CN102842075A

CN102842075A - 通过管制员工作负荷的时空分布特征确定扇区容量的方法

Info

Publication number: CN102842075A
Application number: CN2012103300672A
Authority: CN
Inventors: 赵征; 胡明华; 彭瑛; 董襄宁; 万莉莉; 王艳军; 张功; 张琼方
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2012-09-10
Filing date: 2012-09-10
Publication date: 2012-12-26

Abstract

通过管制员工作负荷的时空分布特征确定扇区容量的方法包括以下步骤：(1)在所评估区域内采集管制员工作负荷数据；(2)对不同时间段、不同路径上的飞行流归类，按具体的繁忙等级将管制员工作负荷特征分成I(低)、II(中)、III(高)三类；(3)根据扇区特性分析和管制员指挥交通特征信息建立扇区容量评估模型，计算各时间片管制员工作负荷；(4)对管制员工作负荷与航班数量进行回归分析，确定二者的一元三次函数关系；(5)计算出扇区容量评估结果。本发明能够更为准确地测量扇区容量，对管制工作负荷预测和未来空域容量的评估更为准确。

Description

通过管制员工作负荷的时空分布特征确定扇区容量的方法

技术领域

本发明涉及通过管制员工作负荷的时空分布特征确定扇区容量的方法，具体涉及管制员工作负荷权值的分类、工作负荷繁忙等级的划分与分析方法。

背景技术

随着我国民用航空事业飞速发展，有限的空域资源与不断增长的空中交通流量之间的矛盾日益凸显。为了解决空域资源供需矛盾，实现空域系统的安全、经济和高效管理，有必要对空域系统运行服务能力进行科学、客观的评估。加之以扇区为基本运行单位的空域系统复杂化、动态化趋势日益加深，评估扇区容量，尤其是基于管制员工作负荷的扇区容量评估成为精细化衡量空域运行服务能力的先决条件之一，也是保障飞行安全、有效实施空中交通流量管理策略、充分利用空域资源的重要依据。

基于管制员工作负荷的容量评估方法是通过量化管制员工作负荷来评估空域容量，主要适用于扇区容量的评估。对于工作负荷的测量技术主要分为：日常工作和解决冲突(看得见的)任务所花费的时间；计划(无形的)任务所花费的时间。依据联合测量技术理论，将其分成通信工作负荷、非通信工作负荷和思考类工作负荷。

以往基于管制员工作负荷的评估方法只记录管制员和飞行员的通话时间，不考虑通话次数，并且不考虑各时间段管制员工作负荷权值的变化，只计算各时段内管制员工作负荷的平均值作为工作负荷权值。然后对管制员工作负荷和航空器数量进行回归分析，确定两者的二次函数关系，计算得出扇区容量。但在实际运行中，管制员在不同繁忙程度下的管制策略并不相同，对不同路径上航空器的调配策略也不同，因此产生的管制员工作负荷也不能按同一情况进行统计。其次，管制员工作负荷随航空器架次的增长并不是简单的线性增长或是二次函数增长，而是接近于三次函数的增长。

发明内容

本发明针对现有方法存在的问题，提出了一种基于管制员工作负荷的时空分布特征并利用一元三次线性回归分析求解扇区容量的方法。

实现此方法的技术方案如下：

一种通过管制工作负荷回归分析确定空域容量的方法，直接应用实际场景中采集到的陆空通话数据，并采用发放调查问卷和搜集进程单的方式整理管制过程中的思考时间、雷达屏幕操作时间或是进程单填写时间，通过一元三次回归分析，建立管制员工作负荷预测模型，进而确定空域的容量，其步骤为：

a、在现场采集所研究空域内的管制工作负荷数据。

所述的管制工作负荷数据是用软件分别记录下飞经扇区的航空器航班号、管制员和飞行员的通话次数、每次通话时长以及每次通话起止时间，记录的数据还包括评估扇区名称、使用跑道号、每架航空器的飞行路径等情况。同时，采集管制工作负荷数据还包括以发放调查问卷的方式采集管制员在不同繁忙程度下的速度、高度、航向的指令条数。对于无法自动生成电子进程单的扇区，还需要统计各个飞行路径上相应进程单的填写时间。

b、对扇区内各路径各时段的管制工作负荷权值进行分类；

在扇区实际运行过程中，每个时间段、不同路径上的飞行流特征不同，造成管制员的繁忙程度不同。在繁忙时段，管制员的调配指令增多，思考负荷增加，相应的工作负荷也不同。因此，本评估方法根据每条路径上、不同时间段内每架飞机相应的雷达屏幕操作次数，对同一路径上的航空器进行排序，将每条路径上的工作负荷按具体的繁忙等级特征，分成I(低)、II(中)、III(高)三类。

