扇區動態容量評估方法現狀分析

史浩祥 林光

摘要：文章介紹管制扇區的基本內容，管制扇區是空域運行的基本單元，準確分析預測其容量，對有效梳理和最大程度利用扇區資源進而降低航班延誤具有重要意義。文章通過對國內外扇區動態容量研究現狀進行論述，簡要闡述現有管制扇區的四種研究方法，簡要分析影響扇區動態容量的主要因素，為以后模型的建立提供依據。

關鍵詞：管制扇區;動態容量評估;管制員工作負荷;惡劣天氣;軍航活動

中圖分類號：TP301? 文獻標識碼：B

文章編號：1009-3044（2022）17-0112-02

1引言

近些年來，隨著我國經濟的快速發展以及國民收入的不斷提高，我國的民航業呈現出快速發展態勢。民航業的迅速發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動態容量評估方法，預測未來每個扇區的動態容量與流量的匹配程度，用以進行航線調整，從而提高扇區利用率，減少航班延誤率。

2扇區容量定義及影響因素

管制扇區容量是指某一扇區的管制空域和管制規則確定的情況下，考慮交通流的配置，惡劣天氣等短時間內可變因素的影響，在單位時間內管制員在某一扇區所能服務和管制航空器的最大數量，主要取決于相關標準要求和管制員負荷、能力水平等。按照扇區的短期影響因素與長期影響因素進行區分可將扇區容量分為扇區靜態容量和扇區動態容量。扇區靜態容量通常是指由扇區固有特性確定的，通常包括扇區面積、形狀、位置等，換句話來說，一旦扇區確定，其靜態容量相應就確定，在一定時間內，不會隨時間的變化而變化，但當扇區內出現短時間影響因素時，諸如惡劣天氣、突發故障、軍航活動、導航設施等情況，扇區容量會隨時間變化而變化，稱為扇區動態容量，對扇區動態容量精確評估是實施準確流量安排，進而降低航班延誤率，提高扇區利用率的關鍵和基礎。

3扇區容量評估國內外現狀

國內外學者從20世紀40年代末，開始對扇區容量進行研究，經過多年的實踐與研究，形成比較成熟的理論體系并在民航空管中得到廣泛應用。主要從基于管制員工作負荷、惡劣天氣等動態因素影響加以分析研究[1]。

3.1扇區容量評估方法研究

當前研究扇區容量的方法主要有四種：1）基于管制員工作負荷評估法;2）運用數學模型仿真評估扇區容量的數學模型法;3）運用計算機仿真評估扇區容量的計算機仿真法4）運用扇區歷史數據評估扇區容量的歷史數據法。

3.1.1管制員工作負荷評估法

該方法通過管制員的工作實踐，運用時間作為量化指標，通過量化管制員的工作負荷評估管制扇區的靜態容量。1984年英國運籌學會的DORATASK提出通過量化雷達管制員的工作負荷，估計扇區容量。1993年日本Noriyasu -Tofukuji由航班交通流量高峰時間下的管制員的工作完成情況來判斷扇區最大容量[2]。2006年萬莉莉、胡明華通過對管制員工作定義并對管制員的工作進行分類，建立基于管制員的工作負荷模型，通過對廣州某扇區的實例驗證證明該模型的準確性[3]。上述的研究方法僅考慮到人為因素對扇區容量的影響，其他因素未做到量化分析，對扇區的動態容量評估與實際應用差距較大，該方法是扇區容量評估四種方法中最為簡單的評估方法。

3.1.2數學模型法

基于數學模型評估扇區容量，是到目前為止應用較為廣泛的評估方法之一。該方法可節省大量時間，但由于該方法為方便運算，需進行一系列假設和條件限制加之該方法未對人為因素進行量化處理，有可能導致模型結果與實際運行結果存在一定的誤差。歐美國家在20世紀60年代開始容量研究，1977年K.Schmidt通過排隊論在單跑道容量模型的基礎上建立機場終端區容量評估模型。1999年胡民華和張志龍等人通過分析上海虹橋機場終端區數據，研究影響機場終端區容量的因素，建立該機場終端區的容量評估模型，該模型分析虹橋機場在不同交通流和不同機型比例下的交叉點容量，并研究終端區下的交通流特征、空域結構、間隔規則對終端區容量的影響[1]。以上的容量評估模型主要集中在航路、終端區等方面進行研究。

