軍民航空管聯(lián)合運(yùn)行中管制員工作負(fù)荷及碳排放的研究

夏宇，張小琴

（1.四川大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，成都　610065；2.阿壩師范學(xué)院生化系，汶川　623002）

軍民航空管聯(lián)合運(yùn)行中管制員工作負(fù)荷及碳排放的研究

夏宇1，張小琴2

（1.四川大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，成都610065；2.阿壩師范學(xué)院生化系，汶川623002）

0　引言

空域緊張和飛行流量劇增是軍民航反映最為強(qiáng)烈的問題[1]。空中交通管制員是管制工作的核心，管制員的工作負(fù)荷及工作能力一定程度上決定了空管系統(tǒng)的運(yùn)行效率，而空域的劃設(shè)及調(diào)整又對管制員的工作負(fù)荷產(chǎn)生較大影響，故空域資源的優(yōu)化配置[2]是對空管系統(tǒng)進(jìn)行效能評估的影響因素。空管系統(tǒng)基本要素涉及的另一方面為飛行流量。從社會效益角度出發(fā)，飛行碳排放量指標(biāo)是軍民航空管聯(lián)合運(yùn)行效能評估系統(tǒng)的重要組成部分。夏正洪等人采用層次分析法及專家調(diào)查法評估空管系統(tǒng)效能[3]。本文以成都地區(qū)當(dāng)前軍民航飛行流量和空域結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在飛行流量合理增長和空域靈活使用情況下，分析管制員工作負(fù)荷及飛行碳排放量的變化，進(jìn)而評估聯(lián)合運(yùn)行的效能。

1　管制員工作負(fù)荷

根據(jù)Wiener和Nagel給出的定義：工作負(fù)荷是指對于加在管制員身上的客觀任務(wù)需求，管制員為滿足這些需求所作的客觀上的努力，他的工作表現(xiàn)，他的生理狀態(tài)，及他對所消耗的努力的主觀上的感知。管制員利用衛(wèi)星、雷達(dá)等設(shè)備獲知航空器的位置、動態(tài)，利用無線電與飛行員通信保證航空器的飛行安全[4]。本文將管制員工作負(fù)荷定義為：為保障管制空域內(nèi)航空器的飛行安全，管制員提供對航空器的指揮、引導(dǎo)、管制等服務(wù)，而這些工作都伴隨著一定的時間消耗，管制員工作負(fù)荷的評價就可以從時間的消耗著手。

1.1管制員工作負(fù)荷的分類

管制員工作負(fù)荷可以分為主觀工作負(fù)荷和客觀工作負(fù)荷。前者是一種認(rèn)知的負(fù)荷，目前沒有準(zhǔn)確的測量方法。后者可以通過對管制員各項操作的時間來進(jìn)行量化統(tǒng)計。本文采用客觀工作負(fù)荷對管制員的工作負(fù)荷進(jìn)行評估。

首先需要意識到，管制員的絕大多數(shù)工作是依據(jù)雷達(dá)所顯示的航空器的狀態(tài)和位置，再根據(jù)管制規(guī)則和自己的判斷，利用無線電對航空器實(shí)施管制指揮。因此管制員客觀工作負(fù)荷可以分為雷達(dá)管制工作負(fù)荷和非雷達(dá)管制工作負(fù)荷[5]。

1.2管制員工作負(fù)荷評估數(shù)學(xué)模型[5-7]

根據(jù)上述對管制員工作負(fù)荷的分類，結(jié)合空管系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況，管制員總的工作負(fù)荷可以表示為：

表1　管制員工作負(fù)荷分類

本文將全天劃分為24個時間片，故每個時間片為一個小時。在公式中，Wradar（t）表示雷達(dá)管制工作負(fù)荷，Wnonradar（t）表示非雷達(dá)管制工作負(fù)荷。Wsc（t）、Wac（t）、Whc（t）、Wot（t）、Wft（t）、Wdo（t）分別表示速度改變工作負(fù)荷、高度改變工作負(fù)荷、航向改變工作負(fù)荷、其他工作負(fù)荷、進(jìn)程單填寫工作負(fù)荷、設(shè)備操作工作負(fù)荷。

