岳仁田，韓 娜

(中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院，天津 300300)

持續(xù)增長(zhǎng)的空中交通流量、紛繁多變的空域限制導(dǎo)致當(dāng)前管制運(yùn)行系統(tǒng)的復(fù)雜程度激增、安全壓力加大，管制員長(zhǎng)時(shí)間處于超負(fù)荷工作。研究管制扇區(qū)運(yùn)行健康狀態(tài)的優(yōu)劣，可以全面掌握空中交通運(yùn)行情況，有助于實(shí)時(shí)地控制交通流量，降低管制員工作負(fù)荷程度。

在空管運(yùn)行安全方面，Djokic[1]最早從靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和外部風(fēng)險(xiǎn)角度，構(gòu)建了空管運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系。姚登凱等[2]創(chuàng)新性地引入逆向搜索方法對(duì)模糊Petri網(wǎng)改進(jìn)，有效而快速地評(píng)估了空管系統(tǒng)安全狀態(tài)。張婧婷[3]提出了基于管制工作負(fù)荷的扇區(qū)運(yùn)行安全評(píng)估方法。張亮[4]建立了基于博弈論賦權(quán)的管制扇區(qū)風(fēng)險(xiǎn)集對(duì)評(píng)價(jià)模型。Jacek[5]創(chuàng)新性地采用模糊風(fēng)險(xiǎn)矩陣仿真了空中交通事故的發(fā)生概率和嚴(yán)重程度。Michal等[6]利用人為因素分析和分類系統(tǒng)學(xué)(human factors analysis and classification system,HFACS)增強(qiáng)了系統(tǒng)理論事故模型與過(guò)程(system-theoretic accident model and progress,STAMP)的錯(cuò)誤分類。王龍[7]最先建立了面向扇區(qū)的管制運(yùn)行亞健康狀態(tài)診斷方法，認(rèn)為表征管制運(yùn)行亞健康狀態(tài)的影響元素有交通流分布不均衡度、管制原因小于規(guī)定間隔頻次和管制員工作負(fù)荷。岳仁田等[8-9]從人員、設(shè)備、環(huán)境、管理和運(yùn)行方面構(gòu)建了空管運(yùn)行亞健康評(píng)估指標(biāo)體系，利用ward系統(tǒng)聚類方法將管制運(yùn)行狀態(tài)劃分為管制運(yùn)行健康狀態(tài)和管制運(yùn)行亞健康狀態(tài)。綜上，現(xiàn)有研究主要側(cè)重于管制運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，涉及不同管制運(yùn)行健康狀態(tài)的分類研究較少，且管制運(yùn)行健康評(píng)估指標(biāo)還未十分完善。

空域單元的交通數(shù)據(jù)能體現(xiàn)出交通服務(wù)水平、交通流復(fù)雜性、管制員工作負(fù)荷等。因此，詳細(xì)分析管制扇區(qū)運(yùn)行規(guī)律和空域交通流時(shí)空分布特性，為開(kāi)展管制扇區(qū)運(yùn)行健康識(shí)別研究，構(gòu)建了5項(xiàng)管制運(yùn)行健康評(píng)估指標(biāo)，采取層次分析法和熵權(quán)法確定評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重，選用基于中心點(diǎn)混合三角白化權(quán)函數(shù)的灰色聚類評(píng)估模型對(duì)管制運(yùn)行健康狀態(tài)等級(jí)進(jìn)行識(shí)別。研究路線如圖1流程圖所示。

圖1 管制扇區(qū)運(yùn)行健康識(shí)別流程Fig.1 Identification process on sector control operation health

1 管制扇區(qū)運(yùn)行健康狀態(tài)

