CN105225539A - 基于主成分分析的扇区运行性能综合指数的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空中交通管制扇区运行性能检测方法及系统，该方法包括步骤：步骤1：输入扇区运行性能指标；包括：扇区通行性指标、扇区复杂性指标、扇区安全性指标、扇区经济性指标和管制员工作负荷指标；步骤2：使用主成分分析确定扇区运行性能主成分；步骤3：根据扇区运行性能主成分计算扇区性能综合指数。本发明的方法将影响扇区性能综合指数检测的扇区性能检测指标数据的多维度指标进行全面、综合考虑，从而实现对扇区性能综合指数的有效检测；而且，将主成分分析方法应用于本发明中，对输入的扇区运行性能指标进行处理，提高了检测的效率，能够满足空中交通管制单位对扇区性能综合指数进行实时检测和告警的实际需求，对于提升管制运行管理水平、优化管制空域结构具有数据支持作用。

Description

基于主成分分析的扇区运行性能综合指数的方法及系统

技术领域

本发明涉及航空领域，尤指一种空中交通管制扇区运行性能综合检测方法及系统。

背景技术

伴随着航空运输业的发展，为了保证各类飞行活动的安全和有序，空中交通管制服务应运而生并不断得到发展完善，至20世纪80年代趋于成熟。现代空中交通管制服务的主要内容是：空中交通管制员(简称为“管制员”，下同)依托现代通信、导航、监视技术，对所辖航空器实施管理和控制，协调和指导其运动路径和模式，以防止空中航空器与航空器相撞及在机场机动区内航空器与障碍物相撞，维护和加快空中交通的有序流动。空中交通管制扇区(简称为“管制扇区”，下同)是空中交通管制(简称为“管制”，下同)的基本空间单元。一般情况下，为航空器提供空中交通管制服务的空域被划设为若干管制扇区，每个管制扇区对应一个管制员工作席位。管制扇区运行性能是管制扇区内航空器运行态势的技术性指标提炼，既反映管制员对所辖管制扇区提供管制服务的质量和水准，又反映特定管制空域使用效能。因此，对管制扇区运行性能的有效检测是调整管制运行策略、优化管制空域结构的基础和前提。

比如，公开号为CN104332073A的专利文献在2015-02-04公开了一种智能空中交通管制系统，包括数据接收接口模块、数据处理中心、应急超控模块、电子飞行计划显示模块、航班监控显示模块和航班控制指令发送模块。通过接收飞机准确的实时飞行信息，数据处理中心即可展开飞行计划的精确计算，并优化整个飞行队列，如缩短飞机间距，合理调配对应跑道的起降顺序，实时更改着陆角，曲线进近等，有效提高整个飞行队列的效率，加强安全性。最终，整个飞行计划将显示在管制员的监控显示器上。航空管制员可以随时通过显示器观察飞行队列起飞着陆的优先顺序，并通过更改飞机起飞/着陆航迹，航速等参数，调整队列顺序。从而提高机场通勤率，提高管制员的工作效率。

但即便如此，目前针对空中交通管制扇区运行性能的研究较少，大部分研究主要体现在以下几个孤立方面：(1)空中交通流密度，分为战略和战术两层面，其中前者主要体现为空域复杂性指标，后者主要体现为管制单元空中交通拥挤程度判定。目前，空中交通流密度指标在应用上仍以管制单元的航空器架次统计作为主要呈现。(2)管制运行安全性能，包括定量和定性两方面。定量方面，国际民航组织(ICAO)依据碰撞风险分析制定的总的安全目标等级(TLS)是1.5×10-8次致命飞行事故/飞行小时，而我国民航空管系统根据危险接近风险分析将事故征候万架次率作为关键安全指标。定性方面，ICAO推荐采用威胁差错管理(ThreatandErrorManagement，TEM)或日常运行安全监测(NormalOperationsSafetySurvey，NOSS)方法，实施定性的管制运行安全性能评价。国内学者围绕人、机、环、管理等4类因素分别建立了安全风险评估指标体系，并开展了指标权重分析。(3)管制运行效率性能，主要围绕航班延误指标方面。目前，国外航班延误统计指标涉及延误架次率及延误时间。我国民航欠缺航班延误时间的细化统计，在航班延误原因界定、统计指标设计、统计方法及流程等方面亟待改善。(4)管制员工作负荷，是管制扇区容量评估的重要考量。国外学者从生理/行为特征、主观测评、工作细分的角度，分别提出了电击皮肤的反应、心率、心电图、血压、体液等生理指标，设备操作次数、陆空通话时间记录等行为指标；ATWIT技术、NASA–TLX量表、SWAT量表和MCH法等主观测评技术；DORATASK、MBB法、RAMS法等衡量管制员工作时间的方法。国内学者发展了主观测评方法，提出了基于可拓学的管制员工作负荷评价模型。

例如，公开号为CN104636890A的专利文献在2015-05-20公开了一种空中交通管制员工作负荷测量方法，包括：步骤A：确定管制负荷测量指标，该管制负荷测量指标包括眼动指标和语音指标；步骤B：实时记录各眼动指标对应的眼动指标数据，以及各语音指标对应的语音指标数据；步骤C：对记录的眼动指标数据进行因子分析，计算出眼动指标数据的眼动综合因子；步骤D：以眼动综合因子和语音指标为输入因素，管制综合指标值为输出因素，建立管制负荷回归模型。该方法能够实时、无干扰的测量管制员的综合指标，实用性强。

但该方法参考的数据比较局限，指标维度单一，不够全面、综合，该测量方法仅利用局限的数据片面地对管制员工作负荷进行了测量，存在一定的局限性，预测可靠度不高。

发明内容

本发明提供一种可以提高扇区性能综合指数的检测结果的可靠性的空中交通管制扇区运行性能检测方法和系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种空中交通管制扇区运行性能综合检测方法，包括步骤：

