空中交通管制安全风险预警决策模式探讨

韩镕骏

民航江苏空管局，江苏南京，211000

0 引言

空中交通管制的主要目的是维护空中交通服务和流量管理，防止航空器发生碰撞而造成重大安全事故，实现空域交通有序流动。区别于地面交通管理，空中交通事故影响因素多、管理难度大，一旦出现空中交通事故将造成严重、恶劣的社会影响。随着我国航空器数量不断增长，航空器飞行间距缩小，飞行错高度层、无线通信干扰等问题频发，导致航空器空中相撞风险不断上升，被动的反馈式空中交通模式已难以适应当前空中交通管制安全管理要求。因此，有必要通过构建空中交通管制安全风险预警决策模型，实现空中交通管制由事后处理向事前预防的转变[1]。

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，针对空中管制安全风险预警，相关理论逐步完善，如合成指数、扩散指数等，基本形成了覆盖风险分析、风险评价、风险预警和风险控制的风险预警管理理论体系。罗帆、佘廉在《企业组织管理危机的早期诊断及预警管理》中指出，通过构建风险预警决策系统，能够实现风险因素识别、状态监测和风险预警，实现风险主动预防和主动控制[2]。在风险预警模式和系统设计方面，Peter等人详细阐述了欧洲空中交通管制风险评估方法，即采用系统化、结构化方法对空中交通管制风险进行评估、预警和决策。基于当前研究成果，空中交通管制安全风险预警机制主要集中在风险指标体系构建、风险阈值、风险监控方法等方面，其理论具有广泛适用性，但缺乏针对性，尤其是在空中交通管制安全风险决策领域针对性偏低，有必要构建符合空中交通管制安全风险特点的预警决策模型。

2 空中交通管制安全风险预警决策特点研究

由于空中交通管制安全风险预警与其他行业、领域存在显著差异，一旦发生安全风险，则可能造成严重生命财产损失和社会不良影响，因此，有必要分析空中交通管制安全风险预警决策特点，并深入研究决策要素作用机理。

2.1 空中交通管制安全风险预警决策特点分析

空中交通管制安全风险预警决策是以预警理论为基础，从管理角度探讨如何采用预防、控制手段防范安全风险因素发展的理论。相对于常规的安全风险管理理论研究重点在于风险识别、风险监控、风险预警等方面而言，空中交通管制安全风险预警决策理论的特点主要体现在三个方面[3]。

2.1.1 风险因素识别与风险事故的匹配性

相较于常规安全风险管理强调风险因素识别的全面性，空中交通管制安全风险预警决策理论既要防止因风险指标过少造成安全风险分析不准确、不全面导致漏警现象出现，还应当避免风险指标过多造成安全风险预警维数灾难，确保空中交通管制安全风险预警指标能够与风险事故状态相匹配。

2.1.2 安全风险评估方法特殊性

由于安全风险指标种类较多，由此导致安全风险指标评估方法与安全风险预警决策适应性问题。由于安全风险预警评价方法较多，如何确保指标特征和安全风险预警决策需求匹配，是空中交通管制安全风险预警决策体系的关键。

2.1.3 安全风险预警指标阈值问题

安全风险预警指标阈值直接关系到风险指标预警输出，其阈值设置合理性直接关系到安全风险预警结果的准确性，如阈值设置过低，则可能引发安全风险预警“虚警”现象频发，过高则可能造成安全风险上升，因此，合理设置安全风险指标阈值是安全风险预警体系的关键[4]。

2.2 空中交通管制安全风险预警决策作用机理

通过研究空中交通管制安全风险预警决策体系面临的关键性问题，不难发现空中交通管制安全风险预警决策体系既要避免“虚警”问题，同时还要防范“漏警”问题。为确保安全风险预警作用机理可采用模式识别理论进行故障特征诊断描述，根据模式识别理论，假设待测系统指标集为x，u1为无故障假设，u2为故障假设，其类别先验概率分别为P(u1)和P(u2)，则无故障假设概率可表示为P(x|u1)，故障概率可表示为P(x|u2)。通过采用错误率贝斯也最优决策方法，假设决策阈值为T，则无故障输出可表示为R1，故障预警输出可表示为R2。根据上述假设，无故障输出和故障预警输出存在两个交叉区域，即当指标特征分布在u1区域，但x位于R2区域内，此时预警系统出现“虚警”现象（FAR），可表示为：

当指标特征分布在u2区域时，且x位于R1区域内时，则安全风险预警系统出现“漏警”现象，漏警率（FDR）可表示为：

根据空中交通管制安全风险预警体系两种故障问题，当采用单一决策阈值T进行预测调整，如提高检测率，则可能导致虚警率上升，反之降低虚警率则可能导致检测率下降，因此，针对虚警率和检测率矛盾问题，应系统性构建空中交通管制安全风险决策模式才能提高安全风险预警准确率，避免出现虚警、漏警等问题。

3 空中交通管制安全风险预警决策模式研究

针对空中交通管制安全风险预警体系面临的“漏警”和“虚警”问题，可引入安全风险预警决策模式，即在现代决策技术支持下，通过在数据采集、风险监控、状态诊断、预警信号输出等环节进行风险指标重构、指标阈值确定和诊断方法优选，提高空中交通管制安全风险预警体系准确性。

