機(jī)場(chǎng)管制模擬練習(xí)復(fù)雜度量化評(píng)價(jià)研究

鐘涵

（中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院管制運(yùn)行與技術(shù)系 天津市 300300）

1 機(jī)場(chǎng)管制實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀分析

機(jī)場(chǎng)管制模擬仿真系統(tǒng)主要用于民航院校對(duì)空中交通管理（空管）專業(yè)學(xué)生進(jìn)行機(jī)場(chǎng)管制教學(xué)和管制單位培訓(xùn)塔臺(tái)管制員，依托其開展的實(shí)踐訓(xùn)練是培養(yǎng)空管學(xué)生具備機(jī)場(chǎng)管制意識(shí)和技能的有效手段。模擬練習(xí)作為教學(xué)方案設(shè)計(jì)和教學(xué)內(nèi)容組織的實(shí)現(xiàn)載體，其編制水平和質(zhì)量將對(duì)最終的教學(xué)效果產(chǎn)生決定性影響。

空管模擬仿真系統(tǒng)能夠覆蓋航班運(yùn)行全過程，有助于學(xué)生協(xié)同意識(shí)及系統(tǒng)思維能力的培養(yǎng)和提高。然而，隨著行業(yè)的快速發(fā)展，崗位一線對(duì)空管人員的素質(zhì)要求日益提高。面對(duì)行業(yè)高素質(zhì)工程應(yīng)用型人才的迫切需求，目前機(jī)場(chǎng)管制實(shí)踐教學(xué)的發(fā)展水平相對(duì)滯后，模擬練習(xí)的編制采用基于教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的人工編制方法，存在問題主要體現(xiàn)在以下4方面：

（1）訓(xùn)練科目陳舊，未跟上新技術(shù)、新運(yùn)行程序的發(fā)展；

（2）編制耗時(shí)耗力，更新周期長，無法與崗位能力需求形成同步；

（3）形式單一，因材施教沒有得到很好的體現(xiàn)；

（4）編制標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，存在較大的主觀個(gè)體化差異 。

以上問題制約了機(jī)場(chǎng)管制實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量和效果的提高，也束縛了教師成長和課程的建設(shè)發(fā)展。因此，實(shí)踐課程教員組之間要加強(qiáng)協(xié)作，嚴(yán)格統(tǒng)一訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于有典型沖突類型和沖突點(diǎn)的訓(xùn)練題，提出優(yōu)化的管制調(diào)配原則、方案和注意事項(xiàng)，作為統(tǒng)一的教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)[1]。

對(duì)于空中交通的復(fù)雜度評(píng)價(jià)，歐美國家提出研究多維度的空中交通復(fù)雜性評(píng)估指標(biāo),用于反映空域及交通的實(shí)際狀態(tài)特征，為交通管制提供更為科學(xué)的依據(jù)[2]。然而，關(guān)于模擬練習(xí)的復(fù)雜度評(píng)價(jià)，目前國內(nèi)各民航院校主要依據(jù)管制教員的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行判定，尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，為此，本文將針對(duì)模擬練習(xí)的控制變量及其對(duì)復(fù)雜度的影響進(jìn)行系統(tǒng)分析，采用復(fù)雜性建模方法探索對(duì)模擬練習(xí)的量化評(píng)價(jià)。

2 機(jī)場(chǎng)管制模擬仿真系統(tǒng)架構(gòu)與功能

機(jī)場(chǎng)管制模擬仿真系統(tǒng)能夠?yàn)榕嘤?xùn)塔臺(tái)管制員模擬出覆蓋飛行起降和進(jìn)近過程的管制環(huán)境，具備較好的直觀性和逼真性。該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與分析終端、系統(tǒng)運(yùn)行控制終端、模擬飛行員操控終端、塔臺(tái)視景模擬終端和保障信息模擬終端，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中系統(tǒng)運(yùn)行控制終端包括系統(tǒng)運(yùn)行控制軟件，飛行運(yùn)行仿真計(jì)算軟件和模擬內(nèi)話服務(wù)器端軟件；數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與分析終端包括訓(xùn)練計(jì)劃編輯軟件和空管特征數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件；模擬飛行員操控終端包括模擬內(nèi)話客戶端軟件和航空器操縱軟件；受訓(xùn)人員席位中的塔臺(tái)視景模擬終端包括視景模型庫與視景生成管理軟件，保障信息模擬終端包括模擬內(nèi)話客戶端軟件，雷達(dá)顯示與處理軟件，氣象自動(dòng)觀測(cè)終端軟件，場(chǎng)面監(jiān)視軟件以及飛行計(jì)劃處理與顯示軟件。本文所設(shè)計(jì)的量化評(píng)價(jià)功能服務(wù)于數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與分析終端，旨在協(xié)助管制教員在使用訓(xùn)練計(jì)劃編輯軟件編制模擬練習(xí)后，通過預(yù)演并使用量化評(píng)價(jià)功能對(duì)復(fù)雜度進(jìn)行評(píng)價(jià)，以對(duì)比其主觀復(fù)雜度預(yù)期，同時(shí)減少訓(xùn)練題目編制過程中的個(gè)體差異。

