民用機場運行安全風險混合預警方法應用研究

孫殿閣副教授

(中國勞動關系學院 安全工程學院，北京 100048)

0 引言

2019年我國機場全年旅客吞吐量超過13億人次，比上年增長6.9%。其中，國內航線完成121 227.3萬人次，比上年增長6.5%；國際航線完成13 935.5萬人次，比上年增長10.4%。完成貨郵吞吐量1 710.0萬噸，比上年增長2.1%。其中，國內航線完成1 064.3萬噸，比上年增長3.3%；國際航線完成645.7萬噸，比上年增長0.4%。完成飛機起降1 166.0萬架次，比上年增長5.2%。其中，國內航線完成1 066.4萬架次，比上年增長5.0%；國際航線完成99.6萬架次，比上年增長6.8%。我國國民經濟持續增長，對航空運輸需求也日益增加。如果現有安全水平保持不變，根據霍金斯—阿什比模型：當系統中一個要素發生變化時，其他組件沒能及時變化，系統就會產生問題。因此，提高民航安全生產能力成為目前工作當務之急。

民用機場是民航運輸領域中重要一環，民用機場具有運行環境復雜、駐場單位眾多、事故成因復雜等諸多特點，如何通過有效手段，持續改進現有機場的安全管理水平，是當前研究熱點。傳統的機場安全管理通常是將工作重心放在航空事故發生后，對事故原因進行分析，進而提出整改預防措施。這種被動式的安全管理，只能起到亡羊補牢的作用。

預警系統是指在事故征兆前就發出警告，通過構建預警指標，并科學的監測，實時、動態的反映機場各項風險因素的風險狀況水平，進而指導相關人員采取必要的防范措施。預警系統通過化被動為主動，能夠有效地防止事故發生。

預警指標設置、預警方法選擇科學與否，直接影響預警效果的準確性與實用性。傳統預警研究中，往往面臨著預警指標單一、預警信號反應遲鈍等問題。本文運用系統安全科學、統計學、模糊數學等相關理論，對民用機場安全預警指標系統的構建進行研究，并結合企業實際給出應用示例，以供機場管理者參考。

1 預警系統概述

1.1 預警系統組成介紹

一個完備的預警系統大致由預警分析系統和預控對策系統2部分組成。預警分析系統又由監測系統、預警信息系統、預警評價指標體系系統、預測評價系統等組成，如圖1。

圖1 預警系統組成結構圖Fig.1 Composition of early warning system

各個子系統的功能劃分：監測系統的功能是采用各種監測手段獲得有關信息和運行數據；預警信息系統的功能是負責對信息的存儲、處理、識別；預警評價指標體系系統主要完成指標的選取、預警準則和閾值的確定；預測評價系統主要是完成評價對象的選擇，根據預警準則、選擇預警評價方法，給出評價結果，再根據危險級別狀態，進行報警。預控對策系統可針對不同報警級別實施相應的對策措施。

1.2 安全風險預警指標體系的構建模式

預警指標體系系統是民用機場安全風險監測、決策控制等活動的基礎。預警指標選自安全風險評價指標并對安全風險評價的結果進行監測，要盡可能全面地收集導致機場災害的背景、災害的發展過程與后果等信息，排列出各種災害現象的分布領域、作用范圍，建立機場安全風險預警信息系統。該信息系統不是簡單的數據庫，它除了具有收集信息的功能外，還具有處理信息的功能，并把結果通過預警信號系統輸出，為有關部門提供安全管理的依據和對策。在遵循科學性、實用性、可比性、關聯性、靈敏性等原則的同時，還要展示民用機場安全風險預警指標體系的模式，如圖2。

1.3 預警方法的確定

預警方法大致分為指標預警、因素預警2種：指標預警：根據預警指標數值大小的變動來發出不同程度的報警，是一種定量指標。假設報警指標為

x

，預警等級為

y

，則安全區域為[

x

，

x

]，其初等危險區域為[

x

，

x

]和[

x

，

x

]，其高等危險區域為[

x

，

x

]和[

x

，

x

]，如圖3。預警準則如下：當

x

≤

x

≤

x

時，不發生報警；當

x

≤

x

≤

x

或

x

≤

x

≤

x

時，發出一級報警；當

x

≤

x

≤

x

或

x

≤

x

≤

x

時，發出二級報警；當

x

≤

x

或

x

≤

x

時，發出三級報警。

圖2 運行安全風險預警指標構建模式Fig.2 Construction mode of early warning indicators of operation safety risk

因素預警：該預警方法是一種定性預警，如在安全管理中，當出現人的不安全行為、管理上缺陷時，就會發出報警。預警準則如下：因素出現時，發出報警；因素不出現時，不發出報警。

圖3 報警分級圖Fig.3 Alarm classification diagram

2 民用機場運行安全風險預警指標體系構建實例

2.1 民用機場運行安全風險分析

依據系統安全分析及實際調研數據對民用機場安全運行風險進行分類，如圖4。

圖4 民用機場運行安全風險部門分類圖Fig.4 Classification of civil airport operation safety risk by departments

