基于熵權TOPSIS法的航空地井多功能組合模式研究★

李曉蔚，張博寬，周元升

(1.中國民航大學交通科學與工程學院,天津 300300; 2.山東省機場管理集團日照機場有限公司,山東 日照 276800)

由于傳統機坪作業存在機坪空間擁擠、車輛調度復雜、運行成本較高等問題,航空地井系統應運而生,航空地井是解決飛機保障所需地面服務而預設置的嵌入式供應平臺,可以實現能源從地下到地上的快速供給,優化了站坪空間,相比于橋載設備作業效率提高了80%以上,地井系統集成了多種能源的供應,能夠滿足不同機型與環境需求,真正做到零污染、零排放。但目前的航空地井基本是單獨建設,服務保障單獨進行,整體的作業效率仍有較大的提升空間,且建設成本依然居高不下。因此,亟待研究幾種安全經濟的服務集成方式,進一步增強航空地井系統的綜合性,提升航班保障效率,促進民航的集約化、高效化發展。

1 航空地井研究現狀

隨著機坪安全化、智慧化、高效化的發展目標逐步推進,航空地井系統應用的范圍與形式也越來越廣泛。航空地井作為地面服務的承載平臺,可集成飛機地面供電、空調、液壓、給排水、壓縮空氣、油箱通風、網絡、接地等功能,在機坪、維修機庫都有所應用。目前機坪的地井系統主要提供400 Hz供電、空調輸送、純凈水供給、污水回收四種地面服務,采用的是具有相應功能的機械平衡配重式的升降地井,升降地井配備有纜線收放裝置、排水系統、監控系統以及相關的功能系統,適用范圍廣,綜合性強。現如今國內許多大型機場如珠海機場、北京大興機場等都實現了傳統機坪保障模式到地井保障模式的轉變,這些應用機場大部分設有四個提供以上服務的地井,也有部分機場只設置了電源和空調兩個基本服務地井。

目前對于航空機坪地井的相關文獻較少,江國業等[1](2016)結合飛機相關參數以及人力成本等因素,對單一機型機位和多機型機位的加油栓井可選域進行了研究,得出加油栓井可選域的確定方法和量化模型。鐘揚[2](2021)闡述了應用于長沙機場機坪建設的升降式地井的結構和工作原理,與傳統的特種車輛保障模式對比,升降式地井能夠實現能源的快速供給,更加安全高效。苑明軍等[3](2022)對青島膠東機場三個區域(航站區、飛行區、航站樓)的地下綜合管廊的建設現狀以及實現污水與燃氣入廊的創新亮點進行了總結闡述。馬賾緯[4](2022)以蘭州中川國際機場為例,對機坪地井升降裝置系統設計要點、設計程序以及注意事項進行了深入研究。可以看出目前大多數學者多聚焦于升降地井裝置本身的研究或者機場地下綜合管廊的規劃建設方案設計,對不同服務保障集成模式領域的研究較為匱乏。

2 地井組合方案評價指標體系構建

安全是機坪服務保障的首要前提,在航空器劃入保障機位,進行地面保障以及無論哪種組合井作業,都要始終將服務保障的安全性放在首位,以此為基礎再深入探討人員設備的經濟性與服務的高效性等相關因素。因此在建立地井組合評價指標體系時以方案的安全性、經濟性、高效性為準則。

2.1 安全性

表征安全性的指標包括地井作業時所涉及到“人-機-井”三方的安全性,即飛機安全、地井安全、人員安全。飛機安全指井體升降與人員對接管口的過程是否對發動機在內的飛機機身存在威脅;地井安全井體的位置是否安全以及井內包含多種服務的可行性;人員安全指人員操作地井進行保障的整個過程中是否有作業風險[5]。由于三個指標都為定性指標,因此本文采用了安全程度分級的方法,利用不同的數值區間將安全等級劃分為“高、中、低”三個等級,實現定量數據表征不同組合方式的安全程度。