3.1.3計算機仿真法

隨著計算機技術的快速發展，計算機仿真技術在空中交通領域也得到廣泛應用。計算機仿真模型在建模的過程中可減少條件限制，增加評估模型的隨機性，不像數學模型需增加一系列約束和假設對模型進行簡化，導致模型結果與實際狀況不符。面對一些復雜情況，目前只能采用計算機仿真解決該問題，仿真模型可以模擬空域環境、扇區結構及交通流特征，仿真模型也可通過改變約束條件對不同情況下的同一扇區容量進行評估，得到該扇區的動態容量，例如改變軍航活動和氣象條件等，對以上的影響因素進行分析得到容量限制瓶頸。但基于計算機仿真評估方法中，只考慮到扇區結構、交通流特征等客觀因素，未考慮影響扇區的主觀因素，忽視扇區的最大限制因素即管制員的工作負荷，因此計算機仿真評估的扇區容量結果有可能大于扇區的實際容量。當前，國際上較為流行的模型有美國FAA的SIMMOD軟件、美國BOEING的TAAM、比利時AIRTOPSOFT SA的Airtop軟件。2001年Salech A.Mumayiz建立機場空域容量評估模型，運用計算機仿真得到機場空域容量[4]。2015年吳懿君通過SIMMOD仿真模擬杭州蕭山機場01/03扇區的進離航線，將改航路徑和各航空器的間隔作為仿真模型的影響因素，通過分析在不同天氣情況下各航段的間隔，得到杭州蕭山機場01/03扇區2014年4月2日各時段的扇區容量值[5]。2016年王澤運用SIMMOD檢驗珠海終端區優化方案的可行性和優化效果[6]。2018年劉繼新、朱學華等人通過SIMMOD仿真模擬2015年4月3日杭州蕭山機場03扇區各時段的容量值，作為灰色神經網絡的輸入指標之一，預測基于惡劣天氣下航空器交通流量與管制員工作負荷的扇區容量[7]。同年劉繼新、李昌成等人分析大連周水子機場管制員的通話記錄，通過AIRTOP仿真該機場終端區管制員工作負荷和各航空器間的沖突，根據管制員的工作閥值（管制員通話時間不應超過70%）評估該機場終端區容量[8]。

3.1.4歷史數據法

該方法是通過對以往歷史數據的分析，運用統計數據的數學模型和管制員的工作經驗來評估扇區容量。該方法優點在于相較于上述的三種方法，該方法在實際運用較為簡便，評估結果與實際運行結果接近。但該方法缺點較為明顯，因需收集數據量龐大，數據收集難度遠超其他三種方法的數據收集難度，收集數據樣本的數量和質量直接影響評估容量與實際容量的一致性，需根據不同扇區的運行情況由管制員確定評估結果。該方法在機場容量評估應用較多，而目前基于歷史統計數據評估扇區容量的研究較少。

3.2修正后的扇區動態容量評估

2010年Russell提出運用雷暴預測系統評估基于航空器交通流的扇區動態容量[9]。2014年田勇分析雷暴天氣對扇區動態容量的影響，建立相關模型進行仿真，綜合考慮了雷暴天氣的位置、機型對扇區的影響情況[10]。同年范興、張明利用成都雙流機場的歷史氣象數據，對影響該機場終端區的天氣按季節屬性進行聚類分析，提出基于天氣季節性的概率容量模型[11]。2016年陳鳳蘭分析常見軍航活動對扇區動態容量的影響并結合王莉莉提出航路運行容量模型，建立不同軍航活動情況下扇區動態容量模型，并提出相對應的改航策略[12]。2017年王莉莉在田勇的基礎上提出對FFA（飛行受限區）的三維高度層的研究，通過vonorio圖分割法確定扇區基本單元，對田勇的FFA位置對航線影響進行優化，并提出了相對應的改航策略。同年王超等人通過管制員工作負荷、扇區結構、偏置運行得到扇區的靜態模型，在此基礎上結合空域減少率、改航時間、因改航增加的管制員工作時間三方面分析天氣對扇區的影響，建立扇區動態模型[13]。2018年劉繼新等人分析扇區內各航路上的WAF（天氣回避區）得到扇區的WITI（天氣影響交通指數）值，通過SIMMOD仿真得到管制員的工作負荷采用回歸分析得到單位時間內扇區的容量值，結合WITI值運用灰色神經網絡對惡劣天氣條件下多場景扇區容量評估，為惡劣天氣情況下的扇區動態容量評估提供了參考[14]。2019年張文倩、王瑛等人在原有單扇區的基礎上研究多扇區之間的耦合容量，結合DORATASK和MBB等方法，空域內有多條航線在惡劣天氣下動態容量，具有重要的指導意義[15]。

