管制員技術特征研究

車雨桐

摘? 要：管制員在指揮航空器時，往往會考慮安全間隔、當前流量等因素，根據情況采取不同的指揮策略，不同的策略組合也會造成航空器不同的飛行狀態。為了更好的描述與分析管制員的技術特征，文章首先結合實際工作對管制員的技術特征下定義，然后用層次分析法建立模型，最后用北京首都國際機場某一天進近區域一小時的數據驗證模型有效，可以用該模型來幫助研究管制員的技術特征。

關鍵詞：管制員;技術特征;層次分析法

中圖分類號：V219? ? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）08-0152-04

Abstract： When the controller directs the aircraft， he often takes into account the safety interval， the current flow rate and other factors. According to the situation， different command strategies will be adopted， and different strategy combinations will also cause different flight states of the aircraft. In order to better describe and analyze the technical characteristics of controllers， this paper first defines the technical characteristics of controllers in combination with practical work， and then establishes a model by analytic hierarchy process （AHP）. Finally， the model is verified by one hour's data from Beijing Capital International Airport， which can be used to help study the technical characteristics of controllers.

Keywords： controller; technical characteristics; analytic hierarchy process

引言

近年來我國民航事業迅速發展，空域流量越來越大，管制員的壓力也越來越大，在壓力下如何保持判斷準確指揮迅速是管制員面對的難題。目前來說管制工作仍屬于在一定規則下的主觀活動，不同地區的管制員會根據地形等因素，形成較為固定的指揮風格，研究管制員之間不同的指揮風格，即技術特征，有助于了解管制員在不同情況下做出的決策。

目前對管制員的研究多集中在疲勞、工作負荷等方面。Isabelle在分析了管制員輪班制度、工作時間和工作負荷后，提出了相對應的緩解策略[1]。Oransanu等學者在管制員工作時間對建立疲勞風險管理系統模型的方法和要求做出了討論[2]。鄧娟列舉了因管制員疲勞和厭倦而產生的影響飛行安全的實例，同時提出有效的預防措施[3]。孫濤和陳宇結合我國國情，借鑒國外對空管人員疲勞研究的文獻和數據，分析了疲勞的因素并提出預防措施[4]。國內外學者對技術特征尚未進行研究，也尚未有明確定義，本文對管制員的技術特征嘗試定義，以進近區域為研究范圍，并利用模型更加完善地論述。

1 管制員技術特征定義

1.1 不同席位的要求

管制員的席位總體來說可以分為區域、進近和塔臺，不同的席位對管制員的要求也不一樣，具體如下：

（1）區域管制員

主要工作是指揮飛機在航路上直線飛行，保證航空器之間的間隔，和進近管制員移交時保證航空器在規定的高度層。區域管制員需要對航空器速度進行調控，在航空器需要變換高度時保持一定的上升率和下降率。

（2）進近管制員

主要工作是安排路線，接到區域移交的進場航空器后，要盡快完成航空器的排序，在保證進場航空器之間的間隔的同時，還要調整路線和離場航空器保持足夠的安全間隔，以便航空器可以安全有序地進場并移交給塔臺。進近管制員需要時刻掌握航空器之間位置的變化，最重要的是完成對進場航空器的排序。

（3）塔臺管制員

主要工作是對進離場飛機發放許可，同時引導航空器滑行，了解與本場有關的全國當前的流控狀態。

1.2 航行三要素

在實際工作中，管制員是按照一定的行為準則來完成工作的，而管制員的工作就是對航行三要素的應用，航行三要素分為：高度、速度和航向。

（1）高度。高度是反映航空器飛行動態的重要指標，是管制員工作中觀察、分析的重要對象，是管制員進行決策和實施指揮的關鍵參數，為航空器配備不同的合理的高度層、建立垂直間隔，是管制員必須具備的技能。明確高度調整的目的，掌握高度調整的方法是培養這項技能的前提。

（2）速度。航空器的速度是飛行過程中表示其運動特征的重要指標，也是關系飛行安全和效率的關鍵要素之一。在飛行過程中，航空器采用不同的速度將表現出不同的操作性能，掌握航空器速度的特征。使用方法和時機，是管制員高效、優質地實施管制服務的前提和保障。

（3）航向表明了航空器飛行的方向，是航空器飛行中的重要參數，也是管制員指揮時的重要指標，它對航空器安全、有序的運行起著重要的作用。雷達引導是監視服務中的關鍵技術之一，它充分體現了監視服務相比程序管制的優勢所在[5]。

