CN102254453B - 一种民航多机场终端区空域功能性扇区划分方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种民航多机场终端区空域功能性扇区划分方法，属于机场终端区空域扇区划分领域。该方法首先建立基于管制员工作负荷统计的扇区数量计算模型，确定扇区数量，然后根据终端区空域进/离场航路信息，将航路划分为若干个单元，并确定各单元的管制负荷发生点，再建立进/离场航路分离下的扇区优化模型，采用随机优化算法确定扇区划分初步方案，最后通过管制专家决策确定扇区划分最终方案，并对方案进行验证。本发明实现了各个扇区管制员管制工作负荷均衡，减少了扇区间移交管制员工作负荷，降低了管制调配难度，保证了空域运行安全。

Description

一种民航多机场终端区空域功能性扇区划分方法

技术领域

本发明涉及一种机场终端区空域扇区划分方法，尤其涉及一种进/离场航路分离下的民航多机场终端区空域功能性扇区划分方法，属于机场终端区空域扇区划分领域。

背景技术

随着空中交通流的增长和机场建设进程的加快，在我国一些地区机场密度增加，形成复杂的民航多机场终端区。该终端区空域具有进/离场航路结构复杂、飞行流量较高、管制工作负荷繁重等特点，因此，作为空域规划的一个重要研究课题，如何有效实施对多个民航机场的终端区空域合理划分扇区结构一直是民航管理部门亟待解决的难题。

以往采用的终端区扇区划分方法是基于区域地理分布的空域划分，即根据管制经验、飞行流量和管制工作负荷水平将相邻空域所辖几何空间范围划分为一个扇区。对于某些飞行流量大、进/离场航路分离、管制负荷密集的终端区，这种扇区划分方法应用在民航多机场终端空域存在如下问题：第一，造成一条进/离场航路需要穿越多个扇区，排队的进场或离场飞机流依次通过这些扇区，相邻扇区的管制员需要发出移交管制指令，增加了管制员工作负荷；第二，在大飞行流量情况下，这些扇区内往往出现进场和离场飞机交叉运行和高度占用情况，需要同时进行管制调配，管制工作负荷种类复杂，工作负荷较重，容易造成管制指令的错发和漏发，形成安全隐患；第三，由于管制工作种类复杂，造成管制效率低下，容易造成航班延误和终端区扇区容量降低。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺陷，提出一种进/离场航路分离下的民航多机场终端区空域功能性扇区划分方法。

该方法包括如下步骤：

步骤1：采集民航多机场终端区空域内的航班活动数据和管制工作负荷数据作为样本数据，分别统计出相应时段内的航班活动数据和管制工作负荷数据，建立基于管制员工作负荷统计的扇区数量计算模型，确定扇区数量；

步骤2：获取民航多机场终端区空域进/离场航路信息，根据进/离场航路航空器的运行特性，将航路划分为m个单元，并确定各单元包含的管制工作负荷发生点，0＜m＜99，m为自然数；

步骤3：确定民航多机场终端区空域进/离场航路分离下的扇区划分模型，采用随机优化算法确定各相邻单元的合并方案，即功能性扇区初步划分方案；

步骤4：以管制工作的便利性和民航扇区划分原则为依据，通过管制专家决策进行扇区边界的定性调整，确定功能性扇区最终划分方案；

步骤5：对步骤4得到的最终划分方案进行验证，若未通过验证，返回步骤3，若通过验证，则方法结束。

技术效果：

1、本发明按照进场和离场功能进行扇区划分，即将航空器进场和离场分别规划为进场扇区和离场扇区，同时规划好进/离场航路之间的垂直间隔，保证了安全性。

2、管制员指挥可以将从走廊口进场的航空器排队，直接移交到机场五边扇区；离场航空器通过离场管制，直接和临近的区调进行移交。

3、相对于目前的扇区规划，该方法可以将协调工作负荷保持在最低水平，并且可以使离场航空器发挥接近于最佳的爬升性能，确保了航空器的离场安全有序。

4、本发明不仅有效减少了空中交通管制员的管制移交负荷，而且由于每个进/离场扇区职能单一，大大降低了管制调配难度，提高了管制运行效率和空域容量，保证了空域运行安全，具有较好的应用前景，适用于飞行流量大、进/离场航路分离的民航多机场飞行终端区空域的管制扇区划设。

