一种基于灰色系统理论的空管安全文化评价方法

1.本发明属于空中交通安全领域，具体涉及一种基于灰色系统理论的空管安全文化评价方法。


背景技术：

2.安全是航空运输的前提。为保障空中交通安全，空管单位已建设先进的自动化系统导航监视设备提高了物的安全状态，但仍存在不安全事件发生如管理失误和人因失误。安全管理采用强制性的手段约束和控制人的行为，有效减少了不安全事件的发生，但安全管理依赖于对人员的监督，人的参与度和积极性不高。而安全文化弥补了安全管理上的不足，安全文化以人为本注重教育和引导领导层及员工层形成自觉的行为规范，以保障空中交通安全。
3.现阶段空管安全研究集中在设备、安全管理和风险评估，空管安全文化理论和评价方法尚缺。安全文化具有模糊抽象性的特点，评价较为困难，当前安全文化评价工作基本采用模糊综合评价法对安全文化静态指标进行评价，方法较为简单，且没有考虑空管内具体指标的动态发展过程及演进规律。
4.因此空管安全文化评价重点在于如何将安全文化的横向指标和纵向演进规律相结合，并通过合理的评价方法对其进行有效的评价，以确定空管安全文化的水平、上升的层面以及实施的路线或改善的措施是一个关键问题。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于灰色系统理论的空管安全文化评价方法，该方法以空管安全文化为基础，结合空管安全文化指标量化模型，并基于白化权等级隶属度建立灰色关联评价模型，为量化评估空管安全文化水平奠定技术基础，为提高人员安全意识、降低不安全事故征候率及空管安全文化改进方向提供重要实际价值。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于灰色系统理论的空管安全文化评价方法，其特征在于，将安全文化横向静态指标和纵向演进规律相结合，建立一套适合中国空管安全文化水平评价的方法，该方法包括以下三个阶段：
7.第一阶段：空管安全文化分析，该阶段具体包括以下步骤：
8.s101、确定安全文化，确定空管安全文化，确定空管安全文化的内涵、外延、特点、作用和指标；
9.s102、结合空管发展体制和安全管理阶段确定空管安全文化动态发展历程及不同阶段发展特征；
10.s103、确定安全文化指标静态和动态发展阶段的内在机制及两者之间的关系，建立空管安全文化等级模型；
11.第二阶段：空管安全文化指标量化阶段，该阶段具体包括以下步骤：
12.s201、基于问卷调查、访谈以及文献查阅的方式设计空管安全文化指标量表；
13.s202、量表数据的获取；
14.s203、独立性检验；
15.s204、相关性分析；
16.s205、信度分析；
17.s206、效度分析；
18.s207、探索性因子分析；
19.s208、基于最大方差旋转法优化量表；
20.第三阶段：空管安全文化水平评价阶段，该阶段具体包括以下步骤：
21.s301、改进基于均值和标准差的灰色白化权函数；
22.s302、建立改进后的安全文化等级白化权函数；
23.s303、建立灰色关联评价模型。
24.优选地，所述s203具体包括以下内容：独立样本的独立性检验(t检验)具体是为了检验量表各题项是否具有统计学意义，将各样本的总分相加，样本前后27％定义为高低分组，对52个题项进行独立性检验如式(1)所示：
[0025][0026]
式(1)中，为样本题项均值，n1，n2为两样本题项个数，s
12
，s
22
为题项方差；
[0027]
所述s204具体包括以下内容：通过相关系数法确定量表与各题项的相关性程度，相关性分析如式(2)所示：
[0028][0029]
式(2)中，为两样本均值j＝(1,2
…
n)；n为题项个数；
[0030]
所述s205具体包括以下内容：通过信度反映量表数据的可靠性，采用α系数法如式(3)所示：
[0031][0032]
式(3中)，n为题项数；σ
j
为第j题项方差；σ2为总体题项方差；
[0033]
所述s206具体包括以下内容：效度能客观反应事物的准确性和可靠性，效度分析能用来研究量表数据是否具有良好的结构水平，效度分析采用kmo即比较变量间相关系数和偏相关系数的大小来实现，如式(4)所示：
[0034][0035]
式(4)中，r
zj
为两个变量的相关系数；r
zjk
为偏相关系数。
[0036]
优选地，所述s207具体包括以下内容：使用主成分分析法实现探索性因子分析，主成分分析法是将原有一定相关性的题项进行重新组合，删除重复信息并确定主成分及对应题项，采用限定因素个数的方法保留8个指标，具体步骤为：
