民航中南地区空中交通管理局 广东广州 510403
摘要
近年来我国民航运输的持续高速发展,不仅极大地激活了航空需求,也导致飞行流量的迅猛增长，管制员的工作负荷也因此增加。通过增开管制扇区,将空中交通适当分配给多名管制员负责,并加强扇区间的协调配合,可有效减轻管制员工作负担、提高飞行安全。本文针对飞行流量、管制员工作负荷、以及扇区容量等情况,对扇区划分进行了优化和评估。既能有效减小因飞行流量的逐渐增加所带来的拥塞和延误,又能一定程度上减轻管制员工作负荷,确保了飞行安全。
关键词：空域结构；飞行流量；扇区优化；国内外研究现状
引言
空域管理部门通常将空域划分为若干个扇区,每个扇区设立一个管制席位,进行空中交通的指挥和协调工作。随着空中交通流量的不断增加,在一些空域中时常会出现管制工作负荷超出管制员所能承受的程度的情况,对飞行安全带来非常不利影响。因此,如何科学、合理和有效地规划,使各扇区的管制工作负荷尽可能的均衡,成为国际空域管理领域的一个重要课题。使各个扇区的流量尽可能的均衡,旨在减轻管制员工作符合，保证空中交通的安全、高效,具有重要意义。
1管制扇区相关概念
航空器在整个飞行过程中由以下这三个管制单位来分别管制：
（1）机场管制塔台（Tower,TWR)塔台为在机场范围内，起落航线上（半径不超过25海里）的飞行提供管制服务，这个区域内主要使用目视飞行规则，管制的对象多半是目视可见的飞机。
（2）进近管制室(Approach,APP)或终端控制中心(Terminal Control Center,TMC) 进近或终端控制中心，为按仪表飞行规则在仪表气象条件下起飞或降落的航空器提供管制服务。
（3）区域管制中心（Area Control Center,ACC）区域管制中心对进入航路（航线）的航空器提供空中交通管制服务。
以上这些管制单位之间的控制范围划分不是硬性的，在有利于空中交通的情况下，可以做一些灵活的调整。此外在航班稠密的地方和稀疏的地方，这些机构的组成也不同。在交通稀少的机场，一般不设置进近管制室，进近管制服务可以由机场管制塔台或区域管制中心来提供。而在繁忙的空域，由于交通流量复杂，航路航线复杂，空中交通管制的任务将更加繁重，且单个管制员的工作负荷能力有限（一般一个很优秀的管制员最多能同时为15架飞机提供空中交通管制服务），为了保证空中交通的安全，提高飞行效率和空域利用率，将一个管制中心分为多个扇面，每个扇面都分配一个管制席位，每个管制席位由两名管制员组成的管制小组负责，管制员负责监视扇面内的飞行活动，为每个航空器提供其他航空器的即时信息和动态（他们将要运动的方向和变化），根据这些信息确定各个航空器之间的相对位置，发出管制许可来保证在控制区域内各个航班的间隔和避免该扇面内的飞行冲突，从而保证飞行安全，促进空中交通的流畅运行。
2 扇区划分数量计算
根据管制员的平均工作负荷强度应该小于统计时间的80%，并且90%的工作负荷不得超过总工作时间的2.5%。若空域流量很大导致管制员超负荷工作的问题可以通过划分空域，得到多个扇区，依据扇区增设管制席位，增配管制人员来解决。但是在进行扇区设计的时候，应当保证空域总的工作负荷最小，也就是说，在满足管制员正常负荷的条件下，应该尽量减少扇区的数目，以减少过多的扇区之间的协调工作负荷。扇区设计数目满足以下关系条件：
根据上述结果，在统计时间为一小时（3600S）的时间段内，管制员的实际工作负荷不能超过2880S，如果超过这个值，则必须进行扇区划分。
3 扇区优化目标函数
划设管制扇区的目的在于充分合理地利用资源，有效减轻管制员的工作负荷，提高空中交通服务能力。在满足扇区管制员工作负荷处于安全水平以及扇区数量最小化的基础上，建立如下所示扇区优化数学模型，目标函数为：
其中， 表示第个扇区的工作负荷；
表示第个扇区的工作负荷；
