基于BP神经网络的航空公司安全管理体系评价

温 超， 张 黎， 孟 斌， 左 权

（1.郑州航空工业管理学院管理工程学院，郑州 450046； 2.郑州航空工业管理学院民航学院，郑州 450046）

国际民航组织（ICAO）定义：在航空领域方面，安全是“将与航空器运行相关或直接支持航空器运行的航空活动的风险降低和控制到可接受水平的状态［1］”. 航空安全管理的发展过程分为技术、人为因素、组织、全面系统等4个阶段，发展到组织阶段时，航空安全管理就开始强调从整个航空系统出发，对航空安全系统进行全面控制，重视所有安全飞行环节，这使人们意识到航空安全是一个复杂的系统，需要一种有效可行的管理方法，民航安全管理体系（SMS）便应运而生［2］.

自ICAO 倡导构建民航SMS发展以来，各国航空公司纷纷响应. 目前SMS已成为解决航空安全问题的重要依据，其既要面对航空业的所面临的压力与挑战［3］，又要帮助航空企业合理有效地提高安全管理水平.SMS是一种正式的、自上而下的、有条理的管理安全风险的系统方法［4］，以“积极主动组织化的”管理方式进行安全工作的管理，强调事故发生前就进行预防与管理，通过对危险源的识别与评估，制定相应措施，主动将风险降到可接受范围内.

国内外学者对SMS体系都有所研究. Batuwangala等［5］提供一种监管框架用来调查SMS在航空领域实施情况. Nektarios［6］等从系统的制度化、能力、有效性3 个角度对航空公司SMS 进行评价. 孙奕捷［7］结合SMS中对安全信息管理的要求建立指标评价体系，并使用主成分分析法进行评价分析. 田利军等［8］研究航空公司内部控制与安全文化对航空安全产生的影响，从而提高航空公司安全管理能力. 文献［9-10］从SMS中风险管理角度出发，对航空公司进行风险评价.

综上所述，各国虽对SMS有所研究，但也有不足之处：一是多数文献是从SMS中某一角度或某一领域展开研究，以SMS整体为出发点展开研究的文献相对较少；二是我国对SMS研究起步较晚，与国际先进水平还有差距，无论是研究方法还是研究内容都有所不足；三是SMS是一个复杂多变量的系统，多数研究评价法都是以线性方法为主，而线性方法往往不能尽可能满足此类复杂多变量系统. 本文引入BP神经网络，其具有良好的非线性拟合能力［11］与映射能力，适合复杂多因素系统. 利用BP神经网络计算速度快且精确、自学习与自组织能力强的特点，可减少和弱化评价时人为干扰带来的影响.

1 航空公司SMS评价指标体系

民航SMS包括安全政策、风险管理、安全保证与安全促进4个组成部分，也称民航SMS的四大支柱，其结构关系如图1［2］所示.

图1 民航SMS结构关系图Fig.1 Civil aviation SMS structure relationship

根据图1可知，SMS系统较为复杂且涉及因素较多. 如何科学合理地构建指标体系是能否有效正确评价航空公司SMS建设实施水平高低的关键. 建立完善的SMS指标体系，应能体现出航空公司SMS的几项能力：查明危险源且做好评估风险工作的能力；有相应预防与纠正措施以保持安全水平的能力；是否能对安全性能进行持续监控和定期评估；以持续改进SMS整体性能为目标根据. 根据ICAO出版Doc9859《安全管理手册》［1］与我国已经实施的《民用航空安全管理规定》［12］里的有关内容，且基于科学性、目的性、完备性［13］、可比性等原则，与航空安全运输方面专家讨论，参考文献［14-15］，建立一套能够贯彻于航空公司SMS开展全过程且反应航空公司SMS建设实施情况的指标体系（表1）. 该体系共4个一级指标，19个二级指标和44项评价内容.