2.2 經濟性

表征經濟性的指標主要針對地井方面的經濟成本,包括管線成本與地井造價。管線成本指地井在機坪上用以輸送能源的管線成本,與管線的材質、管口的直徑以及管線的服務半徑有關;地井造價指地井的初始建造成本,與地井內包含的服務保障數量有關,井體包含的保障類型越多,初始造價就越高。兩者的數據都較易收集整理且相對客觀。

2.3 高效性

表征高效性的指標包括地勤人員的作業時間與地井中服務保障的集成度。作業時間指地勤人員在進行“升起地井-保障作業-降下地井”這一過程所耗費的時間,與井內包含的服務類型以及井體到各服務接口的距離等因素有關[6];管井集成度指一個井內多種服務的集成程度,適配的服務集成,會大大提高能源的供應效率,集成度需要引用定量數據予以表示,但也具有一定的客觀性。最終得到的地井組合方案評價指標體系如圖1所示。

3 基于熵權TOPSIS的地井組合方案評價模型

3.1 指標權重確定

目前指標賦權的方法有很多,主要分為定性分析的主觀賦權法、定量分析的客觀賦權法與兩者結合的組合賦權法,通常來說主客觀組合賦權法是最完善可靠也是最普適的,但由于本文中的四個指標都為定性指標,用具體數據予以表示時考慮到了相關行業經驗與知識儲備,有比較強的主觀性,因此在確定指標權重時,本文采用完全基于客觀數據進行分析的客觀賦權法,根據本文指標的數據特點,采用熵權法進行賦權。

熵權法(Entropy Weighting Method)是一種常用的多指標加權評價方法,用于確定指標權重。其核心思想是根據指標的信息熵來反映其對決策結果的貢獻度,信息熵越大表示指標的差異性越大,貢獻度越高權重越大。

3.1.1 數據預處理

在得到原始數據后,需要對評價指標進行一致化類型處理,即將對組合方案有消極影響的逆指標轉變為具有積極影響的正指標[7],這一步通過商式轉換來實現,用yij表示xij轉換后的正指標。

假設n個方案,m個指標,則xij為第i個方案的第j個指標的數值(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)。

(1)

其中,C為常數,一般取C=1。

一致化后還需對指標進行無量綱化處理,指標的無量綱化也稱為指標數據的標準化、規范化,它是通過數學變化來消除原始標量量綱影響的方法,本文采用歸一化方法,對原始數據進行變換把數據映射到區間內,默認[0,1]。

(2)

(3)

3.1.2 熵權法賦權

1)基于得到的標準化數據,計算第j項指標下第i個方案值占該指標的比重。

(4)

2)計算第j項指標的熵值。

(5)

3)計算信息熵冗余度(差異)。

dj=1-ej,j=1,…,m

(6)

4)假設決策者對n個評價指標無明顯偏好,則第j項指標的熵權為:

(7)

5)加權計算:在熵權法賦權的基礎上,可以進一步加權計算各個方案的綜合得分。

(8)

3.2 熵權TOPSIS法

為了使評價結果更加客觀合理,符合實際,本文在熵權法量化指標權重的基礎上,同時引入TOPSIS方法綜合各指標進行決策和評價。TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution)模型是根據評價對象與理想化目標的接近程度進行排序的距離綜合評價方法。基本思路是通過假定正、負理想解,測算各方案與正、負理想解的距離,得到其與理想方案的相對貼近度,進行各評價對象的優劣排序,能夠在多指標決策問題中提供較為全面和準確的評價結果[8]。

3.2.1 計算最優距離和最劣距離

1)定義最大值:

X+={max(x11,x12,…,xn1),max(x12,x22,…,xn2),max(x1m,x1m,…,xnm)}

(9)

2)定義最小值:

X-={min(x11,x12,…,xn1),min(x12,x22,…,xn2),min(x1m,x1m,…,xnm)}

(10)

3)定義第i個(i=1,2,…,n)方案與最大值的距離:

(11)

4)定義第i個(i=1,2,…,n)方案與最小值的距離:

(12)

3.2.2 計算未歸一化得分以及歸一化得分

1)未歸一化得分:

(13)

2)歸一化得分(分數相加等于1):

(14)