圖1：機(jī)場(chǎng)管制模擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 模擬練習(xí)控制變量及其對(duì)復(fù)雜度的影響

3.1 模擬練習(xí)控制變量

機(jī)場(chǎng)管制模擬練習(xí)的目標(biāo)是盡可能真實(shí)再現(xiàn)機(jī)場(chǎng)管制的工作場(chǎng)景，管制教員通常需要根據(jù)教學(xué)目標(biāo)結(jié)合自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)及管制運(yùn)行實(shí)際，在模擬仿真系統(tǒng)上設(shè)置諸如航班號(hào)，機(jī)型，預(yù)計(jì)起降時(shí)間，目的地機(jī)場(chǎng)，航班激活時(shí)間和出現(xiàn)位置等控制變量，通過對(duì)其調(diào)配以構(gòu)建相應(yīng)的運(yùn)行場(chǎng)景來實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果。

3.2 模擬練習(xí)復(fù)雜度影響因素分析

機(jī)場(chǎng)管制模擬練習(xí)的復(fù)雜度主要存在兩大影響因素，一是沖突強(qiáng)度，二是工作負(fù)荷。即一個(gè)模擬練習(xí)若是體現(xiàn)出沖突強(qiáng)度高，工作負(fù)荷重，則表明其復(fù)雜度高，反之則表示復(fù)雜度低。

3.2.1 沖突強(qiáng)度

塔臺(tái)管制員的主要職責(zé)是為飛行員提供有關(guān)氣象，飛行活動(dòng)等情報(bào)，防止航空器之間、航空器和地面車輛、人員之間、航空器和障礙物之間相撞。因此，沖突強(qiáng)度對(duì)于復(fù)雜度的影響因素體現(xiàn)在：

（1）航空器或車輛活動(dòng)的混合程度；

（2）滑行路線交叉數(shù)量；

（3）尾流間隔約束；

（4）放行間隔約束；

（5）航線網(wǎng)絡(luò)或機(jī)場(chǎng)交通的影響程度；

（6）復(fù)雜航空器排序的數(shù)量（專機(jī)，搶險(xiǎn)救災(zāi)等）。

3.2.2 工作負(fù)荷

管制員的工作負(fù)荷是由于航空器的活動(dòng)對(duì)其形成了客觀的任務(wù)要求，其為滿足該需求承受身體上和精神上的壓力，并通過時(shí)間消耗來緩解承受的壓力和完成客觀任務(wù)的要求，該時(shí)間消耗就是其工作負(fù)荷的大小。工作負(fù)荷過低或者過高對(duì)管制工作都是不利的，機(jī)場(chǎng)管制中會(huì)影響管制員負(fù)荷的因素主要包括：

表1：復(fù)雜度影響因素量化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表

表2：準(zhǔn)則層判斷矩陣

表3：平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

（1）同時(shí)管制航空器數(shù)量；

（2）管制范圍大??；

（3）協(xié)調(diào)次數(shù)；

（4）天氣對(duì)運(yùn)行影響程度；

（5）流量控制等限制。

3.3 基于控制變量的復(fù)雜度量化分析

通過對(duì)復(fù)雜度影響因素的分析，為實(shí)現(xiàn)既定復(fù)雜度的模擬練習(xí)，需將其影響因素內(nèi)化為控制變量的變化。因此，對(duì)控制變量的變化進(jìn)行量化是復(fù)雜度量化評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。后續(xù)的量化分析結(jié)果均來自來專家問卷調(diào)查以及實(shí)踐教學(xué)中的學(xué)習(xí)和反饋情況。如表1所示。

4 模擬練習(xí)復(fù)雜度評(píng)價(jià)模型

運(yùn)用層次分析法可得到每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)上一層指標(biāo)的影響，根據(jù)以上的復(fù)雜度影響因素的分析，可以建立如下指標(biāo)集：C={C1,C2,C3,C4}，其中C1={C11,C12,C13}，C2={C21,C22,C23}，C3={C31, C32,C33,C34,C35}，C4={C41,C42}。練習(xí)復(fù)雜度C包括航空器數(shù)量C1，間隔C2，滑行沖突C3和非常規(guī)情況C4四個(gè)一級(jí)指標(biāo)。二級(jí)指標(biāo)中與航空器數(shù)量對(duì)應(yīng)的為航空器總數(shù)C11，進(jìn)離港航空器比例C12和同時(shí)出現(xiàn)的航空器的數(shù)量C13；與間隔對(duì)應(yīng)的為連續(xù)起飛的尾流間隔C21，放行間隔C22和交叉數(shù)量C23；與滑行沖突對(duì)應(yīng)的為滑行路線沖突C31，相鄰?fù)C(jī)位推出C32，平均滑行時(shí)間C33，滑行路線經(jīng)過盲區(qū)C34和滑行限制C35；與非常規(guī)情況對(duì)應(yīng)的為低能見度C41以及航空器特情C42。表2顯示了據(jù)此構(gòu)建的準(zhǔn)則層判斷矩陣。

