淺析民航管制空域扇區(qū)劃分及其優(yōu)化方法

摘要：簡單介紹了我國民航發(fā)展的趨勢，分析了劃分扇區(qū)的實際意義，從原則與基本方法兩個方面闡述了扇區(qū)劃分理論。進一步介紹了扇區(qū)優(yōu)化的基本方法及其意義。最后，總結了未來民航扇區(qū)劃分及優(yōu)化方面研究的方向與趨勢。適合對民航相關知識基礎較為薄弱的讀者參考使用。

關鍵詞：管制空域扇區(qū)劃分；扇區(qū)優(yōu)化

中圖分類號：V355文獻標識碼：A文章編號：1008-4428（2019）03-0020-02

一、 引言

近幾十年來，我國航空航天事業(yè)得到了飛速的發(fā)展。隨著人民生活水平不斷提高，人們在出行的時候不再單一地考慮經(jīng)濟成本，而是追求時間成本與經(jīng)濟成本的最大性價比。人們對客航與貨航的需求日益增加，有限空域資源與交通需求之間的矛盾日益突出。越來越多的飛行器在空域中運行，導致在某些流量高峰期空域中時常會出現(xiàn)管制員超負荷工作的情況。為了保證民航運輸安全、高效、經(jīng)濟的原則，空管部門常常將管制空域劃分為若干個管制扇區(qū)，并為每個扇區(qū)設置相應的管制席位，各個扇區(qū)之間相互協(xié)作又保持相對獨立，共同提供對空域的管制服務。通過劃分扇區(qū)的方法不僅可以提高空域的整體容量，使之滿足與飛行流量的匹配，同時可以減輕管制員工作負荷、緩解空中交通壓力、保證空中交通安全暢通。進一步考慮扇區(qū)劃分的優(yōu)化方法，以保證扇區(qū)劃分方案的科學性、合理性。所以，針對民航管制空域扇區(qū)劃分及其優(yōu)化方法的研究具有重要的意義。

二、 扇區(qū)劃分的原則與基本方法

扇區(qū)是相關空管部門將其負責管制的空域經(jīng)有限劃分后的一個個小的管制空域單元。相應扇區(qū)管制席位上的管制員，負責集中精力提供本扇區(qū)的管制服務。扇區(qū)劃分方案關系著管制工作的具體實施，也是空域結構科學合理與否的體現(xiàn)之一。扇區(qū)的劃分需要遵循一些基本原則、滿足特定的約束。接下來從扇區(qū)劃分的原則與基本方法兩個方面做出闡述。

（一）扇區(qū)劃分的原則

1. 劃設管制區(qū)扇區(qū)時，要考慮通訊、導航、監(jiān)視設備。具體體現(xiàn)在以下三個方面：①管制服務依賴于管制員與飛行員的陸空通話，所以劃分扇區(qū)時需考慮到雷達信號覆蓋的水平與高度范圍，保證所設區(qū)域內(nèi)通話信號良好；②由于管制空域內(nèi)航空器較多，通信頻道數(shù)目有限，所以需考慮區(qū)域內(nèi)通信頻道的占用度，盡可能做到通信頻道的均勻分配；③相關導航設備（如VOR、NDB）的數(shù)量、種類及其安裝位置將直接決定航空器導航的精度，精度越高的區(qū)域需要管制員的人為操作就越少，其工作負荷就相對較輕。

2. 劃設扇區(qū)應考慮扇內(nèi)航空器的機型與飛行性能（航速）。對于中重型或速度較大的航空器，處理其已有或者潛在的飛行沖突較為緊急，所以應為其配備較大的扇區(qū)范圍，保證管制員擁有充裕的處理時間；反之，對于輕型或速度較小的航空器，管制扇區(qū)的范圍可合適地緊湊規(guī)劃。

3. 劃分扇區(qū)時要注意管制員注意力的分配與工作負荷情況。管制扇區(qū)的劃設應有利于管制員將注意力集中于本扇區(qū)的所有飛行活動上，使之保持良好的情景意識。同時，應當根據(jù)所劃扇區(qū)的結構特征、轄區(qū)內(nèi)航空器類型、管制員的管制水平等因素，規(guī)定管制扇區(qū)內(nèi)的航空器閾值。某些高峰流量時刻航空器數(shù)目超過所設閾值，則應考慮對現(xiàn)有扇區(qū)劃分方案進行適當?shù)恼{(diào)整，保證管制員負荷合理。

