機場桌面交通風險的系統(tǒng)動力學模型建模與分析

機場桌面交通風險的系統(tǒng)動力學模型建模與分析

0基于風險識別的風險控制民用飛機運輸是一項高效、高投資、高風險的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，在一定程度上反映了國家的國力。針對機場場面交通沖突的研究，從研究對象而言，當前既有研究主要圍繞機場場面交通交通沖突的飛行器運行調(diào)度優(yōu)化、風險因素識別、沖突監(jiān)視與檢測、沖突告警與策略等角度展開。如1998年，Pitfield基于此，本文基于安全系統(tǒng)工程的原理和方法，結(jié)合案例分析和問卷調(diào)查提取機場場面交通存在的風險因素，采用解釋結(jié)構(gòu)模型方法（ISM）進行結(jié)構(gòu)化整合，得到風險間的遞階層次關系；利用層次分析法（AHP）確定風險權(quán)重；并采用AnyLogicPLE軟件構(gòu)建機場場面交通風險的系統(tǒng)動力學（SD）模型，結(jié)合正交試驗分析各個因素對機場場面交通沖突風險的影響程度和風險防控策略效果。本研究拓展了機場場面交通沖突的防控思路，揭示了風險指標的作用程度。通過辨識關鍵指標因素及其作用關系，以期在宏觀層面上為機場場面沖突事故的預防措施制定提供決策依據(jù)。1機場對機場病力事件風險的應對影響因素提取是開展風險分析的基礎。機場場面交通系統(tǒng)包含多個組成部分，各部分在相互合作的同時也存在相互制約關系。航空器在機場的運行過程主要包括進場階段和離場階段，同時需要飛行員、管制人員、機場指揮人員、保障車輛駕駛員、地面設備操作保障人員等多個部門的協(xié)同合作，涉及到載運工具、輔助車輛、設備設施、人員、場地等多部門、多工種協(xié)作。本研究團隊依托于河南省民航安全與可靠性國際聯(lián)合實驗室，基于民航局事故調(diào)查中心的機場場面交通沖突事件數(shù)據(jù)庫收集了2010-2020年間沖突事件48起，采用扎根理論、文獻調(diào)研、專家訪談等方式從“人、機、物、管、環(huán)”五個方面辨識機場場面交通系統(tǒng)風險，提取了30個影響機場場面交通沖突的相關因素（見圖1）。具體包括以下內(nèi)容:（1）人的因素主要包括：航空器與地面服務車輛駕駛員的生理及心理狀況（2）載運工具及后勤保障車輛因素主要包括：航空器故障（3）輔助設施因素主要包括：機場道面狀況（4）管理因素主要包括：部門間協(xié)調(diào)性（5）環(huán)境因素主要包括：跑道與滑行道布置2基于層次分析法的風險因素主觀權(quán)重的確定（1）建立鄰接矩陣通過全面分析影響機場場面交通沖突的各因素間關系，根據(jù)ISM模型方法（2）提取可達矩陣由計算可達矩陣的計算公式，可以利用鄰接矩陣得出可達矩陣。將鄰接矩陣（3）繪制結(jié)構(gòu)圖使用矩陣（4）AHP確定因素權(quán)重由ISM解釋結(jié)構(gòu)模型得出的遞階結(jié)構(gòu)模型可以清晰直觀的表達出各個風險因素對機場場面交通狀況的影響情況，但不能明確各層風險因素對系統(tǒng)整體權(quán)重。因此，在確定因素主觀權(quán)重方面，本文基于層次分析法AHP步驟（5）構(gòu)建機場場面交通沖突風險的系統(tǒng)動力學（SD）模型（見圖2）。將機場場面交通風險作為一個一級存量，并加入流量控制；將違規(guī)操作、航空器沖/偏出跑道、航空器間碰撞、航空器與保障車輛設備碰撞以及保障車輛設備間碰撞五個風險較高因素作為誘發(fā)風險增加二級存量，這些二級存量與流量之間建立鏈接關系；將安全保障系統(tǒng)、機械設備運行監(jiān)督和人員教育與資質(zhì)培訓三個因素設置為引起風險減少的二級存量；其余風險因素根據(jù)其特點設置為動態(tài)變量或者參數(shù)，并建立鏈接關系。