机场安全可拓预警模型研究

航空

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航空

2009，45（14） Computer Engineering and Applications 计算机工程与应用
民航机场是我国空中交通的重要基础设施，通常包括供
航空器起飞和着陆滑行的飞行区、供航空器上下客货邮件的
运输区（航站区）、供航空器维护修理的机务维修区等。机场
安全通常包括航空器的安全起降和对机场设施的安全保障，
这也是民航机场在正常情况下应发挥的重要功能。然而，由
于多种原因，民航机场事故的发生难以避免。根据民航总局
航空安全信息网数据库中显示的资料，中国民航近12 年（1996
年~2007 年）共发生运输飞行事故11 起，其中重大以上飞行
事故9 起；共发生飞行事故征候1 480 起，其中航空运输飞行
事故征候1 255 起。对事故的调查表明，机组原因、机械/机务
是事故发生的主要原因。从这12 年间发生的事故征候的种类统
计看，鸟击（288 起）、空中停车（291 起）和偏出/冲出跑道/场外接
地（87 起）所占的比重较大，分别占22.9 %、23.2%和6.9%（以上
基础数据来源于中国民用航空安全信息网）。因此，如果能对机
场的人员、设备、环境和管理存在的问题进行监管和预警、完善
机场的应急援救设施、建立预警组织机构和建全应急处理制度，
很多事故的发生是可以挽救或避免的。
预警系统可在事故萌芽阶段发出警报，提示决策人员采取预
控对策，以消除事故隐患，实现系统安全，预警模型是预警系统的
关键之一。目前机场安全预警方面的研究还比较少。平芸等[1]在民
航机场安全预警的管理组织等方面进行了专门研究，并提出了相
应的预警指标和模糊评价模型。王洪德等[2]将人工神经网络引入机
场安全预警当中，模拟人们在各种情况下对机场整体安全状况的
评价机制。可拓理论是我国学者蔡文创立的一门新兴学科[3]，它用
形式化工具，从定性和定量的角度研究解决复杂问题的规律和方
法。可拓理论中的参变量物元模型是动态模型，能很好地拟合像机
场这样复杂和动态变化的系统，而且较神经网络计算简便，还不会
受到训练集的局限而影响模型的判别能力，所以应用可拓理论来
建立机场安全预警模型具有重要的理论意义和现实意义。
本文采用可拓理论中基于参变量物元的动态评价模型，通
过建立各安全等级的物元模型和节域，并确定各评价指标的权
重，用可拓距离函数和关联度函数计算评价对象与各等级的近
似程度，最终确定了评价对象的安全预警程度。这里的评价对
象就是当前机场各安全指标的值构成的一个反应机场安全现
状的数值集合。最后，根据某机场的实际情况进行了模型检验，
证明了模型的正确性。
机场安全可拓预警模型研究
李航，赵桂红
LI Hang，ZHAO Gui-hong
中国民航大学经济与管理学院，天津300300
School of Economic and Management，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China
E-mail：lh197861@gmail.com
LI Hang，ZHAO Gui-hong.Early-warning model of airport safety based on extension theory.Computer Engineering and
Applications，2009，45（14）：238-240.
Abstract：A dynamic model based on variable matter element with parameters is applied to construct the early-warning model of
airport safety.In this model，the early-warning indices system is conducted on the base of the survey.The weight of early-warning
indices is ascertained with the method of correlation function in extension theory，and the comprehensive correlative degree is taken
as the evaluation criteria.At last，the unitary early-warning grade of the airport is derived with the early-warning model.A case
study shows that the model is suitable for evaluation of the airport safety，and for assisting early-warning decision quantitatively.
Key words：airport safety；early-warning model；extension theory；comprehensive correlative degree；correlation function in extension
theory
摘要：运用可拓理论中基于参变量物元的动态评价模型，对机场安全预警模型进行了构建。首先根据调研建立了机场安全的预
警评价指标体系，然后利用可拓关联函数方法确定各预警指标的权重，以综合关联度作为评价准则，最终根据模型确定出整体的
预警等级，避免了预警模型的主观性。实例验证表明，该模型可针对机场安全状况提供有效的定量预警信息。
关键词：机场安全；预警模型；可拓理论；综合关联度；可拓关联函数
DOI：10.3778/j.issn.1002-8331.2009.14.073 文章编号：1002－8331（2009）14-0238-03 文献标识码：A 中图分类号：TP391
基金项目：国家自然科学基金（the National Natural Science Foundation of China under Grant No.70571057）；国家软科学项目基金资助（No.
