基于模糊综合评价的航路交通态势评估

赵嶷飞，史永亮

（中国民航大学空中交通管理研究基地，天津 300300）

基于模糊综合评价的航路交通态势评估

赵嶷飞，史永亮

（中国民航大学空中交通管理研究基地，天津 300300）

针对中国航路交通态势评估问题，通过引入态势感知理论，构建航路交通态势评估的研究框架，建立起一个评估航路交通态势的指标体系，并给出了基于模糊综合评价的航路交通态势评估方法。通过对算例的计算和分析，验证了评估方法在空中交通态势评估中的有效性和可行性。

航路交通态势；评估；模糊综合评价

随着中国民航运输业的高速发展，空中交通量快速增长。在繁忙的管制地区频繁出现由于交通拥挤而影响航班正常的现象，因而有必要对航路交通态势进行实时的动态评估。

目前，国内外学者或机构在态势方面的研究主要涉及战场、道路、网络安全等。在国外，Bass提出了利用入侵检测系统的分布式传感器进行数据融合的方法，对计算机网络安全态势进行评估[1]；美国国土安全部在TOPOFF演习中采用的VNN（virtual newsnet work虚拟新闻网络）发布战场态势[2]。在国内，西安交通大学实现了基于IDS和防火墙的集成网安监控平台，并提出了层次化安全态势量化评估模型[3]；周崇喜等人采用SWOT模型提出了基于态势分析法的长江渡运安全策略研究[4]。目前，国内外在空中交通态势，特别是航路交通态势评估方面的研究还处于起步阶段，极待进一步深入研究。

本文结合公路网交通安全态势评估方面的知识，首先阐述了航路交通态势的相关概念；其次，在研究态势感知理论的基础上构建了航路交通态势评估的总体框架；最后采用模糊综合评价法对特定航路的当前状态进行了综合评估。

1 相关概念描述

航路交通态势是对航路运行状况的宏观描述。通过航路交通态势评估得到航路态势值，从而确定其态势等级，进而针对不同态势等级实施有效的调整方案。要开展态势评估的研究工作，首先要明确航路交通态势、航路态势值以及航路态势评估等相关概念。

1.1 航路交通态势

态势，顾名思义，状态和趋势。它是一种状态，一种趋势，是一个整体和全局的概念，任何单一的情况或状态都不能称之为态势。交通态势指研究区域（兴趣感应区域）内所有交通实体部署和行为所构成的状态和形势[5]，航路同样具有在一定范围、内部结构较复杂、受多因素影响等特征。因此，航路交通态势是对航路运行状况的宏观描述。

1.2 航路交通态势值

根据航路交通态势的定义本文认为，航路交通态势值是把具有一定相关性，能够反映航路拥挤原因的某些特征信息提取出来，运用一系列数学方法，将这些航路拥挤信息归并融合成一组或几组有意义的数值。这些数值具有表现航路运行状况的特性，是航对交通态势的定量表达。

航路交通态势值产生过程如图1所示。

图1 航路态势值的产生过程Fig.1 Route traffic status generating process

通过数值变化可以准确把握航路态势处于何种级别，以此为基础确定恰当的运行指挥方案。

1.3 航路交通态势评估

态势评估最初出现在航空领域和军事领域，后来逐渐推广到其他技术领域，包括交通管理、生产控制、物流管理、医学研究和人类工程学等[1-4]。态势评估包括态势元素提取、当前态势分析和态势预测，最终得出态势值和相应的态势等级，为相关人员提供辅助决策信息。

航路交通态势评估包含了两层含义：一是根据航路相关实时信息，进行关联归并，数据融合，实时的反映航路实际的运行状况；二是根据历史数据，进行一定的处理分析，采用数据挖掘等手段对未来可能的状态进行预测。本文重点对第一层含义进行研究。

2 航路交通态势评估研究框架

态势感知理论是航路交通态势评估的理论基础。在这里引人态势感知理论，明确了航路交通态势感知要素，根据态势感知三级模型，构建了航路交通态势评估的研究框架，为评估技术的需求提供了理论依据。

2.1 态势感知理论

态势感知这一概念源于航天飞行的人为因素（Human Factors）研究[6]，被用来描述飞行员对当前情境的观察、理解及做出决策的过程，这就构成了飞行员大脑中的意识框架。此后在核反应控制、军事战场、医疗应急调度及空中交通监管等领域被广泛地研究。在文献[6]中，Endsley把态势感知定义为感知在一定的时间和空间环境中的元素，包括其现在的状况和其未来的发展趋势。