1.3 定義

根據前文所述，可以將管制員的技術特征定義如下：

管制員的技術特征是管制員在指揮航空器的過程中，在保證安全間隔的前提下，對于高度、速度、雷達引導航向的組合使用，以及使用過程中對航行三要素優先順序的排列和對間隔的使用。不同的管制員有不同的指揮風格和指揮策略，由此可區分出不同的技術特征。

2 層次分析法

2.1 算法概述

層次分析法（Analytic Hierarchy Process， AHP）是由美國著名運籌學家，匹茲堡大學教授T.L.Saaty在20世紀70年代中期提出。AHP方法是一種多準則預測方法，它把一個復雜的問題表示為有序的遞階層次結構，通過兩兩比較和計算，對預測方案的優劣進行排序，它具有實用性、系統性和簡捷性等優點。使用AHP方法建模分為四個步驟：建立遞階層次結構模型;構造判斷矩陣;層次單排序及一致性檢驗;層次總排序及一致性檢驗。

2.2 建立遞階層次結構模型

首先把實際問題分解為若干因素，然后按屬性的不同把這些因素分成若干組，劃分遞階層次結構，一般的結構模型分為三層，分別是目標層、準則層和方案層，對于較復雜的模型，可以在準則層下邊增加一層子準則層，以便更好地分析問題。

2.3 構造判斷矩陣

判斷矩陣中的第一個元素，是位于左上角的元素，它是一個具有向下隸屬關系的元素。排列隸屬于它的各個元素，判斷并確定下層元素的相對重要性。aij的值近似等于元素i的權值除以Wi和元素j的權值Wj，代表第i個因素對第j個元素的相對重要性的估計值。判斷矩陣為：

在AHP中使用兩兩比較的方法判斷重要性的估計值，1-9的比例標度意義如表1所示。

2.4 層次單排序及一致性檢驗

2.4.1 層次單排序

單層次排序是在準則Ck下，對元素A1，A2…An的單排序計算，步驟如下：

（1）求矩陣A的最大特征值？姿max;

（2）利用AW=？姿maxW，求解特征向量W;

（3）將W歸一化后即為所求。

2.4.2 一致性檢驗

完成層次單排序后，還需對矩陣進行檢驗，看權重值是否合理，檢查方法是計算一致性指標CI=（？姿max-n）/（n-1）。為判斷矩陣是否具有滿意的一致性，還需要判斷矩陣的平均隨機一致性指標RI，對于1～10判斷矩陣，RI值見表2。

當CR=<0.10時，認為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需要調整判斷矩陣，重新分配權重，使之具有滿意的一致性。

2.5 層次總排序及一致性檢驗

2.5.1 層次總排序

利用同一層中所有層次單排序的結果，可計算總排序。

若上一層所有元素A1，A2…Am的總排序完成，權值分別是a1，a2...am，與Ai相應的本層元素B1，B2…Bn單排序結果為b（i=1，2...m），若Bj與Ai無聯系時。

2.5.2 一致性檢驗

為評價層次總排序計算結果的一致性，也需計算與層次單排序相類似的檢驗量，即：

CI：層次總排序一致性指標;RI：層次總排序隨機一致性指標。

其計算公式為：

CIi為與Ai相對應的B層次中判斷矩陣的一致性指標。RIi為與Ai相對應的B層次中判斷矩陣的隨機一致性指標。并取CR=，當CR？燮0.10時，認為層次總排序的結果具有滿意的一致性。

2.6 建立模型

（1）建立層次結構模型（圖1）

（2）層次排序及檢驗

賦予第一層權重1、4、5，求得W=（0.6651，0.2311，0.1038）T，檢驗λ=3.0871，CI=0.0436，CR=0.0751合理;賦予第二層C1對應的權重為1、1/5，求得W=（0.1667，0.8333）T，C2對應的權重為1、1/4，求得W=（0.2，0.8）T，C3對應的權重為1、3，求得W=（0.75，0.25）T，該層檢驗均為λ=2， CI=0，CR=0合理;第三層D1只對應了一個元素，所以權重是1，W=1，賦予D2對應的權重為1、1/4、1/5，求得W=（0.0964，0.2842，0.6194）T，檢驗求得λ=3.0866，CI=0.0433，CR=0.0747合理，D3對應的權重為1、1/7，求得W=（0.125，0.875）T，檢驗λ=2，CI=0，CR=0合理。對D層總排序得到W=（0.1571，0.8170，0.0260）T，檢驗CI=0， RI=0，CR=0合理;對P層總排序得到W=（0.2390，0.2322，0.5288）T，檢驗CI=0.0354， RI=0.4739， CR=0.0747合理。