2007GXS3B052）；中国民航大学科研启动基金（No.07QD02X）。
作者简介：李航（1978-），男，讲师，主要研究方向为机场安全评价、航线网络优化；赵桂红（1968-），女，副教授，主要研究领域为机场安全系统优
化、机场运营管理。
收稿日期：2008-12-01 修回日期：2009-03-31
238
2009，45（14）
指标类具体指标
操作违规率
机场安检失误次数
紧急处理失当次数
技术考核不合格率
空管指挥失误次数
气象误报率
飞行期间天气突变次数
空管设备失灵次数
航空公司危险指数
航路危险指数
气象误报率
机场鸟害程度
空管指挥失误次数
重要度
1
2
1
3
1
1
2
2
3
3
1
2
2
指标类具体指标
机务维修失误率
飞机及设备维护质量未达标率
机场设备故障率
技术标准失察率
机务原因不安全事件发生率
机务原因误飞千次率
关键人才流失率
信息沟通失真率
部门冲突频度和强度
管理标准失察率
员工违纪率
人事变动率
指令失效率
机场管理失误次数
机场原因航班延误或取消
重要度
1
2
2
2
2
3
2
1
2
2
1
3
2
2
3
表1 民航机场安全预警指标体系
行为
人的
因素
预警
指标
环境
因素
预警
指标
机务
因素
预警
指标
组织
管理
因素
预警
指标
指标
K1
K2
具体指标
k1 操作违规率
k2 紧急处理失当次数
k3 机务维修失误率
k4 维护质量未达标率
k5 机场设备故障率
值域范围
0%~100%
0~5
0%~100%
0%~100%
0%~100%
指标
K3
K4
具体指标
k6 空管设备失灵次数
k7 气象误报率
k8 空管指挥失误次数
k9 信息沟通失真率
k10 员工违纪率
值域范围
0~5
0%~100%
0~5
0%~100%
0%~100%
表2 可拓预警模型的初始指标体系
指标
k1
k2
k3
k4
k5
k6
k7
k8
k9
k10
测评说明
操作违规率=（违规操作事件次数/操作事件总数）×100%
敏感预警指标,可从对紧急情况处理结果的分析得出
机务维修失误率=（机务维修失误次数/维修作业总次数）×100%
维护质量未达标率=（检查未达标次/飞机及设备维护质量检查次）×100%
机场设备故障率=（设备发生故障的次数/全部地面设备件数）×100%
重要预警指标,可衡量空管的硬件质量和技术保障水平
气象误报率=（机场气象误报次数/机场气象预报总数）×100%
衡量空管指挥的准确性，反映空中交通管制的安全隐患
信息沟通失真率=（信息沟通失真量/信息总量）×100%
员工违纪率=（员工违纪人次/员工总数）×100%
表3 民航机场安全预警指标测评
1 民航机场安全预警指标体系的建立
1.1 民航机场安全预警指标体系分类
结合前人研究成果[2，4]和项目组实地调查，机场安全预警指
标体系由4 个模块，共28 项构成，包括行为人因素预警指标6
项，机务因素预警指标6 项，环境因素预警指标7 项和管理因
素预警指标9 项，如表1 所示。其中，环境因素预警指标并非反
映机场自身问题，但从机场角度监测或识别这些指标，既有利
于机场预警指标体系的完整性，又有利于对航空公司和空管预
警系统的支持。根据指标的重要程度及在预警中的作用，可将
其分为敏感预警指标、重要预警指标和辅助指标，在表1 中分
别用数字1、2、3 对应表示。
1.2 民航机场安全预警指标的量化与测评
民航机场安全预警指标体系的建立应尽可能实现预警信息
的定量化、条理化和可操作化，使预警指标体系真正反映机场所
面临危险的实际情况。为简化计算，引用上述预警评价指标中的
全部敏感预警指标和部分重要预警指标，共10 个评价指标。给
出相应值域范围，如表2 所示。数据的取值方法，详见表3。
2 基于可拓理论的机场安全预警模型的建立
本文的机场安全预警模型是建立在基于物元的可拓理论
基础上的[5-6]。物元是以事物、特征及事物关于该特征的量值所
组成的有序三元组，记作R=（事物，特征，量值）=（N，C，V），它
是可拓学的逻辑细胞。物元中N、V 有时会是参数t 的函数，此
时称R 为参变量物元，记作R（t）=[N（t），C，V（t）]。设安全性预
警问题P 共有m 个预警对象R1
，R2
，…，Rm
，这里Ri （ i=1，…，m）
可理解为某一时刻i 需要被评价进而用来确定预警等级的机
场安全的整体情况；每个Ri
都有n 个预警指标c1
，c2