[0037]
s2071、计算各变量之间的相关系数矩阵r，相关系数计算如式(2)所示；
[0038]
s2072、根据相关系数矩阵求出λ
j
个特征值，及其对应的特征向量e
j
，j＝(1,2...n)如式(5)所示
[0039]
|λi
‑
r|＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式(5)
[0040]
s2073、计算贡献率如式(6)所示，计算累计贡献率如式(7)所示：
[0041][0042][0043]
s2074、计算载荷矩阵a如式(8)所示
[0044][0045]
优选地，所述s301具体包括以下内容：通过每个指标的均值和标准差来定量确定白化权函数的阈值，平均值反映数据的平均水平，标准差反映数据离散程度，根据中心极限定理，大量随机变量近似服从正态分布的条件，空管安全文化量表确定的指标服从正态分布，设各指标的指标值x服从均值标准差σ的正态分布，由正态分布的3σ原则可知，数值在(μ
‑
σ,μ+σ)内的概率为0.6826，即p{|x
‑
u|≤σ}≈0.6826，同理p{|x
‑
u|≤2σ}≈0.9544，p{|x
‑
u|≤3σ}≈0.9974，可得，数值在(μ
‑
3σ,μ+3σ)内的概率最大，超出的概率不到0.3％，为小概率事件，故将其作为白化权函数的整体阈值区间；
[0046]
以安全文化水平的五个等级为灰类，用k(k＝1,2,3,4,5)表示，通过等距原则确定各式中白化权函数阈值，设置区间值在(μ
‑
3σ,μ+3σ)之间得出的结果存在范围超出最低和最高范围，通过实际数据进行验证，最终确定符合整体的区间为[1.072,3.782]及置信度为85％，通过式(9)
‑
(11)提出定量确定阈值：
[0047][0048][0049][0050]
优选地，所述s302包括以下内容：设评价对象为i(i＝1,2,
…
n)，评价指标为j(j＝1,2,
…
m)，安全文化水平等级k(k＝1,2,3,4,5)k＝1表示探索经验阶段，k＝2表示管理阶段，k＝3参与阶段，k＝4合作阶段，k＝5持续改进阶段，每个评价对象关于各评价指标的值用x
ij
表示，具体步骤为：
[0051]
s3021、确定白化权函数：f
j1
(x)、f
j2
(x)、f
j3
(x)、f
j4
(x)、f
j5
(x)分别为对应的五个灰类的白化权函数，其中，λ1、λ2、λ3、λ4、λ5分别为白化权函数的阈值，其值根据基于实际数据
由评价指标的均值和标准差定量确定，具体表达如式(12)
‑
(16)所示
[0052]
k＝1时，
[0053]
k＝2时，
[0054]
k＝3时，
[0055]
k＝4时，
[0056]
k＝5时，
[0057]
s3022、计算灰色聚类系数：
[0058]
第i个评价对象在第k个灰类的灰色系数σ
ik
如式(17)所示
[0059][0060]
式中，f
jk
(x
ij
)是评价对象i在评价指标k下属于灰类k的白化权函数，w
jk
为评价指标权重；
[0061]
s3023、评价指标权重的确定：使用熵权法确定评价指标权重，以指标的数据为依据，利用信息熵计算各指标的熵权，通过熵权对各指标的权重进行修正，从而得到较为客观的指标权重，具体步骤如下：
[0062]
s30231、对m个样本，j个指标，x
mj
为第m个样本的第j个指标的数值，构成矩阵
[0063]
x＝(x
mj
)
m
×
j
,(m＝1,2,...m；j＝1,2...j)
[0064]
通过式(18)对数据进行标准化处理：
[0065][0066]
s30232、计算第j项指标下第m个样本值占该指标的比重如式(19)所示
[0067][0068]
s30233、计算各指标熵值e
j
如式(20)所示
[0069][0070]
其中，当p
mj
＝0时，令p
mj
lnp
mj
＝0；
[0071]
s30234、计算各指标权重w
j
如式(21)所示
[0072][0073]
其中，
[0074]
优选地，所述s303具体包括以下步骤：
[0075]
s3031、设r
jk
为第j个评价指标在第k个灰类的灰色系数σ
jk
矩阵如式(22)所示
[0076][0077]
设z
ijk
＝r
jk
，第i个评价对象的第j项指标对于第k等级的白化权系数矩阵为z
ijk
，即z
ijk
＝[z
i1k
,z
i2k
,
…
z
imk
]；
[0078]
s3032、确定参考数据列：根据各指标最优和最劣值作为参考数据列，选取1作为参考序列，则z
ij0
＝[z
