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3 收稿日期: 2007 - 12 - 27
作者簡(jiǎn)介: 王洪德,教授,博士,從事系統(tǒng)可靠性工程、安全評(píng)價(jià)、
災(zāi)害預(yù)防處理等研究,hongde @djtu. edu. cn。
文章編號(hào): 100926094 (2008) 0420139205
基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的民航
機(jī)場(chǎng)安全預(yù)警研究
3
王洪德, 潘　科
(大連交通大學(xué)土木與安全工程學(xué)院,遼寧大連116028)
摘　要: 在完善、改進(jìn)已有民航機(jī)場(chǎng)安全預(yù)警指標(biāo)體系及其指標(biāo)值的
基礎(chǔ)上,突破民航機(jī)場(chǎng)傳統(tǒng)的危險(xiǎn)預(yù)警模式,建立基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
的民航機(jī)場(chǎng)安全預(yù)警模型。采用SPSS 主成分分析法對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行
預(yù)處理,基于MATLAB 軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練與檢測(cè),從而實(shí)現(xiàn)安
全預(yù)警。研究表明此模型是可行有效的,可為研究機(jī)場(chǎng)安全預(yù)警問(wèn)題
提供新的思路和方法。
關(guān)鍵詞: 安全管理工程; 民航機(jī)場(chǎng); BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò); 安全預(yù)警
中圖分類號(hào): X91314 　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
0 　引　言
民航機(jī)場(chǎng)是我國(guó)空中交通的重要基礎(chǔ)設(shè)施,通常包括供
航空器起飛和著陸滑行的飛行區(qū)、供航空器上下客貨郵件的
運(yùn)輸區(qū)(航站區(qū)) 、供航空器維護(hù)修理的機(jī)務(wù)維修區(qū)等。機(jī)場(chǎng)
安全通常包括航空器的安全起降和對(duì)機(jī)場(chǎng)設(shè)施的安全保障,
這也是民航機(jī)場(chǎng)在正常情況下應(yīng)發(fā)揮的重要功能。然而,由
于多種原因,民航機(jī)場(chǎng)事故的發(fā)生難以避免。中國(guó)民航近10
年(1996 —2005) 共發(fā)生運(yùn)輸飛行事故9 起,其中重大以上飛行
事故7 起; 共發(fā)生1 147 起飛行事故征候,其中運(yùn)輸飛行事故
征候1 040 起。對(duì)事故的調(diào)查表明,機(jī)組原因、機(jī)械/ 機(jī)務(wù)是事
故發(fā)生的主要原因。而從事故征候種類統(tǒng)計(jì)看,1996 —2005
年鳥(niǎo)擊(282 起) 、空中停車(256 起) 、偏出/ 沖出跑道/ 場(chǎng)外接
地(80 起) 所占的比重較大,分別占2416 %、2213 %和710 %[1 ] 。
因此,如果飛行的自然環(huán)境和人工環(huán)境良好,機(jī)場(chǎng)的應(yīng)急援救
設(shè)施完善、組織工作嚴(yán)密有序,很多事故的發(fā)生是可以挽救或
避免的。
羅帆等[2 ]在民航機(jī)場(chǎng)安全預(yù)警的管理組織等方面進(jìn)行了
專門研究,并提出了相應(yīng)的預(yù)警指標(biāo)及模型。本文引入BP 網(wǎng)
絡(luò)對(duì)民航機(jī)場(chǎng)安全預(yù)警進(jìn)行研究,以改進(jìn)現(xiàn)有預(yù)警方法和模
型存在的欠缺,使民航機(jī)場(chǎng)安全預(yù)警研究更加完善,從而提高
預(yù)警結(jié)果的全面性和準(zhǔn)確性。
1 　民航機(jī)場(chǎng)安全預(yù)警指標(biāo)體系的建立
111 　民航機(jī)場(chǎng)安全預(yù)警指標(biāo)體系分類
機(jī)場(chǎng)安全預(yù)警指標(biāo)體系由4 個(gè)模塊、共35 項(xiàng)構(gòu)成,包括
行為人因素預(yù)警指標(biāo)6 項(xiàng),機(jī)務(wù)因素預(yù)警指標(biāo)6 項(xiàng),環(huán)境因素
預(yù)警指標(biāo)9 項(xiàng)和管理因素預(yù)警指標(biāo)14 項(xiàng),如表1 所示[2 ] 。其
中,環(huán)境因素預(yù)警指標(biāo)并非反映機(jī)場(chǎng)自身問(wèn)題,但從機(jī)場(chǎng)角度
監(jiān)測(cè)或識(shí)別這些指標(biāo),既有利于機(jī)場(chǎng)預(yù)警指標(biāo)體系的完整性,
又有利于對(duì)航空公司和空管預(yù)警系統(tǒng)的支持。根據(jù)指標(biāo)的重
要程度及在預(yù)警中的作用,可將其分為敏感預(yù)警指標(biāo)、重要預(yù)
警指標(biāo)和輔助指標(biāo),在表1 中分別用數(shù)字1、2、3 對(duì)應(yīng)表示。
112 　民航機(jī)場(chǎng)安全預(yù)警指標(biāo)的量化與測(cè)評(píng)
