民用机场运行安全风险混合预警方法应用研究

孙殿阁副教授

(中国劳动关系学院 安全工程学院，北京 100048)

0 引言

2019年我国机场全年旅客吞吐量超过13亿人次，比上年增长6.9%。其中，国内航线完成121 227.3万人次，比上年增长6.5%；国际航线完成13 935.5万人次，比上年增长10.4%。完成货邮吞吐量1 710.0万吨，比上年增长2.1%。其中，国内航线完成1 064.3万吨，比上年增长3.3%；国际航线完成645.7万吨，比上年增长0.4%。完成飞机起降1 166.0万架次，比上年增长5.2%。其中，国内航线完成1 066.4万架次，比上年增长5.0%；国际航线完成99.6万架次，比上年增长6.8%。我国国民经济持续增长，对航空运输需求也日益增加。如果现有安全水平保持不变，根据霍金斯—阿什比模型：当系统中一个要素发生变化时，其他组件没能及时变化，系统就会产生问题。因此，提高民航安全生产能力成为目前工作当务之急。

民用机场是民航运输领域中重要一环，民用机场具有运行环境复杂、驻场单位众多、事故成因复杂等诸多特点，如何通过有效手段，持续改进现有机场的安全管理水平，是当前研究热点。传统的机场安全管理通常是将工作重心放在航空事故发生后，对事故原因进行分析，进而提出整改预防措施。这种被动式的安全管理，只能起到亡羊补牢的作用。

预警系统是指在事故征兆前就发出警告，通过构建预警指标，并科学的监测，实时、动态的反映机场各项风险因素的风险状况水平，进而指导相关人员采取必要的防范措施。预警系统通过化被动为主动，能够有效地防止事故发生。

预警指标设置、预警方法选择科学与否，直接影响预警效果的准确性与实用性。传统预警研究中，往往面临着预警指标单一、预警信号反应迟钝等问题。本文运用系统安全科学、统计学、模糊数学等相关理论，对民用机场安全预警指标系统的构建进行研究，并结合企业实际给出应用示例，以供机场管理者参考。

1 预警系统概述

1.1 预警系统组成介绍

一个完备的预警系统大致由预警分析系统和预控对策系统2部分组成。预警分析系统又由监测系统、预警信息系统、预警评价指标体系系统、预测评价系统等组成，如图1。

图1 预警系统组成结构图Fig.1 Composition of early warning system

各个子系统的功能划分：监测系统的功能是采用各种监测手段获得有关信息和运行数据；预警信息系统的功能是负责对信息的存储、处理、识别；预警评价指标体系系统主要完成指标的选取、预警准则和阈值的确定；预测评价系统主要是完成评价对象的选择，根据预警准则、选择预警评价方法，给出评价结果，再根据危险级别状态，进行报警。预控对策系统可针对不同报警级别实施相应的对策措施。

1.2 安全风险预警指标体系的构建模式

预警指标体系系统是民用机场安全风险监测、决策控制等活动的基础。预警指标选自安全风险评价指标并对安全风险评价的结果进行监测，要尽可能全面地收集导致机场灾害的背景、灾害的发展过程与后果等信息，排列出各种灾害现象的分布领域、作用范围，建立机场安全风险预警信息系统。该信息系统不是简单的数据库，它除了具有收集信息的功能外，还具有处理信息的功能，并把结果通过预警信号系统输出，为有关部门提供安全管理的依据和对策。在遵循科学性、实用性、可比性、关联性、灵敏性等原则的同时，还要展示民用机场安全风险预警指标体系的模式，如图2。

1.3 预警方法的确定

预警方法大致分为指标预警、因素预警2种：指标预警：根据预警指标数值大小的变动来发出不同程度的报警，是一种定量指标。假设报警指标为

x

，预警等级为

y

，则安全区域为[

x

，

x

]，其初等危险区域为[

x

，

x

]和[

x

，

x

]，其高等危险区域为[

x

，

x

]和[

x

，

x

]，如图3。预警准则如下：当

x

≤

x

≤

x

时，不发生报警；当

x

≤

x

≤

x

或

x

≤

x

≤

x

时，发出一级报警；当

x

≤

x

≤

x

或

x

≤

x

≤

x

时，发出二级报警；当

x

≤

x

或

x

≤

x

时，发出三级报警。

图2 运行安全风险预警指标构建模式Fig.2 Construction mode of early warning indicators of operation safety risk

因素预警：该预警方法是一种定性预警，如在安全管理中，当出现人的不安全行为、管理上缺陷时，就会发出报警。预警准则如下：因素出现时，发出报警；因素不出现时，不发出报警。

图3 报警分级图Fig.3 Alarm classification diagram

2 民用机场运行安全风险预警指标体系构建实例

2.1 民用机场运行安全风险分析

依据系统安全分析及实际调研数据对民用机场安全运行风险进行分类，如图4。

图4 民用机场运行安全风险部门分类图Fig.4 Classification of civil airport operation safety risk by departments