在I(低)时，扇区内各条航路上的飞行流量较少，或者飞行流量主要集中在少数航路上且较小，冲突较少，管制员的调配指令很简单，管制通话频率较低。

在II(中)时，扇区内各条或某些航路上的飞行流量较大，飞行流特征较为显著并且存在较多的潜在冲突，管制员的调配难度增加，管制通话频率较高。

在III(高)时，扇区内各条或少数航路上的飞行流量很大，飞行流特征非常显著并且存在很多潜在冲突，管制员的调配难度很大，管制通话频率很高。

根据不同繁忙等级对应的不同的思考时间，对每条路径的每架航空器在不同繁忙等级下的通信负荷、非通信负荷、思考负荷以及雷达屏幕操作时间(对于无法自动生成电子进程单的管制扇区，还应该加上进程单填写时间)加权求均值后，可得到每条路径在不同繁忙等级下的工作负荷权值。

c、建立扇区容量评估模型，得到管制员工作负荷与航空器数量的一元非线性线性回归拟合结果，确定二者的一元三次函数关系；

d、计算出扇区容量评估结果。

根据实际运行中管制员工作负荷与扇区容量之间的关系，本评估方法采用一元三次非线性回归分析方法。将飞行流量作为自变量N，管制员工作负荷作为因变量W，计算出两者的函数关系W＝f(N)，预测出管制员工作负荷达到规定值时的扇区容量结果。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为扇区思考负荷调研表；

图3为扇区工作负荷权值表；

图4为扇区小时流量统计表；

图5为小时流量与工作负荷关系表；

图6为航空器架次与工作负荷拟合图。

具体实施方式

第一步：采集和整理数据。

1.数据采集

(1)通信时间采集

通信工作负荷指扇区内每条飞行路径上各个方向管制员及飞行员通信时间。因此通信时间采集需记录下飞经扇区的航空器航班号、以及管制员和飞行员的通话次数、每次通话时长以及每次通话起止时间，此外，记录的数据还包括评估扇区名称、使用跑道号、以及每架航空器的飞行路径等情况。

(2)非通信时间采集

使用电子进程单通常可归入雷达屏幕操作，此时非通信负荷只包括雷达屏幕操作和管制协调两个方面。因此非通信时间采集只需要记录管制员在指挥每架航空器时，雷达显示屏和进程单的操作时间以及与协调席的沟通时间。

(3)思考时间采集

平均思考负荷是指航空器在本扇区指定的航段飞行过程中，管制员根据具体的扇区情况，做出判断及解决冲突等行为的平均思考时间。为了保证数据的准确性，思考工作负荷测量采取实地调查问卷的方法，并要求所评估扇区的一线成熟管制员填写。思考时间调研表如图2所示。

2.数据整理

根据采集到的工作负荷数据，整理出每架航空器的管制员通信时间以及非通信时间(通常为雷达屏幕操作时间)之和。并按采集到的扇区路径R1，R2，R3……，对所有航空器进行归类。

第二步：统计管制员工作负荷权值。

使用基于管制员工作负荷的时空分布特征确定扇区容量的评估方法时，需要统计不同路径上、各时间段内各架航空器的通信负荷以及非通信负荷之和。根据第一步已整理好的数据，对同一路径上的航空器按照雷达屏幕操作次数由低到高进行排序，将每条路径的繁忙等级由低到高分成I(低)、II(中)、III(高)三类。

根据工作负荷调查表采集到的数据，整理得到不同路径上、不同繁忙等级下管制员的思考时间。由此可求出每条路径上、每个繁忙等级下单架航空器的通信时间、非通信时间与思考时间的总和。对每条飞行路径在每个繁忙等级下的总工作负荷求平均值，即得到该飞行路径上、该繁忙等级下的管制员工作负荷均值。

将各个飞行路径上、不同繁忙程度下的管制员工作负荷权值录入工作负荷表，见图3。

第三步：计算管制员工作负荷。

管制员工作负荷计算公式如1所示：

W_{i} (t) = Σ_{j = 1}^{n} {\overset{&OverBar;}{W}}_{ij} N_{i} {(t)}_{j}

i∈{1，2...，l}j∈{1，2...，n} (1)