檢驗結果認為模型建立完整，權重合理，并且說明管制員在下達指令時，23.9%的可能是調整速度，23.22%的可能是調整高度，52.88%的可能是雷達引導改變航向。

3 算例分析

本文選取北京首都機場某天連續一小時，UTC0：00-1：00（北京時間8：00-9：00）落地的進場數據，統計每兩分鐘的速度與高度，統計變化率，觀察出管制員下達調整速度與高度指令的次數。以其中一架飛機為例見表3。

經統計，這一小時航班中，SC4651調速2次，調高度3次;O36914調速3次，調高度2次;CA1606調速2次，調高度4次;SC4851調速3次，調高度3次;CA1102調速4次，調高度4次;CA822調速1次，調高度2次;CZ6125調速3次，調高度3次;CA1707調速3次，調高度3次。

將實際航跡圖與RNAV進場圖比較，航空器進場后與管制員聯系一次，建立航向道后向管制員報告一次，加上除RNAV外的轉彎次數即為得出管制員下達雷達引導指令的次數（圖2）。

引言

近年來我國民航事業迅速發展，空域流量越來越大，管制員的壓力也越來越大，在壓力下如何保持判斷準確指揮迅速是管制員面對的難題。目前來說管制工作仍屬于在一定規則下的主觀活動，不同地區的管制員會根據地形等因素，形成較為固定的指揮風格，研究管制員之間不同的指揮風格，即技術特征，有助于了解管制員在不同情況下做出的決策。

目前對管制員的研究多集中在疲勞、工作負荷等方面。Isabelle在分析了管制員輪班制度、工作時間和工作負荷后，提出了相對應的緩解策略[1]。Oransanu等學者在管制員工作時間對建立疲勞風險管理系統模型的方法和要求做出了討論[2]。鄧娟列舉了因管制員疲勞和厭倦而產生的影響飛行安全的實例，同時提出有效的預防措施[3]。孫濤和陳宇結合我國國情，借鑒國外對空管人員疲勞研究的文獻和數據，分析了疲勞的因素并提出預防措施[4]。國內外學者對技術特征尚未進行研究，也尚未有明確定義，本文對管制員的技術特征嘗試定義，以進近區域為研究范圍，并利用模型更加完善地論述。

1 管制員技術特征定義

1.1 不同席位的要求

管制員的席位總體來說可以分為區域、進近和塔臺，不同的席位對管制員的要求也不一樣，具體如下：

（1）區域管制員

主要工作是指揮飛機在航路上直線飛行，保證航空器之間的間隔，和進近管制員移交時保證航空器在規定的高度層。區域管制員需要對航空器速度進行調控，在航空器需要變換高度時保持一定的上升率和下降率。

（2）進近管制員

主要工作是安排路線，接到區域移交的進場航空器后，要盡快完成航空器的排序，在保證進場航空器之間的間隔的同時，還要調整路線和離場航空器保持足夠的安全間隔，以便航空器可以安全有序地進場并移交給塔臺。進近管制員需要時刻掌握航空器之間位置的變化，最重要的是完成對進場航空器的排序。

（3）塔臺管制員

主要工作是對進離場飛機發放許可，同時引導航空器滑行，了解與本場有關的全國當前的流控狀態。

1.2 航行三要素

在實際工作中，管制員是按照一定的行為準則來完成工作的，而管制員的工作就是對航行三要素的應用，航行三要素分為：高度、速度和航向。

（1）高度。高度是反映航空器飛行動態的重要指標，是管制員工作中觀察、分析的重要對象，是管制員進行決策和實施指揮的關鍵參數，為航空器配備不同的合理的高度層、建立垂直間隔，是管制員必須具備的技能。明確高度調整的目的，掌握高度調整的方法是培養這項技能的前提。

（2）速度。航空器的速度是飛行過程中表示其運動特征的重要指標，也是關系飛行安全和效率的關鍵要素之一。在飛行過程中，航空器采用不同的速度將表現出不同的操作性能，掌握航空器速度的特征。使用方法和時機，是管制員高效、優質地實施管制服務的前提和保障。

（3）航向表明了航空器飛行的方向，是航空器飛行中的重要參數，也是管制員指揮時的重要指標，它對航空器安全、有序的運行起著重要的作用。雷達引導是監視服務中的關鍵技術之一，它充分體現了監視服務相比程序管制的優勢所在[5]。

1.3 定義

根據前文所述，可以將管制員的技術特征定義如下：

管制員的技術特征是管制員在指揮航空器的過程中，在保證安全間隔的前提下，對于高度、速度、雷達引導航向的組合使用，以及使用過程中對航行三要素優先順序的排列和對間隔的使用。不同的管制員有不同的指揮風格和指揮策略，由此可區分出不同的技術特征。