4. 管制扇區(qū)的劃分原則上應保證其連續(xù)性，不可出現(xiàn)界限重疊或者跳躍的情況。在實際管制和飛行過程中，飛行員在任意位置都應保證受不大于一個的管制員提供的管制服務，以確保飛行的安全性。

（二）扇區(qū)劃分的基本方法

1. 二維空域劃分。對目標空域做幾何二維的平面拓撲，以樞紐機場、航路航線交叉點或重要導航設備為中心點，綜合考慮其周圍的飛行流量分布特點，劃設相應數(shù)量的管制扇區(qū)，使得每個扇區(qū)的操作難度與管制工作量大致平衡；

2. 三維空域劃分。以高度作為劃設扇區(qū)的標準，主要考慮航空器不同飛行狀態(tài)下運行的高度范圍，并以此為依據(jù)選取高度分界值，在此值附近設定扇區(qū)的高度范圍以及上下限；

3. 功能性扇區(qū)劃分。以航路航線網(wǎng)絡的復雜程度均衡為原則。該方法選定固定通航流量較大的幾條航線，將這些航線均勻地分配到相鄰的不同扇區(qū)，避免同一扇區(qū)內(nèi)出現(xiàn)管制工作過度復雜的情況，使管制員能夠集中處理本扇區(qū)內(nèi)重要航線上的飛行沖突。

在繁忙管制空域中，較大的飛行流量將會帶來大量的管制負荷。通過對管制空域進行扇區(qū)的劃分，可以有效地分配管制員負荷，保證管制員處于良好的壓力環(huán)境，提供優(yōu)質(zhì)的管制服務。

三、 扇區(qū)優(yōu)化的方法及意義

扇區(qū)優(yōu)化方法總體分為兩大類：空域扇區(qū)的靜態(tài)優(yōu)化、空域扇區(qū)的動態(tài)優(yōu)化。扇區(qū)的靜態(tài)優(yōu)化大多針對固定航路航線網(wǎng)絡或某一特定時間段內(nèi)管制空域的扇區(qū)劃分問題，從優(yōu)化目標不同的角度而言，大致分為基于管制員負荷的扇區(qū)優(yōu)化與基于空中交通復雜度的扇區(qū)優(yōu)化；扇區(qū)的動態(tài)優(yōu)化則需進一步考慮基于空域結構變化的動態(tài)調(diào)整與基于時間的飛行流量動態(tài)變化。接下來重點介紹空域扇區(qū)靜態(tài)優(yōu)化的方法。

（一）基于管制員工作負荷的扇區(qū)優(yōu)化

管制空域中有很多因素會直接或間接地影響到管制員的管制工作，對管制員造成客觀與主觀上的工作難度。統(tǒng)計并量化管制空域內(nèi)管制員的工作負荷，以均衡量化后的管制員工作負荷為目標，提出相應優(yōu)化的扇區(qū)劃分方案。該方法主要分以下幾個大的步驟：

1. 評估管制員工作負荷。普遍統(tǒng)計管制員工作負荷的定義是：管制員為滿足客觀任務需求需要承受身體以及精神上的壓力，而這些壓力可以轉化為在時間上的消耗，而管制員工作負荷的大小就表征為管制員完成相應工作所消耗的時間。通過統(tǒng)計所給定時間段內(nèi)的各種管制指令負荷以及操作進程單的時間消耗，求和就可以得到在相應空域內(nèi)的總工作負荷（單位：秒）。

2. 計算扇區(qū)數(shù)量。根據(jù)DORATASK方法可知，管制員的工作負荷應當小于統(tǒng)計時間的80%，且90%的工作負荷不得超過總時間的2.5%。

