基于空管應(yīng)急處理的航班沖突研究

任杰　任嵩

摘 要：隨著我國民航業(yè)高速發(fā)展，空中交通流量快速增長，空中交通系統(tǒng)面臨越來越嚴重的機場擁擠和空域擁擠，需面對的飛行突發(fā)事件越來越多。在發(fā)生飛行突發(fā)事件時，空管的處置對于保證生命安全，減少財產(chǎn)損失，將災(zāi)害的影響降到最低有著不可替代的作用。文章對航班突發(fā)事件做了簡單介紹并分析了突發(fā)事件產(chǎn)生的原因，針對其中的空管應(yīng)急預(yù)案進行了深入研究，并且建立了空管應(yīng)急處理的流量控制模型。結(jié)果表明該模型比FCFS模型更具經(jīng)濟優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：飛行突發(fā)事件；應(yīng)急處理；FCFS

中圖分類號：V355 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）21-0077-04

Abstract： With the rapid development of our civil aviation industry and the rapid growth of air traffic flow， the air traffic system is facing more and more severe airport congestion and airspace congestion， facing more and more flight accidents. In the event of a flight accident， the disposal of the ATC will play an irreplaceable role in ensuring life safety， reducing property losses and minimizing the impact of disasters. This paper briefly introduces the flight accidents and analyzes the causes of the emergencies， conducts in-depth research on the ATC emergency plan， and establishes a traffic control model for ATC emergency response. The results show that this model is more economical than the FCFS model.

Keywords： flight incidents； emergency treatment； FCFS

引言

由于近年來民航事業(yè)的發(fā)展，航空器數(shù)量激增，使得空域擁擠，管制員壓力增大。且航班飛行突發(fā)事故具有突發(fā)性，其事態(tài)的發(fā)展具有一定的不確定性和需要迅速決策的特點，所以對事故處置是否迅速且正確，對事故的后果將起到?jīng)Q定性的作用。

目前，國內(nèi)外專家、學(xué)者對航班沖突進行了一些相關(guān)研究。文獻[1]深入研究進場航空器的優(yōu)化排序與調(diào)度，論文基于航空器四維軌跡預(yù)測，采用相關(guān)優(yōu)化算法，研究進場航空器的優(yōu)化排序與調(diào)度，并構(gòu)建相應(yīng)原型系統(tǒng)；文獻[2]對著陸飛機排序問題進行了仿真計算；并與先到先服務(wù)算法、模擬退火算法、蟻群算法進行了對比研究。文獻[3]建立了以時延作為目標函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，然后引入分支策略選擇出發(fā)點、偽隨機比例分配選擇下一架飛機以及遺傳變異因子對當前解改進等以改善經(jīng)典蟻群算法，并定義了對終端區(qū)飛機進場調(diào)度的具體算法；文獻[4]采用協(xié)同航班調(diào)度策略和多目標優(yōu)化調(diào)度模型，研究了多跑道降落航班的協(xié)同調(diào)度問題；文獻[5]考慮終端區(qū)系統(tǒng)自身的復(fù)雜性和影響因素的隨機性，當前多采用計算機仿真技術(shù)對終端區(qū)沖突進行評估。

1 航班突發(fā)事件的認識

廣義上講，民航突發(fā)事件是指民航系統(tǒng)認識范圍之外或工作計劃之外突然發(fā)生的，對其利益造成潛在威脅或造成損害的事件。這些事件既會對民航界的安全產(chǎn)生潛在威脅，也會對消費者的心理產(chǎn)生難以恢復(fù)的陰影。

狹義上講，民航突發(fā)事件[6]是指在民航領(lǐng)域，一定地理區(qū)域內(nèi)發(fā)生的大規(guī)模、對人民群眾生命財產(chǎn)造成嚴重威脅或損壞的、負面影響強的事件或災(zāi)難。

1.1 航班突發(fā)事件的特點

民航突發(fā)事件具有以下特點：突發(fā)性，成因的綜合性，緊迫性，后果的雙重性，不確定性，一定的可預(yù)防性。

突發(fā)性是指事件往往是多種誘因相互作用的后果，因為某些因素自身具有突發(fā)性和隨機性的特點，所以使得突發(fā)事件的發(fā)生具有突發(fā)性，隨機性，突發(fā)事件不期而至，令人措手不及，而且客觀條件的變化具有突然性，人們往往難以預(yù)料事件下一步的發(fā)展。