1.1 管制扇區(qū)運(yùn)行健康狀態(tài)的定義

從空中交通流層面出發(fā)，提出了管制扇區(qū)運(yùn)行健康狀態(tài)的定義：指在一定時(shí)間和空間范圍內(nèi)，扇區(qū)內(nèi)交通流穩(wěn)定有序、管制工作負(fù)荷低于最大正常負(fù)荷值、交通服務(wù)水平良好。當(dāng)交通流復(fù)雜性增強(qiáng)、交通流量趨于飽和、管制工作處于超負(fù)荷時(shí)，管制運(yùn)行會(huì)從健康狀態(tài)逐漸趨于亞健康狀態(tài)，此時(shí)扇區(qū)交通發(fā)生擁擠，會(huì)導(dǎo)致某種程度的紊亂和無(wú)序，交通流穩(wěn)定性減弱，且管制員容易出現(xiàn)“錯(cuò)、忘、漏”現(xiàn)象，可能會(huì)致使某種事故癥候或不安全事件發(fā)生。當(dāng)出現(xiàn)管制運(yùn)行亞健康狀態(tài)時(shí)，若不及時(shí)做出管控措施，隨著亞健康程度的加深，最終必然導(dǎo)致管制扇區(qū)運(yùn)行狀態(tài)越來(lái)越差，此時(shí)空中交通的運(yùn)行安全性能下降、運(yùn)行效率下降、管制員指揮能力下降。

對(duì)管制扇區(qū)運(yùn)行健康狀態(tài)進(jìn)行合理劃分，判斷某些扇區(qū)或扇區(qū)的某些時(shí)刻交通運(yùn)行是否良好，有助于全面把握空中交通運(yùn)行特征，對(duì)管制員排班管理、管制扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量管理提供依據(jù)。通過(guò)基于灰色聚類的管制扇區(qū)運(yùn)行健康識(shí)別方法對(duì)交通數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到的分析結(jié)果對(duì)于量化評(píng)價(jià)扇區(qū)交通運(yùn)行狀態(tài)、合理評(píng)估空中交通管制員工作負(fù)荷有一定參考意義。

1.2 管制扇區(qū)運(yùn)行健康評(píng)估指標(biāo)

在空管運(yùn)行安全文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)管制扇區(qū)運(yùn)行特性和交通流數(shù)據(jù)，考慮指標(biāo)的可測(cè)性、準(zhǔn)確性、適用性等原則，確定了飽和度、瞬時(shí)飽和度、滯留度、未來(lái)15 min流量、管制工作負(fù)荷程度5項(xiàng)管制運(yùn)行健康評(píng)估指標(biāo)，以此識(shí)別管制運(yùn)行健康狀態(tài)等級(jí)。

1.2.1 飽和度

飽和度定義為扇區(qū)內(nèi)某時(shí)段的當(dāng)量交通量與扇區(qū)公布容量的比值。該指標(biāo)反映了交通需求與容量之間的不平衡程度，表征了扇區(qū)運(yùn)行的交通負(fù)荷程度，可以用來(lái)評(píng)估管制扇區(qū)運(yùn)行的健康程度。當(dāng)飽和度值越小時(shí)，扇區(qū)交通流越穩(wěn)定，飛機(jī)飛行自由度和速度較大，管制運(yùn)行趨于健康狀態(tài)；反之，扇區(qū)交通流趨向不穩(wěn)定化，飛機(jī)飛行的自由度較小，速度受到限制，管制運(yùn)行會(huì)朝向亞健康狀態(tài)發(fā)展。飽和度C1的計(jì)算公式為

C1=qi/c

(1)

