扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量評(píng)估方法現(xiàn)狀分析

史浩祥 林光

摘要：文章介紹管制扇區(qū)的基本內(nèi)容，管制扇區(qū)是空域運(yùn)行的基本單元，準(zhǔn)確分析預(yù)測(cè)其容量，對(duì)有效梳理和最大程度利用扇區(qū)資源進(jìn)而降低航班延誤具有重要意義。文章通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量研究現(xiàn)狀進(jìn)行論述，簡(jiǎn)要闡述現(xiàn)有管制扇區(qū)的四種研究方法，簡(jiǎn)要分析影響扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量的主要因素，為以后模型的建立提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：管制扇區(qū);動(dòng)態(tài)容量評(píng)估;管制員工作負(fù)荷;惡劣天氣;軍航活動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP301? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1009-3044（2022）17-0112-02

1引言

近些年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及國(guó)民收入的不斷提高，我國(guó)的民航業(yè)呈現(xiàn)出快速發(fā)展態(tài)勢(shì)。民航業(yè)的迅速發(fā)展加劇了空域使用中的流量和容量矛盾，因此，需要合理精確的扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量評(píng)估方法，預(yù)測(cè)未來(lái)每個(gè)扇區(qū)的動(dòng)態(tài)容量與流量的匹配程度，用以進(jìn)行航線調(diào)整，從而提高扇區(qū)利用率，減少航班延誤率。

2扇區(qū)容量定義及影響因素

管制扇區(qū)容量是指某一扇區(qū)的管制空域和管制規(guī)則確定的情況下，考慮交通流的配置，惡劣天氣等短時(shí)間內(nèi)可變因素的影響，在單位時(shí)間內(nèi)管制員在某一扇區(qū)所能服務(wù)和管制航空器的最大數(shù)量，主要取決于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求和管制員負(fù)荷、能力水平等。按照扇區(qū)的短期影響因素與長(zhǎng)期影響因素進(jìn)行區(qū)分可將扇區(qū)容量分為扇區(qū)靜態(tài)容量和扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量。扇區(qū)靜態(tài)容量通常是指由扇區(qū)固有特性確定的，通常包括扇區(qū)面積、形狀、位置等，換句話來(lái)說(shuō)，一旦扇區(qū)確定，其靜態(tài)容量相應(yīng)就確定，在一定時(shí)間內(nèi)，不會(huì)隨時(shí)間的變化而變化，但當(dāng)扇區(qū)內(nèi)出現(xiàn)短時(shí)間影響因素時(shí)，諸如惡劣天氣、突發(fā)故障、軍航活動(dòng)、導(dǎo)航設(shè)施等情況，扇區(qū)容量會(huì)隨時(shí)間變化而變化，稱(chēng)為扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量，對(duì)扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量精確評(píng)估是實(shí)施準(zhǔn)確流量安排，進(jìn)而降低航班延誤率，提高扇區(qū)利用率的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。

3扇區(qū)容量評(píng)估國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外學(xué)者從20世紀(jì)40年代末，開(kāi)始對(duì)扇區(qū)容量進(jìn)行研究，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐與研究，形成比較成熟的理論體系并在民航空管中得到廣泛應(yīng)用。主要從基于管制員工作負(fù)荷、惡劣天氣等動(dòng)態(tài)因素影響加以分析研究[1]。

3.1扇區(qū)容量評(píng)估方法研究

當(dāng)前研究扇區(qū)容量的方法主要有四種：1）基于管制員工作負(fù)荷評(píng)估法;2）運(yùn)用數(shù)學(xué)模型仿真評(píng)估扇區(qū)容量的數(shù)學(xué)模型法;3）運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真評(píng)估扇區(qū)容量的計(jì)算機(jī)仿真法4）運(yùn)用扇區(qū)歷史數(shù)據(jù)評(píng)估扇區(qū)容量的歷史數(shù)據(jù)法。