成因的綜合性是指航班飛行涉及到航空公司，空中交通管理，機場服務(wù)三大部分。與飛行、機務(wù)、航管、空中服務(wù)，地面保障，等多方面的協(xié)調(diào)，組織和指揮密切相關(guān)，而且其組織協(xié)調(diào)受到自然環(huán)境和社會環(huán)境的影響較大，導(dǎo)致引發(fā)航班突發(fā)事件的原因也具有綜合性，即通常是由人的失誤，外部環(huán)境的突然變化，飛機故障或失控等相互作用造成的結(jié)果。

緊迫性是指航班飛行突發(fā)事件具有變化快且變化方向不確定等因素，所以對于航班飛行突發(fā)事件的反應(yīng)和處理時間都十分緊迫，任何遲緩都會造成嚴重的后果和重大損失。

后果的雙重性是指航班飛行突發(fā)事件如果不能及時得到有效正確的處理就會造成嚴重的后果，一方面是對人的生命財產(chǎn)和社會、環(huán)境等造成的損壞，另一方面是災(zāi)害發(fā)生后產(chǎn)生的社會心理影響，由于信息傳播管道多，速度快，使災(zāi)害的影響迅速擴散，如果處理不及時就會造成嚴重的社會影響，包括引起部分人對乘坐飛機出行產(chǎn)生不安或恐懼以及對發(fā)生不安全事件的航空公司的聲譽及形象造成負面影響。

不確定性是指突發(fā)事件的潛伏，爆發(fā)，發(fā)展，結(jié)束的規(guī)律和趨勢不易為人所準確把握。

一定的可預(yù)防性是指航班突發(fā)事件事出有因，如果能夠預(yù)先控制突發(fā)事件的原因，就能在一定程度上預(yù)防事件的發(fā)生。通過檢測，識別，診斷，預(yù)控，及時解決機械故障并糾正人為失誤，改善機場，航空公司，空管部門的管理水平，加強系統(tǒng)化的預(yù)警管理等可在一定程度上降低突發(fā)事件發(fā)生的幾率。

1.2 航班飛行突發(fā)事件的分類

按照是否為航空器突發(fā)事件分類，分為航空器事件和非航空器事件。航空器事件包括航空器飛行中故障、飛機緊急迫降、航空器失事、航空器遭遇劫機等，非航空器事件包括惡劣天氣、自然災(zāi)害、機場設(shè)施出現(xiàn)非正常情況、飛機上發(fā)生嚴重違法事件等。

根據(jù)飛行突發(fā)事件的嚴重程度分類。分為飛行事故和飛行事故征候。

1.3 航班飛行突發(fā)事件原因

在復(fù)雜的人機環(huán)系統(tǒng)中人是主要因素。包括飛行機組、空管人員、機務(wù)人員、管理人員等。在飛行中，機組是保證飛行安全的主要人員，當然這還需要空管的指揮與簽派的協(xié)調(diào)等各方人員的相互配合與協(xié)調(diào)。在飛機的安全運行中必須始終考慮人的因素。