表1 航空公司SMS评价指标体系Tab.1 Airline SMS evaluation index system

2 OWA算子AP法初始赋权、评价与建设水平等级判定

2.1 指标赋权

OWA算子由Yager教授提出［16］，主要特点是可以清除主观因素的影响，具有较强的客观性. 当每位评价者对某一个指标给出一个权重值，将其从大到小排列，再进行加权集结，权重只与相应位置相关. OWA算子的集结公式：

位置权重向量是对指标权重进行集结的关键［17］，本文选择AP（基于等差数列）赋权法确定位置权重，AP赋权法能从充分利用数据信息，符合人们普遍心理规律，且计算简单方便. 由于篇幅有限，具体AP算法公式与步骤见参考文献［18］.

邀请4位民航安全管理专家，根据专家的专业知识与经验，设定各二级指标的评价分值标准. 由专家给出一、二级指标权重，按照OWA算子AP赋权法步骤，进行评价指标权重的确定（表2）.

表2 权重与评价分值标准Tab.2 Weight and evaluation score criteria

2.2 评价值与建设水平等级确定

1）请安全检察、航空安全、公司管理方面的专家共8名确定评分标准（表2）. 按照表1各二级指标评价内容对该航空公司实际安全建设实施水平情况或能力强弱打分，得到各二级指标的各评价内容分数和均值，得到所属二级指标评价的最终得分.

2）根据以上评分要求，得到各二级指标的最终得分. 根据OWA 算子AP 法位置权重，对其进行得分集结，方法与权重集结方法相同.

3）二级指标最终得值与二级指标权重集结后得到各一级指标得分；各一级指标权重与一级指标得分集结得到该航空公司SMS建设最终综合得分；各二级指标权重和综合权重与其对应评价分值等级区间集结，得到各一级指标与最终评价等级区间（表3）. 将4个数位的表达数值作为神经网络输出值，一级指标得分与最终综合得分与表3对应，判定建设水平等级与神经网络所对应的输出值.

表3 SMS等级表Tab.3 SMS scales

3 基于BP神经网络的航空公司SMS评价模型

3.1 输入层、隐含层与输出层的确定

BP（Back Propagation）神经网络是1986 年由Rumelhart 和McClelland 为首的科学家提出的概念，是一种按照误差逆向传播算法训练的多层前馈神经网络，是应用最广泛的神经网络形式之一，包括输入层、隐含层（单或多层）和输出层. BP神经网络通过正向与反向传播两个过程不断反复，利用梯度下降的方法进行权值修正，最终当误差减小到可接受程度，或者达到预先设定的学习次数时，训练过程结束［19］.

3 层的BP 神经网络就能够以任意精度逼近任何非线性连续函数，特别适合于求解内部机制复杂的问题［20］. 本文采用3层BP神经网络建立评价模型.

表4 神经元个数表Tab.4 Number of neurons

3.2 网络训练与检验

为使样本种类尽可能全面，按照国内航空公司建设实施SMS不同程度水平，选取国内11家航空公司，根据上述2.2项中的相关步骤进行评分与最终等级确定（表5、表6）.

表5 样本评价值Tab.5 Sample evaluation value

表6 各样本值所对应评价等级Tab.6 Sample evaluation grade

以MATLAB.R2016b 软件为平台，编写BP 神经网络程序，各评价项的各层传递函数均选择tansig 与purelin. 训练函数选择trainlm，设置期望误差为0.000 01，学习速率为0.01，训练次数直到满足设置误差精度为止.

输入表5、表6中数据，运行BP神经网络程序（图2），测试样本各评价项经过多次迭代后，达到误差精度（0.001）. 图2中各坐标图中的下滑线最底端均在精度为0.000 01的虚线之下，训练停止.

运行BP神经网络程序所得测试样本的实际输出结果如表7所示，测试样本各评价项实际输出结果符合期望输出，说明BP神经网络模型训练结果较为精确，具有较高的预测精度，测试样本航空公司SMS建设水平评价模型科学合理.