附图说明

图1为本发明的方法流程框图。

图2为本发明中扇区划分模型的最小扇区穿越时间约束示意图。

图3为本发明中扇区划分模型的扇区边界汇聚点(交叉点)最小距离约束示意图。

具体实施方式

下面对本发明方法作进一步说明。

本发明方法的流程如图1所示，具体步骤内容如下：

步骤1：获取民航多机场终端区空域进/离场航路交通流数据，通过管制中心信息系统、雷达语音记录仪以及秒表和管制中心现场录像，采集空域内的航班活动数据和管制工作负荷数据(包括管制通话雷达语音记录数据以及电子进程单操作和移交操作的持续时间和发生次数)作为样本数据，分别统计出相应时段内的航班活动数据和管制工作负荷数据，建立基于管制员工作负荷统计的扇区数量计算模型，确定扇区数量。

该步骤具体包括如下步骤：

步骤1-1：通过雷达语音记录仪采集的数据，根据语音数据统计管制指令的种类，并根据雷达数据确定管制指令在空域的发生点。

步骤1-2：根据交通流预测数据，并根据步骤1-1中的管制工作负荷统计，采用回归分析方法，确定管制工作负荷和交通流的函数关系。

步骤1-3：根据国际民航组织推荐的DORATASK方法，建立管制工作负荷的扇区数量计算模型。

根据DORATASK方法，管制员的平均工作负荷强度应小于统计时间的80％，并且90％的工作负荷不得超过总工作时间的2.5％。基于以上管制员工作负荷原则，应当保证空域总的工作负荷最小。

首先统计出空域中管制工作的总工作负荷W_T(用时间表示)，则可划分的扇区数量满足以下关系：

$N_s=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{int}\left(M\right)+1,& M\≠\mathrm{int}\left(M\right)\\ \mathrm{int}\left(M\right),& M=\mathrm{int}\left(M\right)\end{array}\right.$ 其中： $M=\frac{W_T}{S\×80\%}$

式中：S为总的统计时间，int表示取整，N_s为最小扇区数。

根据DORATASK方法，在设计扇区的时候应当取平均工作强度，实际扇区的工作负荷为管制员工作负荷的80％。当M不为整数时，对模型计算结果取整加1，得到N_s；当M为整数时，直接得到N_s。

根据上述结果，在统计时间为一小时(3600秒)的时间段内，管制员的实际工作负荷不应超过2880秒，如果超过该值，则必须进行扇区划分。在估算扇区最小数量的前提下建立扇区的优化模型，优化的目标是使终端空域在总负荷最小的前提下，尽量使得各扇区负荷均衡。

步骤1-4：确定该空域规划的扇区数量。

步骤2：获取民航多机场终端区空域进/离场航路信息，根据进/离场航路航空器的运行特性(即步骤1中的航班活动数据和管制工作负荷数据)，将航路划分为m个单元，并通过地理位置确定各单元包含的管制工作负荷发生点，0＜m＜99，m为自然数。

该步骤具体包括如下步骤：

步骤2-1：获取终端区空域进/离场航路信息，根据航路航空器运行特性，如进/出走廊口、等待航段、下降/上升航段、平飞航段，将民航飞行的进/离场航路划分为m个基本单元。

步骤2-2：建立各单元间的空间拓扑关系矩阵。

该矩阵为：

$G=\left[\begin{array}{cccc}{g}_{11}& g_{12}& L& g_{1n}\\ g_{21}& g_{22}& L& g_{2n}\\ M& M& O& M\\ g_{n1}& g_{n2}& L& g_{\mathrm{nn}}\end{array}\right]$

式中：矩阵G的元素g_ij∈{0，1}，g_ij＝1表示航段单元i与航段单元j相关，g_ij＝0表示航段单元i与航段单元j不相关，n为终端空域中作为扇区优化搜索基本单元的航段数目。

在航段单元的优化搜索中，若航段单元i为入住单元，则读入拓扑矩阵，找到满足以下条件的航段单元j：g_ij＝1且航段单元j为非入住单元。

将所有满足条件的航段找出，通过优化计算，选择其中一个航段单元作为入住单元。

步骤2-3：根据空间拓扑关系矩阵和管制工作负荷发生点的地理位置，确定各单元包含的管制工作负荷点，根据管制工作负荷种类和大小，统计确定各单元的管制工作负荷大小。

步骤3：确定民航多机场终端区空域进/离场航路分离下的扇区划分模型，采用随机优化算法确定各相邻单元的合并方案，即功能性扇区初步划分方案。

该步骤具体包括如下步骤：

步骤3-1：以每个单元的进/离场属性、相关联的机场属性，同时考虑扇区的工作负荷容量限制、扇区的最小穿越时间、扇区边界汇聚点(交叉点)最小距离约束等，建立民航多机场终端区空域进/离场航路分离下的扇区划分模型。