i10
,z
i20
,
…
z
im0
]＝(1,1,
…
1)为参考序列，z
ijk
＝[z
i1k
,z
i2k
,
…
z
imk
]为被比较序列；
[0079]
s3033、计算差序列并确定最大差和最小差序列：通过计算每个评价对象其评价指标的白化权系数序列与参考序列对于元素的绝对差值形成差序列，即|z
ij0
‑
z
ijk
|，i(i＝1,2,
…
n)，j(j＝1,2,
…
m)，求取差序列中的最大值和最小值，如式(23)和式(24)所示
[0080][0081]
[0082]
s3034、计算关联系数ξ如式(25)所示：
[0083][0084]
式中，为分辨系数，
[0085]
s3035、计算关联度γ如式(26)所示
[0086][0087]
本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0088]
1、本发明结合中国空管运行单位特征及实际情况，从安全文化静态指标和动态发展特征角度出发，总结了空管安全文化每个阶段的不同特征及两者之间的关系，并采用改进白化权的方法对安全文化定性等级定量化。建立了空管安全文化指标量化模型，通过数理统计法提高了安全文化指标选取的合理性。针对主成分分析法导致结果出现公共因子的典型代表变量不突出的问题，采用最大方差旋转法进行优化。最后采用灰色聚类和灰色关联相结合的方法对其进行评价。整体评价方法科学合理，实用性强，为空管安全提供了理论基础。
[0089]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
[0090]
图1是本发明的整体流程图。
[0091]
图2是本发明中空管安全文化指标量化模型流程图。
[0092]
图3是本发明中具体实施方式的安全文化发展流程。
[0093]
图4是本发明中具体实施方式的空管安全文化水平等级图。
具体实施方式
[0094]
如图1和图2所示，本发明将安全文化横向静态指标和纵向演进规律相结合，建立一套适合中国空管安全文化水平评价的方法，该方法包括以下三个阶段：
[0095]
第一阶段：空管安全文化分析，该阶段具体包括以下步骤：
[0096]
s101、确定安全文化，确定空管安全文化，确定空管安全文化的内涵、外延、特点、作用和指标；
[0097]
s102、结合空管发展体制和安全管理阶段确定空管安全文化动态发展历程及不同阶段发展特征；
[0098]
s103、确定安全文化指标静态和动态发展阶段的内在机制及两者之间的关系，建立空管安全文化等级模型；
[0099]
第二阶段：空管安全文化指标量化阶段，该阶段具体包括以下步骤：
[0100]
s201、基于问卷调查、访谈以及文献查阅的方式设计空管安全文化指标量表；
[0101]
s202、量表数据的获取；
[0102]
s203、独立性检验；
[0103]
s204、相关性分析；
[0104]
s205、信度分析；
[0105]
s206、效度分析；
[0106]
s207、探索性因子分析；
[0107]
s208、基于最大方差旋转法优化量表；
[0108]
第三阶段：空管安全文化水平评价阶段，该阶段具体包括以下步骤：
[0109]
s301、改进基于均值和标准差的灰色白化权函数；
[0110]
s302、建立改进后的安全文化等级白化权函数；
[0111]
s303、建立灰色关联评价模型。
[0112]
本实施例中，所述s203具体包括以下内容：独立样本的独立性检验(t检验)具体是为了检验量表各题项是否具有统计学意义，将各样本的总分相加，样本前后27％定义为高低分组，对52个题项进行独立性检验如式(1)所示：
[0113][0114]
式(1)中，为样本题项均值，n1，n2为两样本题项个数，s
12
，s
22
为题项方差；
[0115]
所述s204具体包括以下内容：通过相关系数法确定量表与各题项的相关性程度，相关性分析如式(2)所示：
[0116][0117]
式(2)中，为两样本均值j＝(1,2
…
n)；n为题项个数；
[0118]
所述s205具体包括以下内容：通过信度反映量表数据的可靠性，采用α系数法如式(3)所示：
[0119][0120]
式(3中)，n为题项数；σ
j
为第j题项方差；σ2为总体题项方差；
[0121]
所述s206具体包括以下内容：效度能客观反应事物的准确性和可靠性，效度分析能用来研究量表数据是否具有良好的结构水平，效度分析采用kmo即比较变量间相关系数和偏相关系数的大小来实现，如式(4)所示：
[0122][0123]
式(4)中，r