輸出：時間片t內(nèi)管制員總的工作負(fù)荷W（t）。

2　飛行碳排放

航空業(yè)碳排放問題逐漸受到國際社會的重視，其碳排放量占了交通運(yùn)輸行業(yè)碳排放總量的12%，占全行業(yè)碳排放總量的2%[8]。中國航空旅客人數(shù)增長迅速，促進(jìn)了航空運(yùn)輸業(yè)低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。軍航組訓(xùn)方式的調(diào)整轉(zhuǎn)型，編隊訓(xùn)練、機(jī)群活動和機(jī)動訓(xùn)練明顯增多，也是軍航碳排放量加大的原因之一。平衡好軍民航空發(fā)展與碳排放之間的關(guān)系尤為重要，對于軍民航空管聯(lián)合運(yùn)行的探索具有重大意義。本文將根據(jù)ICAO標(biāo)準(zhǔn)碳排放模型及飛機(jī)平飛狀態(tài)議程推導(dǎo)出飛行過程中總的碳排放量。

2.1ICAO標(biāo)準(zhǔn)排放量模型

國際民航組織使用標(biāo)準(zhǔn)起飛著陸循環(huán)（LTO）計算機(jī)場范圍內(nèi)1000m以下飛機(jī)的滑行、起飛、爬升、進(jìn)近著陸等階段的污染氣體的排放量，稱為ICAO標(biāo)準(zhǔn)排放量模型[9]。該模型劃分了各飛行階段的時間及推力等級。由于LTO狀態(tài)下發(fā)動機(jī)廠商提供了各飛行階段的基準(zhǔn)燃油流量和排放指數(shù)，而CO2排放量只與耗油相關(guān)，故排放指數(shù)固定。

在標(biāo)準(zhǔn)LTO循環(huán)下，某機(jī)型的CO2排放量計算公式如下：

其中G表示CO2排放量，以千克為單位。n表示該機(jī)型的發(fā)動機(jī)臺數(shù)。ti表示第i飛行階段的飛行時間，以秒為單位；起飛階段時間為0.7min、爬升階段為2.2min、進(jìn)近著陸4min、滑行階段2.6min。Fi表示第i飛行階段的單發(fā)燃油流量，單位千克每秒。Ii是指在第i個飛行階段的二氧化碳排放指數(shù)，為3.115。

從公式中可以看出，由于各階段飛行時間固定，故只需知道各機(jī)型的發(fā)動機(jī)臺數(shù)、各飛行階段的單發(fā)燃油流量、CO2排放指數(shù)即可求得該機(jī)型一個LTO循環(huán)的碳排放量。

2.2平飛狀態(tài)碳排放量估算

平飛過程碳排放量的計算有很多通用公式，這些公式由聯(lián)合國和一些環(huán)保組織共同制定。在國內(nèi)，使用中國本土的統(tǒng)計數(shù)據(jù)擬定相應(yīng)的轉(zhuǎn)換因子，使得計算結(jié)果更符合中國國情，也能更準(zhǔn)確地反映出實(shí)際的碳足跡[10]。

計算公式如下：

為計算飛機(jī)在LTO狀態(tài)及平飛狀態(tài)下的碳排放量，首先根據(jù)各類機(jī)型的座位數(shù)，將國內(nèi)的機(jī)型進(jìn)行分類，獲得加權(quán)平均座位數(shù)。然后根據(jù)分類，將各個分類里各機(jī)型各階段的燃油流量求取平均值。最后將加權(quán)平均座位數(shù)和燃油流量平均值代入公式，即可求得飛機(jī)的碳排放總量。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

以成都地區(qū)軍民航空管聯(lián)合運(yùn)行為例，計算管制員工作負(fù)荷及飛行碳排放。該試驗(yàn)主要涉及民航雙流機(jī)場及以雙流機(jī)場為節(jié)點(diǎn)前往國內(nèi)的飛行航路航線、軍航某機(jī)場及其多個訓(xùn)練空域、部分訓(xùn)練航線。

在本實(shí)驗(yàn)中，民航飛行計劃以雙流機(jī)場2015年夏秋季重復(fù)性飛行計劃中周一的進(jìn)離滿港航班為原型，軍航飛行計劃根據(jù)某軍航機(jī)場管制室提供的空域數(shù)據(jù)、架次登記表為原型。將實(shí)驗(yàn)分為四種場景即當(dāng)前現(xiàn)狀、流量增加、空域結(jié)構(gòu)調(diào)整、流量增加且空域結(jié)構(gòu)調(diào)整。其中以成都區(qū)域02扇區(qū)為例計算管制員工作負(fù)荷。