所述扇区划分模型中，扇区优化目标函数为：

$J^{\′}=\min \left(\underset{i=1}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}\right|Z_i-Z_j\left|\right)$

式中：Z_i为优化的第i个扇区的工作负荷，Z_j为优化的第j个扇区的工作负荷。

确定扇区规划约束条件：

①扇区容量约束：根据评估管制扇区容量的DORATASK方法，在给定的时间段S内，各扇区的管制员工作负荷W_i必须满足W_i≤S×80％，从而确定扇区容量约束。

②扇区功能性约束：存在一个航段

这里i表示终端空域航段，i∈{1，2，...，n}，p为航段的进/离场属性，p∈{0，1}，p＝1表示航段为进场航段，p＝0表示航段为离场航段，k为航段的机场属性，k∈{1，2，...，a}，终端空域存在a个机场。在进行航段单元搜索时，在满足扇区容量条件下，若航段

和航段

属于扇区S_i，则满足两个搜索优先级：第一优先级，确保相同民航机场的相同航路属性划分到一个扇区，即k＝k′且p＝p′；第二优先级，不同民航机场相同航路属性划分到一个扇区，即p＝p′。

③最小扇区穿越时间约束(如图2所示)：为保证空中管制员调配指令发布的工作裕度，需要保证航空器在扇区内停留时间T_c不小于设定的最小时间T_min，而T_min的取值应当为管制移交指令时间ω_c的2倍，即T_c≥T_min＝2×ω_c。

④扇区边界汇聚点(交叉点)最小距离约束(如图3所示)：扇区边界距离航路交叉点的距离必须大于一给定值。该约束确保管制员有足够的时间处理结点处的冲突，而防止在其他扇区进入的航空器与结点处航空器发生冲突。假设在该空域内，管制员为解决结点冲突所必需花费的时间为ω_f，管制规定允许的航空器间隔时间为ω_j，则扇区边界与结点最小时间T_h为：T_h≥ω_f+ω_c+ω_j。

步骤3-2：采用蚁群随机优化算法寻优求解上述扇区划分模型，确定各相邻单元的合并方案，也就得到了功能性扇区初步划分方案。

步骤4：以管制工作的便利性和民航扇区划分原则为依据，结合管制专家管制经验，通过管制专家决策进行扇区边界的定性调整，确定功能性扇区最终划分方案。

步骤5：对步骤4得到的最终划分方案进行验证，若未通过验证，返回步骤3，若通过验证，则本方法结束。

步骤5中的方案验证包括两部分内容：

(1)定性分析：将最终划分方案通过熟练管制人员在雷达模拟机上进行实际操作验证，定性分析方案的可行性。

(2)定量分析：建立民航多机场终端区空域空中交通仿真系统，根据交通流预测流量来分析仿真数据，获取扇区容量(管制工作负荷水平)、安全性、经济性等指标，定量分析方案的优越性。

Claims (4)

1.一种民航多机场终端区空域功能性扇区划分方法，其特征在于：

该方法包括如下步骤：

步骤1：采集民航多机场终端区空域内的航班活动数据和管制工作负荷数据作为样本数据，分别统计出相应时段内的航班活动数据和管制工作负荷数据，建立基于管制员工作负荷统计的扇区数量计算模型，确定扇区数量；

步骤2：获取民航多机场终端区空域进/离场航路信息，根据进/离场航路航空器的运行特性，将航路划分为m个单元，并确定各单元包含的管制工作负荷发生点，0＜m＜99，m为自然数；

步骤3：确定民航多机场终端区空域进/离场航路分离下的扇区划分模型，采用随机优化算法确定各相邻单元的合并方案，即功能性扇区初步划分方案；

步骤4：以管制工作的便利性和民航扇区划分原则为依据，通过管制专家决策进行扇区边界的定性调整，确定功能性扇区最终划分方案；

步骤5：对步骤4得到的最终划分方案进行验证，若未通过验证，返回步骤3，若通过验证，则方法结束。

2.根据权利要求1所述的民航多机场终端区空域功能性扇区划分方法，其特征在于：所述步骤1中的扇区数量计算模型是根据DORATASK方法建立的。

3.根据权利要求1所述的民航多机场终端区空域功能性扇区划分方法，其特征在于：所述步骤3中的随机优化算法采用蚁群算法。

4.根据权利要求1所述的民航多机场终端区空域功能性扇区划分方法，其特征在于：所述步骤5中的验证内容包括：

(1)定性分析：将最终划分方案在雷达模拟机上进行实际操作验证，定性分析方案的可行性；

(2)定量分析：建立民航多机场终端区空域空中交通仿真系统，根据交通流预测流量来分析仿真数据，定量分析方案的优越性。

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