zj
为两个变量的相关系数；r
zjk
为偏相关系数。
[0124]
本实施例中，所述s207具体包括以下内容：使用主成分分析法实现探索性因子分析，主成分分析法是将原有一定相关性的题项进行重新组合，删除重复信息并确定主成分及对应题项，采用限定因素个数的方法保留8个指标，具体步骤为：
[0125]
s2071、计算各变量之间的相关系数矩阵r，相关系数计算如式(2)所示；
[0126]
s2072、根据相关系数矩阵求出λ
j
个特征值，及其对应的特征向量e
j
，j＝(1,2...n)如式(5)所示
[0127]
|λi
‑
r|＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式(5)
[0128]
s2073、计算贡献率如式(6)所示，计算累计贡献率如式(7)所示：
[0129][0130][0131]
s2074、计算载荷矩阵a如式(8)所示
[0132][0133]
本实施例中，所述s301具体包括以下内容：通过每个指标的均值和标准差来定量确定白化权函数的阈值，平均值反映数据的平均水平，标准差反映数据离散程度，根据中心极限定理，大量随机变量近似服从正态分布的条件，空管安全文化量表确定的指标服从正态分布，设各指标的指标值x服从均值标准差σ的正态分布，由正态分布的3σ原则可知，数值在(μ
‑
σ,μ+σ)内的概率为0.6826，即p{|x
‑
u|≤σ}≈0.6826，同理p{|x
‑
u|≤2σ}≈0.9544，p{|x
‑
u|≤3σ}≈0.9974，可得，数值在(μ
‑
3σ,μ+3σ)内的概率最大，超出的概率不到0.3％，为小概率事件，故将其作为白化权函数的整体阈值区间；
[0134]
以安全文化水平的五个等级为灰类，用k(k＝1,2,3,4,5)表示，通过等距原则确定各式中白化权函数阈值，设置区间值在(μ
‑
3σ,μ+3σ)之间得出的结果存在范围超出最低和最高范围，通过实际数据进行验证，最终确定符合整体的区间为[1.072,3.782]及置信度为85％，通过式(9)
‑
(11)提出定量确定阈值：
[0135][0136][0137][0138]
本实施例中，所述s302包括以下内容：设评价对象为i(i＝1,2,
…
n)，评价指标为j(j＝1,2,
…
m)，安全文化水平等级k(k＝1,2,3,4,5)k＝1表示探索经验阶段，k＝2表示管理阶段，k＝3参与阶段，k＝4合作阶段，k＝5持续改进阶段，每个评价对象关于各评价指标的值用x
ij
表示，具体步骤为：
[0139]
s3021、确定白化权函数：f
j1
(x)、f
j2
(x)、f
j3
(x)、f
j4
(x)、f
j5
(x)分别为对应的五个灰类的白化权函数，其中，λ1、λ2、λ3、λ4、λ5分别为白化权函数的阈值，其值根据基于实际数据由评价指标的均值和标准差定量确定，具体表达如式(12)
‑
(16)所示
[0140]
k＝1时，
[0141]
k＝2时，
[0142]
k＝3时，
[0143]
k＝4时，
[0144]
k＝5时，
[0145]
s3022、计算灰色聚类系数：
[0146]
第i个评价对象在第k个灰类的灰色系数σ
ik
如式(17)所示
[0147][0148]
式中，f
jk
(x
ij
)是评价对象i在评价指标k下属于灰类k的白化权函数，w
jk
为评价指标权重；
[0149]
s3023、评价指标权重的确定：使用熵权法确定评价指标权重，以指标的数据为依据，利用信息熵计算各指标的熵权，通过熵权对各指标的权重进行修正，从而得到较为客观的指标权重，具体步骤如下：
[0150]
s30231、对m个样本，j个指标，x
mj
为第m个样本的第j个指标的数值，构成矩阵
[0151]
x＝(x
mj
)
m
×
j
,(m＝1,2,...m；j＝1,2...j)
[0152]
通过式(18)对数据进行标准化处理：
[0153][0154]
s30232、计算第j项指标下第m个样本值占该指标的比重如式(19)所示
[0155][0156]
s30233、计算各指标熵值e
j
如式(20)所示
[0157][0158]
其中，当p
mj
＝0时，令p
mj
lnp
mj
＝0；
[0159]
s30234、计算各指标权重w
j
如式(21)所示
[0160][0161]
其中，
[0162]
本实施例中，所述s303具体包括以下步骤：
[0163]
s3031、设r
jk
为第j个评价指标在第k个灰类的灰色系数σ
jk
矩阵如式(22)所示
[0164][0165]