步骤1：输入扇区运行性能指标；包括：扇区通行性指标、扇区复杂性指标、管制扇区安全性指标、扇区经济性指标和管制员工作负荷指标；

步骤2：使用主成分分析确定扇区运行性能主成分；

步骤3：根据扇区运行性能主成分计算扇区性能综合指数。

进一步的，所述步骤1中：

扇区通行性检测指标为{X₁，X₂，X₃，X₄}，分别表示扇区流量、扇区航行里程、扇区航行时间和扇区交通流密度；

扇区复杂性检测指标为{X₅，X₆，X₇，X₈}，分别表示扇区航空器爬升次数、扇区航空器下降次数、扇区航空器改速次数、扇区航空器改航次数；

扇区安全性检测指标为{X₉，X₁₀}，分别表示扇区短期冲突告警频率和扇区最低安全高度告警频率；

扇区经济性检测指标为{X₁₁，X₁₂，X₁₃，X₁₄，X₁₅}，分别表示扇区饱和度、扇区排队长度、扇区航空器延误架次率、扇区航空器延误时间、扇区航空器平均延误时间；

管制员工作负荷检测指标为{X₁₆，X₁₇}，分别表示陆空通话信道占用率、陆空通话次数。

进一步的，在确定扇区运行性能主成分之前，先对输入的扇区运行性能指标进行无量纲化处理。

所述无量纲化处理具体包括：

以扇区性能综合指数为因变量,扇区运行性能指标共计17项，记自变量为：

X＝{X_j，j＝1，2，...，17}

其中，扇区通行性指标为{X₁，X₂，X₃，X₄}，扇区复杂性指标为{X₅，X₆，X₇，X₈}，扇区安全性检测指标为{X₉，X₁₀}，扇区经济性指标为{X₁₁，X₁₂，X₁₃，X₁₄，X₁₅}，管制员工作负荷指标为{X₁₆，X₁₇}；

以一定时间片段长度，采集扇区运行性能指标数据,组成指标样本集；

该样本集中，时间片段的数量为n，即样本的数量为n，其中n>17，扇区运行性能指标数量为17个，构建n×17的指标矩阵X，即：

时间片段i的扇区运行性能指标有17个，可记为：

x_i＝{x_i,j,j＝1,2,...,17}

时间片段i的无量化指标数据集为：

y_i＝{y_i,j}

令第i个时间片段的第j项指标的实际值为x_i,j，y_i,j为第i个时间片段(样本)无量纲化处理后的第j项指标值，为第j项指标的均值s_j为第j项指标的标准差则对于正向指标，对于逆向指标，

先取其倒数或取负获得正向化过渡指标X_j'＝(x_1,j',x_2,j',...,x_n,j')^T即：

或x_i,j'＝-x_i,j

及其均值标准差s_j'，

再进行无量纲化处理，

进一步的，所述步骤2具体为：

无量纲化处理后，17个指标的协方差矩阵构成相关系数矩阵，计算相关系数矩阵的特征值λ_j并按从大到小排序，第j大的特征值λ_j所对应的特征向量ε_j就是指标矩阵X的第i个主成分，因此对于第i个时间片段的样本指标数据的第j个主成分表示为：

E_i,j＝y_i×ε_j＝ε_j,1y_i,1+ε_j,2y_i,2+...+ε_j,17y_i,17,j＝1,2,...,17

第j个主成分的贡献率为：

取m个主成分，使累计贡献率达到80％以上：

其中，m是指主成分累计贡献率达到80％以上时对应的主成分个数。

进一步的，所述步骤3：扇区性能综合指数的计算

对于第i个时间片段的样本指标数据，结合计算得到的主成分及其贡献率可计算出扇区性能综合指数为：

i为样本序号，取值为1到n，j为指标序号，取值为1到17；

进一步的，针对多个时段进行扇区性能综合指数计算，并对所有时段的扇区性能综合指数进行排序；若当前时段的扇区性能综合指数在排序结果中排在后20％，说明该时段的扇区运行情况不佳，则发出响应告警，可以引起相关工作人员的重视，进而避免不必要的危险和损失。

进一步的，在扇区性能综合指数计算输出后，保存样本数据，用于后续的扇区性能综合指数的排序。使得扇区性能综合指数的数据不断更新，使得排序结果能够与时俱进，更加科学和有效，进而使得本方法能够对扇区运行情况进行更好的判断。

一种空中交通管制扇区运行性能检测系统，包括：

主成分分析模块：根据输入的扇区运行性能指标求解扇区运行性能主成分；

扇区性能综合指数处理模块：根据所述主成分分析模块送来的扇区运行性能主成分计算扇区性能综合指数。

进一步的，所述主成分分析模块包括主成分拆分单元、贡献率计算单元和判断单元；

所述主成分拆分单元根据输入的扇区运行性能指标拆分得到扇区运行性能主成分，所述贡献率计算单元根据拆分得到的扇区运行性能主成分计算扇区运行性能主成分对应的贡献率；所述判断单元判断得到的扇区运行性能主成分，以及对应的贡献率是否符合预设阈值，若符合则将扇区运行性能主成分，以及对应的贡献率输出到所述扇区性能综合指数处理模块；

所述空中交通管制扇区运行性能检测系统还包括耦合于所述扇区性能综合指数处理模块的警告模块；判断所述扇区性能综合指数处理模块计算得到的扇区性能综合指数是否符合预设条件，若符合，则所述警告模块进行相应告警；

所述空中交通管制扇区运行性能检测系统还包括管制扇区运行性能检测数据库、以及分别耦合于所述管制扇区运行性能检测数据库的数据引接模块和管制扇区运行性能指标检测模块；所述数据接引模块包括电报数据接口、综合航迹数据接口和管制语音数据接口；所述管制扇区运行性能指标检测模块用于采集扇区通行性指标、扇区复杂性指标、扇区安全性指标、扇区经济性指标和管制员工作负荷指标；

所述管制扇区运行性能检测数据库耦合于所述主成分分析模块的输入端。

本方案将主成分分析模块、扇区性能综合指数模块、管制扇区运行性能检测数据库、数据引接模块和管制扇区运行性能指标检测模块进行关联工作，构建出了具有完备性、普适性的扇区性能检测指标数据指标体系，能够对扇区运行性能进行仿真，获取未来时段扇区性能检测指标数据指标仿真结果，对扇区性能综合指数进行预测，并提供对指标异常情况的预警功能，能够应用于工程单位，具有很强的操作性。