民航機(jī)場(chǎng)安全預(yù)警指標(biāo)體系的建立應(yīng)盡可能實(shí)現(xiàn)預(yù)警信
息的定量化、條理化和可操作化,使預(yù)警指標(biāo)體系真正反映機(jī)
場(chǎng)所面臨危險(xiǎn)的實(shí)際情況。為簡(jiǎn)化計(jì)算,引用上述預(yù)警評(píng)價(jià)
指標(biāo)中的全部敏感預(yù)警指標(biāo)和部分重要預(yù)警指標(biāo),確認(rèn)BP
網(wǎng)絡(luò)模型的輸入結(jié)點(diǎn),并給出相應(yīng)值域范圍,如表2 所示。基
于所確定的值域范圍實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模擬,詳見(jiàn)表3[3 ] 。
2 　基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的民航機(jī)場(chǎng)安全預(yù)警系統(tǒng)的建
立及應(yīng)用
211 　基于BP 網(wǎng)絡(luò)的民航機(jī)場(chǎng)安全預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建
由于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力和非線
性處理能力[4 - 6 ] ,因此可以將其運(yùn)用到民航機(jī)場(chǎng)安全預(yù)警研
究中。在預(yù)警數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上,安排專家的知識(shí)系統(tǒng)讓其學(xué)
習(xí),進(jìn)而建立一個(gè)完整的基于BP 網(wǎng)絡(luò)的民航機(jī)場(chǎng)安全預(yù)警
系統(tǒng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。
212 　基于BP 網(wǎng)絡(luò)的民航機(jī)場(chǎng)安全預(yù)警模型的驗(yàn)證
根據(jù)表2 和3 共模擬了18 個(gè)指標(biāo)的12 組數(shù)據(jù)以建立所
需的BP 網(wǎng)絡(luò)預(yù)警模型,并經(jīng)SPSS 主成分分析軟件簡(jiǎn)化,簡(jiǎn)化
后的指標(biāo)見(jiàn)表4。有兩點(diǎn)需要注明:
1) 對(duì)于主觀指標(biāo)可以采用專家打分法進(jìn)行量化,該方法
的優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)單、易懂、節(jié)約時(shí)間,但一般要求專家的人數(shù)不
能太少;
2) 一般來(lái)說(shuō),對(duì)于某些定量指標(biāo),期望它們的取值越大越
好,這類指標(biāo)稱為極大型指標(biāo); 而對(duì)于另一類指標(biāo),期望它們
的取值越小越好,這類指標(biāo)就稱為極小型指標(biāo)。
本文選擇簡(jiǎn)化后預(yù)警指標(biāo)體系的10 項(xiàng)指標(biāo)作為BP 模型
的輸入節(jié)點(diǎn),并對(duì)原始的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,以降低各
影響因素指標(biāo)值在相對(duì)值空間上的距離。若Mj = max
i
{ xij} ,
mj = min
i
{ xij} ,則
x′ij = ( xij - mj) / ( Mj - mj) (1)
式中　xij為原始數(shù)據(jù); x′ij ∈[0 ,1 ]為歸一化后的無(wú)量綱指標(biāo)。
歸一化結(jié)果[5 ,7 ]見(jiàn)表4。
對(duì)于BP 網(wǎng)絡(luò),其核心和難點(diǎn)是隱含層單元數(shù)的確定。一
般可考慮開(kāi)始時(shí)放入較少的隱含層單元,學(xué)習(xí)一定次數(shù)后如
圖1 　基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的民航機(jī)場(chǎng)安全預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
Fig. 1 　System structure of the security early warning
of civil aviation airport based on BP network
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第8 卷第4 期
2008 年8 月
　　　　　　　　　　　　　　
安全與環(huán)境學(xué)報(bào)
Journal of Safety and Environment
　　　　　　　　　　　　　　
Vol. 8 　No. 4
　Aug , 2008
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未成功,再逐步增加隱含層單元數(shù); 也可以先增加足夠的隱
含層單元,而后把學(xué)習(xí)中作用不大的連接權(quán)和隱含層單元?jiǎng)h
去,這種方式可以確定最佳的隱單元數(shù),但比較耗時(shí)。本文采
　
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