基于AHP-FCE 綠色空管評價指標體系

廖 濤，陳志雄，陳 丹，田俊杰，黃 成 LIAO Tao, CHEN Zhixiong, CHEN Dan, TIAN Junjie, HUANG Cheng

（1.上海工程技術大學 航空運輸學院，上海 201620；2.南京工程學院 汽車與軌道交通學院，江蘇 南京 211167；3.上海市環境科學研究院 國家環境保護城市大氣復合污染成因與防治重點實驗室，上海 200233）

0 引 言

伴隨我國新能源汽車廣泛使用和鐵路電氣化全覆蓋，預計到2060 年，公路和鐵路有望實現零排放[1]。航空運輸2019 年二氧化碳排放占全國比重1%，但航空發展快，飛機電動化、綠色航空燃油等新技術受限于安全性和經濟性，難有突破，到2060年，航空運輸能耗預計為2019 年的3 倍，在交通運輸碳排放占比將上升至87.4%[2]。這使我國航空運輸面臨前所未有的挑戰，迫切尋求解決策略。

2015 年12 月第21 屆聯合國氣候變化大會共同通過《巴黎協定》，設定全球控溫目標。隨后，歐盟、中國和美國等相繼制定碳達峰和碳中和實現時間表和技術路線途經。各國積極探索飛機和發動機設計，新清潔能源（包括氫能、電動和可持續航空燃料等），改進運行環境（涉及空中交通管理（ATM）、機場設施和政策等） 等各種先進技術[2-6]。ATM 作為民航運行中樞，歐美相繼實施相關計劃項目，歐洲單一天空空中交通管理研究（SESAR）[7]，旨在提高網絡容量與韌性、改進機場性能和可用性、優化空中自動化運行，實現ATM 的現代化；美國的下一代航空運輸系統（NextGen）[8]，目的是增大空域交通容量，節省內部成本、減少碳排放和縮短旅行時間。中國民航局特別制定《“十四五”民航綠色發展專項規劃》，明確全行業綠色發展要求。

目前空管研究主要涉及安全運行[9-11]、交通流預測與優化調配[12-14]、空域碳排放[15-17]等。我國綠色空管處于起步階段，需要梳理空管綠色低碳方面發揮的效能和作用，明確空管綠色發展相關部門職能定位，目前鮮有關于綠色空管的指標體系建立，本文將建立空管綠色低碳發展評價指標體系，以掌握管理、技術、設備等影響空管低碳發展的關鍵因素。指標體系建立方法有灰色關聯度分析法[18]、層次分析法（AHP）[19]和模糊綜合評價法（FCE）[20-21]等。灰色關聯度分析法是通過一系列關聯度分析將其關系進行白化，該方法難以清晰地表征其評價結果。層次分析法（AHP） 可以根據系統獨有特性勾勒出其內在的功能聯系，使各因素間既相互獨立又相互關聯，通過建立權重判斷矩陣對其內在因素進行重要性排序，層層遞進，該方法實用、高效且層次感分明，各因素可得到相對完善的處理。模糊綜合評價法（FCE） 主要以模糊數學為基礎，能夠實現令邊界不清、難以定量的因素定量化的功能并對其進行綜合評價，很好地解決了判斷的不確定性問題。張小虎[22]基于層次分析法（AHP） 建立了一套對飛機維修供應商評價的模型，以增加對維修供應商選擇的科學性。楊陽等[23]引入AHP 為現有的交付方式向“一裝一試”的模式轉變提供了理論依據，促進了發動機廠內實現一次裝配與試車，降低了交付經濟成本，進而縮短了外場發動機交付周期。李敬強等[24]采用層次分析法（AHP） 確定各評價指標的權重，最后結合模糊綜合評價法（FCE），對模型進行實證分析和評價。研究結果顯示：其構建的能力評價模型的考核結果與民航監察員的實際安全監管能力基本契合，更能客觀、準確地量化其監察員的安全監管能力水平。鑒于空管系統的復雜性[25]，本文采用層次分析法（AHP） 構建綠色空管評價指標體系，確立各指標權重；在此基礎上，采用模糊綜合評價法（FCE） 對綠色空管進行綜合評價，最后對某空管局進行實例驗證，證明該評價體系在綠色空管中的科學性和可行性。

1 評價指標體系的構建及指標權重

1.1 評價指標體系的構建

空管的綠色評價是多方面的，其評價需要綜合考慮各種因素條件。評價指標體系是一個非線性、動態、模糊的非常復雜的系統，確定能夠反映其綜合狀況的因素是建立科學可行的評價指標體系的前提，在確定綠色空管評價指標體系時，體現出科學性、關聯性、系統性、可行性等原則，建立綠色空管評價指標體系的具體流程如圖1 所示。