图2 神经网络训练图Fig.2 Neural network training diagrams

表7 训练输出结果Tab.7 The training output result

3.3 讨论

1）评价指标建立对航空公司适用情况. 航空安全系统较为复杂，且各组成部分联系紧密. 要想建立全面的SMS指标体系，则需从航空公司SMS系统运行全过程出发，在符合当前最先进的SMS理念情况下，又需要与我国航空公司SMS发展实际情况结合. 在参考国际最新SMS文件［1］与我国已实施的《民用航空安全管理规定》［12］文件后，建立一套能够较好地贯彻于航空SMS全过程的指标体系，并针对不同的指标提出较为具体的、可操作性与适用性较强的评价内容.

2）评价方法运用情况. 从航空安全管理角度出发，进行航空安全评价的方法有很多，回归模型、集成对分析理论、物元可拓法，灰色层次区间法、灰色系统理论方法等. 这些方法都有各自的特点和优势. 但航空安全管理系统是一个复杂多因素影响的系统，传统的线性方法往往不能尽可能满足此类复杂多变量系统，且BP神经网络相较于其他方法，无须冗长的计算并具有高度精确的判断能力. BP神经网络已用于铁路安全风险、煤矿安全管理绩效、煤炭安全等多种安全评价领域，其评价结果符合实际情况，能够较好地反映出指标与待评价目标之间的相互关系，具有良好拟合力与适应力.

3）评价结果. 根据表4可知，虽然测试样本航空公司SMS综合得分等级为良好，但其在安全促进方面得分等级为一般，说明其在安全促进方面还有待提高.

3.4 建议

1）公司高层领导应积极主动倡导良好安全文化的建立并起带头作用，影响各级管理人员与每一名员工，有助于提高员工的工作积极性、信任感和责任感. 应有明确的安全措施，建立正确的价值观与行为准则，将SMS安全管理理论自上而下推广深入到基层. 编写安全文化手册，建立安全文化宣传日，用定期举办安全文化活动、编写安全文化报、合理制定安全奖罚标准等方法，提高员工安全意识与能力，鼓励员工积极反馈公司文化漏洞缺陷等. 定期请有关方面专家对公司安全文化进行测评.

2）公司高层管理人员应定期举行会议，交流安全理念，分享安全经验. 交流内容要包括安全方面的经验教训、安全工作的政策和方针、安全绩效等多方面安全工作内容. 建立安全质量监察部门，定期对安全信息沟通工作进行管理监控.

3）完善培训制度与标准，制定公司教育培训大纲并结合国家民航局在对安全培训方面的规章制度进行改进更新，严格遵守规章制度标准，保证培训质量，并通过学习记录、考核、审查等方式做好实时监督工作.要丰富教育培训方法，可通过网上教学或定期课堂教学，聘请专业培训授课人员. 根据不同员工工作方式制定不同的培训方法，方便员工学习SMS理论.

4 结论

科学合理评价航空公司SMS建设实施情况，有助于提高航空公司安全管理能力，对民航运输安全提供良好的保障，本文可为航空公司SMS评价研究提供理论参考.

1）以SMS 的4 个组成要素建立航空公司SMS 建设水平进价指标体系，此体系的19 个二级评价指标与44项评价内容，基本涵盖SMS建设全过程.

2）运用OWA算子AP法进行指标初始赋权，此方法在保证专家主观判断的专业性基础上，又可降低主观判断带来的随意性与偏好性.

3）选取10家航空公司作为训练样本，1家航空公司作为测试样本，得到测试样本评价结果与实际结果相符合，说明BP神经网络评价模型构建合理.

4）可继续增加BP训练样本数，提高计算精度. 因本文选取的测试样本无处在“差”等级，若当测试样本处在“差”状态时，可根据OWA算子所得各指标评分值，对该样本公司得处在差状态下的指标进行相应的改进与加强，提高等级.