空域運行規(guī)劃安全評估方法研究

楊 曄，田 勇，王笑天

(南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，江蘇 南京 210016)

空域運行規(guī)劃安全評估方法研究

楊 曄，田 勇，王笑天

(南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，江蘇 南京 210016)

考慮天氣不確定因素，通過容量概率分布確定容量場景，研究相應(yīng)容量場景下空域沖突風(fēng)險，并通過管制員工作負(fù)荷體現(xiàn)人為因素影響，提出了空域運行規(guī)劃安全評估方法.從風(fēng)險和安全的角度，為惡劣天氣下空域運行策略決策提供支持.計算結(jié)果表明,飛行安全不但與空域結(jié)構(gòu)有關(guān)，還和飛機速度、交通流情況、管制員工作負(fù)荷及安全間隔有關(guān).可見該安全評估方法能有效評估空域運行規(guī)劃策略的安全性，有利于平衡風(fēng)險及容量需求的最佳運行方案的制定.

空中交通管理；安全評估；運行規(guī)劃；沖突風(fēng)險；惡劣天氣

在航空運輸日益繁忙的今天，有限的空域資源使得空中交通運輸變得擁擠，不能滿足目前航空市場日益增長的運輸需求，并導(dǎo)致飛行沖突變得日益嚴(yán)重，因而亟需對空域進行重新規(guī)劃.為了提高空域利用率，同時又要保證空域的安全性，空域規(guī)劃者趨向于規(guī)劃航路和空域結(jié)構(gòu)，沖突、碰撞風(fēng)險估計在規(guī)劃過程中是一個很重要的環(huán)節(jié)，在空域規(guī)劃過程中具有廣闊的前景.

為了避免航空器出現(xiàn)沖突、碰撞等危險，空域規(guī)劃需建立在安全評估基礎(chǔ)上.空中交通管制/管理(ATC/ATM)中不同的規(guī)劃層次需要不同的安全評估方法，空域規(guī)劃一般可分為戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)、運行三個層次，相應(yīng)的安全評估也可分為戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)、運行三個層次，安全評估為規(guī)劃提供有效的反饋信息[1].由于安全評估的層次不同，考慮的因素也相應(yīng)有所區(qū)別，從戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)、運行三個層次來看，考慮因素逐漸增加，評估模型也愈加復(fù)雜.安全性問題是空域規(guī)劃方案能否高效實施的關(guān)鍵問題，對空域規(guī)劃領(lǐng)域中空域進行不同層次的安全評估是確?？罩薪煌ò踩囊豁椫匾ぷ?

鑒于此，國內(nèi)外學(xué)者做出了大量研究，主要側(cè)重于飛行間隔方面.P·G·Reich建立航空器碰撞模型理論，首次提出Reich碰撞風(fēng)險模型[2].D·A·Hsu 提出了碰撞臨界區(qū)的概念，運用條件概率的方法分析了交叉航路上的飛機碰撞風(fēng)險，即改進的Reich模型[3].Cox和Harrison等運用Reich模型對北大西洋等地的碰撞風(fēng)險進行研究，分析安全間隔降低的可能性[4-5].Brooker等從事故分析的角度對間隔的安全性進行了分析，對現(xiàn)有的間隔安全評估和碰撞風(fēng)險模型進行了研究[6]，隨后提出了EVENT模型[7-9].Fedja Netjasov針對空域戰(zhàn)略規(guī)劃提出了新的沖突風(fēng)險評估模型，在給定飛行最小安全間隔下，考慮沖突可能性和沖突次數(shù)，比較不同空域設(shè)計和組織場景的安全性[1].國內(nèi)研究起步較晚，趙宏元等對兩條交叉航線上飛機發(fā)生危險沖突次數(shù)進行了研究[10].徐肖豪等運用Reich模型研究了洋區(qū)平行航路的間隔標(biāo)準(zhǔn)的安全評估問題[11]，隨后還建立了基于碰撞圓柱體的Event模型[12].韓松臣等完善了雷達間隔條件下的碰撞風(fēng)險模型，提出了在雷達管制間隔下無非侵入?yún)^(qū)和有非侵入?yún)^(qū)條件下出現(xiàn)飛行沖突需要管制員干預(yù)的計算模型[13].張雄旗完善了碰撞風(fēng)險模型，對ADS-B下的平行航路進行了安全評估[14].國內(nèi)外研究主要是對碰撞風(fēng)險模型進行分析和改進，計算碰撞風(fēng)險值，與參考航路進行比較，或者與設(shè)定的安全目標(biāo)水平(TLS)比較，對沖突風(fēng)險研究較少，著重于間隔安全評估，可能是平行航路間隔，也可能是飛行安全間隔，主要用于兩條航路之間，不適用于所有的空域規(guī)劃情況，比如扇區(qū)的臨時劃分等.