2.2 航路交通态势感知

航路交通态势感知是从各层面的航路交通态势影响因素出发，分析影响交通态势的主要因子及其关联性；对航路中各元素形成的感知领悟，以及对其即将发展的状态趋势的理解与预测。

航路交通态势感知本身是一个系统工程，原始数据经过一系列流程的处理最终形成对航路状态的宏观认识。态势感知是信息融合的过程，是一个从基础数据到抽象信息，进而到获取高层知识的过程。

2.3 航路交通态势评估的研究框架

基于态势感知理论的航路交通态势评估由态势要素获取、态势理解和态势预测3个层次构成。态势要素获取层是研究框架的基础，负责获取交通基础信息。态势理解层是从交通态势的影响因素分析着手，研究交通态势的主要因素及其关联性。态势预测层是研究框架的核心，是对航路各元素的感知领悟，以及对其即将发展的状态趋势的理解。态势预测层负责建立航路交通态势评价指标体系和分级标准，构建评价和预测模型，对航路交通态势进行多角度、多层次、全方位的实时评估，如图2所示。

图2 航路交通态势评估研究框架Fig.2 Route traffic status assessment framework

3 航路交通态势评估

航路交通态势的评估是一个复杂的多目标决策问题。目前，常用的方法主要有：层次分析法（AHP）、模糊层次分析法（FAHP）、模糊综合评价法等。

FAHP简化了人们判断目标相对重要性的复杂程度，借助优先关系矩阵实现对决策由定性向定量的转化，直接由优先关系矩阵构造模糊一致矩阵使判断的一致性问题得到解决，因此比传统层次的AHP更科学、更简便。但FAHP在进行判断目标的总体评价时，缺乏一个统一的、具体的指标量化方法。因此，这就需要将模糊层次分析法与模糊综合评价法相结合，即首先用模糊层次分析法计算各指标权重，然后用模糊综合评价法进行综合评价。

将评价系统分为2个层评价结构，第一层指标包括航路外部限制、航路自身状态2项指标，第2层有9项量化指标。具体指标分类[7]如图3所示。

图3 航路交通态势评估指标体系Fig.3 Route traffic status assessment index system

1）建立权重集

权重指标根据历史数据统计、现场调研以及专家分析综合得出。

一级指标对应的权重wi（i=1，2，…，m），一级指标权重集 W={w1，w2，…，wm}。

2）建立评判集

评判集是可能评价结果的集合，表示为V={v1，v2，…，vk}，其中各元素 vt（t=1，2，…，t）代表各种可能的评判结果。

3）模糊综合评判[8]

它是综合一类因素中各个因素对评判对象取值的贡献得出的单因素模糊评判。假设对评判对象按一级指标集中第i类指标的第j个因素进行评判，第j个因素对评判集中第t个元素vt的隶属程度为eijt（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n；t=1，2，…，k），可得一级指标中第i类指标的隶属度矩阵Ei，则一级模糊评判向量Bi=Wi·Ei=（bi1，bi2，…，bij）。

式中，m，k表示隶属程度，本文设定为4级。

隶属度矩阵Ei和bij以为元素组建的一级模糊综合评判矩阵分别为

式中，Ei表示第i类指标的隶属度矩阵；eijt表示每个元素的隶属程度；B表示一级模糊评判向量矩阵；bij表示评价集中每元素的隶属度。

4）处理结果

评估结果处理用加权平均法处理

式中，bit表示评价集中每元素的隶属度；vt每个元素评价结果。

航路交通当前状态ηsitu是航路外部限制ηouter和航路自身状态ηinner的综合反映

式中，α1和α2分别是航路外部限制和航路自身的权重，α1+ α2=1。

4 算例分析

4.1 航路自身状态的计算

在航路运行状态中，通常采用4分制，将模糊评判集分为 4级，4-1级分别表示严重拥挤（v1）、拥挤（v2）、轻度拥挤（v3）、畅通（v4）。评判集为 V={v1，v2，v3，v4}。

