區(qū)域管制系統(tǒng)運行效率影響因素排序研究

趙玉環(huán)，曹興武，崔子洋，張兆寧

（1.中國民航大學 a.理學院；b.空中交通管理學院，天津 300300；2.國家空域管理中心，北京 100094）

區(qū)域管制系統(tǒng)在航路上為航空器飛行提供管制服務，其運行效率影響著航路上民航運輸?shù)陌踩托省？茖W分析區(qū)域管制系統(tǒng)運行效率的影響因素，找出影響運行效率的關鍵因素并給出影響性的順序，對于研究如何提高區(qū)域管制系統(tǒng)的運行效率，降低航班延誤具有重要意義。

國外學者針對區(qū)域管制系統(tǒng)運行效率影響因素的研究較少，主要從整個管制系統(tǒng)出發(fā)研究管制系統(tǒng)的運行效率。Aricò等[1]運用神經(jīng)計量學對管制系統(tǒng)中一些最重要的人為因素需求進行了研究，認為管制系統(tǒng)是由管制員、無線電通信設備、雷達顯示設備以及環(huán)境組成的一個復雜系統(tǒng)，管制員的能力限制和空管設備的設計會對管制系統(tǒng)的運行效率產(chǎn)生影響。Baier等[2]認為在空中交通管制中，三維空間中的事件必須以安全和效率的雙重目標來管理，而在實際工作中通常是用二維空間和數(shù)字信息表示這些事件的空間狀態(tài)，這導致管制員的精神負擔非常重，因此，提出了空中交通管制三維空間的實驗工作模型，并驗證了該模型可以降低管制員的心理負荷、提高管制系統(tǒng)的運行效率。Blucher等[3]提出了偏離增強規(guī)劃、跑道/滑行道分配系統(tǒng)、在較高的飛行高度改變空中流量分配（AFD，air flow distribution）規(guī)則、會合跑道配置4個概念，其中在高空管制空域實施改變AFD規(guī)則可提高航路的容量，進而提高管制系統(tǒng)的運行效率。Reynolds等[4]提出了一種基于經(jīng)典故障檢測技術的一致性監(jiān)測方法，該方法可對來自不同監(jiān)視系統(tǒng)的飛行數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，確定飛機是否遵守其指定的管制許可，以保證管制系統(tǒng)的運行效率。

在國內，趙汝斌[5]從空域資源系統(tǒng)、空域用戶系統(tǒng)和空中交通管理系統(tǒng)3方面對空域系統(tǒng)運行效率進行了評估，而在選取空中交通管理系統(tǒng)評估指標時，其考慮了包含人員、規(guī)則、技術和設備在內的空中交通流量管理、空域管理以及空中交通服務等因素的影響。杜實等[6]對區(qū)域管制系統(tǒng)運行效率進行了研究，構建了區(qū)域管制系統(tǒng)運行效率評估模型，在建模過程中，考慮了高度層使用、空域結構復雜性、實際運行航段長度以及實際空域內終端區(qū)數(shù)量等因素的影響。羅冠中[7]運用“人-機-環(huán)-管”工程系統(tǒng)理論對空管運行效率的影響因素進行了分析，其認為人、機、環(huán)是影響空管運行效率的直接因素，管理則屬于間接因素。其中人為因素是影響空管運行效率水平的核心因素，設備因素從硬件上直接影響空管運行效率的發(fā)揮，空管環(huán)境通過影響空域的靈活使用程度和空域或航路航線的可使用狀態(tài)，從而影響空管的運行效率。

以往學者大都是對空管運行效率影響因素進行定性分析，缺乏對影響因素的影響程度進行定量分析。在定量計算各影響因素的影響程度時，排序指標往往具有模糊性和不確定性，難以科學準確地測量數(shù)值大小，同時傳統(tǒng)排序方法過于單一，具有很大的局限性。因此，根據(jù)區(qū)域管制系統(tǒng)的運行過程，運用“人-機-環(huán)-管”的系統(tǒng)思想給出區(qū)域管制系統(tǒng)運行效率的影響因素，選取航路飛行延誤時間、航路飛行流量減少架次、扇區(qū)內飛機的滯留數(shù)量、單位時間內航班移交架次等指標，以直覺三角模糊數(shù)描述各影響因素，解決了排序指標的模糊性和不確定性，結合TOPSIS法和矢量投影方法，引進基于直覺三角模糊數(shù)的逼近于理想灰關聯(lián)投影思想建立排序模型對各因素的影響程度進行排序。

