基于熵值修正G2賦權的航空公司疲勞風險管理系統有效性評價

李敬強, 劉林靜, 劉安南

(中國民航大學安全科學與工程學院, 天津 300300)

根據國際航協(International Air Transport Association,IATA)2017—2021年的航空事故致因分析,疲勞占比約為11%,已成為威脅航空安全的重要因素[1]。疲勞風險管理系統(fatigue risk management system,FRMS)則是應對疲勞這一復雜問題的科學措施,與基于“規范性”來制定飛行員值勤期、飛行時間限制以及休息時間要求的做法不同,FRMS運用科學原理和運行經驗來系統地識別和管理運行中的疲勞風險。2021年3月,交通運輸部頒布了《關于修改〈大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規則〉的決定 》, 將FRMS引入中國民航的運行體系[2]。2021年5月,民航局發布《CCAR121 部合格證持有人的疲勞管理要求》文件,為CCAR-121部合格證持有人建立疲勞風險管理系統提供指導[3]。在此形勢下,國內多家航空公司開始建立機組疲勞風險管理系統。

目前,中外學者對FRMS的實施及有效性問題開展了相關研究。國內學者分析了中外FRMS建設和實施現狀,探討了機組疲勞風險因素及風險評估方法,但現有研究并未結合國內航空公司疲勞風險管理的實際情況進行分析[4-6]。國外學者通過問卷調查、疲勞數據測量與統計分析等方法,確定了航空公司在管理疲勞方面的策略和流程、闡述了航空公司構建安全案例的方法以及分析了機組人員睡眠、績效和主觀疲勞和嗜睡等多個層面的疲勞風險安全績效指標(SPIs),為疲勞風險管理系統的建設和實施提供了科學依據[7-11]。在此基礎上,其實施有效性也引發了學術界的關注。Bourgeois-Bougrine等[12]探討了現有的FRMS框架對飛行疲勞風險管理的有效性,并提出了疲勞風險安全績效指標及度量實例。Lamp等[13]通過統計非劣性方法對某航空公司實施FRMS與“規范性”疲勞管理做法的疲勞風險安全績效指標數據進行對比。Sprajcer等[14]對FRMS的有效性及其實施過程中的障礙和促進因素進行總結,發現現有關于FRMS有效性的研究都是針對系統的特定組成部分(如生物數學模型、疲勞管理對策及教育培訓等),而不是整個FRMS的實現。綜上,現有研究都集中在FRMS組成部分的有效性,缺乏航空公司FRMS整體有效性的評價和研究。因此,全面分析航空公司FRMS各組成部分關鍵要素與其有效性的影響關系,在國內率先開展航空公司FRMS建立及實施過程有效性的評價研究,為航空公司有效實施FRMS提供科學的評估手段。

現通過梳理航空公司疲勞風險管理系統的組織和運行流程,明確其有效性內涵,確定各組成部分中反映系統有效性的關鍵要素,首次系統構建國內航空公司FRMS有效性的評價指標體系。以熵值修正G2法確定指標權重,構建模糊綜合評價模型,并結合實例對評價結果進行分析,以期為航空公司持續優化系統、提升航空運行安全水平提供參考。

1 FRMS有效性評價指標體系的構建

1.1 FRMS有效性的內涵

FRMS是具有多模塊、多層次的復雜系統,具有政策文件、風險管理、安全保證和安全促進4個主要組成部分,風險管理過程和安全保證過程構成了FRMS的運行主體,也是FRMS的核心內容,受政策文件的管理及安全促進過程的支持,其組織和運行過程如圖1所示。在國際民航組織發布的《疲勞管理做法監督手冊》附錄K中,明確了疲勞風險管理系統的各項關鍵組成部分和要素的有效性為:該要素或組成部分正在有效地獲得預期結果[15]。因此,疲勞風險管理系統有效性含義表現為航空公司根據規章要求建立疲勞風險管理系統,通過綜合管理各個關鍵組成部分和要素使其發揮效能,以確保疲勞風險管理系統有效性和持續發展。

圖1 FRMS組織和運行過程Fig.1 FRMS organization and operation process

1.2 FRMS有效性評價指標體系的構建

目前,國內航空公司FRMS的建設和實施正處于探索階段,各航空公司都重視其實施效果和有效運行。因此,航空公司需要定期評估FRMS的各項關鍵組成部分取得的進展,以確保FRMS通過持續監測和管理疲勞風險等過程實現有效運行。但航空公司內部缺乏系統化、標準化的評估機制去檢驗和完善系統完整性及運行情況,此外,使用檢查單進行評價的方法,存在評價程序復雜且無法進行定量評價的問題。基于此,構建航空公司FRMS有效性評價指標體系十分重要。

