扇区动态容量评估方法现状分析

史浩祥 林光

摘要：文章介绍管制扇区的基本内容，管制扇区是空域运行的基本单元，准确分析预测其容量，对有效梳理和最大程度利用扇区资源进而降低航班延误具有重要意义。文章通过对国内外扇区动态容量研究现状进行论述，简要阐述现有管制扇区的四种研究方法，简要分析影响扇区动态容量的主要因素，为以后模型的建立提供依据。

关键词：管制扇区;动态容量评估;管制员工作负荷;恶劣天气;军航活动

中图分类号：TP301  文献标识码：B

文章编号：1009-3044（2022）17-0112-02

1引言

近些年来，随着我国经济的快速发展以及国民收入的不断提高，我国的民航业呈现出快速发展态势。民航业的迅速发展加剧了空域使用中的流量和容量矛盾，因此，需要合理精确的扇区动态容量评估方法，预测未来每个扇区的动态容量与流量的匹配程度，用以进行航线调整，从而提高扇区利用率，减少航班延误率。

2扇区容量定义及影响因素

管制扇区容量是指某一扇区的管制空域和管制规则确定的情况下，考虑交通流的配置，恶劣天气等短时间内可变因素的影响，在单位时间内管制员在某一扇区所能服务和管制航空器的最大数量，主要取决于相关标准要求和管制员负荷、能力水平等。按照扇区的短期影响因素与长期影响因素进行区分可将扇区容量分为扇区静态容量和扇区动态容量。扇区静态容量通常是指由扇区固有特性确定的，通常包括扇区面积、形状、位置等，换句话来说，一旦扇区确定，其静态容量相应就确定，在一定时间内，不会随时间的变化而变化，但当扇区内出现短时间影响因素时，诸如恶劣天气、突发故障、军航活动、导航设施等情况，扇区容量会随时间变化而变化，称为扇区动态容量，对扇区动态容量精确评估是实施准确流量安排，进而降低航班延误率，提高扇区利用率的关键和基础。

3扇区容量评估国内外现状

国内外学者从20世纪40年代末，开始对扇区容量进行研究，经过多年的实践与研究，形成比较成熟的理论体系并在民航空管中得到广泛应用。主要从基于管制员工作负荷、恶劣天气等动态因素影响加以分析研究[1]。

3.1扇区容量评估方法研究

当前研究扇区容量的方法主要有四种：1）基于管制员工作负荷评估法;2）运用数学模型仿真评估扇区容量的数学模型法;3）运用计算机仿真评估扇区容量的计算机仿真法4）运用扇区历史数据评估扇区容量的历史数据法。

3.1.1管制员工作负荷评估法

该方法通过管制员的工作实践，运用时间作为量化指标，通过量化管制员的工作负荷评估管制扇区的静态容量。1984年英国运筹学会的DORATASK提出通过量化雷达管制员的工作负荷，估计扇区容量。1993年日本Noriyasu -Tofukuji由航班交通流量高峰時间下的管制员的工作完成情况来判断扇区最大容量[2]。2006年万莉莉、胡明华通过对管制员工作定义并对管制员的工作进行分类，建立基于管制员的工作负荷模型，通过对广州某扇区的实例验证证明该模型的准确性[3]。上述的研究方法仅考虑到人为因素对扇区容量的影响，其他因素未做到量化分析，对扇区的动态容量评估与实际应用差距较大，该方法是扇区容量评估四种方法中最为简单的评估方法。

3.1.2数学模型法

基于数学模型评估扇区容量，是到目前为止应用较为广泛的评估方法之一。该方法可节省大量时间，但由于该方法为方便运算，需进行一系列假设和条件限制加之该方法未对人为因素进行量化处理，有可能导致模型结果与实际运行结果存在一定的误差。欧美国家在20世纪60年代开始容量研究，1977年K.Schmidt通过排队论在单跑道容量模型的基础上建立机场终端区容量评估模型。1999年胡民华和张志龙等人通过分析上海虹桥机场终端区数据，研究影响机场终端区容量的因素，建立该机场终端区的容量评估模型，该模型分析虹桥机场在不同交通流和不同机型比例下的交叉点容量，并研究终端区下的交通流特征、空域结构、间隔规则对终端区容量的影响[1]。以上的容量评估模型主要集中在航路、终端区等方面进行研究。

