1、第 卷第期 年月 科技和产业 ，基于流畅度的空中交通流量管理分析李俊，唐卫贞，杨明明（中国民用航空飞行学院 空中交通管理学院，四川 广汉 ）摘要：中国的空中交通流量管理业务由民用航空管理局空中交通管理局运行管理中心负责。当全国空中交通流量超过容量即临界值、预计管制员工作量过大时，运行管理中心对空中交通实行管制和限制，以防止流量超过容量的现象，但运行管理中心对全国流量进行管理控制的过程呈现出诸多不便。为此，对空中交通管制员在处理实际交通时的行为进行测量和分析，同时记录实际空中交通流量，并计算空中交通流畅度，最终确定交通流畅度和管制员工作负荷之间的关系。由此可见，在空中交通流量管理中，可以使用交通
2、流畅废来为空中交通流量管理单位提供决策支持。关键词：空中交通流量管理；流畅度；空中交通管制员；工作负荷；交通流中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：民航局 年安全能力建设项目（）。作者简介：李俊（），男（壮族），广西南宁人，中国民用航空飞行学院空中交通管理学院，硕士研究生，研究方向为空中交通安全管理；唐卫贞（），男，山东泰安人，中国民用航空飞行学院空中交通管理学院，教授，硕士研究生导师，研究方向为空中交通安全管理；杨明明（），男，河南信阳人，中国民用航空飞行学院空中交通管理学院，硕士研究生，研究方向为空中交通安全管理。根据中国民航空管流量管理运行程序和中国民航空管流量管理运
3、行规则，全国流量管理单位包括全国级、地区级和执行级。中国民航空管流量管理实施路线图明确了中国民航空管流量管理运行体系为“两级决策、一级执行”。中国民用航空局空中交通管理局运行管理中心作为全国级流量管理中心，以集中和协调的方式管理中国空域的空中交通流量，致力于在流量最大化的前提下尽可能减小空中交通延误。运行管理中心的决策是基于估计的交通量、交通负荷、天气状况预测等，在空管系统内部形成以空管局运行管理中心为中枢，以地区级流量管理室为支撑，以塔台、进近、区调执行级流量管理席位为延伸的覆盖全空管系统的垂直流量管理运行体系。在空管与航空公司、机场之间形成覆盖全民航系统的横向流量管理协同联动体系。预计繁忙
4、的交通会造成管制员过重的工作负荷，对空中交通实施一些规定和限制可以防止这种情况。在寻找描述空中交通态势的客观通用指标的背景下，最常使用的概念是交通复杂性。在计算交通复杂性时，扇区中的飞机数量、必须解决的冲突情况的数量和类型、航向和速度的变化仅仅是考虑的一些因素。关于这一主题的研究很多。然而，由于考虑了许多复杂的问题，交通复杂性在实践中很难计算。本文对空中交通管制员在处理实际交通时的行为进行测量和分析，同时记录实际空中交通流量，并计算确定空中交通流畅度，确定交通流畅度和管制员工作负荷之间的关系。最后建议使用交通流畅度的概念作为触发流量管理决策的指标。空中交通流畅度交通流畅度的一般概念是基于这样的
5、描述，即根据事先协议的计划执行的飞机，没有任何额外的机动飞行（顺畅交通），比需要计划和监视大量机动（非顺畅交通）的交通更容易服务。交通流畅度计算方法基于管制扇区的模型，即一组活动点和非活动点，其中交通由以下集合表示：）飞行计划。包含有关预定航班的信息。）当前飞行计划。根据空中交通管制员给出的许可进行变更的飞行计划。）有利飞行计划。飞行参数采用安全值且从飞行经济角度来看是有益的飞行计划。值得一提的是，这些集合并不相互排斥，因为有可能共存。例如，飞机正根据与有利飞行计划相同的当前飞行计划运行。这种方法允许通过将飞行计划与其当前和有利的同等计划进行比较，以数字方式定义该领域的空中交通流畅度，它是根据
6、距离、飞行高度和飞行时间确定的干扰数值得出的，见表。对于第架飞机，从飞行计划和当前飞行计划获得的点之间的距离标记，从飞行计划和有利飞行计划获得的点之间的距离标记为，从有利飞行计划和当前飞行计划获得的点之间的距离标记为。根据扇形区域模型中指定的活动点和非活动点的网格密度定义上述变量，则飞机流畅度的计算包括在分析的每一步中比较和组合变量、和的值。表给 出 了 将 评 估 值 合 并 为 流 畅 度 值 的方法。表飞行参数干扰数值评测表参数取值距离 飞行高度层 时间 干扰数值 注：；。表评估值与空中交通流畅度的转换表 流畅度 如果、或参数中的任何一个达到或更大的值，则流畅度等于。表给出的规则允许确定