依據(jù)已識別風險因素及其因果反饋關系，利用AnyLogicPLE軟件構(gòu)建機場場面交通風險的系統(tǒng)動力學流圖。對其中鏈接關系權(quán)重，依據(jù)前述AHP分析結(jié)果進行設置。（6）基于ISM分析結(jié)果的根源風險因素，針對重點風險指標采用正交試驗的分析方法，通過反復對比風險管控策略效果，探索有效預防機場場面交通沖突的最優(yōu)措施。（7）根據(jù)SD分析結(jié)果，通過正交試驗設計理論方法，從單因素試驗到組合策略效果篩選風險水平顯著的管控策略，確定機場場面交通沖突的最佳防控策略組合。3風險因素分析為驗證上述研究方法的科學性，本研究以中南局某民航機場的調(diào)研數(shù)據(jù)為依據(jù)，對該機場的場面交通沖突風險進行ISM-AHP-SD模型的算例分析。（1）建立鄰接矩陣根據(jù)該機場實際，結(jié)合風險因素識別結(jié)果，構(gòu)建該機場場面交通沖突直接影響矩陣（2）提取可達矩陣可根據(jù)鄰接矩陣，利用計算公式提取可達矩陣（3）繪制遞階結(jié)構(gòu)圖將可達矩陣各行向量按照鄰接數(shù)量的多少，重新排列，沿主對角線（從左上角至右下角），逐次分解出最大階的單位矩陣，并加注虛方框；每個虛方框表示一個層次，然后據(jù)此層次示意結(jié)構(gòu)，繪制出機場場面交通沖突風險解釋結(jié)構(gòu)圖（見圖3）。（4）AHP分析依據(jù)對該機場調(diào)研實際狀況，結(jié)合上文ISM分析結(jié)果，綜合考慮行業(yè)專家反饋意見，規(guī)整最終判斷矩陣，借助AHP計算軟件（MCE）確定各因素權(quán)重以及組合權(quán)重，結(jié)果如下。層中（表層因素）：層中（中間層因素）：層中（深層因素）：層中（根源因素）：（5）機場場面交通沖突風險系統(tǒng)動力學（SD）模型公式將AHP分析結(jié)果的權(quán)重融入SD模型中，借鑒前人研究基礎風險增加=違規(guī)操作×0.29+航空器間碰撞×0.32+航空器沖/偏出跑道×0.19+航空器與輔助車輛碰撞×0.12+輔助車輛間碰撞×0.08+社會條件影響×0.1+軍事任務影響×0.1；風險減少=安全保障系統(tǒng)×0.4+機械設備運行監(jiān)督×0.3+人員教育與資質(zhì)培訓×0.3；違規(guī)操作主要由人員之間的協(xié)調(diào)性和操作指令兩個因素影響，違規(guī)操作=操作指令模糊×0.16+人員協(xié)調(diào)與配合×0.09；航空器間碰撞主要是由航空器故障、道面損壞、天氣狀況、外來物威脅、跑道滑行道布置和跑道滑行道障礙物幾個風險因素直接引起，航空器間碰撞=航空器故障×0.33+道面損壞×0.11+跑道滑行道布置×0.07+跑道滑行道障礙物×0.03+天氣狀況×0.02+外來物威脅×0.1364；航空器沖/偏出跑道主要是由航空器故障、道面損壞、天氣影響、外來物威脅、跑道滑行道布置和跑道滑行道障礙物幾個風險因素直接引起，航空器沖/偏出跑道=航空器故障×0.33+道面損壞×0.1+天氣狀況×0.02+跑道滑行道布置×0.07+跑道滑行道障礙物×0.03+外來物威脅×0.1364；航空器與輔助車輛碰撞主要是由航空器故障、道面損壞、天氣影響、外來物威脅、跑道滑行道布置、跑道滑行道障礙物和輔助車輛故障幾個風險因素直接引起，航空器與輔助車輛碰撞=航空器故障