本发明采用定量研究方法，克服了现有技术定性研究较多，定量研究较少，导致客观性不足的情况，将影响扇区性能综合指数检测的扇区性能检测指标数据的多维度指标进行全面、综合考虑，从而实现对扇区性能综合指数的有效检测；不仅从反映管制员工作负荷的指标下手，同时综合考虑其他扇区性能综合指数的影响因子，将影响扇区性能综合指数检测的扇区性能检测指标数据的多维度指标进行全面、综合考虑，检测可靠性得以保证；而且，将主成分分析方法应用于本发明中，对输入的扇区运行性能指标进行处理，它通过建立新坐标轴，寻找使原始数据方差最大的方向，在对多维度指标进行综合考虑的同时，实现降低数据维度并反映原始变量绝大部分信息的作用，提高了检测的效率；更为重要的是，本方法全面、综合地涵盖了管制扇区运行性能的各类影响因素，能够满足空中交通管制单位对扇区性能综合指数进行实时检测和告警的实际需求，对于提升管制运行管理水平、优化管制空域结构具有数据支持作用。

附图说明

图1是本发明实施例一的一种扇区性能综合指数的检测方法的流程图；

图2是本发明一个优选实施例的一种扇区性能综合指数的检测方法的流程图；

图3是本发明实施例二的一种空中交通管制扇区运行性能检测系统的示意图；

图4是本发明另一个优选实施例的一种空中交通管制扇区运行性能检测系统的示意图；

图5是本发明实施例二的一种空中交通管制扇区运行性能检测系统的逻辑结构图；

图6是本发明实施例二的系统对应的网络结构图；

图7是本发明实施例二的系统对应的功能结构图；

图8是本发明实施例二的综合航迹数据接口，对应的综合航迹数据采集功能结构图；

图9是本发明实施例二的管制语音数据接口对应的语音数据采集流程图；

图10是本发明实施例二的电报数据接口对应的电报数据采集功能结构图；

图11是本发明实施例一的扇区性能综合指数。

其中，1、主成分分析模块；2、扇区性能综合指数处理模块；3、警告模块；4、管制扇区运行性能检测数据库；5、数据引接模块；6、扇区性能检测指标数据检测模块；11、主成分拆分单元；12、贡献率计算单元；13、判断单元；100、空中交通管制扇区运行性能检测系统。

具体实施方式

对管制扇区运行性能的有效检测是调整管制运行策略、优化管制空域结构的基础和前提。

目前针对空中交通管制扇区运行性能的既有研究内容，主要存在以下不足：(1)研究方法方面，定性研究较多，定量研究较少，客观性不足。(2)检测指标方面，指标维度较为单一，不够全面、综合，导致综合检测能力不足。(3)应用性方面，既有研究仍停留在实验室研究阶段，主要服务于战略决策，而面向空中交通管制单位的实际工程应用少。由于上述不足，导致目前国内外对于管制扇区运行性能检测的研究在客观性、全面性、可操作性等方面均有所欠缺，特别是对于实际中需要对管制扇区运行性能进行实时检测和响应告警这一需求，尚未有效实现。

因此，本专利所采用的定量研究的方法，能够将影响管制扇区运行性能的各指标，全面、综合地进行考虑，同时保证检测的效率。所设计的空中交通管制扇区运行性能综合检测方法和系统，能够应用于工程单位，具有很强的操作性。

下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。

实施例一：

图1是本发明实施例一的一种空中交通管制扇区运行性能综合检测方法的流程图，如图所示，该方法包括步骤：

S1：输入扇区运行性能指标；

S2：根据扇区运行性能指标，使用主成分分析模型确定扇区运行性能主成分；

S3：按照预设规则，根据扇区运行性能主成分计算扇区性能综合指数。

本发明采用定量研究方法，克服了现有技术定性研究较多，定量研究较少，导致客观性不足的情况，将影响扇区性能综合指数检测的扇区性能检测指标数据的多维度指标进行全面、综合考虑，从而实现对扇区性能综合指数的有效检测；不仅从反映管制员工作负荷的指标下手，同时综合考虑其他扇区性能综合指数的影响因子，将影响扇区性能综合指数检测的扇区性能检测指标数据的多维度指标进行全面、综合考虑，检测可靠性得以保证；而且，将主成分分析方法应用于本发明中，对输入的扇区运行性能指标进行处理，它通过建立新坐标轴，寻找使原始数据方差最大的方向，在对多维度指标进行综合考虑的同时，实现降低数据维度并反映原始变量绝大部分信息的作用，提高了检测的效率；更为重要的是，本方法全面、综合地涵盖了管制扇区运行性能的各类影响因素，能够满足空中交通管制单位对扇区性能综合指数进行实时检测和告警的实际需求，对于提升管制运行管理水平、优化管制空域结构具有数据支持作用。

上述主成分分析模型中的主成分分析(PrincipalComponentAnalysis)是一种常用的多元统计方法，它通过建立新坐标轴，寻找使原始数据方差最大的方向，实现降低数据维度并反映原始变量绝大部分信息的作用。

设原始数据为X＝{X₁，X₂，...，X_p}，其中X₁，X₂，...，X_p为数据的不同维度，数据X的期望E(X)＝μ，方差var(X)＝Σ。设a_j＝(a_j,1,a_j,2,...,a_j,p)^T,j＝1,2,...,p,均为单位向量，主成分分析需要求得下式中的a_j使得下式中Y_j的方差最大。

Y_j＝a_j,1X₁+a_j,2X₂+…+a_j,pX_p(j＝1,2,…,p)

若第一主成分不能反映原始数据中足够的信息，还应考虑第二主成分，以此类推。假设a_j＝t₁时，的方差达到最大，最大值为λ₁，则称为第一主成分。在协方差cov(Y₁,Y₂)＝0时，如a_j＝t₂时，的方差达到最大，最大值为λ₂，则称为第二主成分。同理，在协方差cov(Y_k,Y_j)＝0,(k≠j,k,j＝1,2,…,p)时，当a_j＝t_j时，的方差达到最大，最大值为λ_j，称为第i主成分。