式(1)中:qi為第i時(shí)段扇區(qū)運(yùn)行的當(dāng)量交通量；c為扇區(qū)容量限制閾值，采用空管局的容量評(píng)估值。

1.2.2 瞬時(shí)飽和度

瞬時(shí)飽和度定義為某時(shí)段內(nèi)單位分鐘航空器數(shù)量峰值與瞬時(shí)容量的比值。瞬時(shí)容量定義為平均扇區(qū)飛行時(shí)間與單架航空器管制負(fù)荷的比值，平均扇區(qū)飛行時(shí)間為所有航空器飛行時(shí)間之和與航空器數(shù)量的比值，本文中單架航空器管制負(fù)荷為36 s[10]，從而制定了平均扇區(qū)飛行時(shí)間與瞬時(shí)容量的對(duì)照表(表1)。當(dāng)扇區(qū)瞬時(shí)交通流量接近或超過(guò)瞬時(shí)容量時(shí)，應(yīng)當(dāng)適時(shí)進(jìn)行調(diào)整，盡可能提高扇區(qū)的運(yùn)行效率。瞬時(shí)飽和度反映了交通高峰時(shí)段的管制工作負(fù)荷，對(duì)管制運(yùn)行健康狀態(tài)的轉(zhuǎn)變具有決定性作用，可以用來(lái)評(píng)估管制扇區(qū)運(yùn)行健康狀態(tài)等級(jí)。因此，瞬時(shí)飽和度C2的計(jì)算公式為

(2)

(3)

(4)

表1 平均扇區(qū)飛行時(shí)間與瞬時(shí)容量對(duì)照Table 1 Comparison of average sector flight time and instantaneous capacity

1.2.3 滯留度

滯留度[11]定義為某時(shí)段進(jìn)入扇區(qū)的航空器與離開(kāi)扇區(qū)的航空器數(shù)量之差與離開(kāi)扇區(qū)航空器數(shù)量的比值。該指標(biāo)反映了扇區(qū)交通服務(wù)水平的高低，表征了扇區(qū)交通流的有序與無(wú)序。當(dāng)滯留度越大時(shí)，扇區(qū)交通流會(huì)出現(xiàn)某種程度的紊亂，交通運(yùn)行質(zhì)量下降，管制運(yùn)行趨于亞健康狀態(tài)。此指標(biāo)不僅能反映扇區(qū)當(dāng)前交通運(yùn)行狀態(tài)，還能反映飛機(jī)流的形成和消散過(guò)程，在本質(zhì)上表征了扇區(qū)交通運(yùn)行態(tài)勢(shì)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，可以評(píng)估管制運(yùn)行健康狀態(tài)的時(shí)變趨勢(shì)。滯留度C3的計(jì)算公式為

(5)

1.2.4 未來(lái)15 min流量

航空器進(jìn)入扇區(qū)15 min之前會(huì)將其各項(xiàng)信息發(fā)送到管制員工作平臺(tái)，這對(duì)管制員的心理和思想造成了一定的壓力，會(huì)影響當(dāng)前交通流的指揮質(zhì)量。未來(lái)15 min內(nèi)進(jìn)入扇區(qū)的航空器數(shù)量越多，交通流復(fù)雜性也會(huì)增強(qiáng)。因此，未來(lái)15 min的流量[12]C4可用來(lái)評(píng)估管制扇區(qū)運(yùn)行健康程度。

1.2.5 管制工作負(fù)荷程度

管制工作負(fù)荷程度定義為管制工作負(fù)荷與統(tǒng)計(jì)時(shí)段時(shí)長(zhǎng)的比值。管制工作負(fù)荷定義在雷達(dá)管制方式下，管制員在實(shí)施管制任務(wù)期間，通信工作負(fù)荷、非通信工作負(fù)荷和思考工作負(fù)荷的總和(用時(shí)間來(lái)度量，單位s)。賈天琪[9]基于管制工作負(fù)荷提取了5項(xiàng)管制運(yùn)行系統(tǒng)亞健康態(tài)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了管制運(yùn)行系統(tǒng)亞健康態(tài)的特征。當(dāng)管制員工作負(fù)荷超過(guò)正常工作負(fù)荷時(shí)，管制指揮能力下降；若管制工作負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間處于超負(fù)荷，發(fā)生不安全事件的概率也會(huì)隨之增加，因此，管制員工作負(fù)荷程度可用來(lái)評(píng)估管制扇區(qū)運(yùn)行健康程度。管制工作負(fù)荷程度C5的計(jì)算公式為

