拓撲矩陣方法評估管制員工作負荷

摘 要：隨著航空事業(yè)的發(fā)展，民航業(yè)已經(jīng)是我國經(jīng)濟社會發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)之一，旅客運輸量，貨物運輸量每年保持著較高的增長。如何利用有限的空域資源盡可能多的發(fā)展民航運輸，已經(jīng)成為了我們不得不面對的一個問題。而在空域容量的影響因素中，管制員工作負荷是一個決定性因素。因此，如何準(zhǔn)確地計算管制員工作負荷是一個我們亟待解決的問題。傳統(tǒng)方法評估管制員工作負荷，考慮因素較多，不易進行統(tǒng)計。文章介紹了拓撲矩陣方法，使得影響管制員工作負荷相關(guān)因素簡單明了的呈現(xiàn)出來，方便統(tǒng)計，不易出錯。

關(guān)鍵詞：拓撲；管制員；工作負荷；管制指令；評估模型；類型

1 概述

民航業(yè)是我國重要產(chǎn)業(yè)之一，改革開放以來發(fā)展尤為迅猛，行業(yè)規(guī)模越來越大，業(yè)務(wù)水平不斷提高，旅客、貨物運輸量每年保持較高水平的增長。

根據(jù)《2015年民航發(fā)展基本數(shù)據(jù)》顯示，2015年，全國運輸飛行時間預(yù)計為846萬小時、運輸架次362萬架次，同比增長10.8%和7.4%。截至目前，運輸航空連續(xù)安全飛行時間已經(jīng)達到64個月、3645萬小時。民航2015年預(yù)計運輸旅客4.4億人，同比上升11.4%；運輸貨物630萬噸，同比增長6%。

隨著航空事業(yè)發(fā)展，大量的問題暴露出來并且到了必須解決的地步[1]。例如航空器數(shù)量越來越多，增加了管制難度，使得管制員工作負荷越來越大[2]，對飛行安全帶來極大考驗，同時也大大制約了空域利用率的提高[3]。因此，準(zhǔn)確的評估管制員工作負荷并基于此進行扇區(qū)的動態(tài)劃分，對飛行安全的保障有著十分重要的作用。

國際上常用的管制員工作負荷評估方法為DORA方法和MMB方法[4]。這些方法的原理都是把管制員工作分解為各種單獨的動作，然后統(tǒng)計完成這些單獨動作所需的時間，觀察管制員在一個單位時間內(nèi)能執(zhí)行多少個與調(diào)配相關(guān)的動作，算出工作負荷。

由于管制員工作中，單獨的動作種類太多。所以上述方法考慮的因素較多，比較復(fù)雜，常?？紤]不是那么周全，而且考慮的因素一多，也容易造成模型混亂?？紤]到上述因素，筆者在文章提出一種基于網(wǎng)絡(luò)拓撲矩陣的方法來評估管制員工作負荷，因為通過拓撲矩陣來表達相關(guān)因素中的聯(lián)系并陳列出來，簡單明了，不易混淆。

2 拓撲相關(guān)性及拓撲矩陣的介紹

拓撲相關(guān)性分析是把幾何六面體單元作為對象，分析其中的節(jié)點、棱邊、單元之間的相關(guān)性[5]。若兩節(jié)點間有連線，那么認為這兩節(jié)點相關(guān)；若某節(jié)點是某棱邊的端點，那么認為此節(jié)點與該條棱邊相關(guān)；若兩個單元存在相同節(jié)點（或棱邊），那么認為這兩個單元相關(guān)。

節(jié)點相關(guān)性分析指的是，確定所有和節(jié)點vi有關(guān)的節(jié)點及棱邊的集合，若Vadj（vi）表示與節(jié)點vi相關(guān)的節(jié)點的集合，Eadj（vi）表示與節(jié)點vi相關(guān)的棱邊的集合，則有：

根據(jù)上述描述，相應(yīng)的可以對幾種拓撲矩陣進行具體描述[7]。拓撲矩陣主要有以下幾種：棱邊-單元節(jié)點拓撲矩陣、單元節(jié)點拓撲矩陣、整體節(jié)點拓撲矩陣等。

棱邊-單元節(jié)點拓撲矩陣是把棱邊和節(jié)點之間相關(guān)性用矩陣表述出來的一種方法，設(shè)網(wǎng)絡(luò)單元圖中有n個節(jié)點，k個棱邊，節(jié)點與棱邊構(gòu)成一個n×k階矩陣，記作：

通過以上對拓撲矩陣的分析，對空間和平面等研究對象通過拓撲關(guān)系數(shù)據(jù)庫加以描述可以變得很方便。

3 管制員工作負荷評估模型

“Doratask”是目前較為成熟的定量研究管制負荷的算法[8]。其中指出，若按照工作內(nèi)容可將管制員工作負荷分為以下三類[9]：

（1）監(jiān)視負荷：管制員對扇區(qū)內(nèi)每架飛機的飛行情況進行監(jiān)視指揮的工作量。

（2）協(xié)作負荷：當(dāng)飛機需要進行移交時，管制員工作產(chǎn)生的工作量。

（3）沖突解決負荷：當(dāng)飛機可能產(chǎn)生沖突時，管制員工作產(chǎn)生的工作量。

4 仿真分析

文章采用中國民航大學(xué)雷達管制模擬機數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，為了方便得出數(shù)據(jù)，管制區(qū)域中只設(shè)置了一條航路，一個航路點，以及十架航空器，且設(shè)定無特殊天氣情況。請中國民航大學(xué)空管學(xué)院資深雷達管制老師為管制員和飛行員。為了保證仿真數(shù)據(jù)的可靠性，在實驗之前，兩位老師都事先在模擬機上熟悉過模擬機的操作，并且得到了充分的休息。

其中qij=1表示管制員對第i架飛機發(fā)出了表1中第j類指令；qij=0表示管制員對第i架飛機沒有發(fā)出表1中第j類指令。

由上述矩陣并且根據(jù)表2可知，在實踐過程中，管制員指揮該條航路上十架飛機的監(jiān)視負荷為Lm（j）=18；協(xié)作負荷Lc（j）=9；沖突解決負荷Lp（j）=20。則管制員總工作負荷L（j）=Lm（j）+Lc（j）+Lp（j）=18+9+20=47。

5 結(jié)束語

根據(jù)拓撲矩陣的性質(zhì)，此方法多適用于動態(tài)空域規(guī)劃[12]中，能很好地得出各個時間段各個扇區(qū)管制員的工作負荷并決定時候重新規(guī)劃扇區(qū)。只是此方法計算量頗大，人為實時計算很不方便，因此最好能設(shè)計出一套軟件，能實時分析各時間段內(nèi)各扇區(qū)管制員工作負荷，這將大大有利于扇區(qū)動態(tài)規(guī)劃的工作。當(dāng)然，如果用此方法來預(yù)測空域容量，則必須把管制員發(fā)出的各指令用時間量化，仍需做一定的工作。

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