本文在已有研究成果基礎(chǔ)上，考慮天氣不確定性因素，確定容量場景，研究相應(yīng)容量場景下空域隨機沖突風(fēng)險，并以管制員工作負(fù)荷為指標(biāo)體現(xiàn)人為因素影響，針對空域運行規(guī)劃提出了安全評估方法，從而對不同的空域設(shè)計及組織場景進行比較，并通過案例進行計算驗證.本文提出的評估方法不是以往評估方法的替代，而是以往評估方法的補充，在以往評估的基礎(chǔ)上，進行進一步的安全評估，確保飛行安全.

1 問題描述

在飛機實際運行過程中，飛行安全會受到很多因素的影響，比如扇區(qū)內(nèi)航路航線結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、飛行流特征、天氣的變化、人為因素等，尤其是天氣變化及人為因素，更增加了飛行安全的不確定性.當(dāng)發(fā)生惡劣天氣時，增加飛行難度，直接影響飛行安全，同時，天氣變化導(dǎo)致了空域容量的不確定性，一旦空域容量降低，將會出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象，導(dǎo)致航空器間發(fā)生沖突甚至碰撞，增加管制員工作負(fù)荷，若負(fù)荷量超過管制員所承受的負(fù)荷極限，則管制員對即將出現(xiàn)的沖突或碰撞的反應(yīng)速度和管制效率就會大大下降，甚至來不及管制一些“潛在沖突危險狀態(tài)”飛機的飛行狀態(tài)，從而降低管制作用，造成飛行事故隱患.

空域運行規(guī)劃周期一般為一周或當(dāng)天，本文考慮的是運行規(guī)劃層次上的安全評估方法.由于天氣變化，可將天氣情況劃分為不同的天氣場景，不同天氣場景具有不同的容量值，從而產(chǎn)生容量場景概念，進而通過仿真確定不同容量情景下空域沖突風(fēng)險及管制員工作負(fù)荷情況，其中空域結(jié)構(gòu)、航空器類型及交通流情況確定，主要從風(fēng)險和安全的角度，比較空域中不同的運行組織場景，平衡空域風(fēng)險及交通流需求，有利于制定低風(fēng)險、高流量的飛行計劃及實現(xiàn)天氣不確定情況下的動態(tài)分配.該模型用于空域運行規(guī)劃階段，比如管制員與飛行員的職責(zé)劃分、飛行計劃臨時調(diào)整、扇區(qū)動態(tài)劃分等，假設(shè)條件如下：

1)航空器在標(biāo)稱航跡上飛行，沒有位置誤差；

2)沖突風(fēng)險值不是恒定的，是變量；

3)沖突風(fēng)險值與空域結(jié)構(gòu)及天氣情況有關(guān)；

4)文中人為因素通過管制員工作負(fù)荷來體現(xiàn)；

5)不考慮機載設(shè)備能力等對沖突風(fēng)險的影響.

2 安全評估模型

本文提出的模型從宏觀角度進行安全評估，以空域沖突風(fēng)險和管制員工作負(fù)荷為評價指標(biāo)，可用于輔助空域運行規(guī)劃階段的決策策略選擇，平衡空域風(fēng)險和交通流.沖突風(fēng)險主要取決于空域結(jié)構(gòu)、設(shè)定的安全間隔及天氣變化情況，其中天氣變化是空域運行不確定的最主要因素，因此有必要掌握天氣引起的容量變化，研究容量不確定情況下的空域風(fēng)險情況及管制員工作負(fù)荷，作為專家運行決策的有效支持工具.

2.1 容量概率分布曲線

容量概率分布曲線通?？梢员硎救萘考捌鋵?yīng)概率關(guān)系[15]，本文利用容量概率分布曲線建立扇區(qū)容量與天氣場景的映射，從而對該天氣場景下扇區(qū)交通流進行仿真，探測沖突，旨在從天氣不確定的角度得到扇區(qū)的沖突風(fēng)險值.