(6)

2 管制扇區(qū)運(yùn)行健康的灰色聚類識(shí)別

由于管制扇區(qū)運(yùn)行健康評(píng)估指標(biāo)具有非線性特性，管制運(yùn)行系統(tǒng)是一個(gè)灰色系統(tǒng)；另外，健康是一個(gè)人為感知的概念，健康狀態(tài)等級(jí)的識(shí)別具有一定的不確定性和模糊性，各健康評(píng)估指標(biāo)與健康狀態(tài)等級(jí)的關(guān)系不確定。基于這兩點(diǎn)，很難去建立精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述管制扇區(qū)運(yùn)行健康狀態(tài)。而灰色聚類對(duì)于具有不確定性、模糊性的灰色系統(tǒng)，能夠模仿人腦表達(dá)過(guò)渡性界限或定性知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不確定概念的判斷[13]，且計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，易于操作。因此，建立了基于灰色聚類的管制運(yùn)行健康識(shí)別方法。

2.1 基于灰色聚類的管制扇區(qū)運(yùn)行健康識(shí)別步驟

根據(jù)灰色定權(quán)聚類的計(jì)算步驟，包括確定灰色聚類評(píng)估體系、建立評(píng)價(jià)矩陣、確定聚類權(quán)、確定白化權(quán)函數(shù)、計(jì)算聚類系數(shù)、判定對(duì)象所屬灰類。管制扇區(qū)運(yùn)行健康狀態(tài)識(shí)別的具體步驟如下。

2.1.1 確定灰色聚類評(píng)估體系

聚類對(duì)象m為各管制運(yùn)行健康評(píng)價(jià)時(shí)段，m∈M={1,2,…,u}；聚類指標(biāo)n為各管制運(yùn)行健康評(píng)估指標(biāo)(即飽和度、瞬時(shí)飽和度、滯留度、未來(lái)15 min流量、管制工作負(fù)荷程度)，n∈N={1,2,…,5}；灰類k為各管制運(yùn)行健康狀態(tài)等級(jí)，k∈K={1,2,3,4}，k取1～4分別對(duì)應(yīng)管制運(yùn)行健康狀態(tài)、輕度亞健康狀態(tài)、中度亞健康、重度亞健康狀態(tài)；由此可得，灰色聚類對(duì)象集合為M，聚類指標(biāo)集合為N，灰類集合為K，則灰色聚類評(píng)估體系為{M,N,K}。

2.1.2 構(gòu)建評(píng)價(jià)樣本矩陣

對(duì)于m個(gè)評(píng)價(jià)時(shí)段，n個(gè)管制運(yùn)行健康評(píng)估指標(biāo)，評(píng)價(jià)樣本矩陣X=[xmn]u×v(m=1,2，…,u;n=1,2，…,v，v=5)，其中xmn為采集初始數(shù)據(jù)的歸一化值。

2.1.3 確定各指標(biāo)的聚類權(quán)重

選擇層次分析法和熵權(quán)法計(jì)算組合權(quán)重w=[w1,w2,…,wn](n=1,2，…,5)，wn為評(píng)估指標(biāo)n的權(quán)重。

2.1.4 確定白化權(quán)函數(shù)

2.1.5 計(jì)算聚類系數(shù)

評(píng)價(jià)時(shí)段m屬于第k個(gè)管制運(yùn)行健康狀態(tài)等級(jí)的灰色聚類系數(shù)為

(7)

2.1.6 判定評(píng)價(jià)時(shí)段的管制運(yùn)行健康狀態(tài)等級(jí)

2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

2.2.1 層次分析法賦權(quán)