通過n個(gè)要素分別進(jìn)行兩兩比較，得到相對(duì)重要度矩陣A

于是，有

當(dāng)A 為一致性矩陣時(shí)，n 是A 的特征值，W 是A 的特征向量，，

（1）構(gòu)造判斷矩陣。

（2）按列歸一化。

（3）按行求和。

（4）歸一化。

（5）計(jì)算一致性指標(biāo)CI

（6）一致性檢驗(yàn)。

查找平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI， 1至9階判斷矩陣RI值，如表3所示。

（7）計(jì)算一致性比例CR

查表的RI=0.9,CR=CI/RI=0.076<0.1，所以矩陣具有可接受的一致性。同理可計(jì)算C1i,C2i,C3i,C4i4個(gè)判斷矩陣得出如表4權(quán)重值。

5 實(shí)例驗(yàn)證

根據(jù)專家調(diào)查問卷結(jié)果，練習(xí)復(fù)雜分為四個(gè)等級(jí)，得分在（0，3.0）區(qū)間為簡單，在[3.0,5.0）區(qū)間為一般，在[5.0,7.5）區(qū)間的為難，在[7,5,10.0]區(qū)間的為較難。接下來將以“中航大”機(jī)場(chǎng)模擬練習(xí)為驗(yàn)證實(shí)例，選擇三個(gè)練習(xí)樣本用本文設(shè)計(jì)的方法來進(jìn)行復(fù)雜度評(píng)估。

5.1 練習(xí)樣本描述

01號(hào)練習(xí)較為基礎(chǔ)，4個(gè)進(jìn)港，4個(gè)出港共8個(gè)航班。02號(hào)練習(xí)航空器總數(shù)為14，8個(gè)離港，6個(gè)進(jìn)港，同時(shí)管制的飛機(jī)最多達(dá)到6架，3組航空器需要配備放行間隔，離港航空器有重型和中型，滑行道使用有限制，滑行路線有16次交叉，平均滑行時(shí)間為139.5秒，進(jìn)港的6個(gè)航班均需要穿過機(jī)坪盲區(qū)。03號(hào)練習(xí)航空器總數(shù)為26，其中15個(gè)離港，11個(gè)進(jìn)港，同時(shí)管制的航空器達(dá)到了7架以上，3組航班需要配備放行間隔，離港航空器中有A380、重型和中型航空器，離港航空器所需平均起飛時(shí)間為37.2秒，滑行路線交叉次數(shù)超過了14次，平均滑行時(shí)間為173.3秒，13個(gè)航班需穿過盲區(qū)，2架航空器存在滑行限制。三個(gè)樣本均無低能見度運(yùn)行和航空器特情。

5.2 復(fù)雜度評(píng)價(jià)結(jié)果

按照本文設(shè)計(jì)的方法逐一對(duì)每個(gè)指標(biāo)評(píng)分，經(jīng)過計(jì)算可得出三個(gè)樣本練習(xí)的復(fù)雜度如表5所示。

5.3 評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

表6可見，本次量化評(píng)價(jià)結(jié)果的復(fù)雜度等級(jí)與課程組教員預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)一致性較好，客觀反映了不同復(fù)雜度練習(xí)之間的差異。因此，該方法能夠有效地為模擬練習(xí)編制的復(fù)雜度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

6 研究結(jié)論

本文通過對(duì)機(jī)場(chǎng)管制模擬練習(xí)復(fù)雜度的影響因素分析，構(gòu)建了其復(fù)雜度量化評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)了模擬練習(xí)編制標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。通過“中航大”機(jī)場(chǎng)模擬練習(xí)實(shí)例評(píng)價(jià)驗(yàn)證，結(jié)果與課程組教員主觀復(fù)雜度預(yù)期相一致，驗(yàn)證表明，該方法對(duì)于控制模擬練習(xí)的復(fù)雜度十分有效，解決傳統(tǒng)模擬練習(xí)編制耗時(shí)耗力、更新周期長的問題，有效減少了題目編制過程中的個(gè)體差異，易于進(jìn)行教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量的監(jiān)控。將對(duì)交通運(yùn)輸其他行業(yè)的實(shí)踐課程建設(shè)提供示范和參考。

表4：各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重值表

表5：樣本練習(xí)復(fù)雜度評(píng)價(jià)表

表6：驗(yàn)證練習(xí)復(fù)雜度評(píng)價(jià)結(jié)果匯總表