2 層次分析法

2.1 算法概述

層次分析法（Analytic Hierarchy Process， AHP）是由美國著名運籌學家，匹茲堡大學教授T.L.Saaty在20世紀70年代中期提出。AHP方法是一種多準則預測方法，它把一個復雜的問題表示為有序的遞階層次結構，通過兩兩比較和計算，對預測方案的優劣進行排序，它具有實用性、系統性和簡捷性等優點。使用AHP方法建模分為四個步驟：建立遞階層次結構模型;構造判斷矩陣;層次單排序及一致性檢驗;層次總排序及一致性檢驗。

2.2 建立遞階層次結構模型

首先把實際問題分解為若干因素，然后按屬性的不同把這些因素分成若干組，劃分遞階層次結構，一般的結構模型分為三層，分別是目標層、準則層和方案層，對于較復雜的模型，可以在準則層下邊增加一層子準則層，以便更好地分析問題。

2.3 構造判斷矩陣

判斷矩陣中的第一個元素，是位于左上角的元素，它是一個具有向下隸屬關系的元素。排列隸屬于它的各個元素，判斷并確定下層元素的相對重要性。aij的值近似等于元素i的權值除以Wi和元素j的權值Wj，代表第i個因素對第j個元素的相對重要性的估計值。判斷矩陣為：

在AHP中使用兩兩比較的方法判斷重要性的估計值，1-9的比例標度意義如表1所示。

2.4 層次單排序及一致性檢驗

2.4.1 層次單排序

單層次排序是在準則Ck下，對元素A1，A2…An的單排序計算，步驟如下：

（1）求矩陣A的最大特征值？姿max;

（2）利用AW=？姿maxW，求解特征向量W;

（3）將W歸一化后即為所求。

2.4.2 一致性檢驗

完成層次單排序后，還需對矩陣進行檢驗，看權重值是否合理，檢查方法是計算一致性指標CI=（？姿max-n）/（n-1）。為判斷矩陣是否具有滿意的一致性，還需要判斷矩陣的平均隨機一致性指標RI，對于1～10判斷矩陣，RI值見表2。

2.5 層次總排序及一致性檢驗

2.5.1 層次總排序

利用同一層中所有層次單排序的結果，可計算總排序。

2.5.2 一致性檢驗

為評價層次總排序計算結果的一致性，也需計算與層次單排序相類似的檢驗量，即：

CI：層次總排序一致性指標;RI：層次總排序隨機一致性指標。

其計算公式為：? ? ? ? ? ? ;

2.6 建立模型

（1）建立層次結構模型（圖1）

（2）層次排序及檢驗

賦予第一層權重1、4、5，求得W=（0.6651，0.2311，0.1038）T，檢驗λ=3.0871，CI=0.0436，CR=0.0751合理;賦予第二層C1對應的權重為1、1/5，求得W=（0.1667，0.8333）T，C2對應的權重為1、1/4，求得W=（0.2，0.8）T，C3對應的權重為1、3，求得W=（0.75，0.25）T，該層檢驗均為λ=2， CI=0，CR=0合理;第三層D1只對應了一個元素，所以權重是1，W=1，賦予D2對應的權重為1、1/4、1/5，求得W=（0.0964，0.2842，0.6194）T，檢驗求得λ=3.0866，CI=0.0433，CR=0.0747合理，D3對應的權重為1、1/7，求得W=（0.125，0.875）T，檢驗λ=2，CI=0，CR=0合理。對D層總排序得到W=（0.1571，0.8170，0.0260）T，檢驗CI=0， RI=0，CR=0合理;對P層總排序得到W=（0.2390，0.2322，0.5288）T，檢驗CI=0.0354， RI=0.4739， CR=0.0747合理。

檢驗結果認為模型建立完整，權重合理，并且說明管制員在下達指令時，23.9%的可能是調整速度，23.22%的可能是調整高度，52.88%的可能是雷達引導改變航向。

3 算例分析

本文選取北京首都機場某天連續一小時，UTC0：00-1：00（北京時間8：00-9：00）落地的進場數據，統計每兩分鐘的速度與高度，統計變化率，觀察出管制員下達調整速度與高度指令的次數。以其中一架飛機為例見表3。

經統計，這一小時航班中，SC4651調速2次，調高度3次;O36914調速3次，調高度2次;CA1606調速2次，調高度4次;SC4851調速3次，調高度3次;CA1102調速4次，調高度4次;CA822調速1次，調高度2次;CZ6125調速3次，調高度3次;CA1707調速3次，調高度3次。

將實際航跡圖與RNAV進場圖比較，航空器進場后與管制員聯系一次，建立航向道后向管制員報告一次，加上除RNAV外的轉彎次數即為得出管制員下達雷達引導指令的次數（圖2）。