2.2 民用機場運行安全預警指標體系構建

基于民用機場運行安全風險進行分類分析基礎上，本文建立多維可擴充的民用機場安全風險預警指標體系。其中單預警指標19項，綜合預警指標15項。單指標為指標預警，用以發現顯性問題。綜合指標為因素預警，用以發現隱形問題，如圖5。其中，指標具體含義，見表1、2。民用機場安全風險預警指標體系中，單指標數據依據各個部門安全例會匯報數據得到。綜合預警數據通過包括業務主管(5名)、業務骨干(20名)、隨機抽取的普通職工(20名)及工會部門人員(5名)組成的50名評分小組打分得到，并按照I級(一級預警，高度危險)、II級(二級預警，較大危險)、III級(三級預警，一般危險)、IV級(四級預警，正常)統計票數，從而得到每項綜合指標的隸屬度，最終確定機場綜合預警指標數值。例如，對于“生理因素”綜合指標得到的50人判斷數據如下：I級12票，II級25票，III級10票，IV級3票，則“生理因素”綜合指標的隸屬度為：[0.24，0.50，0.20，0.06]。其中綜合預警的權重值通過9分值的比較權重矩陣得到。

圖5 民用機場運行安全預警指標體系Fig.5 Operation safety early warning index system of civil airport

2.3 民用機場運行安全綜合預警計算

民用機場運行安全綜合預警是通過多層級模糊評價進行。機場安全綜合預警指標體系分為3層，其評價次序是先進行第二層評價，再進行第一層評價，第三層是按照2.1節介紹的內容通過數據采集得到。

根據權重及第三層模糊評價集有第二層模糊評價集=權重×模糊綜合評價矩陣：

Z

=

W

×

R

=(

Z

Z

Z

Z

)，

i

=1,2,3,4

(1)

式中：

Z

—分級指標隸屬度；

W

—指標權重；

R

—三級指標隸屬度。

例如，某次預警過程中，對于三級指標生理因素的隸屬度為：[0.24,0.50,0.20,0.06]，心理因素的隸屬度為：[0.20,0.45,0.20,0.15]，技術因素的隸屬度為：[0.18,0.50,0.20,0.12]，則安全可靠性指標隸屬度：

Z

=(0.198 6 0.489 5 0.200 0 0.111 9)

(2)

同理，保障過程的環境安全性指標隸屬度：

Z

=(0.204 0 0.442 0 0.258 0 0.096 0)

(3)

安全管理有效性的指標隸屬度：

Z

=(0.190 1 0.486 1 0.203 2 0.120 6)

(4)

機(物)的安全可靠性指標隸屬度：

Z

=(0.166 8 0.425 4 0.259 4 0.148 4)

(5)

因此，該機場綜合指標模糊評價集

A

：

A

=

W

×

Z

=(0.27 0.25 0.35 0.13)×

=(0.192 8 0.468 1 0.223 3 0.115 7)

(6)

對評價結果處理采取最大隸屬度原則，取模糊集合中最大的數字所對應的等級為最終綜合預警等級結果。本例中0.468 1該值最大，所以該機場當前綜合預警等級應為II級(二級預警，較大危險)。

表1 民用機場運行安全風險預警綜合指標描述Tab.1 Comprehensive index description of safety risk early warning for civil airport operation

表2 民用機場運行安全風險預警單指標描述Tab.2 Index description of safety risk early warning sheet for civil airport operation

2.4 民用機場運行安全單指標預警計算

民用機場運行安全單指標預警主要是根據統計分析數據得到。一般情況下，企業傷亡事故發生次數概率分布服從泊松分布，泊松分布的數學期望和方差為

λ

。當置信度取90%時，求得機場運行安全單指標預警的上限

U

為：

(6)

下限

L

為：

(7)

其中

μ

為均值。由此得出觸發單指標預警的幾種情形：(a)代表個別數據點超出上限；(b)代表連續數據點在均值以上；(c)代表多個數據點連續上升；(d)代表大多數數據點在均值以上，如圖6。

圖6 民用機場運行安全單指標預警觸發的情形Fig.6 Situation triggered by single indicator earlywarning of civil airport operation safety

2.5 民用機場運行安全風險預警信號輸出

民用機場運行安全風險預警為混合預警，即單指標預警周期與機場不安全事件統計上報時間同步，并實時跟蹤；綜合預警周期分為2種：一種是由單指標預警觸發，當單指標預警信號被觸發時，綜合預警分析被觸發；另外一種是由機場安全委員會商討確定，一般每月進行一次。

本文在研究中引入風向玫瑰圖對預警信號進行綜合預警可視化輸出。根據人們應用習慣將顏色值域設定為：[0，0.25]是綠色，為正常狀態；基本正常狀態(0.25，0.5]是藍色，為III級預警；低度危機狀態(0.5，0.75]是黃色，為II級預警；危機狀態(0.75，1]是紅色，為I級預警，如圖7。同時，以折線圖對單指標預警信號進行輸出，以“消防事件次數”預警指標輸出為例，其預警信號輸出，如圖8。圖8中顯示該機場2019年9月消防預警輸出，消防事件6次，均值為2.4，預警區間[-1.26，6.06]，接近上限，因此單指標預警觸發。

圖7 綜合預警指標風向玫瑰輸出圖Fig.7 Wind rose output of comprehensive early warning index

3 結論

(1)系統總結民用機場運行安全風險分析、評價和預警之間的內在聯系，即有效的安全預警是在對安全風險評價指標有針對性地選擇并進行安全風險評價的結果上進行的。

圖8 單指標預警信號折線輸出圖Fig.8 Broken line output of single indicator alarm signal

(2)建立多維可擴充民用機場安全風險混合預警指標體系，其中包含綜合預警指標15項，單預警指標19項，給出各個指標參考權重，并確立預警準則。

(3)企業實際應用表明，安全風險混合預警方法能夠發現機場運行中顯性和隱形安全問題，并及時提供報警輸出，具有較好的實用性。該模型方法對于其他行業同樣具有借鑒意義。