3. 建立扇區(qū)優(yōu)化模型以及約束條件。較為常用的方法是通過空域內(nèi)關鍵點（導航臺、航路交叉點）為生成元，對管制空域進行平面二維的拓撲，形成有限元分割，生成一定數(shù)量的扇區(qū)單元，通過一定的優(yōu)化算法有序地排列這些單元，最終組成預期數(shù)量的扇區(qū)，輸出扇區(qū)劃分的邊界。生成的扇區(qū)劃分方案需要滿足諸多的約束條件，如：①凸約束：避免扇區(qū)邊界呈鋸齒狀，保證航空器沿航線行進過程進入或離開某一扇區(qū)的次數(shù)小于等于1。②最小距離約束：扇區(qū)邊界和航路航線交叉點要保持一定的距離，以保證管制員有足夠的時間來處理交叉點處可能出現(xiàn)的飛行沖突，保證管制移交工作的順利。③連續(xù)性約束：一般情況下扇區(qū)在空間上必須連續(xù)，不允許出現(xiàn)空間上的間斷與跳躍。

此方法的缺點在于管制員的工作負荷具有較強的主觀性，以管制指令耗時的統(tǒng)計量無法全面客觀地反映出空中交通的復雜性。

（二）基于空中交通復雜度的扇區(qū)優(yōu)化

空中交通復雜性，是對管制員所要處理的管制空域的復雜程度的客觀描述。許多因素會客觀地影響空域的復雜程度，如：航空器數(shù)量、交通密度、間隔標準、航空器航速、飛行流量、高度變化、航向變化和天氣因素等等。大致可以把這些影響因素分為兩類：空域結構因素和飛行態(tài)勢因素。空中交通復雜度，即是空中交通復雜性具體量化的結果。由于影響空中交通復雜性的因素眾多，根據(jù)具體規(guī)劃空域的實際情況，提取關鍵影響因素十分重要，通常采取專家調(diào)研問卷的方式獲得。而對于影響因素的具體量化方法各不相同，目前也沒有統(tǒng)一的量化標準。空中交通復雜度也可以量化一個扇區(qū)的繁忙程度，而且相對于管制員的工作負荷，由于考慮問題的角度不同，擯棄了管制員工作負荷的主觀性，因此以空中交通復雜度為依據(jù)的扇區(qū)繁忙程度的量化更加客觀，也更具有針對性。

需要指出的是，基于空中交通復雜度的扇區(qū)優(yōu)化與基于管制員負荷的扇區(qū)優(yōu)化主要區(qū)別在于優(yōu)化扇區(qū)的目標不同，對扇區(qū)繁忙程度量化的出發(fā)點不一樣，而在進行管制空域扇區(qū)單元的分割以及通過多種算法尋求最優(yōu)扇區(qū)劃分方案，輸出相應扇區(qū)邊界的步驟上具有同一性。

扇區(qū)優(yōu)化方法對于保證扇區(qū)劃分方案的科學性、合理性有著重大的意義。科學合理的管制扇區(qū)劃設有利于管制工作的實施，保證管制員形成良好的情景意識，提供優(yōu)質(zhì)的管制服務，對保證民用航空運輸安全、有效、經(jīng)濟有著重要的意義。

四、 結語

本文簡單介紹了民航管制空域扇區(qū)劃分的原則與基本方法，從理論的角度重點介紹了靜態(tài)扇區(qū)優(yōu)化方法及其意義。在未來扇區(qū)優(yōu)化相關研究當中，基于空域信息的動態(tài)扇區(qū)劃分代表著新的趨勢。隨著航班量的增加，空域內(nèi)飛行流量將會進一步提升，在未來新技術的突破下，基于增強導航系統(tǒng)的導航精度將會進一步提升，屆時，在考慮管制空域扇區(qū)優(yōu)化的時候，可不再拘泥于扇區(qū)邊界的動態(tài)調(diào)整，而應結合航路航線結構的調(diào)整，使得空域結構優(yōu)化從固定航路航線結構的剛性優(yōu)化方式向柔性轉變，達到空域靈活使用、提升空域容量、保證飛行安全的目的。

參考文獻：

[1]孔德福.終端區(qū)扇區(qū)優(yōu)化技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2011.

[2]張明.終端區(qū)空域扇區(qū)規(guī)劃及運行管理關鍵問題研究[D].南京：南京航空航天大學，2010.

[3]李錚.終端區(qū)扇區(qū)劃設方法研究[D].天津：中國民航大學，2009.

作者簡介：

陳耘路，男，中國民用航空飛行學院，空中交通管理學院。