3.1.3计算机仿真法

随着计算机技术的快速发展，计算机仿真技术在空中交通领域也得到广泛应用。计算机仿真模型在建模的过程中可减少条件限制，增加评估模型的随机性，不像数学模型需增加一系列约束和假设对模型进行简化，导致模型结果与实际状况不符。面对一些复杂情况，目前只能采用计算机仿真解决该问题，仿真模型可以模拟空域环境、扇区结构及交通流特征，仿真模型也可通过改变约束条件对不同情况下的同一扇区容量进行评估，得到该扇区的动态容量，例如改变军航活动和气象条件等，对以上的影响因素进行分析得到容量限制瓶颈。但基于计算机仿真评估方法中，只考虑到扇区结构、交通流特征等客观因素，未考虑影响扇区的主观因素，忽视扇区的最大限制因素即管制员的工作负荷，因此计算机仿真评估的扇区容量结果有可能大于扇区的实际容量。当前，国际上较为流行的模型有美国FAA的SIMMOD软件、美国BOEING的TAAM、比利时AIRTOPSOFT SA的Airtop软件。2001年Salech A.Mumayiz建立机场空域容量评估模型，运用计算机仿真得到机场空域容量[4]。2015年吴懿君通过SIMMOD仿真模拟杭州萧山机场01/03扇区的进离航线，将改航路径和各航空器的间隔作为仿真模型的影响因素，通过分析在不同天气情况下各航段的间隔，得到杭州萧山机场01/03扇区2014年4月2日各时段的扇区容量值[5]。2016年王泽运用SIMMOD检验珠海终端区优化方案的可行性和优化效果[6]。2018年刘继新、朱学华等人通过SIMMOD仿真模拟2015年4月3日杭州萧山机场03扇区各时段的容量值，作为灰色神经网络的输入指标之一，预测基于恶劣天气下航空器交通流量与管制员工作负荷的扇区容量[7]。同年刘继新、李昌成等人分析大连周水子机场管制员的通话记录，通过AIRTOP仿真该机场终端区管制员工作负荷和各航空器间的冲突，根据管制员的工作阀值（管制员通话时间不应超过70%）评估该机场终端区容量[8]。

3.1.4历史数据法

该方法是通过对以往历史数据的分析，运用统计数据的数学模型和管制员的工作经验来评估扇区容量。该方法优点在于相较于上述的三种方法，该方法在实际运用较为简便，评估结果与实际运行结果接近。但该方法缺点较为明显，因需收集数据量庞大，数据收集难度远超其他三种方法的数据收集难度，收集数据样本的数量和质量直接影响评估容量与实际容量的一致性，需根据不同扇区的运行情况由管制员确定评估结果。该方法在机场容量评估应用较多，而目前基于历史统计数据评估扇区容量的研究较少。

3.2修正后的扇区动态容量评估

2010年Russell提出運用雷暴预测系统评估基于航空器交通流的扇区动态容量[9]。2014年田勇分析雷暴天气对扇区动态容量的影响，建立相关模型进行仿真，综合考虑了雷暴天气的位置、机型对扇区的影响情况[10]。同年范兴、张明利用成都双流机场的历史气象数据，对影响该机场终端区的天气按季节属性进行聚类分析，提出基于天气季节性的概率容量模型[11]。2016年陈凤兰分析常见军航活动对扇区动态容量的影响并结合王莉莉提出航路运行容量模型，建立不同军航活动情况下扇区动态容量模型，并提出相对应的改航策略[12]。2017年王莉莉在田勇的基础上提出对FFA（飞行受限区）的三维高度层的研究，通过vonorio图分割法确定扇区基本单元，对田勇的FFA位置对航线影响进行优化，并提出了相对应的改航策略。同年王超等人通过管制员工作负荷、扇区结构、偏置运行得到扇区的静态模型，在此基础上结合空域减少率、改航时间、因改航增加的管制员工作时间三方面分析天气对扇区的影响，建立扇区动态模型[13]。2018年刘继新等人分析扇区内各航路上的WAF（天气回避区）得到扇区的WITI（天气影响交通指数）值，通过SIMMOD仿真得到管制员的工作负荷采用回归分析得到单位时间内扇区的容量值，结合WITI值运用灰色神经网络对恶劣天气条件下多场景扇区容量评估，为恶劣天气情况下的扇区动态容量评估提供了参考[14]。2019年张文倩、王瑛等人在原有单扇区的基础上研究多扇区之间的耦合容量，结合DORATASK和MBB等方法，空域内有多条航线在恶劣天气下动态容量，具有重要的指导意义[15]。