1 區(qū)域管制系統(tǒng)運行效率影響因素

區(qū)域管制系統(tǒng)是空管系統(tǒng)的子系統(tǒng)。其主要工作內容包括：負責航路放行許可的批準；與相鄰的管制單位進行協(xié)調；對管制扇區(qū)內的航空器進行雷達識別，監(jiān)控航空器的飛行狀態(tài)，包括處理飛行員發(fā)來的請求、預測航路網(wǎng)中潛在的飛行沖突、合理地發(fā)布指令解決飛行沖突、處理流控、天氣等突發(fā)情況。區(qū)域管制系統(tǒng)的運行過程如圖1所示。

圖1 區(qū)域管制系統(tǒng)運行過程Fig.1 Operational process of area control system

區(qū)域管制系統(tǒng)的運行效率沒有統(tǒng)一的定義，這里是指在保證管制航空器安全飛行的條件下，使空中交通流處于暢通運行的程度。根據(jù)區(qū)域管制系統(tǒng)的運行過程，運用“人-機-環(huán)-管”系統(tǒng)工程理論給出區(qū)域管制系統(tǒng)運行效率的影響因素。

1）人 區(qū)域管制系統(tǒng)決策與控制的主體，是影響系統(tǒng)運行效率的主因素。在區(qū)域管制系統(tǒng)中，人包括代班主任、區(qū)域管制員、飛行情報員。其心理素質、工作負荷、工作經(jīng)驗、責任意識、英語等級、管制技能等因素會相互影響，共同決定了“人”的狀況，進而影響區(qū)域管制系統(tǒng)的運行效率。

2）機 管制工作中用到的硬件設備和軟件系統(tǒng)；硬件設備主要包括雷達、陸空通話系統(tǒng)、導航臺、監(jiān)視儀表等；軟件平臺包括工作系統(tǒng)平臺、工作記錄相關軟件、情報信息系統(tǒng)等。其影響區(qū)域管制系統(tǒng)運行效率的因素有硬件設備的自動化程度、可靠性和軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3）環(huán) 管制員的工作環(huán)境和空域環(huán)境。管制員的工作環(huán)境主要包含環(huán)境舒適度、班組安排滿意度、工作待遇滿意度以及管制員之間人際關系的和諧程度等影響因素。空域環(huán)境主要涉及區(qū)域流量情況、高度層使用、空域范圍內終端區(qū)的數(shù)量、惡劣天氣、軍事活動等因素。

4）管 區(qū)域管制系統(tǒng)中的管理因素，主要包括管理機構、運行機制、運行程序。其主要涉及組織機構管理、文件記錄管理、班組資源管理、工作流程管理等因素。

根據(jù)以上分析給出的主要影響因素，利用系統(tǒng)運行過程方法，根據(jù)區(qū)域管制系統(tǒng)具體運行過程所涉及的人、機、環(huán)、管的主要因素給出二級因素指標如表1所示。

表1 區(qū)域管制系統(tǒng)運行效率影響因素集合Tab.1 Influencing factor set of area control system operation efficiency

2 影響因素排序模型建立

為了定量衡量各因素的影響程度，引入直覺三角模糊數(shù)理論，并結合TOPSIS法和矢量投影法建立影響因素排序模型，其基本思想是運用直覺三角模糊數(shù)描述各個影響因素的模糊程度，利用TOPSIS法計算每個因素與正理想解和負理想解的距離，運用矢量投影法將模（距離的大小）與矢量間夾角余弦值綜合起來計算矢量之間的接近程度，最后根據(jù)接近程度的大小來對影響因素進行排序。