3.1.1管制員工作負(fù)荷評(píng)估法

該方法通過(guò)管制員的工作實(shí)踐，運(yùn)用時(shí)間作為量化指標(biāo)，通過(guò)量化管制員的工作負(fù)荷評(píng)估管制扇區(qū)的靜態(tài)容量。1984年英國(guó)運(yùn)籌學(xué)會(huì)的DORATASK提出通過(guò)量化雷達(dá)管制員的工作負(fù)荷，估計(jì)扇區(qū)容量。1993年日本Noriyasu -Tofukuji由航班交通流量高峰時(shí)間下的管制員的工作完成情況來(lái)判斷扇區(qū)最大容量[2]。2006年萬(wàn)莉莉、胡明華通過(guò)對(duì)管制員工作定義并對(duì)管制員的工作進(jìn)行分類(lèi)，建立基于管制員的工作負(fù)荷模型，通過(guò)對(duì)廣州某扇區(qū)的實(shí)例驗(yàn)證證明該模型的準(zhǔn)確性[3]。上述的研究方法僅考慮到人為因素對(duì)扇區(qū)容量的影響，其他因素未做到量化分析，對(duì)扇區(qū)的動(dòng)態(tài)容量評(píng)估與實(shí)際應(yīng)用差距較大，該方法是扇區(qū)容量評(píng)估四種方法中最為簡(jiǎn)單的評(píng)估方法。

3.1.2數(shù)學(xué)模型法

基于數(shù)學(xué)模型評(píng)估扇區(qū)容量，是到目前為止應(yīng)用較為廣泛的評(píng)估方法之一。該方法可節(jié)省大量時(shí)間，但由于該方法為方便運(yùn)算，需進(jìn)行一系列假設(shè)和條件限制加之該方法未對(duì)人為因素進(jìn)行量化處理，有可能導(dǎo)致模型結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果存在一定的誤差。歐美國(guó)家在20世紀(jì)60年代開(kāi)始容量研究，1977年K.Schmidt通過(guò)排隊(duì)論在單跑道容量模型的基礎(chǔ)上建立機(jī)場(chǎng)終端區(qū)容量評(píng)估模型。1999年胡民華和張志龍等人通過(guò)分析上海虹橋機(jī)場(chǎng)終端區(qū)數(shù)據(jù)，研究影響機(jī)場(chǎng)終端區(qū)容量的因素，建立該機(jī)場(chǎng)終端區(qū)的容量評(píng)估模型，該模型分析虹橋機(jī)場(chǎng)在不同交通流和不同機(jī)型比例下的交叉點(diǎn)容量，并研究終端區(qū)下的交通流特征、空域結(jié)構(gòu)、間隔規(guī)則對(duì)終端區(qū)容量的影響[1]。以上的容量評(píng)估模型主要集中在航路、終端區(qū)等方面進(jìn)行研究。