总方差中第j个主成分Y_j的方差所占的比例称为主成份Y_j的贡献率，用于表现该主成分反映原始变量的能力。由主成分的定义可知，p个主成分的贡献率依次递减。前m个主成分的贡献率之和成为前m个主成分的累计贡献率，反映这些主成分解释原始变量的综合能力，常用于确定主成分的选择数目，一般取前m个主成分使其累计贡献率大于或等于80％。

由于在主成分分析方法中主成分量纲的改变会得到不同的Y_j值，因此不同量纲下数据大小的差异程度会直接影响主成分计算，从而影响主成分分析结果，所以需要对数据进行无量纲化处理，无量纲化处理指将原始指标值通过简单数学变化以消除各指标量纲影响的方法，常用的无量纲化方法主要包括Z分数法(标准差法)。

如图2所示是本发明一个优选实施例的流程图；如图所示，具体的，在步骤S2中包括过程：

分别计算扇区运行性能主成分的贡献率；

按照贡献率的多少进行排序；

抽取贡献率最高的扇区运行性能主成分，若对应的贡献率未到预设的阈值，则再抽取贡献率第二高的扇区运行性能主成分，并判断两者的累计贡献率是否达到预设的阈值，如此重复，直到累计贡献率达到预设的阈值要求；

根据选取的扇区运行性能主成分计算扇区性能综合指数。

通过计算累计贡献率，以体现各个扇区运行性能主成分，用于表现和反映原始变量的能力，然后再设置一适当的阈值，以使得选取出来的扇区运行性能主成分能够较好的反映原始变量；如此，可以在全面、综合地考虑各种影响因子的同时，以较低的数据维度，对扇区性能综合指数进行检测，并以该扇区性能综合指数来反映扇区运行的情况。

关于扇区运行性能指标：

本方法以管制扇区性能综合指数为因变量。管制扇区运行性能指标共计17项，记自变量为：

X＝{X_j，j＝1，2，...，17}

其中，扇区通行性检测指标为{X₁，X₂，X₃，X₄}，分别表示扇区流量、扇区航行里程、扇区航行时间和扇区交通流密度；扇区复杂性检测指标为{X₅，X₆，X₇，X₈}，分别表示扇区航空器爬升次数、扇区航空器下降次数、扇区航空器改速次数、扇区航空器改航次数；扇区安全性检测指标为{X₉，X₁₀}，分别表示扇区短期冲突告警频率和扇区最低安全高度告警频率；扇区经济性检测指标为{X₁₁，X₁₂，X₁₃，X₁₄，X₁₅}，分别表示扇区饱和度、扇区排队长度、扇区航空器延误架次率、扇区航空器延误时间、扇区航空器平均延误时间；管制员工作负荷检测指标为{X₁₆，X₁₇}，分别表示陆空通话信道占用率、陆空通话次数。

以1小时作为时间片段长度(也可将时间片段长度自定义为15分钟或30分钟)，采集扇区运行性能指标数据。以当前最新时间片段的指标数据与之前n-1个时间片段数据(n>17)组成指标样本集。

该样本集中，时间段数量为n，指标数量为17个，构建阶n×17的矩阵X，即：

得到的样本指标数据示例如下表1所示：

表1扇区运行性能指标样本数据示例

关于扇区运行性能主成分：

在确定扇区运行性能主成分之前，即步骤1还包括过程S1-1：先对输入的扇区运行性能指标进行无量纲化处理。由于在主成分分析方法中，各个指标量纲的改变会得到不同的结果，因此不同量纲下数据大小的差异程度会直接影响主成分计算，从而影响主成分分析结果，所以需要对数据进行无量纲化处理，无量纲化处理能够消除各指标量纲影响。

时间片段i的扇区运行性能指标有17个，可记为：

x_i＝{x_i,j}

时间片段i的无量化指标数据集为：

y_i＝{y_i,j}

令第i个时间片段的第j项指标的实际值为x_i,j，y_i,j为第i个时间片段(样本)无量纲化处理后的第j项指标值，为第j项指标的均值s_j为第j项指标的标准差则对于正向指标(值越大越好的指标)，对于逆向指标(值越小越好的指标)，

先取其倒数或取负获得正向化过渡指标X_j'＝(x_1,j',x_2,j',...,x_n,j')^T即：

或x_i,j'＝-x_i,j

及其均值标准差s_j'，

再进行无量纲化处理，

无量纲化后，17个指标的协方差矩阵就是相关系数矩阵。计算相关系数矩阵的特征值λ_j并按从小到大排序，第j大大特征值λ_j所对应的特征向量ε_j就可以确定指标矩阵X的第i个主成分。对于样本集中第i个时间段的样本指标数据，第j个主成分为：

E_i,j＝y_i×ε_j＝ε_j,1y_i,1+ε_j,2y_i,2+...+ε_j,17y_i,17,j＝1,2,...,17

关于贡献率：

单个扇区运行性能主成分的方差占所有扇区运行性能主成分总方差的比例即该单个扇区运行性能主成分的贡献率。通过方差计算，可以计算得到各个扇区运行性能主成分的贡献率。

第j个主成分的贡献率为：

取m个主成分，使累计贡献率达到80％以上：

其中，m是指主成分累计贡献率达到80％以上时对应的主成分个数。累计贡献率阈值设为达到80％以上的原因是：80％左右能够比较好的体现原始变量，既不会因为阈值太低，使得数据不能充分的体现原始变量，又不会因为阈值太高，使得数据维度几乎没有减少，而不能够减少数据处理和计算的难度。

关于扇区性能综合指数：

对于样本集中第i个时间段的样本指标数据，结合计算得到的主成分及其贡献率可计算出扇区性能综合指数为：

在步骤S3之后还包括步骤S4：若扇区性能综合指数符合预设条件，则发出响应告警。响应告警，使得该方法能够应用于工程，为扇区运行的异常情况进行警示，进而有利于保证航空器以及相关人的人身安全。

