管制扇区动态通行能力计算方法

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管制扇区动态通行能力计算方法

李帅|中国民航大学空中交通管理学院

摘要：为了研究动态因素影响下的管

制扇区通行能力。采用分解管制员工作负荷的方法。首先，了解影响其通行能力的三种因素:天气因素、军方因素、人为因素；第二，在静态影响因素下，将管制员工作负荷强度分为：基本，冲突，移交，监视4种负荷强度，基于航空器航路中飞行轨迹及特点，推导出静态通行能力公式并用代码进行运算；最后，考虑动态因素的影响：危险天气形成的飞行受限区，以及管制员的引导负荷。在静态的基础上加入空域受阻率，路径规划，引导绕飞时间，管制员引导负荷强度来建立动态通行能力模型。通过仿真计算得出扇区的动态通行能力。结果说明，扇区通行能力是受动态因素影响的，并且根据分解负荷方法可计算出其通行能力。

关键词：航空运输；空中交通管理；

动态通行能力；管制认知负荷

管制扇区通行能力是指在保证管制员工作负荷在可接受的水平上，在一定安全等级下，考虑空域结构、管制规则、危险天气及军方活动等因素的影响，在单位时间内所能保障的航空器最大数量，根据影响因素是否变化分为静态通行能力和动态通行能力。动态通行能力通常受恶劣天气和管制员负荷的影响。

叶志坚等利用FAA的容量模型，分析了高空空域重构由点到面、先易后难、逐步深入展开的分阶段调整策略[1]。陈薇宇在以往管制员工作负荷模型的基础上，探讨了管制员工作负荷与扇区容量间的关系，改进了扇区容量模型[2]。黄卫芳对空域空中交通容量评估问题从理论和实际应用方面进行了比较系统、深入的研究[3]。

然而这些研究成果大部分都是针对静态通行能力进行研究，缺乏实际性。空中交通管制扇区的通行能力需要考虑实际情况，天气、设施设备等使得扇区通行能力变得更加复杂。

扇区静态通行能力的计算是以是管制1 管制扇区静态通行能力模型

工作负荷为基础的，而在建立管制负荷模型的过程中需要将管制负荷进行分解。

1.1 扇区静态通行能力评估模型下面介绍四种负荷强度和静态通行能力的计算公式：

1.1.1 基本负荷强度

表示基本负荷强度，产生于管制员例行的操作和任务，在正常天气情况下=0.1。

1.1.2 冲突负荷强度

（1）

表示水平间隔，取20KM；表示

垂直间隔，取300M；表示航空器的巡航速度；表示航空器扫过空域的体积

（2）表示扇区中交通流密度；表示15min内空域内航空器的数量；表示扇区中可用空域的体积

（3）表示一架航空器与其他航空器的潜在冲突次数

（4） 扇区中所有航空器的潜在冲突总数

（5） 冲突解脱过程中的管制认知负荷参数（通过对管制员进行测试得出，一般取90s）；表示冲突负荷强度，管制员用于解决扇区中所有航空器潜在冲突时间与总时间的比值。

1.1.3 移交负荷强度

（6） （7） （8）表示扇区中航路的平均长度；表示航空器穿越扇区的平均速度；表示管制员平均完成一次航空器移交所需的时间；表示移交负荷强度，管制员用于航空器移交时间与航空器平均扇区飞越时间的比值。

1.1.4 监视负荷强度

（9） （10）表示有效时间段；表示单位有效时间内航空器数量；表示管制员对航空器的一次平均监视时间；表示监视负荷强度，管制员对扇区中所有航空器的总监视时间与有效时间段的比值。