2.2 民用机场运行安全预警指标体系构建

基于民用机场运行安全风险进行分类分析基础上，本文建立多维可扩充的民用机场安全风险预警指标体系。其中单预警指标19项，综合预警指标15项。单指标为指标预警，用以发现显性问题。综合指标为因素预警，用以发现隐形问题，如图5。其中，指标具体含义，见表1、2。民用机场安全风险预警指标体系中，单指标数据依据各个部门安全例会汇报数据得到。综合预警数据通过包括业务主管(5名)、业务骨干(20名)、随机抽取的普通职工(20名)及工会部门人员(5名)组成的50名评分小组打分得到，并按照I级(一级预警，高度危险)、II级(二级预警，较大危险)、III级(三级预警，一般危险)、IV级(四级预警，正常)统计票数，从而得到每项综合指标的隶属度，最终确定机场综合预警指标数值。例如，对于“生理因素”综合指标得到的50人判断数据如下：I级12票，II级25票，III级10票，IV级3票，则“生理因素”综合指标的隶属度为：[0.24，0.50，0.20，0.06]。其中综合预警的权重值通过9分值的比较权重矩阵得到。

图5 民用机场运行安全预警指标体系Fig.5 Operation safety early warning index system of civil airport

2.3 民用机场运行安全综合预警计算

民用机场运行安全综合预警是通过多层级模糊评价进行。机场安全综合预警指标体系分为3层，其评价次序是先进行第二层评价，再进行第一层评价，第三层是按照2.1节介绍的内容通过数据采集得到。

根据权重及第三层模糊评价集有第二层模糊评价集=权重×模糊综合评价矩阵：

Z

=

W

×

R

=(

Z

Z

Z

Z

)，

i

=1,2,3,4

(1)

式中：

Z

—分级指标隶属度；

W

—指标权重；

R

—三级指标隶属度。

例如，某次预警过程中，对于三级指标生理因素的隶属度为：[0.24,0.50,0.20,0.06]，心理因素的隶属度为：[0.20,0.45,0.20,0.15]，技术因素的隶属度为：[0.18,0.50,0.20,0.12]，则安全可靠性指标隶属度：

Z

=(0.198 6 0.489 5 0.200 0 0.111 9)

(2)

同理，保障过程的环境安全性指标隶属度：

Z

=(0.204 0 0.442 0 0.258 0 0.096 0)

(3)

安全管理有效性的指标隶属度：

Z

=(0.190 1 0.486 1 0.203 2 0.120 6)

(4)

机(物)的安全可靠性指标隶属度：

Z

=(0.166 8 0.425 4 0.259 4 0.148 4)

(5)

因此，该机场综合指标模糊评价集

A

：

A

=

W

×

Z

=(0.27 0.25 0.35 0.13)×

=(0.192 8 0.468 1 0.223 3 0.115 7)

(6)

对评价结果处理采取最大隶属度原则，取模糊集合中最大的数字所对应的等级为最终综合预警等级结果。本例中0.468 1该值最大，所以该机场当前综合预警等级应为II级(二级预警，较大危险)。

表1 民用机场运行安全风险预警综合指标描述Tab.1 Comprehensive index description of safety risk early warning for civil airport operation

表2 民用机场运行安全风险预警单指标描述Tab.2 Index description of safety risk early warning sheet for civil airport operation

2.4 民用机场运行安全单指标预警计算

民用机场运行安全单指标预警主要是根据统计分析数据得到。一般情况下，企业伤亡事故发生次数概率分布服从泊松分布，泊松分布的数学期望和方差为

λ

。当置信度取90%时，求得机场运行安全单指标预警的上限

U

为：

(6)

下限

L

为：

(7)

其中

μ

为均值。由此得出触发单指标预警的几种情形：(a)代表个别数据点超出上限；(b)代表连续数据点在均值以上；(c)代表多个数据点连续上升；(d)代表大多数数据点在均值以上，如图6。

图6 民用机场运行安全单指标预警触发的情形Fig.6 Situation triggered by single indicator earlywarning of civil airport operation safety

2.5 民用机场运行安全风险预警信号输出

民用机场运行安全风险预警为混合预警，即单指标预警周期与机场不安全事件统计上报时间同步，并实时跟踪；综合预警周期分为2种：一种是由单指标预警触发，当单指标预警信号被触发时，综合预警分析被触发；另外一种是由机场安全委员会商讨确定，一般每月进行一次。

本文在研究中引入风向玫瑰图对预警信号进行综合预警可视化输出。根据人们应用习惯将颜色值域设定为：[0，0.25]是绿色，为正常状态；基本正常状态(0.25，0.5]是蓝色，为III级预警；低度危机状态(0.5，0.75]是黄色，为II级预警；危机状态(0.75，1]是红色，为I级预警，如图7。同时，以折线图对单指标预警信号进行输出，以“消防事件次数”预警指标输出为例，其预警信号输出，如图8。图8中显示该机场2019年9月消防预警输出，消防事件6次，均值为2.4，预警区间[-1.26，6.06]，接近上限，因此单指标预警触发。

图7 综合预警指标风向玫瑰输出图Fig.7 Wind rose output of comprehensive early warning index

3 结论

(1)系统总结民用机场运行安全风险分析、评价和预警之间的内在联系，即有效的安全预警是在对安全风险评价指标有针对性地选择并进行安全风险评价的结果上进行的。

图8 单指标预警信号折线输出图Fig.8 Broken line output of single indicator alarm signal

(2)建立多维可扩充民用机场安全风险混合预警指标体系，其中包含综合预警指标15项，单预警指标19项，给出各个指标参考权重，并确立预警准则。

(3)企业实际应用表明，安全风险混合预警方法能够发现机场运行中显性和隐形安全问题，并及时提供报警输出，具有较好的实用性。该模型方法对于其他行业同样具有借鉴意义。