设z
ijk
＝r
jk
，第i个评价对象的第j项指标对于第k等级的白化权系数矩阵为z
ijk
，即z
ijk
＝[z
i1k
,z
i2k
,
…
z
imk
]；
[0166]
s3032、确定参考数据列：根据各指标最优和最劣值作为参考数据列，选取1作为参考序列，则z
ij0
＝[z
i10
,z
i20
,
…
z
im0
]＝(1,1,
…
1)为参考序列，z
ijk
＝[z
i1k
,z
i2k
,
…
z
imk
]为被比较序列；
[0167]
s3033、计算差序列并确定最大差和最小差序列：通过计算每个评价对象其评价指标的白化权系数序列与参考序列对于元素的绝对差值形成差序列，即|z
ij0
‑
z
ijk
|，i(i＝1,2,
…
n)，j(j＝1,2,
…
m)，求取差序列中的最大值和最小值，如式(23)和式(24)所示
[0168][0169][0170]
s3034、计算关联系数ξ如式(25)所示：
[0171][0172]
式中，为分辨系数，
[0173]
s3035、计算关联度γ如式(26)所示
[0174][0175]
以具体案例举例说明：
[0176]
(1)安全文化的发展
[0177]
美国三哩岛核泄漏事故和切尔诺贝利核电站事故指出事故发生的根本原因是人的不安全行为，并表明安全文化理念的出现对于减少由于人为因素而导致不安全事件发生的频率具有重要作用。随后，安全文化发展流程如图3所示。
[0178]
基于安全文化、空管安全文化内涵、特点、作用以及规章制度中的指标，确定空管安全文化指标为沟通交流的及时有效性、学习的自主性、自愿报告事件意愿、奖惩制度满意程度、与安全相关行为因素、安全管理承诺落实程度、政治责任和社会环境。然后根据空管安全管理和发展历程等，将空管安全文化水平划分为5个等级如图4所示。
[0179]
空管安全文化水平等级特征如表1所示：
[0180]
表1空管安全文化水平等级特征
[0181][0182]
最后，以安全文化指标作为关键域，安全文化水平等级作为关键域的度量，以此为基础建立两者之间的关系如表2所示。安全文化等级的定性描述具有一定的主观性，因此后续加入了改进白化权函数量化分析。
[0183]
表2空管安全文化指标和安全文化水平等级关系
[0184]
[0185]
[0186][0187]
(2)安全文化指标量化结果：
[0188]
利用spss24对主成分分析结果进行最大正交方差旋转，经过14次迭代后收敛。最终旋转后的矩阵结果如表3所示。以题项的载荷值0.4为界线，删除不符合要求的题项h4、c1、d2、e8，最终正式空管安全文化量表保留了45个题项。根据公式3计算各指标的α信度系数，结果如表3所示。总体量表的信度为0.741。
[0189]
表3因子载荷旋转后的成分矩阵
[0190]
[0191][0192]
总方差解释率结果如表4所示。空中交通管制组织安全文化量表的累计方差贡献率为55.048％，满足50％的要求。该量表具有较好的结构水平。
[0193]
表4总方差解释率
[0194][0195]
(3)灰色白化权聚类
[0196]
以总体样本安全文化8个指标为例，等级聚类如下表5所示
[0197]
表5总体样本指标聚类系数
[0198][0199]
华北空管局、东北空管局、华东空管局、中南空管局、西南空管局和新疆空管局安全文化各指标聚类系数流程如上。
[0200]
以灰色白化权隶属度为依据，对安全文化水平等级进行评价。总体样本安全文化各指标灰色关联评价结果如下表6所示。
[0201]
表6总体样本安全文化各指标灰色关联度及评价结果
[0202][0203]
各空管局安全文化灰色关联评价结果整理如下表7所示：
[0204]
表7各空管局安全文化灰色关联度及评价结果
[0205][0206]
通过具体的实例分析，总体样本沟通交流的及时有效性、奖惩制度满意程度和政治责任指标处于第二等级即管理阶段；学习的自主性、自愿报告事件意愿、与安全相关行为因素和安全管理承诺落实程度指标处于第三等级参与阶段；社会环境指标处于第四等级合作阶段。东北空管局和新疆空管局安全文化处于管理阶段，安全文化建设已完成了从探索经验阶段到管理阶段，大部分员工受规章制度的约束处于被动状态。华北空管局、华东空管局、中南空管局和西南空管局安全文化已发展到参与阶段，空管单位提供了良好的安全氛围员工愿意参与各项安全培训等教育活动，但人员的安全意识和自觉性有待进一步的提高。
[0207]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。