×0.31+道面損壞×0.07+天氣影響×0.02+跑道滑行道布置×0.05+跑道滑行道障礙物×0.02+輔助車輛故障×0.11+外來物威脅×0.1364；輔助車輛間碰撞主要是由外來物威脅和輔助車輛故障兩個風險因素直接引起，輔助車輛間碰撞=輔助車輛故障×0.63+外來物威脅×0.1364；安全保障系統(tǒng)受由機場安保環(huán)境、部門間協(xié)調(diào)、應急救援管理、安全管理制度建設四個因素直接影響，安全保障系統(tǒng)=機場安保環(huán)境×0.1133+部門間協(xié)調(diào)×0.2132+應急救援管理×0.2429+安全管理制度×0.105；機械設備運行監(jiān)督受助航設備、監(jiān)控設備和道面警示標志三個因素直接影響，機械設備運行監(jiān)督=助航設備×0.14+監(jiān)控設備×0.2272+警示標志×0.04；人員教育與資質(zhì)培訓主要是由獎懲制度措施、個人生理心理狀況、安全意識與態(tài)度和知識與工作技能四個因素直接影響，個人生理心理狀態(tài)設置為定量，值為0.001，其余三個因素設置為隨時間變化的速率變量，人員教育與資質(zhì)培訓=獎懲制度措施×0.075+個人生理心理狀況×0.0155+安全意識與態(tài)度×0.0755+知識技能與工作能力×0.04。（6）仿真分析通過借鑒相關文獻調(diào)研采用控制變量法，維持其他因素風險水平不變，只調(diào)控某一個風險因素變化水平，分別針對根源風險指標進行仿真周期為36個月的6組單因素試驗預測分析（只考慮上圖中，圖4(a)表示只改變應急救援管理的風險狀況，圖4(b)表示只改變軍事任務影響的風險狀況，圖4(c)表示只改變社會條件影響的風險狀況，圖4(d)表示只改變知識與工作技能的風險狀況，4(e)表示只改變機場安保環(huán)境的風險狀況，4(f)表示只改變獎懲制度措施狀況的風險狀況。根據(jù)單因素試驗結(jié)果表明，調(diào)控軍事任務影響以及社會條件影響并不能有效緩解機場場面交通沖突，而調(diào)控應急救援管理、知識與工作技能、機場安保環(huán)境和獎懲機制建立狀況4個風險因素，則可一定程度上緩解機場場面交通沖突，且該4個根源因素的管控效果均使風險水平均呈現(xiàn)先升高后降低的整體趨勢。從時間效應分析，應急救援管理在第17個月后、知識與工作技能在第25個月后、機場安保環(huán)境在第27個月后、獎罰制度措施在31個月后可使可使風險水平持續(xù)降低。（7）正交試驗分析正交試驗是有效確定多因素多水平的一種試驗設計方法從仿真試驗結(jié)果來看，第6組試驗和8組試驗效果最佳，尤其是第8組很快就降到0以下，但從安全科學角度分析，絕對的安全在實際工作中不可能發(fā)生。因此，第3組和第7組試驗結(jié)果更為符合實際。為確定各組風險因素管控措施對風險水平的影響顯著程度，針對上述9組試驗數(shù)據(jù)，進行仿真周期為36個月的系統(tǒng)風險水平預測分析（見圖5）。試驗結(jié)果表明：機場安保環(huán)境的極差4影響因素分析（1）將解釋結(jié)構(gòu)模型（ISM）與層次分析法（AHP）結(jié)合運用到機場場面交通風險識別方面，并依據(jù)判斷矩陣計算各風險因素組合權(quán)重，分析了因素間直接影響關系和影響強度，構(gòu)建了影響因素因果圖和解釋結(jié)構(gòu)模型，確定了影響因素重要性，并區(qū)分了根源影響因素、深層影響因素、中間層和表影響因素。有利于明確各風險因素的危險程度，確定風險管控優(yōu)先順序。（2）通過將系統(tǒng)動力學（SD）和正交試驗設計分析有機