1.1.5 静态通行能力

（11）

其中，表示管制负荷强度。

下式（12）-（14）均代表求解一元二次方程组的中间参数。

（12） （13）

（14）表示中间参数

（15）

：静态通行能力；

通行能力模型

2 基于管制认知负荷的扇区动态

动态通行能力主要考虑恶劣天气影响

下的通行能力，需要首先划设一个恶劣天气形成的飞行受限区，并研究其变化趋势（外扩，平移，相交）及影响范围。

图1 飞行受限区外扩

图2 飞行受限区移动

图3 飞行受限区相交

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图4 改航路径

2.1 飞行受限区

度，监视负荷强度，管制引导负荷强度。由于危险天气的影响造成部分空域不 G=++++ （16）

可用，该空域称之为飞行受限区，通常用（1）基本负荷强度：产生于管制多边形描述飞行受限区。

员例行的操作和任务。危险天气设为0.15.2.1.1 飞行受限区的外扩

（2）冲突负荷强度：其中

表示

由于航空器飞行时需要与受限区保受阻空域占整体空域比例；

表示受阻空

持一定的安全间隔，通常此安全间隔为域体积。10km，因此在原有受限区基础上，将飞行受限区外扩10km。

（17）

2.1.2 飞行受限区的移动

根据受限区移动角度和速度，进行简

（18）单线性计算后即可得出移动后的飞行受（3）移交负荷强度：其中表示限区。

由于避让危险天气而增加的飞行器在扇区2.1.3 飞行受限区相交

内停留的时间；表示改航后路径长度；如果两个受限区相交，取他们的最小表示初始路径长度。

凸包集；如果不相交，按照两个独立的飞

（19）行受限区进行计算，本次研究采取面积法。

（20）

2.2 管制引导路径规划

（4）监视负荷强度：其中为当飞行受限区影响航路时，取该飞行危险天气一次平均监视时间

受限区的最小包络圆，将该圆与航路的交 （21）

点作为引导避让路径的起点和终点，将起（5）管制引导负荷强度：其中点终点依次与飞行受限区端点相连接，此表示管制员引导航空器避开危险区域的时时会生成两条引导路径，取其中距离较小间与总有效时间段的比值；表示平均一的一条作为引导路径。

次航向调整所需时间；表示引导路径的

2.3 扇区动态通行能力评估模型航向改变次数；表示一架航空器航向调

动态通行能力同样基于管制负荷计整所需时间。

算，因此将管制负荷分解来建立数学模型。

（22）

管制负荷总强度由5个部分组成：基管制员的负荷水平决定了扇区通行能本负荷强度，冲突负荷强度，移交负荷强

力，由管制负荷强度模型整理得：

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（23）

D= （24）

E=

（25）

（26）

D、E、F：中间参数

= （27）

3.1 3 算例仿真计算

：动态通行能力

静态通行能力计算

通过在界面输入参数，即可得到静态通行能力输入参数航空器数量(15min内)：5，计算得出静态时通行能力为5架航空器。

3.2 飞行受限区外扩

输入端点数据即可自动获取外扩后的受限区及其端点坐标。

3.3 飞行受限区移动

输入受限区移动的速度计角度即可得到各个时刻的飞行受限区。

3.4 飞行受限区相交

当扇区能存在多个扇区且相交时，取两个扇区的最小凸包集（见图1、图2、图3）。

3.5 改航路径

当受限区影响飞行航路上航空器的飞行时，应重新规划路径避开飞行受限区，并且尽可能取短的路径。

3.6 动态通行能力计算

输入所需参数即可自动计算扇区的动态通行能力。输入航空器数量（15min内）：5架，动态情况下仿真计算得出通行能力为3架，由此可见，动态因素会影响扇区的通行能力。（见图4 结束语

4）

本次研究从扇区的概念出发，将扇区按影响因素分为静态扇区与静态扇区，将管制员的工作负荷分解为四部分，建立数学模型，测量参数，实现了静态通行能力的计算。在静态的基础上，研究了飞行受限区的移动，外扩，有效受限区获取，以及其对管制员的影响：空域受阻率，引导绕飞次数，引导绕飞时间，基于这些影响因素在静态模型的基础上建立了动态通行能力的数学模型，并运用仿真计算实现了管制扇区动态通行能力的计算。

参考文献

[1]叶志坚,王莉莉,孟令航,等.分阶段调整增加扇区通行能力策略.[J].系统工程,2014(06):31-37.

[2]陈薇宇,区域容量评估技术研究.[D].南京,南京航空航天大学,2010

[3]黄卫芳,北京首都国际机场空中交通容量评估系统[D].南京,南京航空航天大学,2003.