態(tài)診斷、預(yù)警信號輸出等環(huán)節(jié)進行風(fēng)險指標(biāo)重構(gòu)、指標(biāo)閾值確定和診斷方法優(yōu)選，提高空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警體系準(zhǔn)確性。

3.1 空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警決策體系目標(biāo)

空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警決策模式是指對待測空中交通管制系統(tǒng)中安全風(fēng)險指標(biāo)進行科學(xué)預(yù)警和決策，以此提高預(yù)警系統(tǒng)準(zhǔn)確性和安全性，達到防范和控制安全風(fēng)險的目的。在安全風(fēng)險預(yù)警決策模式下，空中交通管制預(yù)警部門依據(jù)安全管理目標(biāo)確定預(yù)警監(jiān)測對象，廣泛搜集、識別安全風(fēng)險指標(biāo)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，并對已識別的指標(biāo)特征進行分析、選擇和優(yōu)化，其目的是找出最為顯著的安全事故風(fēng)險致因，通過重點監(jiān)控風(fēng)險致因，改善因安全風(fēng)險指標(biāo)過多導(dǎo)致監(jiān)控資源浪費等問題。同時，風(fēng)險預(yù)警決策模式下，通過設(shè)置合理的安全風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)閾值，以優(yōu)選決策器對指標(biāo)閾值進行確定和檢驗，確保空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警與空中交通管制安全管理實際相符[5]。

3.2 安全風(fēng)險預(yù)警決策模式應(yīng)用

安全風(fēng)險預(yù)警決策模式包括指標(biāo)風(fēng)險狀態(tài)識別與匹配、指標(biāo)冗余度判定決策、指標(biāo)發(fā)展趨勢與預(yù)警方法決策、指標(biāo)閾值界定等環(huán)節(jié)。

3.2.1 指標(biāo)風(fēng)險狀態(tài)識別與匹配

空中交通管制安全風(fēng)險指標(biāo)搜集、識別和選擇應(yīng)圍繞安全風(fēng)險指標(biāo)特征與空中交通管制安全管理的適應(yīng)性，確保指標(biāo)選擇與安全管理相匹配。由于空中交通管制安全風(fēng)險指標(biāo)具有復(fù)雜性、多態(tài)性，為避免風(fēng)險指標(biāo)選擇過多或過少造成“漏警”“虛警”等問題，可采用Shannon熵表示指標(biāo)不確定性H，可表示為：

式中，n為安全風(fēng)險指標(biāo)類別；P(xi)為指標(biāo)狀態(tài)先驗概率分布；H(x)為指標(biāo)選擇過程中需要識別的信息容量。指標(biāo)識別、選擇后，安全風(fēng)險預(yù)警后驗熵為指標(biāo)風(fēng)險狀態(tài)類別具有的不確定性，可表示為：

根據(jù)后驗熵，可對指標(biāo)相對風(fēng)險狀態(tài)的不確定性進行測量，即對比指標(biāo)xi可觀測到風(fēng)險狀態(tài)的不確定性差值，判斷指標(biāo)與風(fēng)險類別之間的關(guān)聯(lián)程度，并以此作為指標(biāo)風(fēng)險特征信息量和風(fēng)險特征信息特征。根據(jù)該方法，指標(biāo)不確定性差值越小，則表明指標(biāo)特征信息質(zhì)量較差，能夠提供的風(fēng)險分類信息越少，可能導(dǎo)致虛警率增加。反之，當(dāng)不確定性差值越大時，則虛警率下降。

結(jié)合上述思路，在空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警決策模式下，指標(biāo)識別、選擇和確定應(yīng)盡量選擇不確定性信息質(zhì)量好的指標(biāo)，改善指標(biāo)與空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警體系不適應(yīng)、不匹配問題。

3.2.2 指標(biāo)冗余度判定決策

指標(biāo)冗余度決策即對安全風(fēng)險指標(biāo)風(fēng)險狀態(tài)維數(shù)進行劃分。由于空中交通管制安全風(fēng)險指標(biāo)具有復(fù)雜性、多態(tài)性，在有限樣本情況下，指標(biāo)特征維數(shù)越多，安全風(fēng)險預(yù)警體系越復(fù)雜，對輸出結(jié)果影響越大，當(dāng)特征維數(shù)超過限制后，個別指標(biāo)為特征維數(shù)變化可能引發(fā)“虛警”和“漏警”問題，因此，在指標(biāo)特征維數(shù)評估和監(jiān)測時，應(yīng)將冗余狀態(tài)剔除、合并，以此提高指標(biāo)狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確性，降低系統(tǒng)負載。結(jié)合該思路，假設(shè)指標(biāo)特征集為Y，特征yi∈Y，Si∈Y-{xi}，風(fēng)險狀態(tài)集為u，則假設(shè)指標(biāo)特征Fi為非相關(guān)特征，當(dāng)S'Si時，則P(u│Si,Si')=P(u|Si')。當(dāng)P(u│Si)=P(u│Si-{Yi})時，即指標(biāo)特征Fi屬于冗余特征維數(shù)S，Y-{xi}中已包括該冗余狀態(tài)信息，可將該冗余特征去除或合并。