为目标值，表示使各扇区工作负荷差值的总和为最小；
扇区优化的目标就是使各个扇区之间的工作负荷差值最小，即均衡整个空域内各扇区的工作负荷。
约束条件：
.根据区域管制习惯，航空器实际飞行航路的各个航段，作为算法的优先搜索航段，确保优化划分的扇区之间方便协调移交；
.根据节点和航段的拓扑关系，保证随机搜索得到的扇区具有连续性；
.满足扇区数量最小的要求。
4 管制扇区规划国内外研究现状
近些年来，国内外学者在扇区优化方面进行了一些理论研究和系统开发，取得了一些成果。从所掌握文献来看，研究情况如下。空域扇区规划设计必须以确保安全为前提，而作为各个扇区管制主体——管制员的复杂管制行为（或称为工作负荷状态），直接关系到飞行安全。同时，空域扇区交通复杂性也直接影响到空域扇区的管制员工作负荷。欧美一些学者致力于该方面的研究：法国学者Sylvie分析了空中交通管制复杂度和管制员工作负荷之间的关系，给出了空中交通管制复杂性因素集合；Mark D.Rodgers在美国联邦航空局（FAA）的研究报告中详细分析了空中交通复杂性与管制员操作错误OEs（operational errors）之间的相互关系，建立了空中交通复杂性的测量方法；动态密度首先是Laudeman在NASA会议上作为一种测量空中交通复杂性的方法提出的，它包括交通几何、冲突几何、协调动作与交通结构等多重变量。之后，不同的学者在NASA和其他组织先后提出了关于动态密度的变量集合、权重因素等。在“自由飞行的航空无线电通讯技术最终报告”中，动态密度的概念是由航路和终端区影响冲突的关键因素构成。这些因素是：交通密度，流量和间隔标准的复杂性。其中，交通密度是给定空域的飞机数目；交通复杂性反映了管制工作负荷来源于交通流量（进场，离场，交通流的穿越和合并，混合的设备等）；间隔标准是在计算动态密度的时候被考虑的。我国在该方面的研究尚处于起步阶段，且集中在空域的扇区容量与管制工作负荷方面的研究，对于空管复杂性方面的研究很少。目前，国际上空域扇区规划技术的研究，主要集中在数学模型的选择上，如图论，遗传算法，计算几何，约束的规划方法等，且研究的重点在二维空域。该方面的主要研究成果有：Huy Trandac等提出基于约束的规 划方法进行空域扇区优化，该方法对于二维空域扇区，给出了一些约束，保证扇区的划分结果符合管制实际，通过建立平面的Voronoi多边形和采用启发式优化算法，确定了二维扇区划分结果，该方法的研究背景是空域的自由飞行条件下，而对于固定航线，没有给出空域扇区的规划方法。通过计算各管制负荷单元时间和空间对管制员工作负荷的贡献量来确定管制员工作负荷。该方法存在如下问题：第一，只考虑同高度层之间规划后的协调工作负荷问题，而未考虑对三个不同高度层之间的管制协调负荷问题；第二，空域规划本质仍然为二维空域扇区规划，无法应用于存在频繁起降的终端区空域；第三，对于进离场分离，冲突点规划要求等重要约束条件没有考虑。
小结
如何有效利用空域资源成为空域规划部门日益面临的紧迫问题。作为空中交通管理系统的核心技术之一的空域扇区规划技术,是解决空域资源有效配置的一项专门技术。空域管理部门通常将空域划分为若干个扇区，每个扇区设立一个管制席位，进行空中交通的指挥和协调工作。空域扇区规划是空域资源管理中最为重要的内容之一，所谓空域扇区规划主要是指根据空域用户提出的飞行需求，组织空中交通管理部门将空域划分为若干个扇区，分别提供空中交通管制服务，以保障用户飞行安全和通畅。
参考文献
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论文作者:武子远
论文发表刊物:《科技中国》2017年3期
论文发表时间:2017/5/31
标签：管制论文; 空域论文; 扇区论文; 负荷论文; 交通论文; 工作论文; 流量论文; 《科技中国》2017年3期论文;