圖1 指標體系的建立流程圖

空管的綠色評價需要考慮管理水平、能效提升、技術應用等方面的影響。在充分考慮以上影響條件的基礎上，遵循指標體系建立原則，根據空管的綠色發展的各項需求，按照民用航空節能減排相關法規、批準文件要求，通過走訪調研相關機構、專家意見，結合空管系統現狀，通過趨勢分析和定性定量相結合的方法對各項指標進行相應的評定。以綠色空管評價為目標層，以組織機構的建設C1、低碳型機關的建設C2、綠色低碳新技術新設備的必要性C3、節能減排標準的執行C4、綠色低碳政策的執行C5、運輸結構的優化C6和節能減排機制的必要性C7等7 個維度為子準則層，從綠色低碳機構設置的合理度D1、綠色低碳人員職責的明確度D2、綠色低碳人員職能的履行度D3、低碳型機關建設政策制定D4、低碳型機關能源消耗下降比率D5、綠色低碳資金投入比例與增長率比值D6、綠色低碳新設備的推廣度D7、在空管系統中的重要程度D8、綠色低碳新技術的應用項數D9、節能減排設備的配套率D10、節能減排的執行率D11、節能減排應急措施的響應率D12、綠色低碳政策的制定D13、綠色低碳政策宣傳D14、綠色低碳政策的執行D15、空中折返線路的比例D16、減少航空器等待時間的結構調整度D17、激勵機制措施的制定D18、激勵機制措施的執行D19、激勵機制措施的滿意度D20等20 個方面建立評價指標體系[2,12-13,15,26-28]，如圖2 所示。

圖2 綠色空管評價指標體系

1.2 確立指標權重

通過開展對現有節能減排情況的調研，數據的收集等工作，本文主要采用的是利用專家調查法對其進行打分，從而構造判斷矩陣，再采用層次分析法（AHP） 去求解各指標的權重，確立各指標權重的具體過程如下：

（1） 構造判斷矩陣

對于在同一層次中的指標，需要進行兩兩比較各指標對于上一層某因素的重要程度，再對其依次構造出評價指標對應的判斷矩陣，記為A：

式中：A 為判斷矩陣，aij表示因素i 對因素j 的重要性比較結構，通過采用如表1 所示的1~9 的量化比例標度來反映其重要程度。

表1 AHP 常用的量化比例標度及其含義

（2） 權重向量的計算

①將各行判斷矩陣分值的乘積開n 次方：

③進行一致性檢驗：

式（4）、式（5） 中：λm是判斷矩陣A 的最大特征值；CI 是一致性檢驗指標，n 是判斷矩陣的階數；CR 是檢驗系數，RI是平均隨機一致性指標。

RI 的值如表2 所示，若RI<0.1，則說明矩陣具有一致性，若RI≥0.1，則說明等式不成立，需要修正以通過一致性檢驗。

表2 RI 的值

使用Matlab 軟件計算出準則層判斷矩陣A 和權重向量，以及判斷矩陣最大特征值λmax，并進行一致性檢檢驗。具體步驟為：首先計算準則層對目標層的判斷矩陣及權重，計算結果進行一致性檢驗，通過后進行指標層對準則層B1的判斷矩陣及權重結果計算，計算結果同樣進行一致性檢驗，一樣的步驟，完成指標層對準則層B2、B3的判斷矩陣及權重結果的計算。之后再依次完成指標層對子準則層C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7的判斷矩陣及權重結果計算，每一步都需要完成一致性檢驗通過。權重結果計算如圖3 所示。

圖3 子準則層權重結果

基于上述內容，各層完整指標權重如表3 所示。綠色低碳機構設置的合理度、綠色低碳人員職責的明確度、綠色低碳人員職能的履行度。

表3 綠色空管評價指標體系及其權重

2 評價步驟

2.1 模糊綜合評價基本原理

模糊綜合評價法（FCE） 就是運用模糊數學和模糊統計方法，通過對影響某事物的各個因素綜合考慮，對該事物做出科學評價，模糊綜合評價就是應用模糊變換原理和最大隸屬度原則考慮相關的各個因素，從而對其進行的綜合評價。