在整個安全評估模型中，容量概率分布曲線主要是用于描述空域容量的不確定性，能夠真實形象地反映天氣對扇區(qū)容量的影響，便于對不確定的空域沖突風(fēng)險進行分析.如圖1所示，由于天氣變化的不確定性，每種天氣場景存在一定的發(fā)生概率，在該天氣場景下，具有最大的容量，因而產(chǎn)生了概率與容量的對應(yīng)關(guān)系，如天氣場景A發(fā)生概率為p1，扇區(qū)最大容量為R1，即容量R1發(fā)生概率為p1(天氣場景不同，相應(yīng)的最大容量也不同)，所有容量情景概率和為1.

圖1 容量概率分布曲線示意圖

關(guān)于扇區(qū)容量概率分布曲線的建立主要包括天氣場景生成和隨機容量確定，采用K平均聚類分析法，通過對歷史數(shù)據(jù)的分析獲得容量分布，或者通過計算機仿真生成[15].

2.2 空域沖突風(fēng)險評估

在空域運行規(guī)劃階段，航班計劃是已知的，當(dāng)天氣發(fā)生變化，扇區(qū)受到容量限制，需求與容量不平衡，此時需根據(jù)容量限制進行交通流重新分配，從而滿足惡劣天氣下容量減小情況.在整個空域沖突風(fēng)險計算過程中，首先將隨機交通流在固定空域中進行多次仿真，仿真過程中需通過沖突探測方法計算出每次仿真飛機沖突次數(shù)，再結(jié)合天氣場景發(fā)生概率，得出該容量場景下空域沖突風(fēng)險值.

2.2.1沖突探測

航空器在航路上飛行，發(fā)生的沖突情況有兩種，即航空器與惡劣天氣的沖突和航空器與航空器的沖突.沖突主要分為水平?jīng)_突和垂直沖突，垂直沖突可以通過垂直間隔判定，水平?jīng)_突較為復(fù)雜，下面主要討論水平?jīng)_突的情況.航空器與惡劣天氣的沖突主要通過間隔限制進行控制，其中惡劣天氣情況可以通過民航天氣預(yù)報及雷達反射進行獲得[16]，飛機在繞飛惡劣天氣時，必須考慮到有轉(zhuǎn)彎和退出的余地.為了減小惡劣天氣對飛機的影響，提出飛行受限區(qū)的概念.結(jié)合惡劣天氣信息，并滿足目前我國允許航空器繞飛的情況和規(guī)定[17]，得到飛行受限區(qū)，如圖2所示.

圖2 飛行受限區(qū)位置示意圖

航空器與惡劣天氣之間需滿足一定的間隔，即航空器不能進入由惡劣天氣產(chǎn)生的飛行受限區(qū)，如圖3所示.

圖3 天氣安全間隔定義

(1)

航空器與航空器之間也需滿足間隔限制，與惡劣天氣相似，如圖4所示.航空器安全區(qū)域都是圓形區(qū)域，航空器i和j需滿足以下條件:

(2)

圖4 航空器安全區(qū)域定義

2.2.2沖突風(fēng)險計算

由于天氣不確定性，對未來天氣預(yù)測存在一定的概率性，本文每一小時進行一次天氣更新，即每小時時間片T得到一個天氣容量場景集m=1,……,M，每個元素M包含三個變量，即M={AM,PM,RM}，其中AM表示天氣類型，PM表示天氣場景AM發(fā)生的概率，RM表示天氣場景AM對應(yīng)的扇區(qū)最大容量.通過上文的仿真，可以得到天氣場景AM情況下的沖突次數(shù)NM，NM是一個離散變量，如下所示：

(3)

為評價空域的沖突風(fēng)險嚴(yán)重程度，本文定義一個沖突風(fēng)險值，即每飛行小時可能發(fā)生的沖突次數(shù)，與碰撞風(fēng)險值含義相似，不同的是，碰撞風(fēng)險值評價的是碰撞風(fēng)險，沖突風(fēng)險值主要評價沖突風(fēng)險，如下所示：

CM=RMPM

(4)

(5)

其中：CM表示天氣場景AM對應(yīng)的空域沖突風(fēng)險值，C表示時間T的空域總沖突風(fēng)險值.