2.1 指標取值

測量各因素對區(qū)域管制系統(tǒng)運行效率的影響程度，實際上是測量其對運行效率評價指標影響的大小。按照區(qū)域管制系統(tǒng)運行效率的定義，表征空中交通流快速性的指標選用航路飛行的延誤時間，表征空中交通流流暢性的指標選用扇區(qū)內飛機的滯留數(shù)量。從區(qū)域管制系統(tǒng)的運行中間過程出發(fā)，選取單位時間管制區(qū)航班移交架次（進入管制區(qū)時移交架次和飛出管制區(qū)時移交架次之和）反映區(qū)域管制系統(tǒng)的管制移交效率，選取航路流量反映管制系統(tǒng)的保障能力。

為了全面測量各因素對運行效率評價指標的影響程度，使排序結果更加科學可靠，選取區(qū)域管制系統(tǒng)中的航路飛行延誤時間u1、航路飛行流量減少架次u2、扇區(qū)內飛機的滯留數(shù)量u3以及單位時間管制區(qū)航班移交架次u44個度量指標對影響因素進行測量。按照文獻[8-9]中三角模糊數(shù)的計算公式，對于選定區(qū)域管制系統(tǒng)實際運行各度量指標的歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，給出三角模糊數(shù)數(shù)值表如表2～表5所示。

表2 航路飛行延誤時間的三角模糊數(shù)Tab.2 Triangular fuzzy number of flight delay time

表3 航路飛行流量減少架次的三角模糊數(shù)Tab.3 Triangular fuzzy number of flight flow reduction

表4 扇區(qū)內飛機滯留數(shù)量的三角模糊數(shù)Tab.4 Triangular fuzzy number of stranded aircraft amount

2.2 基于直覺三角模糊數(shù)的影響因素排序模型

設 X={x1，x2，…，x21}為待排序影響因素構成的影響因素集，U={u1，u2，u3，u4}為度量指標構成的屬性集，ω =[ω1，ω2，ω3，ω4] 為各屬性權重構成的權重向量，且。影響因素xi在屬性uj下的屬性值為直覺三角模糊數(shù)，即

表5 單位時間管制區(qū)航班移交架次的三角模糊數(shù)Tab.5 Triangularfuzzynumberforareacontrolhandoverinunittime

其中：i=1，2，…，21；j=1，2，3，4；uj（xi）與vj（xi）分別表示影響因素xi在屬性uj下的高影響程度和低影響程度，0≤uj（xi）≤1，0≤vj（xi）≤1，uj（xi）+vj（xi）≤1。

基于直覺三角模糊數(shù)的逼近于理想灰關聯(lián)投影的影響因素排序步驟[8-9]如下。

1）從造成航路飛行延誤時間、航路飛行流量減少架次、扇區(qū)內飛機的滯留數(shù)量、單位時間管制區(qū)航班移交架次給出各影響因素的三角模糊數(shù)，得到原始排序決策矩陣

其中：m=21，n=4。

其中，l=1，2，3。

3）構造正、負理想影響因素。正影響因素是假想對區(qū)域管制系統(tǒng)運行效率影響程度最大的因素，負理想因素是假想對區(qū)域管制系統(tǒng)運行效率影響程度最小的因素。根據(jù)區(qū)域管制系統(tǒng)的運行效率影響因素，選取個數(shù)為4，則正理想影響因素，由待排序影響因素中各度量指標的最優(yōu)值構成，其中最優(yōu)解在度量指標uj下相對于最大模糊數(shù)的隸屬度為1，非隸屬度為0，可表示為

4）建立灰關聯(lián)決策矩陣。考慮各待排序影響因素數(shù)列與參考數(shù)列（正、負理想影響數(shù)列）對應元素之差的絕對值，也就是對應元素之間的Hamming距離Δij。首先計算正理想影響因素數(shù)列的參考數(shù)列，即

因此，待排序影響因素各屬性相對于正理想影響因素的灰關聯(lián)系數(shù)[10]可表示為

其中，ρ為分辨系數(shù)，其作用在于調整比較環(huán)境的大小，一般取值為0.5。正理想影響因素各度量指標值相對于自身的灰關聯(lián)系數(shù)應該為1。于是可以構造（m+1）×n個灰關聯(lián)系數(shù)構成的正理想灰關聯(lián)決策矩陣為