，…，cn
，Vij
是Ri
中指标cj
的当前值。因此问题P 可以利用物元表示为Ri=
（Ni
，C，Vi ） =
Ni c1 Vi1
c2 Vi2
… cn Vin
!""""""""""#
$%%%%%%%%%%&
=
Ni （ t） c1 <ai1
，bi1>
c2 <ai2
，bi2>
…
cn <ain
，bin
!""""""""""#
$%%%%%%%%%%&
>
，[i=1，…，m]。
建立机场安全可拓综合预警模型的基本步骤如下[7]：
（1）划分安全预警度的等级，确定各等级的数据范围，即该
等级下各类评价指标的取值范围。
（2）确定各指标特征的权重。
（3）再将预警对象的各指标值带入各等级的集合中进行多
指标评定。
（4）评定结果按该预警对象与各等级集合的综合关联度大
小进行比较，综合关联度越大，就说明评价对象与该等级集合
的符合程度愈佳，预警对象的预警程度即为该等级。
下面按以上步骤分小节讲解具体实施过程。
2.1 确定预警程度、经典域和节域
首先，根据机场的需求调查及其日常安全管理数据资料，
把机场安全预警对象的预警程度划分为1-无警、2-轻度预警、
3-中度预警、4-重度预警共4 个等级。
根据机场各部门的调查，确定了10 个评价指标在各预警等
级下的取值范围，如表4 所示。其物元模型为：
R0j=（N0j
，C，V0j ） =
N0j c1 N0j1
c2 N0j2
…
c10 N0j10
!""""""""""#
$%%%%%%%%%%&
=
N0j c1 <a0j1
，b0j1>
c2 <a0j2
，b0j2>
…
c10 <a0j10
，b0j10
!""""""""""#
$%%%%%%%%%%&
>
式中N0j
表示第j 个预警等级（j=1，2，3，4），ci （ i=1，2，…，10）表示
第j 个等级N0j
的i 个特征（预警指标）；V0ji
表示预警对象的预警
李航，赵桂红：机场安全可拓预警模型研究239
2009，45（14） Computer Engineering and Applications 计算机工程与应用
指标
k1
k2
k3
k4
k5
k6
k7
k8
k9
k10
无警
[0，0.1）
[0，1）
[0，0.15）
[0，0.1）
[0，0.15）
[0，1）
[0，0.25）
[0，1）
[0，0.15）
[0，0.1）
轻度预警
[0.1，0.3）
[1，2.5）
[0.15，0.4）
[0.1，0.3）
[0.15，0.4）
[1，2.5）
[0.25，0.5）
[1，2.5）
[0.15，0.4）
[0.1，0.25）
中度预警
[0.3，0.7）
[2.5，4）
[0.4，0.6）
[0.3，0.7）
[0.4，0.6）
[2.5，4）
[0.5，0.7）
[2.5，4）
[0.4，0.6）
[0.25，0.5）
高度预警
[0.7，1.0]
[4，5]
[0.6，1.0]
[0.7，1.0]
[0.6，1.0]
[4，5]
[0.7，1.0]
[4，5]
[0.6，1.0]
[0.5，1.0]
表4 指标数据预警等级分类
等级N0j
关于对应特征ci
的数据范围，称V0ji
为一经典域。令RD=
（ND
，C,VD
），这里ND=<N01
，N02
，N03
，N04>，D 表示所有预警等级的全
体；则VD=<V0ji >（i=1，…，10；j=1，…，4）=<V0i >（i=1，…，10）=<（api
，bpi
）>（i=1，…，10），
VD
就称为D 的节域。这里（api
，bpi ） =
4
j=1 胰<a0 ji
，b0 ji>。节域即各预警
度下各个指标的取值范围，详见表4。
2.2 确定各特征的权重
令各个特征的权重系数为ωi
，i 为评判指标的编号。对必要
条件，有
n
i=1 Σ ωi=1。对于权重系数的选择，一般可以在经验或专
家打分的基础上应用层次分析法确定[6]，这种权重区分了各
评判指标的重要性，本文称之为重要性权重，记为w′。在实际
中，造成机场安全事故隐患的原因比较复杂。在评估冲突等级
的时候，如果指标量落入某类别中，其值越大，则导致该类冲
突的可能性越大，应赋予较大的权重，本文称之为指示性权
重，记为w″。确定指示性权重的过程中，vei
是待评价对象Re
关于cj
的量值，令θij （ vei
，V0 ji ）表示Vei
与区间V0 ji
的可拓关联
度，则
θij （ vei