3.1.3計(jì)算機(jī)仿真法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在空中交通領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。計(jì)算機(jī)仿真模型在建模的過(guò)程中可減少條件限制，增加評(píng)估模型的隨機(jī)性，不像數(shù)學(xué)模型需增加一系列約束和假設(shè)對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，導(dǎo)致模型結(jié)果與實(shí)際狀況不符。面對(duì)一些復(fù)雜情況，目前只能采用計(jì)算機(jī)仿真解決該問(wèn)題，仿真模型可以模擬空域環(huán)境、扇區(qū)結(jié)構(gòu)及交通流特征，仿真模型也可通過(guò)改變約束條件對(duì)不同情況下的同一扇區(qū)容量進(jìn)行評(píng)估，得到該扇區(qū)的動(dòng)態(tài)容量，例如改變軍航活動(dòng)和氣象條件等，對(duì)以上的影響因素進(jìn)行分析得到容量限制瓶頸。但基于計(jì)算機(jī)仿真評(píng)估方法中，只考慮到扇區(qū)結(jié)構(gòu)、交通流特征等客觀因素，未考慮影響扇區(qū)的主觀因素，忽視扇區(qū)的最大限制因素即管制員的工作負(fù)荷，因此計(jì)算機(jī)仿真評(píng)估的扇區(qū)容量結(jié)果有可能大于扇區(qū)的實(shí)際容量。當(dāng)前，國(guó)際上較為流行的模型有美國(guó)FAA的SIMMOD軟件、美國(guó)BOEING的TAAM、比利時(shí)AIRTOPSOFT SA的Airtop軟件。2001年Salech A.Mumayiz建立機(jī)場(chǎng)空域容量評(píng)估模型，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真得到機(jī)場(chǎng)空域容量[4]。2015年吳懿君通過(guò)SIMMOD仿真模擬杭州蕭山機(jī)場(chǎng)01/03扇區(qū)的進(jìn)離航線，將改航路徑和各航空器的間隔作為仿真模型的影響因素，通過(guò)分析在不同天氣情況下各航段的間隔，得到杭州蕭山機(jī)場(chǎng)01/03扇區(qū)2014年4月2日各時(shí)段的扇區(qū)容量值[5]。2016年王澤運(yùn)用SIMMOD檢驗(yàn)珠海終端區(qū)優(yōu)化方案的可行性和優(yōu)化效果[6]。2018年劉繼新、朱學(xué)華等人通過(guò)SIMMOD仿真模擬2015年4月3日杭州蕭山機(jī)場(chǎng)03扇區(qū)各時(shí)段的容量值，作為灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入指標(biāo)之一，預(yù)測(cè)基于惡劣天氣下航空器交通流量與管制員工作負(fù)荷的扇區(qū)容量[7]。同年劉繼新、李昌成等人分析大連周水子機(jī)場(chǎng)管制員的通話記錄，通過(guò)AIRTOP仿真該機(jī)場(chǎng)終端區(qū)管制員工作負(fù)荷和各航空器間的沖突，根據(jù)管制員的工作閥值（管制員通話時(shí)間不應(yīng)超過(guò)70%）評(píng)估該機(jī)場(chǎng)終端區(qū)容量[8]。

3.1.4歷史數(shù)據(jù)法

該方法是通過(guò)對(duì)以往歷史數(shù)據(jù)的分析，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型和管制員的工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)評(píng)估扇區(qū)容量。該方法優(yōu)點(diǎn)在于相較于上述的三種方法，該方法在實(shí)際運(yùn)用較為簡(jiǎn)便，評(píng)估結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果接近。但該方法缺點(diǎn)較為明顯，因需收集數(shù)據(jù)量龐大，數(shù)據(jù)收集難度遠(yuǎn)超其他三種方法的數(shù)據(jù)收集難度，收集數(shù)據(jù)樣本的數(shù)量和質(zhì)量直接影響評(píng)估容量與實(shí)際容量的一致性，需根據(jù)不同扇區(qū)的運(yùn)行情況由管制員確定評(píng)估結(jié)果。該方法在機(jī)場(chǎng)容量評(píng)估應(yīng)用較多，而目前基于歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)評(píng)估扇區(qū)容量的研究較少。