2.2 模糊評價步驟

（1） 利用AHP 確定權重集W= （w1,w2,…,wn）。

（2） 建立評語集：Vi= ｛v1,v2,…,vw｝。

確定評價集，取評價集為X= （X1,X2,X3,X4,X5）分別代表綠色空管關于指標層的等級：好，較好，一般，較低，低五個等級。為進一步去模糊化，構造加權分數向量= （1,0.75,0.5,0.25,0 ）。各定量指標模糊映射分級標準如表4 所示。

表4 定量指標模糊映射評價分級標準

（3） 確定隸屬度

為減少評價誤差，使隸屬度更加客觀真實，根據空管綠色低碳評價規范，結合空管系統實際情況，建立評價因素集到評語集的模糊映射，采用隸屬函數計算定量指標隸屬度，可得到其指標隸屬函數，具體如表5 所示。

表5 評價指標隸屬函數

（4） 構造模糊評價矩陣

評價指標體系中既有定量指標，又有定性指標，而它們的隸屬度確定需要分別進行評估。對于定量指標，采用三角隸屬度函數建立各評價因子對各級標準的隸屬函數rij，從而建立模糊關系矩陣R= （rij）；定性指標的隸屬度確定則采用中間型為三角形分布，偏大、偏小選擇半梯形分布建立各評價因子對各級標準的隸屬函數rij，從而建立模糊關系矩陣R= （rij）：

本文提出了基于NJ運動控制的Delta機器人動態抓取系統,以NJ控制器為核心,通過EtherCAT網絡將運動、邏輯、視覺控制等功能合而為一,提高圖像處理系統、控制器及伺服驅動器輸入輸出總處理能力的速度,實現高速、高精度控制。在對樣機進行測試中,Delta機器人的漏抓率小于2%,誤抓率為0,表明在以幾何分析為基礎的機器人動態抓取算法迭代次數少、運算時間短,能夠達到抓取系統的實時性要求,在實際工程中具有一定的應用價值。

矩陣中的第m 行第n 列的元素表示指標Ri對于評價等級V 的模糊隸屬度。

（5） 計算模糊綜合評價結果

最后將得到的模糊矩陣R 和權重集W 進行復合運算：

由最大隸屬度原則得出模糊綜合評價的結果。

（6） 計算模糊綜合值

每個層次指標的模糊綜合值H 可由模糊綜合評價結果向量Z 與評分等級向量C 的轉置矩陣相乘求得：

3 實例分析

以某空管局為例進行驗證。首先建立權重集，利用軟件Matlab 對構造的判斷矩陣進行運算，各指標權重由表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 定量指標原始數據

表7 定性指標原始數據

將定量指標和定性指標的評語集綜合后得到模糊綜合評價矩陣，如表8 所示。

表8 指標層隸屬度矩陣

將各評價因子的實際值和評價標準代入隸屬函數（表5） 中即可建立出單因素評價矩陣，進而能夠得到第三層的指標相對于每個評價等級的隸屬度結果，據此構建模糊關系矩陣，進而計算其模糊值，此處以C1的模糊評價矩陣為例：

計算其模糊值：

即其對應第一級指標的模糊值，其他子準則層指標、準則層指標均按此方法進行計算，可得到其模糊評價向量，從而得到各子準則層指標、各準則層指標對各等級的隸屬度和模糊值，即二級指標模糊值。最后由準則層指標隸屬度及權重，得到總指標的模糊綜合值，再計算、歸一化處理可得總的模糊值Z=0.75，各指標層結果如表9 所示。

表9 各指標層結果

按照最大隸屬度原則可知該空管局綠色低碳效果較好，與實際相符。說明在空管的綠色評價中，“能效提升”是相對重要的指標，也是提高空管的綠色發展的重要著力點。

4 結 論

（1） 基于空管系統現狀，建立了“能效提升、管理水平、技術應用”3 個一級指標層次，通過文獻分析和走訪調查，構建20 個底層指標，運用層次分析法（AHP） 建立評價指標體系和各層的評價指標權重，構造完整的綠色空管評價指標體系；采用模糊綜合評價法（FCE） 建立評價模型，計算各層因素的評價向量，根據結果的隸屬度對評價指標進行分析，最終對該空管局狀況等級做出評價。結果與實際相符，一定程度上證明該評價體系在綠色空管中有科學性和可行性。

（2） 我國民航仍處于快速發展階段，航空運輸量的持續增加勢必對空管系統的保障工作提出了更高要求。在未來空管綠色發展中，應以提高空管運行效率、減少污染排放、推進新技術應用、建設低碳型機關為重要任務，全面推進空管系統的綠色發展工作。