3.3相關研究的不足

在計算管制員的工作負荷時，通常是將每個航班的平均工作負荷乘以特定時段內航空器的數量得到相應時段內管制員的工作負荷，現有的主流方法缺少對扇區內各航路交通流的分析，不同特征的交通流對管制員的工作負荷也會產生一定的影響，現有文章缺少對交通流與管制員工作負荷關聯性的研究，在考慮二者的關系時，需考慮扇區內部的交通流時需考慮到扇區內的航路結構、交通流的時空分布等因素，總結該扇區的交通流特征。分析管制員工作負荷與不同特征交通流之間的關聯，對二者進行回歸分析擬合生成曲線公式，并根據管制員可接受的工作負荷評估扇區容量。在研究WITI時應考慮到如改航的航空器受到惡劣天氣影響的情況。同時上文在對扇區容量評估時，只研究扇區的時段容量，未考慮到扇區的瞬時容量。

4扇區容量影響因素分析

對扇區動態容量評估，首先確定出影響其主要因素即所謂自變量，通過研究出扇區容量這一因變量與自變量函數關系，定量分析出扇區容量隨各類影響因素的關系。

4.1 惡劣天氣對扇區動態容量影響

在我國的空中管制中，惡劣天氣和軍航活動是造成扇區容量在短時間內變化的主要因素。當遇到惡劣天氣時，航空器必然選擇改變高度層或選擇繞飛，根據相關要求若選擇繞飛，繞飛航跡距惡劣天氣邊緣至少10KM，迅速脫離天氣的影響區域。在繞飛時頻繁地改變飛行高度層或預定航路，會與其他不受天氣影響的航空器發生沖突，有可能會出現多個航路交叉點，增加管制員與飛行員之間的通話次數和時間，也會增加管制員處理沖突的時間，大幅增加管制員的工作負荷，單位時間內管制員在惡劣天氣條件下處理航班數量比正常天氣條件下處理航班的數量大幅下降，導致單位時間內扇區容量發生變化。以ZGGG AR 15扇區為例，在管制員的能力及機型不變的條件下，該扇區在惡劣天氣條件下的小時容量比正常天氣條件下的小時容量下降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容量下降更為明顯。從上面的數據可知天氣是造成扇區容量動態變化的主要因素之一。

4.2軍航活動對扇區動態容量影響

軍航活動也會影響扇區的容量。大量的軍航活動對民航的正常運輸活動產生不利的影響。軍航活動對扇區的動態容量影響主要分為三種情況：1）軍航活動時扇區的某一高度層禁止民用航空器使用;2）出現軍航活動時管制區的某一區域禁止民用航空器通行;3）與情況2類似，但軍方在活動區域劃定一條航線供民用航空器使用。軍航活動也會導致改變高度層或繞飛的情況發生，這有可能使扇區的容量發生變化。以廣州07扇區和18扇區為例，通過仿真實驗可知，在沒有軍航活動時，該扇區的容量為125架/h，如該扇區發生軍航活動，禁止H81航路的所有高度層時，扇區的容量大幅下降為71.23架/次;如H82航路禁止使用，對H82航路上的民用航空器進行繞飛處理，扇區的容量下降為108.9架/次[12]，從上面的數據可知軍航活動是造成扇區容量動態變化的主要因素之一，尤其是在軍航活動中禁止高度層時，對扇區的容量影響明顯，但在對軍航活動區域外劃設一條繞飛航路時，扇區的容量也會出現一定程度的下降，但其下降幅度遠遠小于禁止高度層的情況。

5 結束語

本文綜述當前國內外扇區動態容量研究現狀并對影響扇區容量的因素進行分析，對當前研究不足的部分進行簡要的說明，為以后扇區動態模型的建立提供理論依據。

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收稿日期：2022-02-24

作者簡介：史浩祥（1998—），男，四川成都人，碩士研究生，研究方向為機場空域管理;林光（1982—），男，浙江杭州人，碩士，高級工程師，研究方向為空中交通流量管理。