3.3相关研究的不足

在计算管制员的工作负荷时，通常是将每个航班的平均工作负荷乘以特定时段内航空器的数量得到相应时段内管制员的工作负荷，现有的主流方法缺少对扇区内各航路交通流的分析，不同特征的交通流对管制员的工作负荷也会产生一定的影响，现有文章缺少对交通流与管制员工作负荷关联性的研究，在考虑二者的关系时，需考虑扇区内部的交通流时需考虑到扇区内的航路结构、交通流的时空分布等因素，总结该扇区的交通流特征。分析管制员工作负荷与不同特征交通流之间的关联，对二者进行回归分析拟合生成曲线公式，并根据管制员可接受的工作负荷评估扇区容量。在研究WITI时应考虑到如改航的航空器受到恶劣天气影响的情况。同时上文在对扇区容量评估时，只研究扇区的时段容量，未考虑到扇区的瞬时容量。

4扇区容量影响因素分析

对扇区动态容量评估，首先确定出影响其主要因素即所谓自变量，通过研究出扇区容量这一因变量与自变量函数关系，定量分析出扇区容量随各类影响因素的关系。

4.1 恶劣天气对扇区动态容量影响

在我国的空中管制中，恶劣天气和军航活动是造成扇区容量在短时间内变化的主要因素。当遇到恶劣天气时，航空器必然选择改变高度层或选择绕飞，根据相关要求若选择绕飞，绕飞航迹距恶劣天气边缘至少10KM，迅速脱离天气的影响区域。在绕飞时频繁地改变飞行高度层或预定航路，会与其他不受天气影响的航空器发生冲突，有可能会出现多个航路交叉点，增加管制员与飞行员之间的通话次数和时间，也会增加管制员处理冲突的时间，大幅增加管制员的工作负荷，单位时间内管制员在恶劣天气条件下处理航班数量比正常天气条件下处理航班的数量大幅下降，导致单位时间内扇区容量发生变化。以ZGGG AR 15扇区为例，在管制员的能力及机型不变的条件下，该扇区在恶劣天气条件下的小时容量比正常天气条件下的小时容量下降50%[10]。如管制员能力较差在相同条件下，恶劣天气条件下扇区容量下降更为明显。从上面的数据可知天气是造成扇区容量动态变化的主要因素之一。

4.2军航活动对扇区动态容量影响

军航活动也会影响扇区的容量。大量的军航活动对民航的正常运输活动产生不利的影响。军航活动对扇区的动态容量影响主要分为三种情况：1）军航活动时扇区的某一高度层禁止民用航空器使用;2）出现军航活动时管制区的某一区域禁止民用航空器通行;3）与情况2类似，但军方在活动区域划定一条航线供民用航空器使用。军航活动也会导致改变高度层或绕飞的情况发生，这有可能使扇区的容量发生变化。以广州07扇区和18扇区为例，通过仿真实验可知，在没有军航活动时，该扇区的容量为125架/h，如该扇区发生军航活动，禁止H81航路的所有高度层时，扇区的容量大幅下降为71.23架/次;如H82航路禁止使用，对H82航路上的民用航空器进行绕飞处理，扇区的容量下降为108.9架/次[12]，从上面的数据可知军航活动是造成扇区容量动态变化的主要因素之一，尤其是在军航活动中禁止高度层时，对扇区的容量影响明显，但在对军航活动区域外划设一条绕飞航路时，扇区的容量也会出现一定程度的下降，但其下降幅度远远小于禁止高度层的情况。

5 结束语

本文综述当前国内外扇区动态容量研究现状并对影响扇区容量的因素进行分析，对当前研究不足的部分进行简要的说明，为以后扇区动态模型的建立提供理论依据。

参考文献：

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[6] 王泽.基于计算机仿真方法的珠海终端区空域优化的研究[D].天津：中国民航大学，2016.

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[15] 张文倩，王瑛，严伟，等.恶劣天气下的多扇区动态容量评估方法[J].火力与指挥控制，2019，44（3）：126-130，140.

收稿日期：2022-02-24

作者简介：史浩祥（1998—），男，四川成都人，硕士研究生，研究方向为机场空域管理;林光（1982—），男，浙江杭州人，硕士，高级工程师，研究方向为空中交通流量管理。