類似地，同樣可構造出負理想灰關聯(lián)決策矩陣

矩陣元素中

5）構造正理想加權灰關聯(lián)決策矩陣[10]W+與負理想加權灰關聯(lián)決策矩陣W-。設權向量為ω，則

根據(jù)式（12）可知，當 θi變小，則 γi變大，這時待排序影響因素Ai就越接近于理想影響因素A*。計算待排序影響因素Ai的模為

因此待排序影響因素Ai與理想影響因素A*間的貼近程度，即正、負灰關聯(lián)投影值可計算為

7）計算待排序影響因素的灰關聯(lián)投影系數(shù)Ei?；谊P聯(lián)投影系數(shù)Ei可以表征待排序影響因素Ai接近正理想影響因素、遠離負理想影響因素的影響程度，可表示為

8）按照公式計算出所有的灰關聯(lián)投影系數(shù)Ei，按值由大到小進行排序，值越大，影響因素的影響也越大。

3 算例分析

選取華東區(qū)域管制中心為研究對象，對應第1節(jié)分析出的21個影響因素，采集某周內航路飛行延誤時間、航路飛行流量減少架次、扇區(qū)內飛機的滯留數(shù)量及單位時間管制區(qū)航班移交架次等數(shù)據(jù)來考慮各因素對運行效率度量指標影響程度，并根據(jù)2.1節(jié)度量指標的三角模糊數(shù)數(shù)值表，得到21個因素的直覺三角模糊數(shù)，即原始決策矩陣為

運用層次分析法求得4個評價指標權重向量為

正理想影響因素可表示為

負理想影響因素可表示為

求得的灰關聯(lián)系數(shù)構成的正、負灰關聯(lián)矩陣如下

運用式（14）、（15）計算得出算例的各影響因素的正、負灰聯(lián)投影值及灰關聯(lián)投影系數(shù)，進而計算出各影響因素的排序指標值、排序結果如表6所示。

通過對各影響因素進行定量分析，按照對區(qū)域管制系統(tǒng)運行效率的影響大小由高到低排序，排序結果居于前十的影響因素為：惡劣天氣、軍事活動、管制技能、心理素質、工作負荷、自動化程度、高度層的使用、可靠性、穩(wěn)定性、工作流程管理。對于排序結果靠前的影響因素應該給與更多關注，在對區(qū)域管制系統(tǒng)運行效率進行控制時應優(yōu)先考慮。

表6 運行效率影響因素排序指標值及排序結果Fig.6 Sorting index value and sorting result of operation efficiency influencing factors

針對排序結果居于前10位的影響因素，給出控制措施如下。

1）人員因素 管制單位應建立完善的培訓機制，在管制員入崗前進行嚴格的入職培訓，通過考核后再允許管制員入職上崗，同時定期對老管制員進行復訓考核，對于不通過者進行降級處理，同時對管制員有針對性地開展抗壓訓練，并請有經(jīng)驗的管制員進行心理輔導，提高管制員的心理素質。對于交通流量較大的扇區(qū)應設置多個管制席位，以分擔管制員的工作負荷。

2）設備因素 在選擇軟件的編寫語言、用戶操作界面、調試運行環(huán)境的過程中，建議以人的操作習慣為原則來開發(fā)軟件，使管制員擁有一個良好的運行環(huán)境。另外，應該有一個專業(yè)的設備維護團隊，不定期的對空管設備進行檢修與維護保障設備良好的可用性。

3）環(huán)境因素 提前對惡劣天氣的動態(tài)進行預判，及早制定改航路徑；加強與軍方的溝通協(xié)調，及時掌握軍事活動的動向，開設臨時航線繞飛軍事活動區(qū)域。

4）管理因素 加強工作監(jiān)督檢查力度，規(guī)范管制工作流程，建立相應的激勵與約束機制，提高區(qū)域管制員的工作熱情。

4 結語

從區(qū)域管制系統(tǒng)的運行過程出發(fā)，運用“人-機-環(huán)-管”系統(tǒng)工程理論對影響區(qū)域管制系統(tǒng)運行效率的因素進行了分析，應用直覺三角模糊數(shù)排序模型對影響因素進行了排序，并通過算例驗證了該模型的合理性和可行性。基于直覺三角模糊數(shù)排序模型綜合了灰色關聯(lián)分析法、TOPSIS法和矢量投影法的優(yōu)點，避免了單一排序方法的局限性，同時可以更靈活地解決度量指標的模糊性和不確定性問題。