層次分析法將定性和定量相結(jié)合，是一種被廣泛應(yīng)用的確定指標(biāo)權(quán)重的有效方法。計(jì)算詳細(xì)步驟見(jiàn)文獻(xiàn)[14]。針對(duì)多數(shù)評(píng)估問(wèn)題中的權(quán)重確定，層次分析法能夠根據(jù)評(píng)估指標(biāo)的變化趨勢(shì)實(shí)時(shí)調(diào)整各項(xiàng)指標(biāo)賦權(quán)，具有實(shí)用性強(qiáng)和實(shí)時(shí)性高等優(yōu)勢(shì)。

2.2.2 熵權(quán)法賦權(quán)

熵是度量系統(tǒng)無(wú)序程度的測(cè)度，熵值越大，系統(tǒng)的無(wú)序程度越高，提供的信息就越少[15]。各評(píng)估指標(biāo)權(quán)重的熵體現(xiàn)了該指標(biāo)在管制扇區(qū)運(yùn)行健康狀態(tài)等級(jí)識(shí)別中提供有用信息的多少，能夠反映出各評(píng)估指標(biāo)的相對(duì)重要程度，故可以使用熵權(quán)法對(duì)管制運(yùn)行健康評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)。計(jì)算步驟如下：根據(jù)2.1節(jié)中的評(píng)價(jià)樣本矩陣X。計(jì)算各管制運(yùn)行健康評(píng)估指標(biāo)n的熵值En，然后用熵測(cè)度來(lái)表示第n個(gè)管制運(yùn)行健康評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。En計(jì)算公式為

(8)

(9)

2.2.3 組合賦權(quán)

為使管制運(yùn)行健康評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重更加符合實(shí)際情況，結(jié)合層次分析法和熵權(quán)法的優(yōu)點(diǎn)，將主客觀賦權(quán)法確定的權(quán)重進(jìn)行線性組合，以此計(jì)算出更加科學(xué)合理的權(quán)重。因此，指標(biāo)n的組合賦權(quán)計(jì)算公式為

(10)

2.3 白化權(quán)函數(shù)的確定

圖2 白化權(quán)函數(shù)Fig.2 The whitening weight function

對(duì)于管制運(yùn)行健康評(píng)估指標(biāo)n，分別對(duì)應(yīng)4個(gè)管制運(yùn)行健康狀態(tài)等級(jí)建立白化權(quán)函數(shù)：

(11)

(12)

(13)

(14)

在管制運(yùn)行健康狀態(tài)等級(jí)識(shí)別時(shí)，根據(jù)扇區(qū)管制運(yùn)行特性及專家咨詢和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等進(jìn)行綜合確定各管制運(yùn)行健康評(píng)估指標(biāo)的分類標(biāo)準(zhǔn)，不同扇區(qū)不同時(shí)段同一管制運(yùn)行健康評(píng)估指標(biāo)的分類標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)有所不同。

3 實(shí)例分析

為驗(yàn)證管制扇區(qū)運(yùn)行健康識(shí)別方法的有效性，選取廈門(mén)1號(hào)扇區(qū)2013年10月1日8:00—10:00時(shí)間段的交通數(shù)據(jù)，以15 min為一個(gè)統(tǒng)計(jì)間隔，對(duì)管制扇區(qū)運(yùn)行健康狀態(tài)等級(jí)進(jìn)行識(shí)別。表2為各時(shí)間段統(tǒng)計(jì)的各聚類指標(biāo)的初始值。

首先，對(duì)5個(gè)聚類指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。然后使用層次分析法和熵權(quán)法對(duì)管制運(yùn)行健康評(píng)估指標(biāo)賦權(quán)，并利用組合賦權(quán)式(8)將主客觀權(quán)重進(jìn)行組合，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)θ取0.3時(shí)，可以結(jié)合主客觀賦權(quán)法的優(yōu)勢(shì)，并削弱其不利因素影響[14]。由此，計(jì)算出管制運(yùn)行健康狀態(tài)等級(jí)識(shí)別的聚類指標(biāo)權(quán)重，如表3所示。