3.2修正后的扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量評(píng)估

2010年Russell提出運(yùn)用雷暴預(yù)測(cè)系統(tǒng)評(píng)估基于航空器交通流的扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量[9]。2014年田勇分析雷暴天氣對(duì)扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量的影響，建立相關(guān)模型進(jìn)行仿真，綜合考慮了雷暴天氣的位置、機(jī)型對(duì)扇區(qū)的影響情況[10]。同年范興、張明利用成都雙流機(jī)場(chǎng)的歷史氣象數(shù)據(jù)，對(duì)影響該機(jī)場(chǎng)終端區(qū)的天氣按季節(jié)屬性進(jìn)行聚類(lèi)分析，提出基于天氣季節(jié)性的概率容量模型[11]。2016年陳鳳蘭分析常見(jiàn)軍航活動(dòng)對(duì)扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量的影響并結(jié)合王莉莉提出航路運(yùn)行容量模型，建立不同軍航活動(dòng)情況下扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量模型，并提出相對(duì)應(yīng)的改航策略[12]。2017年王莉莉在田勇的基礎(chǔ)上提出對(duì)FFA（飛行受限區(qū)）的三維高度層的研究，通過(guò)vonorio圖分割法確定扇區(qū)基本單元，對(duì)田勇的FFA位置對(duì)航線影響進(jìn)行優(yōu)化，并提出了相對(duì)應(yīng)的改航策略。同年王超等人通過(guò)管制員工作負(fù)荷、扇區(qū)結(jié)構(gòu)、偏置運(yùn)行得到扇區(qū)的靜態(tài)模型，在此基礎(chǔ)上結(jié)合空域減少率、改航時(shí)間、因改航增加的管制員工作時(shí)間三方面分析天氣對(duì)扇區(qū)的影響，建立扇區(qū)動(dòng)態(tài)模型[13]。2018年劉繼新等人分析扇區(qū)內(nèi)各航路上的WAF（天氣回避區(qū)）得到扇區(qū)的WITI（天氣影響交通指數(shù)）值，通過(guò)SIMMOD仿真得到管制員的工作負(fù)荷采用回歸分析得到單位時(shí)間內(nèi)扇區(qū)的容量值，結(jié)合WITI值運(yùn)用灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)惡劣天氣條件下多場(chǎng)景扇區(qū)容量評(píng)估，為惡劣天氣情況下的扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量評(píng)估提供了參考[14]。2019年張文倩、王瑛等人在原有單扇區(qū)的基礎(chǔ)上研究多扇區(qū)之間的耦合容量，結(jié)合DORATASK和MBB等方法，空域內(nèi)有多條航線在惡劣天氣下動(dòng)態(tài)容量，具有重要的指導(dǎo)意義[15]。

3.3相關(guān)研究的不足

在計(jì)算管制員的工作負(fù)荷時(shí)，通常是將每個(gè)航班的平均工作負(fù)荷乘以特定時(shí)段內(nèi)航空器的數(shù)量得到相應(yīng)時(shí)段內(nèi)管制員的工作負(fù)荷，現(xiàn)有的主流方法缺少對(duì)扇區(qū)內(nèi)各航路交通流的分析，不同特征的交通流對(duì)管制員的工作負(fù)荷也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，現(xiàn)有文章缺少對(duì)交通流與管制員工作負(fù)荷關(guān)聯(lián)性的研究，在考慮二者的關(guān)系時(shí)，需考慮扇區(qū)內(nèi)部的交通流時(shí)需考慮到扇區(qū)內(nèi)的航路結(jié)構(gòu)、交通流的時(shí)空分布等因素，總結(jié)該扇區(qū)的交通流特征。分析管制員工作負(fù)荷與不同特征交通流之間的關(guān)聯(lián)，對(duì)二者進(jìn)行回歸分析擬合生成曲線公式，并根據(jù)管制員可接受的工作負(fù)荷評(píng)估扇區(qū)容量。在研究WITI時(shí)應(yīng)考慮到如改航的航空器受到惡劣天氣影響的情況。同時(shí)上文在對(duì)扇區(qū)容量評(píng)估時(shí)，只研究扇區(qū)的時(shí)段容量，未考慮到扇區(qū)的瞬時(shí)容量。

4扇區(qū)容量影響因素分析

對(duì)扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量評(píng)估，首先確定出影響其主要因素即所謂自變量，通過(guò)研究出扇區(qū)容量這一因變量與自變量函數(shù)關(guān)系，定量分析出扇區(qū)容量隨各類(lèi)影響因素的關(guān)系。