7、第架飞机（，）在每一步测量点的流畅度。该动作对所考虑扇区内的所有飞机重复进行。将每一步接收到的结果进行求和并除以飞机总数，并给出给定步骤中的平均流畅度的公式：（）（，）（）式中：为纳入计算的飞机总数。接下来，将所有步骤的流畅度值相加，并除以飞机数量。最终，在所研究的时间段内，该区段中的交通流畅度的公式为（）（）式中：为空域的平均空中交通流畅度；为空域内扇区总数。这种方法允许考虑所有重要参数：飞行方向、飞行高度和通过时间。步长（测量点）的选择取决于所用扇形模型中有效和无效点网格的粒度。空中交通管制扇区容量管制扇区具有多面体的形状，具有定义的垂直和水平边界，其中飞机飞行操作由空中交通管制员监视。其
8、容量被定义为在某一时间可以安全进入该区域的飞机数量。管制部门的能力取决于许多因素，如其内部结构、气象条件、团队资源、管理组织等。一般而言，空域容量评估的对象有机场容量、终端区容量和高空管制空域容量。空域容量评估的常用方法有基于数学计算模型的容量评估、基于计算机仿真系统的容量评估和基于历史统计数据的容量评估。国际上，空中交通管理发展迅速且较为完善的欧洲，经常使用 （空中交通管制员容量分析工具）方法来估计容量，本质上属于基于计算机仿真系统的容量评估。它是基于对给定空中交通强度的空中交通管制员工作负荷的模拟计算。将工作负荷定义为用于所有管制员任务的总时间，作为该区域的实际容量，使用与可接受的工作负荷
9、阈值相对应的飞机数量（最常用的是，即每小时 分钟）。本文中，借鉴 方法的基本思想来分析管制员的工作负荷，该方法已经通过将工作量以及交通量与其流畅度相关联而进行了修改。管制员工作负荷对交通量和交通流畅度的依赖性区域管制中心负责确保飞行航路阶段的安全。管制实行双岗制：一名管制员担任主班管制员，主要负责提供空中交通管制服务过程中对航空器进行直接的管制，其对应席位称为指挥席；另一名管制员担任助理管制员，负责监听主班管制员发布的指令、许可是否正确，及为主班管制员提供必要的支持和协助，其对应席位称为监控席。管制员监视或指挥其辖区内的飞机是通过无线电陆空通信。为了确保飞机之间配备安全的间隔，机组人员一般按照
10、飞行计划执行航班的飞行。管制员活动的测量研究过程中分别对同一管制过程中的指挥席及协助席两名管制员进行独立分析。用于分析管制员工作负荷的数据收集自 空管分局的管制雷达监视系统，通过实地考察调研获取。记录与交通协调和管制相关的所有活动来监控实际占用情况，这些观察结果与空管部门的实际交通量有关。该系统中，交通量由以下两个值表示：）交通负荷（）。由单位时间内飞入扇区的科技和产业 第 卷第期飞机数量决定，实际上通常是交通负荷（）或 交通负荷（）。）交通密度。由扇区控制下的飞机数量决定，标记为 （占用率，交通密度）。上述两个值共同描述管制员的工作负荷。在测量过程中，采集了 的样本，样本平均划分为 的时间切
11、片，共 个切片，其中两个用于本文：世界协调时 年月 日：；世界协调时 年月 日：。确定每小时的管制员工作负荷需要识别基本操作，这些操作构成飞机操纵程序以及与其他部门程序的协调。样本的结果见表。表指挥席管制员基本操作用时基本操作发生次数总时间识别航空器 雷达移交 直接航向改变 协调航向改变 高度层改变 减速 跳过 改变二次应答机编码 与副班管制员协调 电话协调 雷达连线 合计 与交通量和交通流畅度相关的管制员工作负荷根据所进行的测量，对测量样本进行了指挥席管制员和监控席管制员工作负荷的分析，结果见表所示。实践中经常使用的工作量水平的定性解释是根据欧洲航行安全组织（，欧控）得出的，见表。为了实际使