邀請(qǐng)空管專家對(duì)各管制運(yùn)行健康評(píng)估指標(biāo)的不同健康狀態(tài)等級(jí)進(jìn)行打分評(píng)價(jià)，將打分結(jié)果進(jìn)行綜合處理，并結(jié)合管制人員的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)和管制扇區(qū)運(yùn)行實(shí)際交通歷史數(shù)據(jù)，確定聚類指標(biāo)的分類標(biāo)準(zhǔn)，如表4所示。

表2 聚類指標(biāo)的初始值Table 2 Initial value of the clustering indicators

表3 聚類指標(biāo)權(quán)重Table 3 Weights of the clustering index

表4 聚類指標(biāo)分類標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Classification criteria of the clustering index

由表5可見(jiàn)，8:30—8:44、9:00—9:14和9:45—9:59三個(gè)時(shí)間段的管制扇區(qū)運(yùn)行處于輕度亞健康狀態(tài)，9:15—9:29時(shí)間段的管制扇區(qū)運(yùn)行處于中度亞健康狀態(tài)，9:30—9:44時(shí)間段的管制扇區(qū)運(yùn)行處于重度亞健康狀態(tài)。其中，9:15—9:29與8:30—8:44相比，瞬時(shí)飽和度較大，管制工作負(fù)荷程度較高，反映出此時(shí)段交通流過(guò)飽和，交通穩(wěn)定性減弱，且管制員超負(fù)荷工作，所以9:15—9:29判定為管制運(yùn)行中度亞健康狀態(tài)。9:30—9:44與9:15—9:29相比，飽和度較大，管制工作負(fù)荷程度較高，未來(lái)15 min流量較大，瞬時(shí)飽和度和滯留度較低，但瞬時(shí)飽和度和滯留度的權(quán)重較小，因此，9:30—9:44判定為管制運(yùn)行重度亞健康狀態(tài)，此時(shí)管制扇區(qū)的交通需求大于容量，管制員長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷工作，交通流無(wú)序性有減弱趨勢(shì)。此外，在8:45—9:59，管制扇區(qū)運(yùn)行狀態(tài)由健康狀態(tài)發(fā)展為亞健康狀態(tài)，且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，亞健康狀態(tài)的程度越來(lái)越嚴(yán)重，最終在9:45—9:59轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度亞健康狀態(tài)，可見(jiàn)管制運(yùn)行健康狀態(tài)隨著空中交通流和管制狀況隨時(shí)間變化。該實(shí)例進(jìn)一步說(shuō)明了管制扇區(qū)運(yùn)行健康識(shí)別方法的可行性。另外，本文所提方法與空管專家打分得到的評(píng)判結(jié)果相一致，表明本文建立的識(shí)別方法準(zhǔn)確率高，識(shí)別性能好。

表5 灰色聚類系數(shù)及歸屬類劃分Table 5 Gray clustering coefficient and classification of attribution categories

4 結(jié)論

(1)從管制運(yùn)行特性的角度提出了管制運(yùn)行健康評(píng)估指標(biāo)，建立了基于灰色聚類的管制扇區(qū)運(yùn)行健康識(shí)別方法。

(2)實(shí)例分析表明，本文方法的識(shí)別準(zhǔn)確率較高，且易于操作，容易編程實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際運(yùn)行中，該方法可使空管人員對(duì)管制運(yùn)行健康狀態(tài)等級(jí)及早識(shí)別，預(yù)防管制運(yùn)行健康狀態(tài)向管制運(yùn)行亞健康狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

(3)根據(jù)所提的管制扇區(qū)運(yùn)行健康評(píng)估指標(biāo)，分析不同空域單元的管制運(yùn)行特性，下一步研究其他空域單元(如機(jī)場(chǎng)、終端區(qū))的管制運(yùn)行健康識(shí)別方法。