2.3 管制員工作負(fù)荷評估

本文研究的安全評估模型主要是為了在空域運行規(guī)劃過程中為專家提供決策支持，平衡交通流量與空域風(fēng)險.在評估過程中人為因素極為重要，本文的人為因素通過管制員工作負(fù)荷來體現(xiàn)，無論工作負(fù)荷過高或過低，都會影響運行安全.如果交通量過大，雷達顯示的信息呈現(xiàn)速度超過管制員的處理能力，就會出現(xiàn)漏失信息或歪曲信息、延遲反應(yīng)等情況，進而可能引發(fā)運行錯誤，影響飛行安全；如果交通量過小，信息呈現(xiàn)的概率低，較長時間才會出現(xiàn)一種刺激，則覺察信息的時間或疏忽關(guān)鍵信息的可能性將大大增加，同樣會產(chǎn)生安全隱患.

管制員工作主要分為通信、非通信、思考三類[18]，通信類工作包括接收航空器、調(diào)整航空器高度和速度、雷達引導(dǎo)航空器、提供氣象情報等，非通信類工作包括監(jiān)視航空器、尋找進程單、填寫進程單等，思考類工作包括計算航行要素、制定沖突解決預(yù)案[19].由于本文管制員工作負(fù)荷是基于仿真獲得，可能存在沖突情況，為了凸顯沖突對負(fù)荷的影響，管制員工作負(fù)荷計算將分為兩個階段，一是基本管制負(fù)荷計算，即指在一定扇區(qū)結(jié)構(gòu)和管制規(guī)則條件下，無論扇區(qū)內(nèi)的交通流量如何變化，均無法避免的工作負(fù)荷，二是調(diào)配管制負(fù)荷計算，即在一定扇區(qū)結(jié)構(gòu)和管制條件下，為了解決航空器之間的飛行沖突而產(chǎn)生的工作負(fù)荷，具體計算流程如圖5所示.

如圖5可知，時間片t內(nèi)扇區(qū)總工作負(fù)荷如下所示：

圖5 管制員工作負(fù)荷計算流程

j∈{1,2,3…,s}

(6)

調(diào)配管制負(fù)荷根據(jù)發(fā)生沖突時采用的調(diào)配方法而有所不同，一般可分為調(diào)高、調(diào)速、調(diào)向三種，分別對應(yīng)不同的調(diào)配管制負(fù)荷值，計算如下所示：

(7)

其中：th表示調(diào)高類型的調(diào)制管制負(fù)荷權(quán)值；tv表示調(diào)速類型的調(diào)制管制負(fù)荷權(quán)值；td表示調(diào)向類型的調(diào)制管制負(fù)荷權(quán)值；τhj表示時間片t內(nèi)航路j上進行調(diào)配管制工作時調(diào)高操作出現(xiàn)的次數(shù)；τvj表示時間片t內(nèi)航路j進行調(diào)配管制工作時調(diào)速操作出現(xiàn)的次數(shù)；τdj表示時間片t內(nèi)航路上進行調(diào)配管制工作時調(diào)速操作出現(xiàn)的次數(shù).

3 算例分析

廣州區(qū)域可分為24個扇區(qū)，本文以典型繁忙的15號扇區(qū)為例，對上文模型進行驗證.15號扇區(qū)是區(qū)域扇區(qū)，航空器飛行高度較高、速度快，航路航線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且航路交叉點較多，導(dǎo)致潛在沖突產(chǎn)生，扇區(qū)具體結(jié)構(gòu)如圖6所示.

另外，該扇區(qū)還經(jīng)常受到天氣條件影響，尤其是顛簸天氣的出現(xiàn)，將導(dǎo)致很多高度層無法使用.在2013年某天收到SIGMET報文，預(yù)報雷暴天氣，根據(jù)報文信息及雷達探測，飛行受限區(qū)位置如圖7所示，使用文獻[15]方法可以獲得容量概率分布，本文研究的時間范圍為世界時0900到1000，該時間段容量概率分布如下所示：

扇區(qū)航路飛機類型主要為A320和B737，自西

向東速度范圍為650～750km/h，自東向西速度范圍為700～850km/h，速度與機型及飛行高度層有關(guān)，具體速度可參照飛行性能表.各航路交通流分布情況如表1所示.