{\overset{&OverBar;}{W}}_{ij} = {\overset{&OverBar;}{W}}_{ij}^{com} + {\overset{&OverBar;}{W}}_{ij}^{incom} + {\overset{&OverBar;}{W}}_{ij}^{thk} - - - (2)

式1，2中，W_i(t)表示繁忙等级i时时间片t内扇区总工作负荷(单位：秒)；

l表示工作负荷繁忙最高等级；

n表示扇区内航段数目；

表示繁忙等级i时航段j上的管制员工作负荷权值，即繁忙等级i时航段j上单架航空器完成航段飞行的平均工作负荷(单位：秒/架)；

N_i(t)_j表示繁忙等级i时时间片t内航段j上的航空器数目(单位：架)；

表示繁忙等级i时航段j上通信工作负荷权值，即繁忙等级i时航段j上单架航空器完成航段飞行的平均通信工作负荷(单位：秒/架)；

表示繁忙等级i时航段j上非通信工作负荷权值，即繁忙等级i时航段j上单架航空器完成航段飞行的平均非通信工作负荷(单位：秒/架)；

表示繁忙等级i时航段j上思考负荷权值，即繁忙等级i时航段j上单架航空器完成航段飞行的平均思考负荷(单位：秒/架)。

根据所采集的数据，利用管制员工作负荷模型计算出扇区内各航路工作负荷，并由扇区容量评估系统统计计算相对应的航空器数量，确定工作负荷和航空器数量之间的关系。架次统计信息见图4，架次与负荷关系见图5。

最后对管制员工作负荷和航空器数量进行回归分析，得到工作负荷与航空器关系拟合图(见图6)，确定两者的一元三次函数关系，如公式3所示。

WL＝0.07N³-4.140N²+91.18N-214.5 (3)

式中，WL(Workload)为管制员工作负荷，N为航空器架次。

最终当工作负荷达到最高负荷65％时的航空器数量为扇区的容量值为47架次/小时。

Claims

1.通过管制员工作负荷的时空分布特征确定扇区容量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采集所评估区域内的管制员工作负荷数据；

步骤2：对不同时间段，不同路径上的飞行流归类，按具体的繁忙等级将管制员工作负荷

特征分成I(低)、II(中)、III(高)三类；

步骤3：根据扇区特性分析和管制员指挥交通特征信息建立扇区容量评估模型，计算各时间片管制员工作负荷；

步骤4：对管制员工作负荷与航班数量进行回归分析，确定二者的一元三次函数关系；

步骤5：计算出扇区容量评估结果；

在实际管制过程中，随着繁忙程度的上升，飞行冲突增加，管制员的调配指令和通话频率增加，因此可以通过管制员发放的速度、高度、航向指令数，即雷达屏幕的操作次数来划分管制员工作的I(低)、II(中)、III(高)三个繁忙等级；

步骤2具体包括：

步骤2-1：按路径对所有飞经扇区的航空器进行分类，统计同一路径上、不同时间段内每架航空器给管制员带来的通信负荷；

步骤2-2：将每条路径上的航空器按照管制员调配指令的频繁程度进行排序，将管制员工作负荷由低到高分成I(低)、II(中)、III(高)三类；

步骤2-3：根据不同路径在不同繁忙等级下对应的思考负荷，可求出每条路径上、每个繁忙等级下单架航空器的通信时间、非通信时间与思考时间的总和；

步骤2-4：对每条飞行路径在每个繁忙等级下的管制员工作负荷求平均值，即得到该飞行路径上、该繁忙等级下的管制员工作负荷均值；

在以往的管制员工作负荷评估中，把工作负荷随交通流的增长看作是二次函数的变化。但实际工作中，由于管制员会通过各个管制策略来适应航班的增长，因此在航班量增长的某段时间，管制员工作负荷并不会随之增加。因此，管制员工作负荷随航班量的增长更趋近于三次函数态势；

步骤4具体包括：

步骤4-1：根据步骤3得到的各时间片管制员工作负荷，将管制员工作负荷与航班流量关系进行拟合，得到各个时间片管制员工作负荷与航空器数量拟合图；

步骤4-2：采用一元非线性回归分析方法。将飞行流量作为自变量N，管制员工作负荷作为因变量W，得到两者的一元三次函数关系W＝f(N)。