空中交通管制安全风险预警决策模式

罗 帆，杨 智

(武汉理工大学 管理学院，湖北 武汉430070)

空中交通管制的目标是维护空中交通秩序，防止航空器之间相撞。其工作特性决定了风险必然根植于空管任务的始终，是其内在的属性和必然的产物。近年来，随着我国实施新标准，飞行间隔不断缩小，使得飞错高度层、无线通信干扰情况时有发生，甚至空中相撞事故的发生概率也逐步上升。各种连续发生的不安全事件说明，在当前空管安全风险压力不断加大的局面下，传统的反馈式安全管理模式已无法有效应对。因此，在“事后处理”向“事前预防”的管理方式转变中，深入分析空中交通管制安全风险预警管理系统，设计管制安全风险预警决策模式，对于提高预警精度、完善风险管理体系有着重要的理论及现实意义。

1 空中交通管制安全风险预警研究现状

自20 世纪60 年代以来，扩散指数、合成指数及具有评价功能的预警信号指数出现，预警理论逐渐由经济领域向安全领域渗透，并取得大量的研究成果。在风险预警阶段及功能特点的界定方面，EHERTS 指出航空风险预警管理过程包括潜在危险源识别、风险等级评估、风险控制、寻找风险根源、风险控制效果评估和安全员信息传递的有效性等［1］。罗帆和佘廉在预警管理功能描述中指出，预警具有对系统的灾害征兆和诱因进行监测、识别、诊断与报警的警告功能，并对不良发展趋势具有主动预控和纠错的矫正功能［2］。在风险预警方法应用方面，ZOLGHADRI 和CAZAURANG 提出改进系统安全评价的早期预报和预测方法，认为应加强飞行子系统状态的早期监测，运用强数学运算和技术实现故障的快速识别［3］。SYBERT 等证明了与安全有关的空中交通情况的蒙特卡洛模拟对系统性事故评估是一种可行的方法［4］。在风险预警模式及系统的设计方面，PETER 介绍了欧洲空管对风险评估和减弱的要求，即用系统的、结构化的方法来评估和减弱空管风险，并运用预测和监测技术来实现这一模式［5］。MICHAEL 认为美国飞行安全基金会推出的飞行风险评估系统、代表危险因素及其相互关系的模糊专家系统，可对飞行的相对危险度定量指标进行比较，促进整个组织的安全风险预警管理［6］。

总的来说，当前研究成果主要关注于预警技术开发、指标体系建构及基于评估方法的模型预警，并对风险预警的系统运行模式及功能进行了界定。但在实践中针对预警模式的运行，如何依据风险特征建立指标体系以防止漏警，根据指标类型选择风险监控方法以防止虚警，在阈值动态设定中保证预警信号的精确性等决策性问题上，还缺乏针对性。因此，从现代决策方法及技术的角度，针对安全风险预警中的阶段性任务，设计空管安全风险预警决策模式仍有待深入研究。

2 空管安全风险预警决策特性分析

2.1 空管安全风险预警管理中的决策性问题

预警管理是从管理角度，以预警理论为基础，研究如何采用预控的管理手段防范危机的发生以及发生后应急管理措施的理论。对于常规安全风险因子的预警管理主要集中在监测、识别、诊断与报警的警告功能方面。在这些功能的实现过程中，必须面对的决策性问题体现在3 个方面:

(1)通过有效识别风险，使预警指标提供的特征信息与风险事故的状态相匹配，既要防止因指标太少无法全面判断风险状态而出现漏警现象，又要避免指标过多而造成维数灾难，这是实际运用中的一个决策性问题;

(2)空管安全风险领域中，指标种类繁多，使得依据指标对风险状态进行监测、评估时，在方法的匹配上形成难点，如果将各种形式的预测及评估方法视为决策器，则指标特征与决策器的适应性方面也构成一个决策性问题;

(3)空管安全风险预警信号的输出是依据给定的风险阈值进行判定的，而阈值设置的合适与否及上述决策器的适应性是判断虚警的关键影响因素。因此，要准确有效地预警，阈值的设定也成为一个重要的决策性问题。

2.2 空管安全风险预警决策要素的作用机理

通过归纳空管安全风险预警管理中的决策性问题可以看出，要提高预警精度，必须在漏警及虚警的状态选择中进行影响因素的决策分析，而漏警与虚警本身就是一对目标冲突的决策要素，其作用机理可以利用模式识别理论的故障特征诊断进行描述［7］。