12、用所获得的结果，将管制员的工作负荷与扇区内的交通量进行比较是很重要的。对于接受的测量样本，交通量见表。使用 和 两个参数来表示交通量。扇区容量和实际通行流量见表。对于这些测试样本，根据式（）计算交通流畅度。根据这种方法，最大流畅度为 ，最小流畅度为。计算结果见表。表指挥席管制员和监控席管制员工作负荷的分析样本编号占用时间 工作负荷解释指挥席监控席指挥席监控席指挥席监控席 中等强度轻强度 中等强度轻强度表 对于管制员工作量的解释工作负荷解释 超负荷 强负荷 中等负荷 轻负荷 微负荷表扇区容量及实际通行流量单位：架样本编号扇区容量实际通行流量用 衡量用 衡量用 衡量用 衡量 表平均空中交通流畅度测
13、试样本平均空中交通流畅度 分析及结论在介绍空中交通流畅度的概念后，联合分析了交通量、交通流畅度和管制员工作负荷个变量，并评估了空中流畅度的方法对于空中交通流量管理的适用性。不难发现，运行管理中心进行流量管理的依据是：如果流量过大，管制员的工作负荷就会过大，从而采取措施来防止这种情况的发生。实际问题是确定临界交通流量，超过这一临界值就必须采取行动。此外还发现，不论使用交通负荷还是交通密度来衡量，实施空中交通流量管理行动的标准均不确定。表标明了官方认可的两个扇区的容量值。对于样本，如果用 指标衡量，扇区容量等于 架飞机；同样地，如果用 指标衡量，扇区容 量 等 于 架 飞 机。但 是 对 于 样
14、本，衡 量 得 出 的 扇 区 容 量 略 高，为 架 飞 机，衡量得出的扇区容量略低，为 架飞机。这种差异表明，使用交通量来确定触发流量管理的规定阈值可能是不准确的，甚至是困难的。另一方面，在结果中可以观察到交通流畅度和管制员工作负荷之间存在直观的预期相关性。样本中的流畅度比样本高约。同时，样本中的管制员工作负荷比样本低约。考虑到管制员工作负荷对交通量和交通流畅度具有依赖性，需要进一步研究来确认观察到的定性关系以及确定具体的定量关系，预计需要对 的运行数据进行记录和分析，但鉴于实际运行难度比观察条件大，加之长时间进入管制科室可能对管制员值勤产生负面影响，当中还应该包括协调分析和最终计算。李俊
15、等：基于流畅度的空中交通流量管理分析空中交通流畅度是一个具有前瞻性的指标，交通流畅度和管制员工作负荷之间亦有明确的数量关系，加之以往有学者提出确定流畅度的计算方法，可用于空中交通管理部门对于飞机流量的运行管理。基于以上分析，将空域扇区容量和对应空域扇区的空中交通流畅度二者结合，作为评判空中交通拥挤程度的标准，并以此对空中交通管制员的工作提出调整或优化建议较为客观，且从交通流畅度的角度来确定实施流量管理的触发条件，设定流量管理的触发阈值则更为可靠。发展建议与研究前景 发展建议引入空中交通流畅度对空中交通流的态势进行定量判断，确是一种较为可行的方法，而实际运行过程中仍需考虑诸如空域扇区容量公布值的
16、变化、空域结构的调整等客观条件，因此提出以下建议：）配备性能良好的硬件设备和软件设备。针对空中交通 流畅度 概 念 的阐述 和 相关过 程 的 运算，发现其对于计算机运算速度和计算机计算精度有一定的要求。对于有关部门而言，掌握空中交通流畅度意味着需要配备性能良好的计算机设备，以避免运作过程中发生的偶然性事件和较大误差事件。）对相关业务人员进行专业培训。空中交通管理涉及气象、设备维护维修、空中交通管制等方向，空中交通流量管理属于空中交通管制员的职责之一，其职责属性与气象、设备维护维修人员有所区别。为保证空中交通管理部门依赖空中交通流畅度对空中交通管理作出决策时有据可依，须对不同方向的业务人员进行差异化补充培训或者专业培训，以保证其对于空中交通流畅度有理性的理解，能利用空中交通流畅度感知空中交通的态势，不致发生误读、误解等。）排除外部因素干扰。空中交通流畅度的计算除了依赖性能良好的硬件和软件设备外，对空域环境的要求颇为严格，如雷暴等恶劣天气下尽管空中交通流畅度高，但实际上管制员也因指挥航空器驾驶员进行天气绕飞而负荷加重，亦反作用于空中交通流畅度，这种耦合称为外部因素干扰，会使得空中交通流畅