根据某民航单位的的实际情况，采用同行评议统计法确定指标隶属度，在实际操作过程中，邀请10位专家组组成评判小组进行评判[9]：

式中：nt表示赞同某指标归属于第t个评判集的评价人数；n表示参加评估的专家总人数。

航路自身状态评估指标数据如表1所示。

运用式（1）通过计算，得到模糊综合评判为：

表1 航路自身状态评估指标数据Tab.1 Route themselves state evaluation index data

以结果向量为权重，运用式（2）对评价集加权后的计算结果为2.87，该结果就是航路自身状态体现，与模糊评判集相对照，航路状态度处于中轻度拥挤与拥挤之间，且接近拥挤。

4.2 航路外部限制的计算

航路外部限制评估指标数据如表2所示。

表2 航路外部限制评估指标数据Tab.2 Route external restrictions evaluation index data

同理通过计算可得模糊综合评判为

对其进行加权后的计算结果为2.85。对照评判集，该结果位于中轻度拥挤与拥挤之间。

4.3 当前态势的计算与分析

依据历史数据的统计和专家分析取α1=0.4，α2=0.6，根据航路当前状态计算式（3）得

介于中轻度拥挤与拥挤之间，接近拥挤。

4.4 航路交通态势预测

预测技术一般可分为定量预测和定性预测：定量预测是根据历史数据，采用移动平均法、指数平滑法、时间序列分解法和回归分析法进行预测；定性预测是根据一定的数据资料，结合人的经验和分析能力，用系统的、逻辑的思维方法，把有关资料加以综合，进行预测[10]。当前典型的预测算法有：回归分析法，时间序列预测法，灰色模型法，贝叶斯预测算法和神经网络预测法等。

在航路交通态势的研究中，对所需关心的预测量有两种描述：一种是得到一个预测值；另一种是得到一个满足一定置信度要求的预测区间，即点预测和区间预测。航路交通态势的变化具有一定的规律性和时序性，因而一般预测方法的基本规则和步骤在此同样适用。

5 结语

本文对航路交通态势相关概念进行了详细的阐述，构建了基于态势感知理论的航路交通态势评估的研究框架，采用模糊综合评价的方法对航路当前态势进行了计算。由于采用专家打分方法进行态势评估具有较大的主观性，需要在以后的研究中进一步改进。

[1] BASS T.Intrusion detection systems&multisensory data fusion：creating cyberspace situational awareness[J].Communications of the ACM，2000，43（4）：41-43.

[2] DHS．TOPOFF：exercising national preparedness[G]．Department of homel and security，2008，09：54-57.

[3] 陈秀真，郑庆华，管晓宏，等.网络化系统安全态势评估的研究[J].西安交通大学学报，2004，38（4）：405-408.

[4]周崇喜.基于态势分析法的长江渡运安全策略研究[J].航海工程，2010，39（2）：22-25.

[5] 吴 磊.交通态势识别及状态转换机制[J].Communications Standardizatio，2007，15（2）：35-37.

[6] ENDSLEY M R.Measurement of situation awareness in dynamic systems[J].The Journal of the Human Factors and Erqonomics Society，1995，37（1）：65-84.

[7] 赵嶷飞，陈 凯.证据理论在空中交通拥挤评估中的应用[J].交通信息与安全，2010，28（1）：47-50.

[8]王 飞，丁松滨.空中交通安全预警系统的综合评价方法探讨[C]//第七届民航信息化发展论坛学术交流研讨会会议论文集.西安，中国民航出版社，2005，12：112-114.

[9] 马国忠，米文勇，刘晓东.民航系统安全的多层次模糊评估方法[J].西南交通大学学报，2007，42（1）：105-109.

[10]孙 恒.黑龙江省汽车运输安全态势评估与对策[D].长春：吉林大学，2008.

Evaluation of Route Traffic Status Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation Algorithm

ZHAO Yi-fei，SHI Yong-liang
（Air Traffic Management Research Base，CAUC，Tianjin300300，China）

Aiming at route traffic status assessment problems in our country， base on situation awareness theory， a research framework of the evaluation is constructed and an assessment index system of air traffic status is established.Finally the fuzzy comprehensive evaluation method in the air traffic status is proved.

route traffic status； evaluation；fuzzy comprehensive evaluation

V355

A

1674－5590（2011）01－0005－04

2010-07-07；

2010-12-07

中央高校基本科研业务费（ZXH2009A004、ZXH2010C010）；天津市科技支撑计划项目（08ZCKFGX04100）

赵嶷飞（1971—），男，湖南常德人，教授，博士，研究方向为空中交通管理.

（责任编辑：李 侃）