对一个被监测系统或风险指标，设x 为提取的风险系统特征集，w0为无故障假设，w1为有故障假设，其类别先验概率分别为P(w0)和P(w1)，则P(x|w0)为被监测对象在w0时的条件概率密度，P(x|w1)为被监测对象在w1时的条件概率密度。采用错误率贝叶斯最优决策，决策阈值T 把x 的值域划分为R0和R1两个部分，如图1 所示。

从图1 可以看出，在预警监测中存在两类错误，即:

图1 最小错误率贝叶斯决策图

根据两类错误的描述，运用决策阈值T 进行调解时，可以从图1 中发现，虚警率和检测率以一对矛盾的形式存在，依靠单独改变决策阈值T 来同时提高检测率降低虚警率是不可能的，即如果提高检测率，则虚警率会增大;如果减小虚警率，则检测率也会减小。这一特性，使得当运用预警系统进行空管安全风险预警管理时，不得不面对预警管理中这一决策问题。因此，只有针对预警管理中的决策性问题，系统地构建预警决策模式，才能在提高预警精确性、防虚警、避漏警方面实现系统性和针对性。

3 空管安全风险预警决策模式

3.1 空管安全风险预警决策模式的概念界定

决策是指为解决某一问题制定所有可能的备选方案并加以选择与决断的过程［8］。对于具有特定风险特征的空中交通管制预警决策，就是要在对其风险预警监控的各个阶段，利用现代决策技术，进行方案的优化选择。其内容包括风险指标的确定、预警决策器的选择、指标阈值的界定等预警技术优化环节，其目的是提高预警的准确性和精确度。因此，空管安全风险预警决策的内涵就是，为提高预警精度，在空管安全风险预警管理的各个阶段，对影响预警效能的各项因素进行分析，利用现代决策方法选择最优预警方案的活动过程。

模式是指事物客观运作的标准形式或可参照的标准样式，它既是对事物发生发展客观规律的总结，也是指导人们高效地从事实践活动的参考标准［9］。空管安全风险预警决策模式则是在预警管理过程中，针对预警实施阶段中特定的决策性问题，为提高预警精度而设计的标准形式，是对预警管理模式的外延进行的有效补充，其内容包括预警决策目标、原则、决策主体及对象、决策内容及运行模式等。因此，空管安全预警决策模式，是指在现代决策技术支持下，为防范虚警及漏警问题，提高风险预警信号输出的准确度，而在空管安全风险预警管理领域构建的标准运行方式，它是解决预警决策问题的方法论。

3.2 空管安全风险预警决策目标及模式

空中交通管制预警决策模式的目标是针对预警管理实施阶段的决策对象，分析对预警信号准确性造成影响的各种问题，采用现代决策技术进行优化与选择，以提高预警管理系统的工作性能，其主要任务特点集中在漏警及虚警的防治上。根据预警决策目标的界定，预警决策模式的工作原理如图2 所示。

图2 预警决策模式工作原理

由图2 可以看出，预警决策模式是在预警管理中，在风险识别、诊断评估阶段，为保证预警信号输出的准确性，再构指标体系、界定阈值值域、优选诊断方法的过程。在模式运行中，需要空管预警部门首先根据安全目标计划确定预警对象，通过危险源辨识广泛收集数据，再对初设指标体系进行优化选择，其目的是在数据处理的基础上，查找与预警对象在某一特定时段风险特征最相关的风险因子，实现重点监控，减少资源浪费;其次，在风险预警持续监测下，对不同类型指标确定与管制系统安全目标最符合的告警阈值，通过优选决策器进行分类决策，突破系统状态阈值后再发出预警信号，并对每次信号输出进行实际检验，通过反馈促进决策过程的不断调整和优化。

3.3 空管安全风险预警决策模式的任务导向

(1)实现指标与安全风险状态特征的匹配。指标是各风险特征的函数，指标的选取标准要求能够较好地反映风险的特征。但风险具有不确定性，每个指标都不能完全准确地描述某一特定风险。同时，空管安全风险的动态性及多诱因性，使得指标的选择不是一成不变的。因此，指标的选取必须与风险特征匹配，这种匹配的程度取决于指标对风险特征或其状态描述的不确定性大小。