航空公司建立FRMS的復雜性及其自身的安全管理水平等一系列因素決定了疲勞風險管理系統獲得完全批準所需要的時間。因此,所選指標要充分反映各項關鍵組成部分運行的實際情況。從FRMS的組成部分和綜合管理的角度出發,具體分析系統組織和運行的各個流程,通過文獻調查和專家訪談等方法整理出航空公司保持系統持續有效運行的關鍵要素,最終構建的FRMS有效性評價指標體系如圖2所示。同時,為方便、選擇合適的數據收集方法,便于專家量化評價指標,對各指標含義進行了說明,如表1所示。

表1 二級指標含義說明Table 1 Description of second-level index

FSAG為疲勞風險管理工作組圖2 航空公司FRMS有效性評價指標體系Fig.2 Airline FRMS effectiveness evaluationindex system

2 FRMS有效性評價模型的構建

在構建航空公司FRMS有效性評價模型的過程中,確定指標權重是有效性評價的重要環節,綜合評價方法是獲得評價結果的重要手段。本文研究將采用熵值修正G2法確定權重,并采用模糊綜合評價模型對航空公司FRMS有效性進行綜合評價。

2.1 熵值修正G2賦權

熵值修正G2法是通過專家確定最不重要指標,再利用指標熵值得到指標之前重要程度的刻畫,從而確定最終權重的一種方法[16]。研究表明,該方法克服了單一賦權法無法綜合運用主客觀信息的缺點、同時又避免了主客觀組合賦權法中組合系數無法科學分配的問題,使賦權更貼合實際[17-18]。本文研究使用熵值修正G2法對疲勞風險管理系統有效性評價指標體系的權重進行計算。主要步驟如下。

(1)計算各評價指標的熵值。對由m個評價者和n個評價指標組成的原始矩陣進行標準化處理得到矩陣Y,Y=(yij),其中i=1,2,…,m;j=1,2,…,n。yij為第j個評價指標關于第i個評價者的指標數據,本文研究采用專家評分法對yij進行指標取值。

設ej為第j個指標的熵值,其計算公式為

(1)

式(1)中:fij為第j個評價指標關于第i個評價者的特征比重。

(2)

當fij=0時,令fijlnfij=0。

(2)重要性排序關系的確定。專家根據自身的主觀經驗從評價指標集{x1,x2,…,xn}中選取最不重要指標,記為xkn。

(3)指標重要程度的定量刻畫。將不重要指標xkn作為唯一參照物,并同時利用指標熵值ekj與專家經驗判斷確定各指標xkj(j=1,2,…,n-1)與最不重要指標xrn之間的重要程度比值rjn, 則

(3)

式(3)中:aj為依據式(3)確定的一個數值;當aj≥1 時,取an=1。

(4)計算各評價指標的權重。根據式(3)計算的重要比值aj,aj越大表明指標xkj在評價中占有越大的作用,就應當賦予該項指標較大的權重。此時評價指標xkj的權重計算公式為

(4)

2.2 模糊綜合評價法

在解決FRMS有效性評價的過程中,需要根據信息具有模糊性和不確定性等特點,在盡量排除主觀因素干擾的同時做出合理的量化評價。模糊綜合評價法以模糊數學理論為支撐,能夠將模糊的信息定量化。疲勞風險管理是安全管理的一部分,目前已有研究采用模糊綜合評價方法對安全風險評價、安全監管能力評價及安全管理體系有效性等安全管理問題進行研究[19-21]。因此,使用模糊綜合評價法可以實現系統有效性的綜合評價,并實現系統實踐過程的改善,進一步提出優化建議。

其主要步驟如下。

(1)建立評語集。為了方便后續的評價指標的描述和權重的確定,需要首先建立一個評語集。將航空公司疲勞風險管理系統有效性評價指標等級分為V1～V5,分別代表優秀、良好、一般、較差、極差。則評語集V={V1,V2,V3,V4,V5}。

(2) 建立指標因素集。若有n個評價指標,則評價指標因素集可表示為X={x1,x2,…,xn}。其中n=1,2,…,17。

(3)確定各指標的權重向量。采用熵值法修正G2法確定各指標的權重向量,其中,一級指標的權重向量為W=(W1,W2,…,Wn) ,二級指標的權重向量為Wi= (Wi1,Wi2,…,Win)。

(4)確定單因素模糊判斷矩陣。確定單因素x1在評價等級Vj上的隸屬度rij,則第i個指標的單因素評價集為:Ri=(ri1,ri2,ri3,ri4,ri5)。設置指標量化準則如表2所示,定量分析專家打分的結果。再根據隸屬度原則,獲得每個指標的隸屬度,如邀請m位專家,有1位專家認為單因素x1屬于評價等級V1,則該指標的隸屬度為1/m。將n個指標的評價隸屬度構成模糊判斷矩陣,最終得到判斷矩陣R為:R=(R1,R2,…,Rn)T。