圖6 扇區(qū)航路幾何分布圖

圖7 惡劣天氣下扇區(qū)航路幾何分布圖

表1 航路交通流分配情況

航路名流量比例/%航路名流量比例/%ZF-LKO-GOSMA5．9YIH-HZ-WHA9．3GOSMA-LKO-ZF6．6DA-HZ-LIN1．4ZF-LKO-DAPRO26．9LIN-HZ-DA1．8DAPRO-LKO-ZF24．9WHA-LIN2．5WHA-HZ-YIH8．1LIN-WHA1．4DA-HZ-YIH1．6XSH-DA-LKO-GOSMA0．9GOSMA-LKO-WHA1．1YIH-HZ-XSH1．1DAPRO-LKO-WHA1．3LKO-DAPRO2．5DAPRO-LKO1．8WHA-LKO-GOSMA0．9

當(dāng)航空器安全間隔為10 km時，通過仿真獲得與容量對應(yīng)的沖突次數(shù)，沖突概率分布如下所示：

預(yù)計扇區(qū)總沖突風(fēng)險值為12次/h.仿真過程中，由于機型隨機產(chǎn)生，將會出現(xiàn)追尾沖突，同時，交通流隨機產(chǎn)生，也大大增加了沖突概率.現(xiàn)對容量場景1、2、3、4進行分析，可以得到在不同安全間隔、不同容量場景情況下的平均沖突次數(shù)及管制員工作負(fù)荷值，如圖8所示.隨著空域交通流增長，沖突次數(shù)增多，管制員工作負(fù)荷也相應(yīng)增加，同時安全間隔設(shè)定值越大，產(chǎn)生沖突次數(shù)越多.沖突次數(shù)的增多及管制員工作負(fù)荷的增加將帶來空域安全風(fēng)險的增加，為平衡交通流及空域安全風(fēng)險，專家可根據(jù)沖突次數(shù)、交通流、管制員工作負(fù)荷的關(guān)系進行決策，選擇合適的交通流及可接受的空域安全風(fēng)險程度，比如60%的管制員工作負(fù)荷對應(yīng)著31架/h的扇區(qū)交通流及10次沖突/h的空域風(fēng)險，策略的選擇與專家個人對安全及交通流接受程度有關(guān).進一步地，為減少管制員工作負(fù)荷的影響，專家可以采取管制員與飛行員的職責(zé)重新劃分或進行動態(tài)劃扇策略.

圖8 交通流、平均沖突次數(shù)及管制員工作負(fù)荷關(guān)系圖

4 結(jié) 語

本文針對空域運行規(guī)劃提出了安全評估模型.該模型考慮了天氣不確定因素，通過容量概率分布確定容量場景，研究各容量情景下的沖突風(fēng)險，并以管制員工作負(fù)荷為指標(biāo)考慮人為因素，進一步評估空域安全，最后通過案例驗證.本文模型的應(yīng)用顯示了飛行安全不但與空域結(jié)構(gòu)有關(guān)，還和飛機速度、交通流情況、安全間隔及管制員工作負(fù)荷有關(guān).在運行規(guī)劃中，可以通過改變安全間隔、降低流量、扇區(qū)動態(tài)劃分等策略提高飛行安全.

本文提出的模型可以用于空域扇區(qū)安全評估，有助于制定合理的空域運行方案，平衡沖突風(fēng)險與飛行需求，為專家決策提供支持.

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Study on safety assessment method for airspace operational planning

YANG Ye, TIAN Yong, WANG Xiao-tian

(School of Civil Aviation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Considering the uncertain weather factors, this paper studied the coflict risk of the capacity scene determined by the probability distribution of the capacity. Besides, air traffic controller task-load was considered, and a safety assessment method for the airspace operational planning was established. From a risk and safety point of view, the decisions of airspace operation strategy were supported under the bad weather. Calculation result showed that in addition to airspace structure, the flight safety also depended on aircraft speed, traffic demand, air traffic controller task-load and the setting safety standard. The result indicated that the safety assessment method can assess the security of the operational planning effectively, it was also good for the determination of the most suitable airspace schedule balancing with risk and capacity requirements .

air transport management; safety assessment; operational planning; conflict risk; bad weather

2014-05-21.

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(NJ20140017)

楊 曄(1991-), 女, 碩士, 研究方向：空中交通管理.

V355

A

1672-0946(2015)03-0378-07