因此，在预警监控及风险识别阶段，为避免漏警及虚警现象，必须对收集什么样的指标进行决策判断，这就需要在预警决策模式架构下，组织与调动相关资源，尽量多收集信息质量好的指标，并进行相关决策分析，使得指标与空管安全风险的特征相匹配。

(2)指标信息冗余度的判定决策。预警诊断的过程，即为对风险状态值进行划分的过程。由于风险特征的样本集总是有限的，根据模式识别理论，在有限样本的情况下，特征的维数并不是越多越好，因为存在“维数灾难”及“峰值现象”，即决策器诊断的性能会随着新特征的加入而得到改善，但当维数达到一定值后，引入更多的特征会引起性能退化，从而导致虚警发生［10］。因此，在选择与管制风险相适应的指标进行预警评估或监测时，需要对冗余指标进行剔除，这样既可以针对特定的风险状态进行准确的诊断，发出预警信号，也可以使有限的资源得到集中利用。进行指标信息冗余度的判定决策，其任务内容的描述如下:

设空管安全风险特征集为X，特征Xi∈X，Si=X－{xi}，风险状态类别集为w，则:

定义1 特征Fi是不相关特征，若∀S′i⊆Si，则P(w|Xi，S′i)=P(w|S′i);

定义2 S 为特征集，Xi∈S，若P(w|S)=P(w|S－{Xi})，则Fi称为S 的冗余特征，此时S－{Xi}中已经包含Xi的类信息，S 称为冗余特征集。

(4)风险指标阈值的界定。针对风险状态程度发出告警信号是预警管理的核心功能，风险预警信号的输出，依据事先界定的告警阈值，其预警信号输出如图3 所示。

图3 预警信号输出

由图3 可知，在动态监测中，当风险状态的预警信号超出某一预设阈值时，就发出等级不同的警级告警。由此可见，阈值选取是否科学直接影响信号的准确性。空管安全风险阈值，既涵盖关键指标的单指标阈值，又包括针对整个系统风险状态评估的系统阈值。由于指标性质、类型、量纲等不同，阈值的确定必须进行认真的分析与选择，可以依据历史经验、数据分析、专家调查等方法进行系统决策，从而降低虚警率，保证预警信号的准确性。

4 结论

通过对预警工作中客观存在的决策性问题进行描述，定义了预警决策的内涵，描述了预警决策模式的工作原理，深入分析了预警决策模式的主要任务导向，从而为在空中交通管制安全风险预警管理中，有效解决虚警及漏警的矛盾，减少预警信号输出的偏差，指出工作方向，即重点针对指标优选、阈值界定及决策器选择提高预警精度。其研究结果丰富了空中交通管制安全风险预警管理，从决策分析角度实现了可行理论的导入。

［1］ EHERTS D M. Lessons learned from aviation safety［J］.Journal of Safety Research，2008(1):141－142.

［2］ 罗帆，佘廉.航空交通灾害预警管理［M］. 石家庄:河北科学技术出版社，2004:248－249.

［3］ ZOLGHADRI A，CAZAURANG F. Adaptive nonlinear state－space modeling for the prediction of daily mean concentrations environment［J］. Modeling and Software，2006，21(6):885－894.

［4］ SYBERT H S，HENK A P B，BAKKER G J.Systemic accident risk assessment in air traffic by monte carlo stimulation［J］.Safety Science，2009，47(2):238－249.

［5］ PETER S.Risk assessment ＆ mitigation in ATM［J］.Safety Science，2006，44 (7):629－655.

［6］ MICHAEL H. A fuzzy expert system for flight disruption management［J］.International Journal of Information Management，2008，32(7):311－327.

［7］ 边肇棋，张学工.模式识别［M］.北京:清华大学出版社，2000:45－98.

［8］ RONALD A H. The foundation of decision analysis［M］.［S.l.］:Prentice Hall，2013:105－237.

［9］ 李建华，杨军，黄郑华.基于时效性和不确定性的决策模式研究［J］.消防科学与技术，2008，27(2):90－94.

［10］ JAIN A，ZONGKER D.Feature selection:evaluation，application，and small sample performance［J］. IEEE Transactions on Pttern Analysis and Machine Intelligence，1997，19(2):153－158.