具体的，包括过程：针对多个时段进行扇区性能综合指数计算，并对所有时段的扇区性能综合指数进行排序；

若最新时段的扇区性能综合指数在排序结果中排在后20％，则发出响应告警。具体的，第一次的时候可以收集之前多个时段的数据，以对最新时段进行检测；稳定后，每次将最新时段的扇区性能综合指数更新到该排序结果中即可。当最新时段的扇区性能综合指数在排序结果中排在后20％，说明该时段的扇区运行情况不佳，进行告警，可以引起相关工作人员的重视，进而避免不必要的危险和损失。

另外，在扇区性能综合指数计算输出后，保存样本数据，用于后续的扇区性能综合指数的排序。使得扇区性能综合指数的数据不断更新，使得排序结果能够与时俱进，更加科学和有效，进而使得本方法能够对扇区运行情况进行更好的判断。

根据上述方法流程，采集成都ACC01扇区相关指标数据共计648组，导入MATLAB7.8，编程实现主成分分析法。主成分分析结果见表2。原始指标共计17个，经主成分分析，前6个主成分的总贡献率达到84.91％，较大程度地包含了原始指标信息，故采用这6个主成分作综合检测，得出扇区性能综合指数，在MATLAB7.8中为648*1的矩阵，如下图11所示。

表2648个时段的扇区运行性能主成分分析结果

在该实例中，如图11第648组数据的扇区运行能力综合指数为-0.3130，处于648组数据中的第356位，位于排序结果的前80％，所以在本实例中无需发出告警。

实施例二：

如图3所示是本发明实施例二的一种空中交通管制扇区运行性能检测系统，的示意图，结合实施例一可知，该空中交通管制扇区运行性能检测系统100包括：

主成分分析模块1：根据输入的扇区运行性能指标求解扇区运行性能主成分；

扇区性能综合指数处理模块2：根据主成分分析模块1送来的扇区运行性能主成分计算扇区性能综合指数。

本发明采用定量研究方法，克服了现有技术定性研究较多，定量研究较少，导致客观性不足的情况，将影响扇区性能综合指数检测的扇区性能检测指标数据的多维度指标进行全面、综合考虑，从而实现对扇区性能综合指数的有效检测；不仅从反映管制员工作负荷的指标下手，同时综合考虑其他扇区性能综合指数的影响因子，将影响扇区性能综合指数检测的扇区性能检测指标数据的多维度指标进行全面、综合考虑，检测可靠性得以保证；而且，将主成分分析方法应用于本发明中，对输入的扇区运行性能指标进行处理，它通过建立新坐标轴，寻找使原始数据方差最大的方向，在对多维度指标进行综合考虑的同时，实现降低数据维度并反映原始变量绝大部分信息的作用，提高了检测的效率；更为重要的是，本方法全面、综合地涵盖了管制扇区运行性能的各类影响因素，能够满足空中交通管制单位对扇区性能综合指数进行实时检测和告警的实际需求，对于提升管制运行管理水平、优化管制空域结构具有数据支持作用。

如图4所示是本发明另一个优选实施例的一种空中交通管制扇区运行性能检测系统的示意图，其中，具体的，主成分分析模块包括主成分拆分单元、贡献率计算单元和判断单元；

主成分拆分单元根据输入的扇区运行性能指标拆分得到扇区运行性能主成分，贡献率计算单元根据拆分得到的扇区运行性能主成分计算扇区运行性能主成分对应的贡献率；判断单元判断得到的扇区运行性能主成分，以及对应的贡献率是否符合预设阈值，若符合则将扇区运行性能主成分，以及对应的贡献率输出到所述扇区性能综合指数处理模块；

空中交通管制扇区运行性能检测系统100还包括耦合于所述扇区性能综合指数处理模块2的警告模块3；判断扇区性能综合指数处理模块2计算得到的扇区性能综合指数是否符合预设条件，若符合，则所述警告模块3进行相应告警；

空中交通管制扇区运行性能检测系统100还包括管制扇区运行性能检测数据库4、以及分别耦合于管制扇区运行性能检测数据库4的数据引接模块5和管制扇区运行性能指标检测模块6；数据接引模块5包括电报数据接口、综合航迹数据接口和管制语音数据接口；管制扇区运行性能指标检测模块6用于采集扇区通行性指标、扇区复杂性指标、扇区安全性指标、扇区经济性指标和管制员工作负荷指标；

管制扇区运行性能检测数据库4耦合于主成分分析模块1的输入端。

本方案将主成分分析模块、扇区性能综合指数模块、管制扇区运行性能检测数据库、数据引接模块和管制扇区运行性能指标检测模块进行关联工作，构建出了具有完备性、普适性的扇区性能检测指标数据指标体系，能够对扇区运行性能进行仿真，获取未来时段扇区性能检测指标数据指标仿真结果，对扇区性能综合指数进行预测，并提供对指标异常情况的预警功能，能够应用于工程单位，具有很强的操作性。

如图5所示是本发明的空中交通管制扇区运行性能检测系统的逻辑结构图；空中交通空中交通管制扇区运行性能检测系统主要包括一套管制扇区运行性能检测数据库和数据引接、数据计算三大功能模块。

管制扇区运行性能检测数据库将各信息采集点采集的空中交通管制数据(包括雷达综合航迹数据、电报数据、VHF录音数据等)归类、保存，以及检测到的管制扇区运行性能指标(包括管制扇区通行性指标、管制扇区复杂性指标、管制扇区安全性指标、管制扇区经济性指标、管制员工作负荷指标等)，为扇区性能综合指数的检测提供数据依据。

如图6所示是系统对应的网络结构图，系统通过数据采集服务器收集实时数据，通过管制扇区运行性能指标检测服务器和综合检测服务器实时监视运行数据，检测和分析管制扇区运行性能状况，并对扇区性能综合指数超出阈值的时段进行告警。整个系统的网络平台将依托现有的管理信息网，采集平台和空管生产网络进行物理隔离，保证数据的单向传递，阻止网络攻击，以保障相关数据安全性和生产运行系统可靠性。