，V0 ji ） =
（vei-a0 ji ）
（b0 ji-a0 ji ）
，vei≤b0 ji
（b0 ji-vei ）
（b0 ji-a0 ji ）
，vei≥b0 ji
≥
≥≥≥≥
≥
≥≥≥≥
≥
（1）
令θij max=maxj{θij （ vei
，V0 ji ） }，如果vei
落入到区间V0 ji=（a0 ji
，b0 ji ）中，
其偏向b0 ji
的程度越高，则权值θij max
越大，取θi=jmax[1+θij max （ vei
，
V0 ji ） ]，则指标cj
的权重为
w″i= θi
n
i=1 Σθi
（2）
最终的权重为：
wi= w″·i w′i
n
i=1 Σ（w″i·w′i
）
（3）
2.3 等级评定
用可拓距离函数和关联度函数计算评价对象与各等级的
近似程度。
步骤1 对于等级物元N 必须满足必要条件的特征cj
，取
待评价对象Re
关于cj
的量值vei
作评价，即首次评判。
（1）若vej埸V0 ji
，则认为N 的特征cj
不满足必要条件，N 是
不合格对象。
（2）若vej∈V0 ji
，则进入下一步骤。
步骤2 确定待评对象关于各等级的关联度。令
ρ（vei
，V0 ji ） = vei-（a0 ji+b0 ji ）
2 -（b0 ji-a0 ji ）
2
ρ（vei
，Vpi ） = vei-（api+bpi ）
2 -（bpi-api ）
2
≥
≥≥≥≥
≥
≥≥≥≥
≥
（4）
式中：ρ（vei
，V0 ji ）表示Vei
到区间V0 ji
的可拓距离；ρ（vei
，Vpi ）表示
vei
到区间VPi
的可拓距离。ρ（vei
，V0 ji ） ≥0 表示vei
不在V0 ji
内；
ρ（vei
，V0 ji ） ≤0 表示vei
在V0 ji
内，且不同的取值表示vei
属于区间
V0 ji
的不同程度。待评对象第i 个特征关于等级j 的关联函数：
Kj （ vei ） =
-ρ（vei
，V0 ji ）
|Vji|
， ρ（vei
，V0 ji ） =ρ（vei
，Vpi ）
ρ（vei
，V0 ji ）
[ρ（vei
，Vpi ） -ρ（vei
，V0 ji ） ]
，ρ（vei
，V0 ji ） ≠ρ（vei
，Vpi
≥
≥≥≥≥
≥
≥≥≥≥
≥
）
（5）
Kj （ vei ）越大，表示vei
具有V0 ji
的属性越多，反之则表示vei
与V0 ji
越不相近。
步骤3 利用权系数计算待评对象N 关于等级j 的关联度。
Kj （ N）=
n
i=1 ΣwiKj （ vei ） （6）
步骤4 等级评定。若
Kj （ N）= max
j∈{1，2，…，m}Kj （ N） （7）
则评定N 的等级为j。
3 应用算例
根据前面的建立机场安全可拓综合预警模型的基本步骤，
首先依据表4 确定机场安全整体预警等级的分类标准，据此可
确定a0 ji
和b0 ji
的值。然后根据在深圳宝安机场进行的调查结
果，确定判断矩阵为：
1 1/7 1 5/4 1 1 1 1/3 1 5/4
1 7 9 7 5 5 5 7 9
1 5/4 1 4/5 1 2/3 5/4 3/2
1 5/4 5/4 5/4 5/4 1 1
1 4/5 1 4/5 5/4 3/2
1 1 1 5/4 5/4
1 1 1 5/4
1 5/4 5/4
1 1
111111111111111111111111111111
11
111111111111111111111111111111
11
1
则用层次分析法确定各指标特征的初始值为：w1′=0.059，w2′=
0.422，w3′=0.065，w4′ =0.065，w5′ =0.063，w6′ =0.07，w7′ =0.066，w8′=
0.008，w9′=0.058，w10′=0.052；一致性检验结果为CI 值0.021，RI
值1.49，CR 值0.014。
以2008 年8 月31 日发生在深圳宝安机场的一次飞机滞
留跑道事件为例，某航空公司一架从昆明至深圳的班机于下午
5 时39 分正常降落后，在跑道滑行过程中，出现前轮故障，停
滞在跑道上，致使深圳宝安机场关闭一个半小时。经检查，飞机
前轮扭臂断裂，导致前轮和飞机呈90°夹角，轮胎抱死，但其他
一切飞机数据显示正常。经相关工作人员处理后，7 时15 分机
场重新开放，事故未造成安全意外。据查当月机场起降任务繁
