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(qū)資源進而降低航班延誤具有重要意義。文章通過對國內(nèi)外扇區(qū)動態(tài)容量研究現(xiàn)狀進行論述，簡要闡述現(xiàn)有管制扇區(qū)的四種研究方法，簡要分析影響扇區(qū)動態(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);動態(tài)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(jīng)濟的快速發(fā)展以及國民收入的不斷提高，我國的民航業(yè)呈現(xiàn)出快速發(fā)展態(tài)勢。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)動態(tài)容量評估方法，預測未來每個扇區(qū)的動態(tài)容量與流量的匹配程度，用以進行航線調(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，惡劣天氣等短時間內(nèi)可變因素的影響，在單位時間內(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)標準要求和管制員負荷、能力水平等。按照扇區(qū)的短期影響因素與長期影響因素進行區(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，換句話來說，一旦扇區(qū)確定，其靜態(tài)容量相應就確定，在一定時間內(nèi)，不會隨時間的變化而變化，但當扇區(qū)內(nèi)出現(xiàn)短時間影響因素時，諸如惡劣天氣、突發(fā)故障、軍航活動、導航設(shè)施等情況，扇區(qū)容量會隨時間變化而變化，稱為扇區(qū)動態(tài)容量，對扇區(qū)動態(tài)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(qū)利用率的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。

3扇區(qū)容量評估國內(nèi)外現(xiàn)狀

國內(nèi)外學者從20世紀40年代末，開始對扇區(qū)容量進行研究，經(jīng)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(tài)因素影響加以分析研究[1]。

3.1扇區(qū)容量評估方法研究

當前研究扇區(qū)容量的方法主要有四種：1）基于管制員工作負荷評估法;2）運用數(shù)學模型仿真評估扇區(qū)容量的數(shù)學模型法;3）運用計算機仿真評估扇區(qū)容量的計算機仿真法4）運用扇區(qū)歷史數(shù)據(jù)評估扇區(qū)容量的歷史數(shù)據(jù)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(qū)的靜態(tài)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(qū)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(qū)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(qū)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(qū)容量的影響，其他因素未做到量化分析，對扇區(qū)的動態(tài)容量評估與實際應用差距較大，該方法是扇區(qū)容量評估四種方法中最為簡單的評估方法。

3.1.2數(shù)學模型法

基于數(shù)學模型評估扇區(qū)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(jié)省大量時間，但由于該方法為方便運算，需進行一系列假設(shè)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(jié)果與實際運行結(jié)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(chǔ)上建立機場終端區(qū)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(qū)數(shù)據(jù)，研究影響機場終端區(qū)容量的因素，建立該機場終端區(qū)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(qū)下的交通流特征、空域結(jié)構(gòu)、間隔規(guī)則對終端區(qū)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(qū)等方面進行研究。

3.1.3計算機仿真法

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，計算機仿真技術(shù)在空中交通領(lǐng)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(shù)學模型需增加一系列約束和假設(shè)對模型進行簡化，導致模型結(jié)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(huán)境、扇區(qū)結(jié)構(gòu)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(qū)容量進行評估，得到該扇區(qū)的動態(tài)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(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荷，因此計算機仿真評估的扇區(qū)容量結(jié)果有可能大于扇區(qū)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(qū)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(qū)2014年4月2日各時段的扇區(qū)容量值[5]。2016年王澤運用SIMMOD檢驗珠海終端區(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(qū)各時段的容量值，作為灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(qū)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(qū)管制員工作負荷和各航空器間的沖突，根據(jù)管制員的工作閥值（管制員通話時間不應超過70%）評估該機場終端區(qū)容量[8]。

3.1.4歷史數(shù)據(jù)法

該方法是通過對以往歷史數(shù)據(jù)的分析，運用統(tǒng)計數(shù)據(jù)的數(shù)學模型和管制員的工作經(jīng)驗來評估扇區(qū)容量。該方法優(yōu)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(jié)果與實際運行結(jié)果接近。但該方法缺點較為明顯，因需收集數(shù)據(jù)量龐大，數(shù)據(jù)收集難度遠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)量直接影響評估容量與實際容量的一致性，需根據(jù)不同扇區(qū)的運行情況由管制員確定評估結(jié)果。該方法在機場容量評估應用較多，而目前基于歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)評估扇區(qū)容量的研究較少。

3.2修正后的扇區(qū)動態(tài)容量評估

2010年Russell提出運用雷暴預測系統(tǒng)評估基于航空器交通流的扇區(qū)動態(tài)容量[9]。2014年田勇分析雷暴天氣對扇區(qū)動態(tài)容量的影響，建立相關(guān)模型進行仿真，綜合考慮了雷暴天氣的位置、機型對扇區(qū)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(shù)據(jù)，對影響該機場終端區(qū)的天氣按季節(jié)屬性進行聚類分析，提出基于天氣季節(jié)性的概率容量模型[11]。2016年陳鳳蘭分析常見軍航活動對扇區(qū)動態(tài)容量的影響并結(jié)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(qū)動態(tài)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(chǔ)上提出對FFA（飛行受限區(qū)）的三維高度層的研究，通過vonorio圖分割法確定扇區(qū)基本單元，對田勇的FFA位置對航線影響進行優(yōu)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(qū)結(jié)構(gòu)、偏置運行得到扇區(qū)的靜態(tài)模型，在此基礎(chǔ)上結(jié)合空域減少率、改航時間、因改航增加的管制員工作時間三方面分析天氣對扇區(qū)的影響，建立扇區(qū)動態(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(nèi)扇區(qū)的容量值，結(jié)合WITI值運用灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對惡劣天氣條件下多場景扇區(qū)容量評估，為惡劣天氣情況下的扇區(qū)動態(tài)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(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態(tài)容量，具有重要的指導意義[15]。