針對指標(biāo)特征冗余度進行度量時，可通過冗余度占比進行評價。即必要特征與冗余特征之和與特征集維數(shù)之比確定，當(dāng)特征冗余度越低時，表明指標(biāo)特征冗余度越小，指標(biāo)特征與安全風(fēng)險預(yù)警輸出結(jié)果的相關(guān)性越高，反之則表明指標(biāo)特征冗余度偏高，指標(biāo)特征與預(yù)警輸出結(jié)果相關(guān)性越低，預(yù)警準(zhǔn)確度下降，可能出現(xiàn)虛警、漏警等問題的風(fēng)險增大[6-7]。

3.2.3 指標(biāo)發(fā)展趨勢與預(yù)警方法決策

指標(biāo)發(fā)展趨勢與預(yù)警方法決策是為解決安全風(fēng)險預(yù)警中指標(biāo)監(jiān)測方法適應(yīng)性問題提出的決策方法，是確定預(yù)警信號等級的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即安全風(fēng)險指標(biāo)狀態(tài)診斷決策器。由于安全風(fēng)險預(yù)警分析方法多樣且實現(xiàn)方法存在顯著差異，決策器選擇和應(yīng)用直接影響空中交通管制安全風(fēng)險特點匹配性和風(fēng)險預(yù)警結(jié)果準(zhǔn)確性，當(dāng)決策器與空中交通管制安全風(fēng)險特點不匹配時，可能導(dǎo)致安全風(fēng)險預(yù)警結(jié)果錯誤率上升，從而增加虛警率和漏警率，因此，應(yīng)在指標(biāo)發(fā)展趨勢監(jiān)測和預(yù)警方法選擇中引入決策模式，即采用數(shù)學(xué)模型對預(yù)警方法進行比較和匹配性判斷。假設(shè)決策器為f，與f匹配的特征為xi，且xi∈x，則采用決策器f產(chǎn)生的診斷錯誤率e可表示為：e=minf(x)，當(dāng)e值越小時，代表該預(yù)警方法準(zhǔn)確性越高，指標(biāo)特征與決策器匹配度越高，安全風(fēng)險預(yù)警方法越好，反之則表明預(yù)警方法與空中交通管制安全風(fēng)險指標(biāo)匹配度越低，方法適用性越差。

3.2.4 指標(biāo)閾值界定

指標(biāo)閾值界定即對風(fēng)險指標(biāo)狀態(tài)程度進行確定。由于安全風(fēng)險預(yù)警體系中預(yù)警結(jié)果輸出基于指標(biāo)風(fēng)險狀態(tài)評價，而指標(biāo)風(fēng)險狀態(tài)分類則依賴于指標(biāo)狀態(tài)閾值確定，即指標(biāo)狀態(tài)超出風(fēng)險閾值時系統(tǒng)觸發(fā)告警。指標(biāo)閾值確定時，可根據(jù)指標(biāo)狀態(tài)、量程、類型、危險程度等性質(zhì)進行確定，并通過系統(tǒng)試驗方法聯(lián)動調(diào)整優(yōu)化，以此提高指標(biāo)閾值設(shè)置的合理性[8-9]。

4 結(jié)語

新時期背景下，隨著我國航空器數(shù)量、架次不斷增加，空中交通管制復(fù)雜性增大，安全風(fēng)險上升，通過深入研究空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警決策方法，可將風(fēng)險預(yù)警理論應(yīng)用于空中交通管制實踐，科學(xué)優(yōu)化空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)，提高空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警準(zhǔn)確性、安全性，降低空中交通事故發(fā)生風(fēng)險，有效解決空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)存在的漏警、虛警等問題。結(jié)合本文研究結(jié)論，在空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警中引入決策方法，應(yīng)從指標(biāo)識別、指標(biāo)狀態(tài)冗余度分析、預(yù)警方法與指標(biāo)特征匹配度、指標(biāo)閾值設(shè)置等方面著手，通過不斷優(yōu)化調(diào)整，提高空中交通管制安全風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)準(zhǔn)確性。