3.3 靈敏度分析

本文通過兩種方法對地井組合方案進行了評分排序,但兩種方法的可靠性與有效性仍需驗證,本文將最優決策方案與最劣決策方案的區分度作為衡量標準,當兩種方案的決策系數相近時,代表區分度不高,最終的決策結果可能是不準確的,反之則表明最終結果是有效的,也側面驗證了評價方法的可行性。這種計算兩個方案決策系數差異性的方法也是靈敏度分析的一種方式。

本文定義靈敏度為:

(15)

4 算例分析

4.1 數據收集與處理

本文將電源、空調、污水、清水四種服務保障方式進行任意組合,得到11種組合方案,通過對7個評價指標安全等級賦分與客觀數據計算得到原始數據,在此基礎上,通過式(1)—式(3)對數據進行一致化與歸一化處理,得到標準化數據如表1,表2所示。

表1 地井組合方案評價指標標準值

表2 地井組合方案評價指標標準值

4.2 熵權法賦權

利用得到的標準化數據,通過式(4)計算某一方案占某一指標的比重,在此基礎上利用式(5)、式(6)、式(7)分別計算7項指標的熵值、冗余度與最終的權重值,結果見表3。

表3 各項指標冗余度

利用式(8)的基礎加權方法進行計算,得到各方案的最終得分,如表4所示。

表4 各方案綜合得分

通過表4可知方案最終排序前六名為:電+空>污+清>空+污+清>空+污>電+清>空+清。

4.3 TOPSIS法評價過程

通過式(9)、式(10)定義不同指標的最優值與最劣值,結果如表5所示。

表5 各指標定義的最大值與最小值

通過式(11)、式(12)計算不同組合方案到最優值與最劣值的距離,通過式(13)、式(14)計算不同方案的未歸一化得分以及歸一化得分,如表6所示。

表6 各方案最終得分

通過表6可知利用TOPSIS方法得到的方案最終排序前六名為:電+空>污+清>空+污+清>空+污>電+清>電+空+污+清,兩種方法的排序結果基本一致。通過式(15)計算兩種方法的靈敏度,得到熵權法加權計算的靈敏度為70.07%,TOPSIS方法的靈敏度為60.65%,兩者的靈敏度值都非常高,說明最終的評選結果是可靠的,所采用的兩種計算方法也是切實有效的。

4.4 結論

兩種方法得到的最優方案都是電源-空調組合井,這也是目前機場使用數量最多的組合井,在安全性、經濟性、高效性三方面都非常可靠。其次表現良好的是污水-清水組合井,未來機場可以嘗試這種組合地井,兩種服務的保障接口都位于尾端且距離很近,保障順序也符合作業流程,從各個角度來看該組合井的可行性非常高。空調-污水-清水是唯一一個表現較優的“三井合一”的組合井,如果能實現作業將會大大提升保障效率,緩解機坪的運行壓力。空調-污水、電源-清水以及空調-清水等組合井,都為未來實現機坪無車輛保障帶來了巨大可能性。

5 結語

隨著機坪保障車輛調度難度大,特殊天氣保障能力低,易故障等問題愈發凸顯,航空地井系統的普及性將會越來越高,本文在總結歸納現有地井理論與實際研究現狀的基礎上進一步對航空器主要服務保障集成模式進行探討,這將會極大程度提高機坪的綜合保障能力,降低運營成本,同時地井的數據實時報送與監控等新興系統的發展,也會為智慧機場與綠色機場的建設提供新思路與新方向。

航班量的增長機場的停機位資源愈發緊張,機位布置時常采用組合機位方式,以實現在一定面積機坪使用的靈活性,提高不同時段機位的適應性。不同型號飛機的保障車輛調度更加復雜,加劇了機坪的擁擠,且車輛排放污染嚴重,造成機坪的環境壓力很大,組合地井能夠通過一井實現一架航空器的多種服務,基于其功能的綜合性,也可考慮地井在組合機位保障的應用,以實現集中能源對兩架飛機的快速供給,滿足不同機型與環境零污染零排放的需求,這將成為機場未來重點關注的課題。