3.1 空中交通管制安全风险预警决策体系目标

空中交通管制安全风险预警决策模式是指对待测空中交通管制系统中安全风险指标进行科学预警和决策，以此提高预警系统准确性和安全性，达到防范和控制安全风险的目的。在安全风险预警决策模式下，空中交通管制预警部门依据安全管理目标确定预警监测对象，广泛搜集、识别安全风险指标和状态数据，并对已识别的指标特征进行分析、选择和优化，其目的是找出最为显著的安全事故风险致因，通过重点监控风险致因，改善因安全风险指标过多导致监控资源浪费等问题。同时，风险预警决策模式下，通过设置合理的安全风险预警指标阈值，以优选决策器对指标阈值进行确定和检验，确保空中交通管制安全风险预警与空中交通管制安全管理实际相符[5]。

3.2 安全风险预警决策模式应用

安全风险预警决策模式包括指标风险状态识别与匹配、指标冗余度判定决策、指标发展趋势与预警方法决策、指标阈值界定等环节。

3.2.1 指标风险状态识别与匹配

空中交通管制安全风险指标搜集、识别和选择应围绕安全风险指标特征与空中交通管制安全管理的适应性，确保指标选择与安全管理相匹配。由于空中交通管制安全风险指标具有复杂性、多态性，为避免风险指标选择过多或过少造成“漏警”“虚警”等问题，可采用Shannon熵表示指标不确定性H，可表示为：

式中，n为安全风险指标类别；P(xi)为指标状态先验概率分布；H(x)为指标选择过程中需要识别的信息容量。指标识别、选择后，安全风险预警后验熵为指标风险状态类别具有的不确定性，可表示为：

根据后验熵，可对指标相对风险状态的不确定性进行测量，即对比指标xi可观测到风险状态的不确定性差值，判断指标与风险类别之间的关联程度，并以此作为指标风险特征信息量和风险特征信息特征。根据该方法，指标不确定性差值越小，则表明指标特征信息质量较差，能够提供的风险分类信息越少，可能导致虚警率增加。反之，当不确定性差值越大时，则虚警率下降。

结合上述思路，在空中交通管制安全风险预警决策模式下，指标识别、选择和确定应尽量选择不确定性信息质量好的指标，改善指标与空中交通管制安全风险预警体系不适应、不匹配问题。

3.2.2 指标冗余度判定决策

指标冗余度决策即对安全风险指标风险状态维数进行划分。由于空中交通管制安全风险指标具有复杂性、多态性，在有限样本情况下，指标特征维数越多，安全风险预警体系越复杂，对输出结果影响越大，当特征维数超过限制后，个别指标为特征维数变化可能引发“虚警”和“漏警”问题，因此，在指标特征维数评估和监测时，应将冗余状态剔除、合并，以此提高指标状态判断的准确性，降低系统负载。结合该思路，假设指标特征集为Y，特征yi∈Y，Si∈Y-{xi}，风险状态集为u，则假设指标特征Fi为非相关特征，当S'Si时，则P(u│Si,Si')=P(u|Si')。当P(u│Si)=P(u│Si-{Yi})时，即指标特征Fi属于冗余特征维数S，Y-{xi}中已包括该冗余状态信息，可将该冗余特征去除或合并。

针对指标特征冗余度进行度量时，可通过冗余度占比进行评价。即必要特征与冗余特征之和与特征集维数之比确定，当特征冗余度越低时，表明指标特征冗余度越小，指标特征与安全风险预警输出结果的相关性越高，反之则表明指标特征冗余度偏高，指标特征与预警输出结果相关性越低，预警准确度下降，可能出现虚警、漏警等问题的风险增大[6-7]。

3.2.3 指标发展趋势与预警方法决策

指标发展趋势与预警方法决策是为解决安全风险预警中指标监测方法适应性问题提出的决策方法，是确定预警信号等级的关键环节，即安全风险指标状态诊断决策器。由于安全风险预警分析方法多样且实现方法存在显著差异，决策器选择和应用直接影响空中交通管制安全风险特点匹配性和风险预警结果准确性，当决策器与空中交通管制安全风险特点不匹配时，可能导致安全风险预警结果错误率上升，从而增加虚警率和漏警率，因此，应在指标发展趋势监测和预警方法选择中引入决策模式，即采用数学模型对预警方法进行比较和匹配性判断。假设决策器为f，与f匹配的特征为xi，且xi∈x，则采用决策器f产生的诊断错误率e可表示为：e=minf(x)，当e值越小时，代表该预警方法准确性越高，指标特征与决策器匹配度越高，安全风险预警方法越好，反之则表明预警方法与空中交通管制安全风险指标匹配度越低，方法适用性越差。

3.2.4 指标阈值界定

指标阈值界定即对风险指标状态程度进行确定。由于安全风险预警体系中预警结果输出基于指标风险状态评价，而指标风险状态分类则依赖于指标状态阈值确定，即指标状态超出风险阈值时系统触发告警。指标阈值确定时，可根据指标状态、量程、类型、危险程度等性质进行确定，并通过系统试验方法联动调整优化，以此提高指标阈值设置的合理性[8-9]。

4 结语

新时期背景下，随着我国航空器数量、架次不断增加，空中交通管制复杂性增大，安全风险上升，通过深入研究空中交通管制安全风险预警决策方法，可将风险预警理论应用于空中交通管制实践，科学优化空中交通管制安全风险预警系统，提高空中交通管制安全风险预警准确性、安全性，降低空中交通事故发生风险，有效解决空中交通管制安全风险预警系统存在的漏警、虚警等问题。结合本文研究结论，在空中交通管制安全风险预警中引入决策方法，应从指标识别、指标状态冗余度分析、预警方法与指标特征匹配度、指标阈值设置等方面着手，通过不断优化调整，提高空中交通管制安全风险预警系统准确性。