如图7所示是本发明实施例的系统对应的功能结构图；主要包括管制运行数据采集、管制扇区运行性能指标检测、管制扇区运行性能综合检测以及管制扇区运行性能告警等功能模块。

在数据接引模块中，包括综合航迹数据接口，对应的综合航迹数据采集功能结构图如图8所示，空管自动化系统对航管一、二次雷达等监视信号进行数据融汇和数据处理，输出综合航迹信息，其主要的处理模块包括雷达前端处理模块，雷达数据处理模块和飞行计划处理模块。

本系统从空管自动化系统采集综合航迹数据，通过网络的方式进行传输。数据采集服务器对采集的综合航迹数据进行解析，获取航空器的高度、速度、位置等信息用于指标的计算。

综合航迹数据采集模块包括航迹数据格式转换模块、航迹数据解析模块、航迹数据存储模块。

如图9所示是本发明的管制语音数据接口对应的语音数据采集流程图，管制员与飞行员通过VHF通信系统实现陆空语音通话。该系统由甚高频(VeryHighFrequency，VHF)收发电台及信号传输、处理装置组成。

语音数据采集从配线架上并接采集语音信号，将陆空通话信息进行解码和存储，用于管制员管制指挥通话负荷的分析。

如图9所示，席位语音数据由内话系统配线架通过带屏蔽网线并接引入系统数据采集服务器，语音通道与席位(扇区)对应。语音信号从配线架上高阻抗(录音模块为200K欧姆)采集(管制员地空通话)席位语音，不影响地空通话和语音记录，采用多对电缆线将语音信号从配线架引接至语音处理器，实现对多个席位语音的采集和分析。

如图10所示是本发明的电报数据接口对应的电报数据采集功能结构图，转报系统是收发民用航空飞行动态固定电报的枢纽装置，民用航空飞行动态固定电报的报文由若干个规定的数据编组按固定顺序排列而成。

电报数据采集模块引接转报系统输出的电报数据，并对数据进行格式转换、解析和存储，获取飞行计划数据，如图所示，该模块将接收到的电报数据解析后存储到数据库中保存，用于扇区性能检测指标数据计算。

本发明的管制扇区运行性能指标检测模块具体如下：扇区通行性指标，包括扇区流量、扇区航行里程、扇区航行时间、扇区交通流密度；扇区复杂性指标，包括扇区航空器爬升次数、扇区航空器下降次数、扇区航空器改速次数、扇区航空器改航次数；扇区安全性指标，包括扇区短期冲突告警(STCA,Short-termconflictalert)频率、扇区最低安全高度告警(MSAW,Minimumsafealtitudewarning)频率；扇区经济性指标，包括扇区饱和度、扇区排队长度、扇区航空器延误架次率、扇区航空器延误时间、扇区航空器平均延误时间；管制员工作负荷指标，包括陆空通话信道占用率、陆空通话次数。并基于指标体系输出管制扇区性能检测指标数据计算结果。系统提供良好的人机界面，供用户查看各种实时统计图形。

其中，扇区通行性指标是指：

(1)扇区流量

扇区流量是指管制扇区单位时间内所管辖的航空器架次。系统通过引接空管自动化系统综合航迹数据获取空中航空器的位置信息，结合已配置的扇区边界信息，计算得到扇区流量。

(2)扇区航行里程

扇区航行里程是指管制扇区单位时间内所管辖的航空器航行里程的总和。设管制扇区单位时间内航空器架次数为Q，第q架航空器的航行里程为M_q，扇区航行里程为M_total，则通过引接空管自动化系统综合航迹数据获取空中航空器的位置信息，结合已配置的扇区边界信息，计算得到扇区航行里程。

(3)扇区航行时间

扇区航行时间是指管制扇区单位时间内所管辖的航空器航行时间的总和。设管制扇区单位时间内航空器架次数为Q，第q架航空器的航行时间为T_q，扇区航行时间为T_total，则通过引接空管自动化系统综合航迹数据获取空中航空器的位置信息，结合已配置的扇区边界信息，计算得到扇区航行时间。

(4)扇区交通流密度

扇区交通流密度是对管制扇区单位时间内所管辖的航空器架次密集程度的测度。设扇区面积为S_sec，管制扇区单位时间内航空器架次数为Q，单位时间内扇区交通流密度为D_sec，则D_sec＝Q/S_sec。系统读取配置的扇区边界信息得到扇区面积，结合扇区流量计算得到扇区交通流密度。

扇区复杂性指标是指：

(1)扇区航空器爬升次数

扇区航空器爬升次数是指管制扇区单位时间内所管辖的航空器爬升次数的总和。设管制扇区单位时间内航空器架次数为Q，第q架航空器的爬升次数为C_q，扇区航空器爬升次数为C_total，则引接实时综合航迹数据，对扇区中航空器的爬升情况进行监视与统计，一个航空器爬升一个高度层为爬升一次，计算得到扇区航空器爬升次数。

(2)扇区航空器下降次数

扇区航空器下降次数是指管制扇区单位时间内航空器下降次数的总和。设管制扇区单位时间内航空器架次数为Q，第q架航空器的下降次数为D_q，扇区航空器下降次数为D_total，则引接实时综合航迹数据，对扇区中航空器的下降情况进行监视与统计，一个航空器下降一个高度层为下降一次，计算得到扇区航空器爬升次数。

(3)扇区航空器改速次数

扇区航空器改速次数是指管制扇区单位时间内航空器速度改变次数的总和。设管制扇区单位时间内航空器架次数为Q，第q架航空器的改速次数为S_q，扇区航空器改速次数为S_total，则引接实时综合航迹数据，对扇区中航空器的速度改变情况进行监视与统计，一个航空器速度连续改变达到设定参数为一次速度改变，计算得到扇区航空器改速次数。