忙，主要安全预警指标处于较高位置：c1=0.13，c2=1，c3=0.37，c4=
0.35，c5=0.16，c6=2，c7=0.35，c8=1，c9=0.21，c10=0.19。据式（1）、式
（2）得出各指标的相对权重为w1″=0.085，w2″=0.074，w3″=0.128，
w4″=0.167，w5″=0.076，w6″=0.111，w7″=0.089，w8″=0.074，w9″=0.089，
w10″=0.107。据式（3），最终各指标权重：w1=0.056，w2=0.35，w3=
（下转244 页）
240
2009，45（14） Computer Engineering and Applications 计算机工程与应用
（上接240 页）
0.092，w4=0.120，w5=0.053，w6=0.086，w7=0.065，w8=0.065，w9=0.057，
w10=0.062 根据式（4）~式（7），最终得到此时机场的安全预警度
为2 级-轻度预警，其最大关联度为0.084 4。
Ci
的值对应式中的vei
值，从这些数值可以看出：由于机场任
务繁忙，违规操作、机场故障率、信息沟通和员工违纪和空管失灵
失误次数都处于稍高的水平，特别是机务维修失误率和设备维
护未达标率处于相对较高的水平，但是紧急处理失当情况较为
乐观；而所出现的事故隐患正式出在机务维修和设备维护方面，
并且由于紧急处理得当未造成更大损害。综上可以看出，模型给
出的轻度预警的综合评价是合理的，从而验证了模型的正确性。
4 结束语
机场是航空运输的基础平台，机场安全是民航安全的基
础[8]。本文从机场子系统安全管理的角度出发，对民航机场安全
预警问题做了以下研究：
（1）改进了现有的民航机场安全预警指标体系，并提出了
基于可拓理论的机场安全预警模型。
（2）在理论方面，改进了可拓参变量物元评价方法，采用了
新的更全面的权重确定方法。
（3）在分析方法理论优点的基础上，通过实际算例验证了
本方法的有效性。
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4 结论
本文基于齐次坐标及其变换，D-H 矩阵建立了六自由度
的关节臂式坐标测量机测头的测量运动学数学模型，并建立
了正确的虚拟样机模型，通过虚拟样机的仿真实验，验证了
测量运动学数学模型的正确性。研究表明，六自由度的关节
臂式坐标测量机的测量空间的形状是一个达到空间8 个象
限的类似椭球体的封闭实体，利用虚拟样机技术可以实现测
头全测量空间的运动仿真。本文提出的虚拟样机模型是行之
有效的，为下一步研究测头位置误差在整个测量空间的分布
以及测量机动态测量精度提供了一个可行的研究方法和有
力的技术手段。
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序号
1
2
3
4
5
6
7
8
（θ1
，θ2
，θ3
，θ4
，θ5
，θ6
）
（0，π/2，0，0，π/2，0）
（0，0，π/2，0，0，π/2）
（-π/2，0，0，-π/2，0，0）
（-π/2，-π/2，-π/2，-π/2，-π/2，-π/2）
（π，π，-π，π，-π，π）
（π/3，π/6，π/4，π，-π/3，π/3）
（-π/6，π/4，π/4，π，-π/6，π/3）
（π，π/8，π/7，π/9，π/11，-π/2）
测量运动学数学模型计算值
（850，6.123 2e-015，300）
（9.184 9e-015，250，900）
（100，-450，600）
（-200，300，250）
（-7.960 2e-014，-300，-50）
（115.317 1，-44.404 9，217.780 8）
（-56.282 1，-48.688 1，259.753）
（-36.973 5，56.410 5，859.066 4）
仿真实验值
（850，-1.273 3e-013，300）
（9.159 3e-013，250，900）
（100，-450，600）
（-200，300，250）
（-2.219 8e-11，-300，-50）
（115.317 1，-44.404 9，217.780 8）
（-56.282 1，-48.688 1，259.753）
（-36.973 5，56.410 5，859.066 4）
表2 仿真实验值与数学模型计算值的比较
mm
244