2 基于空管應(yīng)急處置的流量控制模型

各約束條件意義：

式（1）表示各交叉航路上流量不超過其容量；

式（2）表示航路交叉口的流量不超過其容量；

式（3）表示一個時間t只能分配給一個航班f

式（4）表示一個航班f只能分配一個時間 t；

式（5）表示分配的時間不能早于預(yù)計到達交叉口的時間；

式（6）表示航班的延誤時間不超過相應(yīng)最大延誤時間；

式（7）表示通過航路交叉口的兩個相鄰航班的時間間隔不能小于規(guī)定的最小安全間隔；

式（8）表示變量Yf，t的取值，取值為1時表示時間t分配給航班f，取值為0時表示此時隙不分配給該航班。

2.2 航班優(yōu)先級的考慮

考慮到使延誤帶來的經(jīng)濟損失盡可能小，需要優(yōu)先考慮延誤損失較大的航班，所以需對航班進行優(yōu)先等級劃分。優(yōu)先級的劃分主要考慮機型、飛行任務(wù)的性質(zhì)（如包機、定期航班、專機、調(diào)機飛行等）、實際載客人數(shù)、是否為連續(xù)航班等屬性，根據(jù)各屬性對航班的影響程度的大小，分別對各屬性a賦一定的權(quán)值αa（0≤αa≤1），由于航班的延誤損失是所有屬性綜合影響的結(jié)果，所以對于每個航班f賦予總權(quán)值αf，該總權(quán)值應(yīng)滿足：αf=a可以用總權(quán)值衡量航班的優(yōu)先等級，即總權(quán)值越大，表明該航班越重要，優(yōu)先級越高；對于總權(quán)值相等的航班，則按照FCFS排序。由于總權(quán)值越大的航班在相同延誤時間內(nèi)造成的延誤成本越大，所以賦予不同航班對應(yīng)的延誤損失系數(shù)βf，該延誤系數(shù)與航班優(yōu)先等級成正比，βf=kαf（k>0）。設(shè)優(yōu)先級最高級別為1級，排在最前面，其他級別依次往后排，優(yōu)先等級高的航班可優(yōu)先分配航路匯聚點預(yù)計到達時間之后滿足約束條件的最早時間。

2.3 模型建立

交叉口匯聚航班排序算法步驟如下：

3 實例分析

識別對象集和指標集的確定

本文使用兩條匯聚航路，即x=2，所用航班數(shù)據(jù)為北京首都機場某日10：00到11：00之間的部分航班的數(shù)據(jù)，如表1所示：

如表2顯示，我們邀請民航一線管制人員和相關(guān)專家進行打分確定各部分權(quán)重比例。如表中所示載客量越多的航班所占的比重越大，連續(xù)航班、專機的航班的比重遠遠大于非航班、其他飛行任務(wù)的航班。

首先，數(shù)據(jù)賦初值。設(shè)連續(xù)航班與非連續(xù)航

班的最大可延誤時間分別是Df，max={20min，60min}；

令k=1，？茁f=？琢f；航路R1上的航班容量C1=15，航班集合

f={f11，f12，f13，…，f110}。預(yù)計到達交叉口的時間為ESt=10：20，10：22，10：25，10：28，10：32，10：36，10：40，10：42，10：46，10：49；航路R2上航班容量C2=15，R2上航班集合為f={f21，f22，f23，…，f210}，預(yù)計到達交叉口的時間為ESt=10：21，10：24，10：26，10：31，10：35，10：38，10：41，10：43，10：48，10：51；按照預(yù)計到達時間的先后給航班機型排序A=H，H，L，M，H，L，H，H，M，M，L，M，L，M，H，L，L，M，H，L，

給各航班分配的時間為AC={10：20，10：23，10：26，10：29，10：32，10：35，10：38，10：41，10：44，10：47，10：50，10：53，10：56，10：59，11：02，11：05，11：08，11：11，11：14，11：17}

表3為用本模型和FCFS算法得到的仿真結(jié)果。

由表3可以看出通過控制飛機間隔使預(yù)計在10：20-10：51內(nèi)到達受控空域的20航空器減少為11架，達到了控制流量的目的，同時在給航班排序時由于考慮了航班的優(yōu)先級，相比FCFS算法，航班延誤時間雖然相同，但是航班延誤成本得以減少。

4 結(jié)束語

我國空域擁擠，航線密集，交叉航線不在少數(shù)，同時，隨著民航業(yè)的迅速發(fā)展，航空器大量增加，航路擁擠。在發(fā)生突發(fā)事件或由于特殊情況導(dǎo)致空域容量降低時，需要通過控制空域入口流量來控制進入空域的流量，有時也需要解決航路匯聚處的航班沖突，因此流量控制不可避免，但是應(yīng)考慮在保證安全的前提下使航班的延誤成本降到最低，通過算例仿真，本模型比使用FCFS算法更具有經(jīng)濟上的優(yōu)勢，更具實用性。不足之處，樣本選取較少，航班屬性所占的權(quán)重是通過一線管制和專家給出，主觀影響大，所用模型仍存在一定的缺陷，有待進一步的改進。

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