機(jī)場(chǎng)桌面交通風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型建模與分析

0基于風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的風(fēng)險(xiǎn)控制民用飛機(jī)運(yùn)輸是一項(xiàng)高效、高投資、高風(fēng)險(xiǎn)的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，在一定程度上反映了國(guó)家的國(guó)力。針對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通沖突的研究，從研究對(duì)象而言，當(dāng)前既有研究主要圍繞機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通交通沖突的飛行器運(yùn)行調(diào)度優(yōu)化、風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別、沖突監(jiān)視與檢測(cè)、沖突告警與策略等角度展開(kāi)。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(wèn)卷調(diào)查提取機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通存在的風(fēng)險(xiǎn)因素，采用解釋結(jié)構(gòu)模型方法（ISM）進(jìn)行結(jié)構(gòu)化整合，得到風(fēng)險(xiǎn)間的遞階層次關(guān)系；利用層次分析法（AHP）確定風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重；并采用AnyLogicPLE軟件構(gòu)建機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（SD）模型，結(jié)合正交試驗(yàn)分析各個(gè)因素對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通沖突風(fēng)險(xiǎn)的影響程度和風(fēng)險(xiǎn)防控策略效果。本研究拓展了機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通沖突的防控思路，揭示了風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的作用程度。通過(guò)辨識(shí)關(guān)鍵指標(biāo)因素及其作用關(guān)系，以期在宏觀層面上為機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面沖突事故的預(yù)防措施制定提供決策依據(jù)。1機(jī)場(chǎng)對(duì)機(jī)場(chǎng)病力事件風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)影響因素提取是開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)。機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通系統(tǒng)包含多個(gè)組成部分，各部分在相互合作的同時(shí)也存在相互制約關(guān)系。航空器在機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行過(guò)程主要包括進(jìn)場(chǎng)階段和離場(chǎng)階段，同時(shí)需要飛行員、管制人員、機(jī)場(chǎng)指揮人員、保障車輛駕駛員、地面設(shè)備操作保障人員等多個(gè)部門的協(xié)同合作，涉及到載運(yùn)工具、輔助車輛、設(shè)備設(shè)施、人員、場(chǎng)地等多部門、多工種協(xié)作。本研究團(tuán)隊(duì)依托于河南省民航安全與可靠性國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，基于民航局事故調(diào)查中心的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通沖突事件數(shù)據(jù)庫(kù)收集了2010-2020年間沖突事件48起，采用扎根理論、文獻(xiàn)調(diào)研、專家訪談等方式從“人、機(jī)、物、管、環(huán)”五個(gè)方面辨識(shí)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，提取了30個(gè)影響機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通沖突的相關(guān)因素（見(jiàn)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(wù)車輛駕駛員的生理及心理狀況（2）載運(yùn)工具及后勤保障車輛因素主要包括：航空器故障（3）輔助設(shè)施因素主要包括：機(jī)場(chǎng)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(fēng)險(xiǎn)因素主觀權(quán)重的確定（1）建立鄰接矩陣通過(guò)全面分析影響機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通沖突的各因素間關(guān)系，根據(jù)ISM模型方法（2）提取可達(dá)矩陣由計(jì)算可達(dá)矩陣的計(jì)算公式，可以利用鄰接矩陣得出可達(dá)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(dá)出各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通狀況的影響情況，但不能明確各層風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)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(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通沖突風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（SD）模型（見(jiàn)圖2）。將機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通風(fēng)險(xiǎn)作為一個(gè)一級(jí)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(shè)備碰撞以及保障車輛設(shè)備間碰撞五個(gè)風(fēng)險(xiǎn)較高因素作為誘發(fā)風(fēng)險(xiǎn)增加二級(jí)存量，這些二級(jí)存量與流量之間建立鏈接關(guān)系；將安全保障系統(tǒng)、機(jī)械設(shè)備運(yùn)行監(jiān)督和人員教育與資質(zhì)培訓(xùn)三個(gè)因素設(shè)置為引起風(fēng)險(xiǎn)減少的二級(jí)存量；其余風(fēng)險(xiǎn)因素根據(jù)其特點(diǎn)設(shè)置為動(dòng)態(tài)變量或者參數(shù)，并建立鏈接關(guān)系。依據(jù)已識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)因素及其因果反饋關(guān)系，利用AnyLogicPLE軟件構(gòu)建機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流圖。對(duì)其中鏈接關(guān)系權(quán)重，依據(jù)前述AHP分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)置。（6）基于ISM分析結(jié)果的根源風(fēng)險(xiǎn)因素，針對(duì)重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)采用正交試驗(yàn)的分析方法，通過(guò)反復(fù)對(duì)比風(fēng)險(xiǎn)管控策略效果，探索有效預(yù)防機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通沖突的最優(yōu)措施。（7）根據(jù)SD分析結(jié)果，通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論方法，從單因素試驗(yàn)到組合策略效果篩選風(fēng)險(xiǎn)水平顯著的管控策略，確定機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通沖突的最佳防控策略組合。3風(fēng)險(xiǎn)因素分析為驗(yàn)證上述研究方法的科學(xué)性，本研究以中南局某民航機(jī)場(chǎng)的調(diào)研數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)該機(jī)場(chǎng)的場(chǎng)面交通沖突風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行ISM-AHP-SD模型的算例分析。