3.3相關(guān)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(nèi)航空器的數(shù)量得到相應時段內(nèi)管制員的工作負荷，現(xiàn)有的主流方法缺少對扇區(qū)內(nèi)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(chǎn)生一定的影響，現(xiàn)有文章缺少對交通流與管制員工作負荷關(guān)聯(lián)性的研究，在考慮二者的關(guān)系時，需考慮扇區(qū)內(nèi)部的交通流時需考慮到扇區(qū)內(nèi)的航路結(jié)構(gòu)、交通流的時空分布等因素，總結(jié)該扇區(qū)的交通流特征。分析管制員工作負荷與不同特征交通流之間的關(guān)聯(lián)，對二者進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荷評估扇區(qū)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(qū)容量評估時，只研究扇區(qū)的時段容量，未考慮到扇區(qū)的瞬時容量。

4扇區(qū)容量影響因素分析

對扇區(qū)動態(tài)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(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)容量隨各類影響因素的關(guān)系。

4.1 惡劣天氣對扇區(qū)動態(tài)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(qū)容量在短時間內(nèi)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(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(fā)生沖突，有可能會出現(xiàn)多個航路交叉點，增加管制員與飛行員之間的通話次數(shù)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(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，導致單位時間內(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型不變的條件下，該扇區(qū)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(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)容量動態(tài)變化的主要因素之一。

4.2軍航活動對扇區(qū)動態(tài)容量影響

軍航活動也會影響扇區(qū)的容量。大量的軍航活動對民航的正常運輸活動產(chǎn)生不利的影響。軍航活動對扇區(qū)的動態(tài)容量影響主要分為三種情況：1）軍航活動時扇區(qū)的某一高度層禁止民用航空器使用;2）出現(xiàn)軍航活動時管制區(qū)的某一區(qū)域禁止民用航空器通行;3）與情況2類似，但軍方在活動區(qū)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(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，通過仿真實驗可知，在沒有軍航活動時，該扇區(qū)的容量為125架/h，如該扇區(qū)發(fā)生軍航活動，禁止H81航路的所有高度層時，扇區(qū)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(qū)的容量下降為108.9架/次[12]，從上面的數(shù)據(jù)可知軍航活動是造成扇區(qū)容量動態(tài)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(qū)的容量影響明顯，但在對軍航活動區(qū)域外劃設(shè)一條繞飛航路時，扇區(qū)的容量也會出現(xiàn)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(jié)束語

本文綜述當前國內(nèi)外扇區(qū)動態(tài)容量研究現(xiàn)狀并對影響扇區(qū)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(qū)動態(tài)模型的建立提供理論依據(jù)。

參考文獻：

[1] 陳志杰.空域管理理論與方法[M].北京：科學出版社，2012.

[2] Tofukuji N.An enroute ATC simulation experiment for sector capacity estimation[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology，1993，1（3）：138-143.

[3] 萬莉莉，胡明華.管制員工作負荷及扇區(qū)容量評估問題研究[J].交通運輸工程與信息學報，2006，4（2）：70-75.

[]Salech A Mumayiz.Airport-airspace simulation for capacity evaluation[C].Transportation research circular.Number E-C035，2001：7-26.

[5] 吳懿君.多場景扇區(qū)容量評估技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學，2016.

[6] 王澤.基于計算機仿真方法的珠海終端區(qū)空域優(yōu)化的研究[D].天津：中國民航大學，2016.

[7] 劉繼新，朱學華，吳懿君，等.考慮WITI與管制員工作負荷的扇區(qū)容量評估[J].航空計算技術(shù)，2018，48（6）：11-14，19.

[8] 劉繼新，李昌城，馮思旭，等.基于AirTOp仿真管制員工作負荷的容量評估[J].航空計算技術(shù)，2018，48（3）：8-12.

[9] CarlR.Predicting airspace capacity impacts using the consolidated storm prediction for aviation[C]//10th AIAA Aviation Technology，Integration，and Operations （ATIO） Conference.Fort Worth，Texas.Reston，Virigina：AIAA，2010：80-91.

[10] 田勇，楊雙雙，萬莉莉，等.扇區(qū)動態(tài)容量評估方法研究[J].系統(tǒng)工程理論與實踐，2014，34（8）：2163-2169.

[11] 范興，張明.天氣季節(jié)性影響的終端區(qū)空域容量分布[J].飛機設(shè)計，2014，34（1）：56-59.

[12] 陳鳳蘭.軍航活動下扇區(qū)動態(tài)容量評估研究[J].航空計算技術(shù)，2016，46（5）：31-33，37.

[13] 王莉莉，賈鏵霏，位放.飛行受限區(qū)對扇區(qū)動態(tài)容量的影響[J].河南科技大學學報（自然科學版），2017，38（4）：35-38，117.

[14] 王超，王敏.空域扇區(qū)動態(tài)通行能力評估模型[J].計算機仿真，2017，34（6）：61-65.

[15] 張文倩，王瑛，嚴偉，等.惡劣天氣下的多扇區(qū)動態(tài)容量評估方法[J].火力與指揮控制，2019，44（3）：126-130，140.

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。