關于空中交通管制自動化中的沖突概率分析

朱薛文

摘 要：隨著我國社會經濟的不斷發展，我國空中交通的流量也在不斷地增加，空中交通的飛行情況也更加的復雜，所以在這種大背景下如果僅依靠傳統的依靠管制人員進行估計、分析和解決在空中飛行時可能出現的沖突的工作方式則很難有效的保證飛機的飛行安全，所以這就需要我們在空管系統中跟隨時代的發展潮流借助先進的信息技術來為管制人員提供沖突探測的輔助支持來更好的預估機群的飛行狀況，使得管制員能夠及時的發現機群在飛行中存在的潛在沖突，從而有效的解決沖突和保證飛行量的均衡。

關鍵詞：空中交通；管制自動化；沖突概率

空中交通自動化管制系統將是空中交通發展的必然產物，它在未來必將成為空中交通管制的有效手段。但是，在空中交通管制自動化系統中，人在系統中處于中心位置，空中交通自動化管制系統強調人的中心地位及其跟其他各個要素間的彼此關系。隨著時代的進步和社會的發展，空中交通將會變得非常的擁擠和繁忙，現有的空中交通管制系統將無法對未來空中交通流量進行有序的管制。所以當前這種環境下為有效的改善空中交通的安全性和效率，對飛行沖突概率估計的方法進行了研究。從理論上將沖突概率解析算法從二維推廣到三維，并推導出一種快速求解三維飛行沖突概率的近似解析算法，使之適用于終端區的復雜情況。

一、空中交通管制自動化的基本概述

空中交通管制是保證飛機飛行安全和提高飛行效率的重要手段。目前，我國空中交通管制己經逐漸從由雷達監視的程序管制向雷達管制過渡。實施雷達管制以后，空中交通流量將會大幅度提高，對空中交通管制系統的要求也隨之提高。為進一步保障空管的安全性，民航華北空管局和清華大學國家863C/MIS工程研究中心正著手聯合研制開發空中交通管制指揮監測系統（ATCCMs）。

空中交通管制自動化策略盡管符合霍金斯的SHEL模型（軟 件 -software、硬 件 -hareware、環 境 -environment、人-liveware）的 基 本 特 征，但 對 軟 件 -software、硬 件 -hareware、環境 -environment、人 -liveware這 四 個 模 型 要素之間的界面進行了變更。空中交通管制自動化系統將致力于匹配好這四個要素間的界面，使各要素的效能發揮到最大。因此，該系統一方面將對空中交通管制崗位進行重新設置，給每個要素賦予新的職責；一方面將加強空中交通管制員素質培養，使管制員們能及時快速地適應空中交通管制自動化系統的操作技術和應用技能。

未來空中交通管制自動化系統將以空中交通管制員為中心，空中交通管制員對整個空中交通進行總體的管理和控制，空中交 通 管 制 員 之 間、管 制 員 與 飛 行 員 之 間 將 通 過CPDLC（直接鏈路通訊）進行彼此的聯系，從而替代了過去傳統的進行話音通信的方式，提供了指配指配速度、通信頻率、航路偏離警告、改變航路、指配高度、情報、放行、氣象等空中交管業務。同時在空中交通管制員的管制席位上，將能清楚地顯示航空器運行的航跡，這些數據資料將通過ATN數據鏈在航空器、飛機和管制單位即 ATS單位之間彼此同意下進行通信，從而讓管制員們或者管制單位獲得各航空器（如飛機）ADS-C（合同式自動監視）四維信息。再者，飛機等航空器的速度、高度、位置、呼號以及其他參數將ADSB（廣播室自動監視）進行自動廣播而被管制員所獲得。最后，空中交通管制員還將利用地 - 地監視應用系統對飛機廣播信息進行監視，并通過多點定位系統來獲取監視數據，從而提升管制員或者空中交通自動化管制中的監視效率。還有，空中交通管制自動化系統中，自動放行席位的設置，主要是利用 Gate Link（即停機位數據鏈）進行信息數據的傳輸，以實現處在停機位上的飛機跟地面管理系統的計算機之間的數據自動連接和傳輸，最終為管制員向各飛機機組人員提供氣象、情報、放行指示等信號。

二、空中交通管制自動化中的沖突概率分析

1.二維沖突概率分析

因考慮到雷達測量、高空氣象條件、飛行控制等諸多隨機因素對飛機飛行狀態的影響較大，因此在沖突探測分析中，宜采用隨機建模方式。Erzberger和Paielli提出的二維（水平）沖突概率的解析算法[2，3]，其思路為： （1）對預估航跡的誤差概率建模； （2）對兩架飛機的相對運動進行分析，計算出兩架飛機的聯合協方差矩陣，通過對聯合概率密度函數在擴展沖突區域中的積分就可以得到沖突概率值； （3）對原有的參考坐標系進行坐標變換，選擇適當的變換矩陣，將聯合誤差橢圓變為單位圓； （4）對變換后的擴展沖突區域進行分析、旋轉，從而求出沖突概率的解析解。二維算法是針對飛行在同一高度層的飛機之間的沖突概率分析，這對在巡航區飛行的大部分飛機是比較適合的。但在終端區及區調靠近終端區的區域，由于相當一部分飛機要處于上升或下降的狀態，飛機之間的相對運動方向將不會都在同一平面內。因此，需要對上述的二維算法進行推廣，使之能夠適用于三維的情況。

2.三維沖突概率分析

三維和二維算法的主要區別在于： （1）要考慮垂直方向的位置誤差，對于處于上升或下降階段的飛機還要進一步考慮其垂直方向速度的誤差； （2）要考慮垂直方向的相對速度，以及它在變換、旋轉中對聯合誤差和擴展沖突區域的影響。

3.算法檢驗

算法檢驗分為兩部分：一是解析算法的精度，包括對擴展沖突區域的截面的近似誤差；二是算法的實時性。可以用Monte-Carlo仿真方法來檢驗算法的準確性。為了比較全面地檢驗三維算法的準確性，需要對最小水平間隔r、預估時間t、水平航向夾角T、到達水平最小間隔時的垂直間隔h、飛機飛行狀態等因素的不同組合的場景下的沖突概率進行計算、比較。

三、結語

總而言之，空中交通管制自動化系統是空中交通時代發展下的必然產物，也必將成為空中交通管制的有效手段。此系統的構建和運行將受到人之因素的影響，因此必須設計積極有效的措施予以應對，必須合理設置崗位，使人跟自動化系統相匹配；同時也應該合理設計自動化系統，使各機器設備符合人的生理和心理能力。只有從兩方面都進行突破，才能有效促進空中交通管制自動化的發展，實現安全、高效、有序的空中交通秩序。

參考文獻：

[1]高揚，朱艷妮. 基于HEART方法的管制員調配飛行沖突的人為差錯概率研究[J]. 安全與環境工程，2013，04：97-101.

[2]蘇志剛，眭聰聰，吳仁彪. 基于概率模型的ATC系統沖突目標生成算法[J]. 信號處理，2011，10：1520-1524.

[3]隋東，韓明良，董襄寧，王世錦. 空中交通管制員認知可靠性研究[J]. 南京航空航天大學學報，2007，03：384-387.endprint