(4)扇区航空器改航次数

扇区航空器改航次数是指管制扇区单位时间内航空器航向改变次数的总和。设管制扇区单位时间内航空器架次数为Q，第q架航空器的改航次数为H_q，扇区航空器改航次数为H_total，则引接实时综合航迹数据，对扇区中航空器的航向改变情况进行监视与统计，一个航空器航向连续改变达到设定参数为一次航向改变，计算得到扇区航空器改航次数。

而，扇区安全性指标是指：

(1)扇区短期冲突告警频率

扇区短期冲突告警频率是指管制扇区单位时间内所管辖的航空器短期冲突告警次数，由系统引接空管自动化系统的STCA告警数据统计得到。

(2)扇区最低安全高度告警频率

扇区最低安全高度告警频率是指管制扇区单位时间内所管辖的航空器最低安全高度告警次数，由系统引接空管自动化系统的MSAW告警数据统计得到。

再者，扇区经济性指标是指：

(1)扇区饱和度

扇区饱和度是指管制扇区单位时间内流量与容量的比值，管制扇区单位时间内所能管辖的航空器最大数量标定为管制扇区容量。设管制扇区单位时间内航空器架次数为Q，管制扇区容量为C，扇区饱和度为Satu_sec，则Satu_sec＝Q/C。系统读取配置的扇区容量参数，结合扇区流量计算得到扇区饱和度。

(2)扇区排队长度

在管制扇区单位时间内所管辖的航空器中，如进入扇区时出现盘旋等待等排队状况，则定义其为排队航空器，定义扇区排队长度为排队航空器的数量。系统引接综合航迹数据，判断目标航空器是否在扇区边界进行盘旋等待，并计算得到扇区排队长度。

(3)扇区航空器延误架次率

在管制扇区单位时间内所管辖的航空器中，航行时间超出了正常范围的航空器定义为延误航空器，航行时间超出正常范围的部分定义为延误时间。设管制扇区单位时间内航空器架次数为Q，扇区航空器的延误架次数为d，扇区航空器的延误架次率为Drat_sec，则Drat_sec＝d/Q。引接综合航迹数据，对每架航空器在管制扇区中的实际飞行时间与经验飞行时间进行对比，若实际飞行时间大于经验飞行时间，则视为延误航空器，并计算得到扇区航空器延误架次率。

(4)扇区航空器延误时间

在管制扇区单位时间内所管辖的航空器中，航行时间超出了正常范围的航空器定义为延误航空器，航行时间超出正常范围的部分定义为延误时间，延误时间总和定义为扇区航空器延误时间。设管制扇区单位时间内航空器架次数为Q，第q架航空器的延误时间为Delay_q，扇区航空器延误时间为Delay_sec，则引接综合航迹数据，对每架航空器在管制扇区中的实际飞行时间与经验飞行时间进行对比，若实际飞行时间大于经验飞行时间，则视为延误航空器，并计算得到扇区航空器延误时间。

(5)扇区航空器平均延误时间

在管制扇区单位时间内所管辖的航空器中，航行时间超出了正常范围的航空器定义为延误航空器，航行时间超出正常范围的部分定义为延误时间。设扇区航空器延误时间为Delay_sec，扇区航空器的延误架次数为Q，扇区航空器的平均延误时间为Davg_sec，则Davg_sec＝Delay_sec/Q。引接综合航迹数据，对每架航空器在管制扇区中的实际飞行时间与经验飞行时间进行对比，若实际飞行时间大于经验飞行时间，则视为延误航空器，并计算得到扇区航空器平均延误时间。

另外，管制员工作负荷检测指的是：

管制员为完成管制任务需承受身体上和精神上的压力，这些压力可以转化为时间上的消耗，通过时间消耗来缓解承受到的压力和完成客观任务的要求，这个时间消耗的长短就是管制员工作负荷的大小。在可测计的管制员工作时间消耗中，陆空通话信道占用率和陆空通话次数是反映管制员工作负荷的基础指标。

(1)陆空通话信道占用率检测

陆空通话信道占用率是指管制扇区单位时间内陆空通话时长占比。设管制扇区在单位时间T内共陆空通话R次，第r次陆空通话的时间长度为T_r，陆空通话信道占用率为T_rate，则引接管制语音数据，分析对应扇区管制席位的管制员与飞行员通话开始时间和结束时间，然后将每段通话的时长进行累加，从而得到扇区陆空通话时长，进而计算得到陆空通话信道占用率。

(2)陆空通话次数检测

陆空通话次数是指管制扇区单位时间内陆空通话的次数。系统对管制语音数据进行分析，每次通话计为一次陆空通话，对单位时间内通话次数进行累加得出陆空通话次数。

本研究以管制扇区运行性能为因变量。扇区运行性能检测指标数据共计17项，记自变量X＝{X_j，j＝1，2，...，17}。

其中，扇区通行性检测指标为{X₁，X₂，X₃，X₄}，分别表示扇区流量、扇区航行里程、扇区航行时间和扇区交通流密度；扇区复杂性检测指标为{X₅，X₆，X₇，X₈}，分别表示扇区航空器爬升次数、扇区航空器下降次数、扇区航空器改速次数、扇区航空器改航次数；扇区安全性检测指标为{X₉，X₁₀}，分别表示扇区短期冲突告警频率和扇区最低安全高度告警频率；扇区经济性检测指标为{X₁₁，X₁₂，X₁₃，X₁₄，X₁₅}，分别表示扇区饱和度、扇区排队长度、扇区航空器延误架次率、扇区航空器延误时间、扇区航空器平均延误时间；管制员工作负荷检测指标为{X₁₆，X₁₇}，分别表示陆空通话信道占用率、陆空通话次数。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种空中交通管制扇区运行性能综合检测方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1：输入扇区运行性能指标；包括：扇区通行性指标、扇区复杂性指标、扇区安全性指标、扇区经济性指标和管制员工作负荷指标；

步骤2：使用主成分分析确定扇区运行性能主成分；

步骤3：根据扇区运行性能主成分计算扇区性能综合指数。

2.如权利要求1所述的一种空中交通管制扇区运行性能综合检测方法，其特征在于，扇区通行性检测指标为{X₁，X₂，X₃，X₄}，分别表示扇区流量、扇区航行里程、扇区航行时间和扇区交通流密度；