4.1 惡劣天氣對(duì)扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量影響

在我國(guó)的空中管制中，惡劣天氣和軍航活動(dòng)是造成扇區(qū)容量在短時(shí)間內(nèi)變化的主要因素。當(dāng)遇到惡劣天氣時(shí)，航空器必然選擇改變高度層或選擇繞飛，根據(jù)相關(guān)要求若選擇繞飛，繞飛航跡距惡劣天氣邊緣至少10KM，迅速脫離天氣的影響區(qū)域。在繞飛時(shí)頻繁地改變飛行高度層或預(yù)定航路，會(huì)與其他不受天氣影響的航空器發(fā)生沖突，有可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)航路交叉點(diǎn)，增加管制員與飛行員之間的通話次數(shù)和時(shí)間，也會(huì)增加管制員處理沖突的時(shí)間，大幅增加管制員的工作負(fù)荷，單位時(shí)間內(nèi)管制員在惡劣天氣條件下處理航班數(shù)量比正常天氣條件下處理航班的數(shù)量大幅下降，導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)扇區(qū)容量發(fā)生變化。以ZGGG AR 15扇區(qū)為例，在管制員的能力及機(jī)型不變的條件下，該扇區(qū)在惡劣天氣條件下的小時(shí)容量比正常天氣條件下的小時(shí)容量下降50%[10]。如管制員能力較差在相同條件下，惡劣天氣條件下扇區(qū)容量下降更為明顯。從上面的數(shù)據(jù)可知天氣是造成扇區(qū)容量動(dòng)態(tài)變化的主要因素之一。

4.2軍航活動(dòng)對(duì)扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量影響

軍航活動(dòng)也會(huì)影響扇區(qū)的容量。大量的軍航活動(dòng)對(duì)民航的正常運(yùn)輸活動(dòng)產(chǎn)生不利的影響。軍航活動(dòng)對(duì)扇區(qū)的動(dòng)態(tài)容量影響主要分為三種情況：1）軍航活動(dòng)時(shí)扇區(qū)的某一高度層禁止民用航空器使用;2）出現(xiàn)軍航活動(dòng)時(shí)管制區(qū)的某一區(qū)域禁止民用航空器通行;3）與情況2類(lèi)似，但軍方在活動(dòng)區(qū)域劃定一條航線供民用航空器使用。軍航活動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致改變高度層或繞飛的情況發(fā)生，這有可能使扇區(qū)的容量發(fā)生變化。以廣州07扇區(qū)和18扇區(qū)為例，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可知，在沒(méi)有軍航活動(dòng)時(shí)，該扇區(qū)的容量為125架/h，如該扇區(qū)發(fā)生軍航活動(dòng)，禁止H81航路的所有高度層時(shí)，扇區(qū)的容量大幅下降為71.23架/次;如H82航路禁止使用，對(duì)H82航路上的民用航空器進(jìn)行繞飛處理，扇區(qū)的容量下降為108.9架/次[12]，從上面的數(shù)據(jù)可知軍航活動(dòng)是造成扇區(qū)容量動(dòng)態(tài)變化的主要因素之一，尤其是在軍航活動(dòng)中禁止高度層時(shí)，對(duì)扇區(qū)的容量影響明顯，但在對(duì)軍航活動(dòng)區(qū)域外劃設(shè)一條繞飛航路時(shí)，扇區(qū)的容量也會(huì)出現(xiàn)一定程度的下降，但其下降幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于禁止高度層的情況。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文綜述當(dāng)前國(guó)內(nèi)外扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量研究現(xiàn)狀并對(duì)影響扇區(qū)容量的因素進(jìn)行分析，對(duì)當(dāng)前研究不足的部分進(jìn)行簡(jiǎn)要的說(shuō)明，為以后扇區(qū)動(dòng)態(tài)模型的建立提供理論依據(jù)。

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收稿日期：2022-02-24

作者簡(jiǎn)介：史浩祥（1998—），男，四川成都人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)場(chǎng)空域管理;林光（1982—），男，浙江杭州人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榭罩薪煌髁抗芾怼?/p>