（1）建立鄰接矩陣根據(jù)該機(jī)場(chǎng)實(shí)際，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別結(jié)果，構(gòu)建該機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通沖突直接影響矩陣（2）提取可達(dá)矩陣可根據(jù)鄰接矩陣，利用計(jì)算公式提取可達(dá)矩陣（3）繪制遞階結(jié)構(gòu)圖將可達(dá)矩陣各行向量按照鄰接數(shù)量的多少，重新排列，沿主對(duì)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(gè)虛方框表示一個(gè)層次，然后據(jù)此層次示意結(jié)構(gòu)，繪制出機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通沖突風(fēng)險(xiǎn)解釋結(jié)構(gòu)圖（見(jiàn)圖3）。（4）AHP分析依據(jù)對(duì)該機(jī)場(chǎng)調(diào)研實(shí)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(jiàn)，規(guī)整最終判斷矩陣，借助AHP計(jì)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(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通沖突風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（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(chǔ)風(fēng)險(xiǎn)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(huì)條件影響×0.1+軍事任務(wù)影響×0.1；風(fēng)險(xiǎn)減少=安全保障系統(tǒng)×0.4+機(jī)械設(shè)備運(yùn)行監(jiān)督×0.3+人員教育與資質(zhì)培訓(xùn)×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(gè)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(lái)物威脅、跑道滑行道布置和跑道滑行道障礙物幾個(gè)風(fēng)險(xiǎn)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(lái)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(lái)物威脅、跑道滑行道布置和跑道滑行道障礙物幾個(gè)風(fēng)險(xiǎn)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(lái)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(lái)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(gè)風(fēng)險(xiǎn)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(lái)物威脅×0.1364；輔助車輛間碰撞主要是由外來(lái)物威脅和輔助車輛故障兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素直接引起，輔助車輛間碰撞=輔助車輛故障×0.63+外來(lái)物威脅×0.1364；安全保障系統(tǒng)受由機(jī)場(chǎng)安保環(huán)境、部門間協(xié)調(diào)、應(yīng)急救援管理、安全管理制度建設(shè)四個(gè)因素直接影響，安全保障系統(tǒng)=機(jī)場(chǎng)安保環(huán)境×0.1133+部門間協(xié)調(diào)×0.2132+應(yīng)急救援管理×0.2429+安全管理制度×0.105；機(jī)械設(shè)備運(yùn)行監(jiān)督受助航設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備和道面警示標(biāo)志三個(gè)因素直接影響，機(jī)械設(shè)備運(yùn)行監(jiān)督=助航設(shè)備×0.14+監(jiān)控設(shè)備×0.2272+警示標(biāo)志×0.04；人員教育與資質(zhì)培訓(xùn)主要是由獎(jiǎng)懲制度措施、個(gè)人生理心理狀況、安全意識(shí)與態(tài)度和知識(shí)與工作技能四個(gè)因素直接影響，個(gè)人生理心理狀態(tài)設(shè)置為定量，值為0.001，其余三個(gè)因素設(shè)置為隨時(shí)間變化的速率變量，人員教育與資質(zhì)培訓(xùn)=獎(jiǎng)懲制度措施×0.075+個(gè)人生理心理狀況×0.0155+安全意識(shí)與態(tài)度×0.0755+知識(shí)技能與工作能力×0.04。（6）仿真分析通過(guò)借鑒相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研采用控制變量法，維持其他因素風(fēng)險(xiǎn)水平不變，只調(diào)控某一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素變化水平，分別針對(duì)根源風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行仿真周期為36個(gè)月的6組單因素試驗(yàn)預(yù)測(cè)分析（只考慮上圖中，圖4(a)表示只改變應(yīng)急救援管理的風(fēng)險(xiǎn)狀況，圖4(b)表示只改變軍事任務(wù)影響的風(fēng)險(xiǎn)狀況，圖4(c)表示只改變社會(huì)條件影響的風(fēng)險(xiǎn)狀況，圖4(d)表示只改變知識(shí)與工作技能的風(fēng)險(xiǎn)狀況，4(e)表示只改變機(jī)場(chǎng)安保環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)狀況，4(f)表示只改變獎(jiǎng)懲制度措施狀況的風(fēng)險(xiǎn)狀況。根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)控軍事任務(wù)影響以及社會(huì)條件影響并不能有效緩解機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通沖突，而調(diào)控應(yīng)急救援管理、知識(shí)與工作技能、機(jī)場(chǎng)安保環(huán)境和獎(jiǎng)懲機(jī)制建立狀況4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素，則可一定程度上緩解機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通沖突，且該4個(gè)根源因素的管控效果均使風(fēng)險(xiǎn)水平均呈現(xiàn)先升高后降低的整體趨勢(shì)。從時(shí)間效應(yīng)分析，應(yīng)急救援管理在第17個(gè)月后、知識(shí)與工作技能在第25個(gè)月后、機(jī)場(chǎng)安保環(huán)境在第27個(gè)月后、獎(jiǎng)罰制度措施在31個(gè)月后可使可使風(fēng)險(xiǎn)水平持續(xù)降低。（7）正交試驗(yàn)分析正交試驗(yàn)是有效確定多因素多水平的一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法從仿真試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，第6組試驗(yàn)和8組試驗(yàn)效果最佳，尤其是第8組很快就降到0以下，但從安全科學(xué)角度分析，絕對(duì)的安全在實(shí)際工作中不可能發(fā)生。因此，第3組和第7組試驗(yàn)結(jié)果更為符合實(shí)際。為確定各組風(fēng)險(xiǎn)因素管控措施對(duì)風(fēng)險(xiǎn)水平的影響顯著程度，針對(duì)上述9組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行仿真周期為36個(gè)月的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)水平預(yù)測(cè)分析（見(jiàn)圖5）。試驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)場(chǎng)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(yùn)用到機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方面，并依據(jù)判斷矩陣計(jì)算各風(fēng)險(xiǎn)因素組合權(quán)重，分析了因素間直接影響關(guān)系和影響強(qiáng)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(fēng)險(xiǎn)因素的危險(xiǎn)程度，確定風(fēng)險(xiǎn)管控優(yōu)先順序。（2）通過(guò)將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（SD）和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析有機(jī)