扇区复杂性检测指标为{X₅，X₆，X₇，X₈}，分别表示扇区航空器爬升次数、扇区航空器下降次数、扇区航空器改速次数、扇区航空器改航次数；

扇区安全性检测指标为{X₉，X₁₀}，分别表示扇区短期冲突告警频率和扇区最低安全高度告警频率；

扇区经济性检测指标为{X₁₁，X₁₂，X₁₃，X₁₄，X₁₅}：，分别表示扇区饱和度、扇区排队长度、扇区航空器延误架次率、扇区航空器延误时间、扇区航空器平均延误时间；

管制员工作负荷检测指标为分别表示陆空通话信道占用率、陆空通话次数。

3.如权利要求1所述的一种空中交通管制扇区运行性能综合检测方法，其特征在于，在确定扇区运行性能主成分之前，先对输入的扇区运行性能指标进行无量纲化处理。

4.如权利要求3所述的一种空中交通管制扇区运行性能综合检测方法，其特征在于，所述无量纲化处理具体包括：

扇区运行性能指标共计17项，记为：

X＝{X_j，j＝1，2，...，17}

以一定时间片段长度，采集扇区运行性能指标数据,组成指标样本集；

该样本集中，时间片段的数量为n，即样本的数量为n，其中n>17，扇

区运行性能指标数量为17个，构建n×17的指标矩阵X，即：

$X=\left[\begin{array}{cccc}{x}_{1,1}& x_{1,2}& ...& x_{1,17}\\ x_{2,1}& x_{2,2}& ...& x_{2,17}\\ ...& ...& ...& ...\\ x_{n,1}& x_{n,2}& ...& x_{n,17}\end{array}\right]$

时间片段i的扇区运行性能指标有17个，可记为：

x_i＝{x_i,j}

时间片段i的无量化指标数据集为：

y_i＝{y_i,j}

令第i个时间片段的第j项指标的实际值为x_i,j，y_i,j为第i个时间片段(样本)无量纲化处理后的第j项指标值，为第j项指标的均值s_j为第j项指标的标准差则对于正向

指标，对于逆向指标，

先取其倒数或取负获得正向化过渡指标X_j'＝(x_1,j',x_2,j',...,x_n,j')^T即：

或x_i,j'＝-x_i,j

及其均值标准差s_j'，

再进行无量纲化处理，

5.如权利要求1或4所述的一种空中交通管制扇区运行性能综合检测方法，其特征在于，步骤2的具体过程如下：

无量纲化处理后，17个指标的协方差矩阵构成相关系数矩阵，计算相关系数矩阵的特征值λ_j并按从大到小排序，第j大的特征值λ_j所对应的特征向量ε_j就是指标矩阵X的第i个主成分，因此对于第i个时间片段的样本指标数据的第j个主成分表示为：

E_i,j＝y_i×ε_j＝ε_j,1y_i,1+ε_j,2y_i,2+...+ε_j,17y_i,17,j＝1,2,...,17

第j个主成分的贡献率为：

$w_j=\frac{{\mathrm{\λ}}_j}{\underset{j=1}{\overset{17}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_j}$

取m个主成分，使累计贡献率达到80％以上：

$\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{w}_j\≥0.80$

其中，m是指主成分累计贡献率达到80％以上时对应的主成分个数。

6.如权利要求1所述的一种空中交通管制扇区运行性能综合检测方法，其特征在于，

步骤3：扇区性能综合指数的计算

对于第i个时间片段的样本指标数据，结合计算得到的主成分及其贡献率可计算出扇区性能综合指数为：

$E_i=\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{w}_j{Y}_{i,j}$

i为样本序号，取值为1到n，j为指标序号，取值为1到17。

7.如权利要求6所述的一种空中交通管制扇区运行性能综合检测方法，其特征在于，针对多个时段进行扇区性能综合指数计算，并对所有时段的扇区性能综合指数进行排序；若当前时段的扇区性能综合指数在排序结果中排在后20％，则发出响应告警。

8.如权利要求1所述的一种空中交通管制扇区运行性能综合检测方法，其特征在于，在扇区性能综合指数计算输出后，保存样本数据，用于后续的扇区性能综合指数的排序。

9.一种空中交通管制扇区运行性能检测系统，其特征在于，包括：

主成分分析模块：根据输入的扇区运行性能指标求解扇区运行性能主成分；

扇区性能综合指数处理模块：根据所述主成分分析模块送来的扇区运行性能

主成分计算扇区性能综合指数。

10.如权利要求9所述的一种空中交通管制扇区运行性能检测系统，其特征在于，所述主成分分析模块包括主成分拆分单元、贡献率计算单元和判断单元；

所述主成分拆分单元根据输入的，经过无量纲化处理的扇区运行性能指标拆分得到扇区运行性能主成分；所述贡献率计算单元根据拆分得到的扇区运行性能主成分计算扇区运行性能主成分对应的贡献率；所述判断单元判断得到的扇区运行性能主成分，以及对应的贡献率是否符合预设阈值，若符合则将扇区运行性能主成分，以及对应的贡献率输出到所述扇区性能综合指数处理模块；

所述空中交通管制扇区运行性能检测系统还包括耦合于所述扇区性能综合指数处理模块的警告模块；判断所述扇区性能综合指数处理模块计算得到的扇区性能综合指数是否符合预设条件，若符合，则所述警告模块进行相应告警；

所述空中交通管制扇区运行性能检测系统还包括管制扇区运行性能检测数据库、以及分别耦合于所述管制扇区运行性能检测数据库的数据引接模块和管制扇区运行性能指标检测模块；所述数据接引模块包括电报数据接口、综合航迹数据接口和管制语音数据接口；所述管制扇区运行性能指标检测模块用于采集扇区通行性指标、扇区复杂性指标、扇区安全性指标、扇区经济性指标和管制员工作负荷指标；

所述管制扇区运行性能检测数据库耦合于所述主成分分析模块的输入端。