圖1　管制員工作負(fù)荷變化圖

圖1為管制員工作負(fù)荷隨時間變化的示意圖。從圖中看出流量增加比例從10%-30%遞增時，大部分時段管制員的工作負(fù)荷增長較緩，且對空域進(jìn)行調(diào)整后，工作負(fù)荷減小。當(dāng)流量增加35%-45%時，管制員工作負(fù)荷增長較快，且對空域進(jìn)行調(diào)整后，工作負(fù)荷并沒有明顯減小，甚至有增大的情形。這是因?yàn)榱髁吭黾舆^大，軍民航飛行沖突過多，需要管制員更多的操作。

圖2　碳排放量對比圖

圖2為飛行過程碳排放總量對比圖。從圖中可看出，流量增加比例從10%-30%遞增時，碳排放量呈線性增長。從30%-35%時，出現(xiàn)抖動，漲幅較大。流量相同條件下，采用靈活空域戰(zhàn)術(shù)后，碳排放量減小。

以上數(shù)據(jù)表明，在當(dāng)前空域結(jié)構(gòu)和飛行流量基礎(chǔ)上，增加30%的流量同時采用空域靈活使用策略，能更好地減輕管制員工作負(fù)荷及降低碳排放量，更宜開展軍民航空管聯(lián)合運(yùn)行。

4　結(jié)語

通過對成都地區(qū)軍民航空管聯(lián)合運(yùn)行進(jìn)行了分析，本文提出了將管制員工作負(fù)荷及飛行過程碳排放量兩種指標(biāo)作為空管系統(tǒng)效能評估的重要參數(shù)。結(jié)合具體的數(shù)據(jù)來源，通過合理調(diào)節(jié)飛行流量及調(diào)整空域結(jié)構(gòu)[11]，對管制員工作負(fù)荷及碳排放量進(jìn)行計算分析，得出了在流量增加30%情況下更宜實(shí)行聯(lián)合運(yùn)行的結(jié)論，為我國空管改革作了前期工程的分析驗(yàn)證。

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Cooperation;Controller's Workload;Carbon Emission;Performance Evaluation

Research on Controller's Workload and Carbon Emission in Civil-military ATM Cooperation

XIA Yu1，ZHANG Xiao-qin2
（1.College of Computer Science,Sichuan University,Chengdu 610065）2.Dept.of Biochemistry,Aba Teachers College,Wenchuan 623002）

1007-1423（2016）02-0007-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.02.002

夏宇（1991-），男，重慶涪陵人，碩士研究生，研究方向?yàn)榭展茏詣踊?/p>

2015-11-24

2015-12-18

隨著民用航空業(yè)的快速發(fā)展以及軍航使用空域需求的增長，建立軍民航空管聯(lián)合運(yùn)行機(jī)制成為當(dāng)務(wù)之急。這對于增強(qiáng)空管綜合保障能力，減輕管制員工作負(fù)荷，降低碳排放具有重要意義。在聯(lián)合運(yùn)行過程中，如何評估管制員工作負(fù)荷、碳排放量，并以此分析聯(lián)合運(yùn)行的優(yōu)劣是一個亟待解決的問題。采用仿真分析法，對飛行流量、空域結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行改變，從而對上述兩種指標(biāo)進(jìn)行定量評估。仿真結(jié)果證明，聯(lián)合運(yùn)行后，兩種指標(biāo)的評測值都有所提高。

聯(lián)合運(yùn)行；管制員工作負(fù)荷；碳排放；效能評估

四川省教育廳科研項目（No.14ZB0337）

張小琴（1982-），女，四川新都人，研究生，講師，研究方向?yàn)樯飯D像處理

With the development of civil aviation and the increasement of military's requirement of airspace,the urgent matter is to establish civil military ATM cooperation mechanism.It is of momentous significance to enhance ATM comprehensive support capability,reduce controller's workload and cut down carbon emission.In the process of cooperation,how to evaluate the workload and the emission is an immediate problem.Based on the method of simulation analysis,quantifies the aforesaid two indexes through changing flight flow and airspace structure.Experimental result shows that the cooperation mechanism can reduce controller’s workload and cut down carbon emission.