表2 指標量化準則Table 2 Quantitative criteria for indexes

(5)綜合評價。對權重向量W和判斷矩陣R進行模糊綜合評價,其計算公式為:B=WR。綜合評價的最終等級為最大隸屬度對應的評價等級。

(6)量化評價結果。為確定量化最終評價結果的等級,首先用60、70、80、90、100分別表示最終有效性評價等級為較差、極差、一般、良好、優秀,得到矩陣T=(60,70,80,90,100)T。然后用模糊綜合評價向量B與矩陣T相乘,最終得到被評價對象的量化分值。

3 實證分析

航空公司實施疲勞風險管理系統需要經過準備和試運行等階段,才能使其疲勞風險管理系統獲得批準,并將疲勞風險管理系統融入正常運行中。S航空公司已建立獨立的疲勞風險管理系統且已獲得“基于FRMS的運行批準”申請,為評估S航空公司在試運行階段的疲勞風險管理系統的有效性,邀請7位疲勞管理專家及3位航空公司疲勞風險管理工作組的成員,以打分的形式量化有效性評價指標。通過聽取專家的意見,以訪談、現場考察和問卷調查等方式收集航空公司有關疲勞風險管理系統有效性的相關數據,并針對每個指標設計具體評價參考標準。最終,專家根據評價指標的評價等級列表,對圖2 建立的航空公司FRMS有效性評價指標體系的二級指標進行了評分,具體分析如下。

3.1 單因素模糊判斷矩陣的確定

在評價過程中,專家根據指標量化準則對各指標進行量化,再根據隸屬度原則計算隸屬度,最終得到單因素模糊判斷矩陣R如表3所示。

表3 二級指標模糊綜合評價結果Table 3 Fuzzy comprehensive evaluation results of second-levelindex

3.2 熵值修正G2賦權

首先,將收集到的專家評分數據進行標準化處理后得到矩陣Y,并按照式(1)計算指標熵值。通過征求專家意見,分別從指標層和準則層中選取最不重要指標,通過對各指標重要程度的定量刻畫來確定各指標權重,依據計算式(3)和式(4)得到指標的重要程度比值和指標對準則層的權重結果。其中,各指標層重要程度最低的指標分別為內部審查情況X14、政策執行情況X21、安全風險評估X34、變革管理開展X42、安全信息培訓教育X51。

其次,將指標層的指標熵值的平均值作為準則層的熵值,綜合管理X1被選取為準則層最不重要的指標,并依據式(3)和式(4)計算準則層的重要程度比值和準則層對目標層的權重。

最后,通過指標對準則層的權重和準則層對目標層的權重,計算個指標對目標層的加權權重。以上結果如表4所示。

表4 各指標熵值及權重結果Table 4 Entropy value and weight results of eachindex

3.3 模糊綜合評價

根據以上計算得到了二級指標的權重向量,通過模糊綜合評價的計算公式計算出指標層在準則層上的評價向量如表3所示。根據表3 中的準則層上的評價向量及準則層對目標層的權重向量,計算出目標層的模糊綜合評價向量B=(0.003 8,0.113 9,0.361 1,0.416 2,0.105 0)。最后將向量B與矩陣T相乘量化評價結果,計算出該公司有效性評價整體得分為85.05,可以判斷出該航空公司在試運行階段的疲勞風險管理系統有效性評價等級為良好。此外,根據表3中的評價向量,分別計算綜合管理、政策文件、風險管理、安全保證和安全促進5個維度的評價得分為84.30、86.50、85.38、84.05、85.00。其中,安全保證維度各指標的權重因素較大,但安全保證部分有效性評價的分值最小,這表明該航空公司需要重視該部分各個環節的有效性,如加強對安全績效指標的監控、保證績效指標的持續改進等。

綜上,對航空公司疲勞風險管理系統的有效性模糊綜合評價結果與試運行期間的實際運行情況基本相符,因此,該模型具有較好的可行性和適用性。此外,值得強調的是,對FRMS進行有效性評價的最終目的是提升航空公司疲勞風險管理能力,從而進一步幫助航空公司有效實施FRMS,而有效實施FRMS的過程離不開航空公司各級員工的積極參與。

4 結論

在分析航空公司疲勞風險管理系統組織和運行過程的基礎上,構建了充分反映FRMS有效性的綜合評價模型,并結合實例對FRMS的有效性評價結果進行分析,得到以下結論。

(1)從綜合管理、政策文件、風險管理、安全保證和安全促進5個方面提出疲勞風險管理系統有效性評價的維度。梳理相關文獻及相關規章文件,并結合航空公司實際疲勞管理情況,構建了航空公司FRMS有效性評價指標體系。

(2)運用熵值修正G2法確定權重,結合模糊綜合評價法構建航空公司FRMS有效性評價模型。并選擇S航空公司進行實例分析,最終得到該航空公司在試運行階段的疲勞風險管理系統有效性評價等級為良好,與實際運行情況相符,則該評價方法具有一定的適用性和可行性。

(3)根據評價結果發現該航空公司安全保證部分可能存在的問題,針對問題提出相應對策和措施并在實施過程中進行落實,可為航空公司疲勞風險管理系統優化提供較好借鑒。