遠程塔臺中心模塊的部署與優化

董川DONG Chuan；武丁杰WU Ding-jie；劉穎LIU Ying

（中國民用航空飛行學院空中交通管理學院，廣漢618307）

0 引言

小型機場對于確保國家交通的平等連接與可達性至關重要，尤其對于新疆這類人口稀少的大片地區來說更是如此，人口密度與航空服務需求直接相關，因此一些小型機場難以盈利。為了保持小型機場的運轉，航空業需要找到一種成本效益更高的解決方案。如今，大多數設有航空交通服務的機場都由位于機場內的塔臺管制。機場塔臺內的航空交通管制員負責為在機場機動區內的所有交通和在機場起落航線上以及正在進入或脫離機場起落航線飛行的所有航空器提供管制服務，包括空中交通管制服務、飛行情報服務以及告警服務。航空器在機場管制區內的起飛和降落、飛行以及在滑行道上的運動都屬于塔臺管制服務的范圍。管制員監視的主要手段是視覺觀察與語音通話。在塔臺管制中，一次或二次監視雷達（PSR/SSR）和地面活動雷達（SMR）作為監視手段。遠程塔臺的概念，旨在用攝像機和傳感器取代本地塔臺，同時提供相同的服務。

21 世紀，遠程塔臺的運行概念以及技術要求在歐盟發起的歐洲單一天空空中交通管理（Single European Sky ATM Research，SESAR）項目中提出[1]。隨后研究人員對遠程塔臺中心（RTC）的概念進行了各方面研究。M?hlenbrink等人[2]和Papenfuss 等人[3]考慮了新型遠程管制環境中的可用性方面。Wittbrodt 等人[4]強調了無線電通信在遠程機場交通管制中心中的作用。在遠程塔臺中心的安全評估中，Meyer 等人[5]提出了功能風險分析，并指出為模型獲取可靠的概率值的問題。Oehme 和Schulz-Rueckert[6]提出了一種基于傳感器的機場管制解決方案，消除了對能見度條件和塔臺位置的依賴。隨后M?hlenbrink 等人[7]考慮了遠程塔臺中心工作組織的各個方面。作者假設了從一個中心控制兩個機場的幾種方法。通過模擬，他們研究了監視行為如何影響系統設計和行為策略，并就新型工作場所的設計提出了一些想法。Andersson 等人[8]首次考慮將機場交通分配給遠程塔臺模塊，并估計了為瑞典所有29 個運行中的機場提供服務所需遠程塔臺模塊（RTM）數量。國內對于遠程塔臺的研究起步較晚。張建平等人[9]探討了歐洲遠程塔臺運行概念及技術要求以及對于我國遠程塔臺未來發展的啟示。徐國標等人[10]分析了遠程塔臺相關技術，提出了在我國應用的前與展望，并探討了增強現實（AR）技術在塔臺交通管理中的應用。

2020 年5月，我國首個運輸機場遠程塔臺在新疆成功試運行，標志著我國在遠程塔臺技術上取得實質性進展。隨著我國遠程塔臺技術的快速發展，對遠程塔臺的運行模式及方法提出了更高要求。本文將建立遠程塔臺模塊與多個機場流量的關系，將機場流量合理分配到每個遠程塔臺模塊，從而保證機場運行安全并提高機場運行效率。

1 當前空中交通管理系統

現行系統的要點是機場的物理塔臺及位于塔內的一個或多個管制員。機場管制可從機場塔臺上看到及監察機場的機動區域，以確保機場內外的交通安全及有序運行。塔臺管制員負責放行、地面管制、機場進出交通管理和飛行數據處理。在某些情況下，機場管制服務也提供進近管制。同時，機場塔臺必須滿足一些要求，才能管制飛機在機場及其附近區域運行的飛機[11]：

①塔臺必須允許管制員目測他/她所管制的機場部分及其附近區域。

②塔臺必須配備設備，為管制員提供與飛機快速可靠的通信。此外，要求規定，管制員必須能夠區分在相同或不同的跑道和/或滑行道上運行的飛機和車輛。塔需要足夠高，以允許控制器遵守前面提到的要求。

塔臺管制員使用許多手段和系統來提供空中交通服務。其中一些是可選的，如地面活動雷達，但最重要和最有區別性的是窗外視圖。用于提供空中交通服務的其他系統和工具包括空-地通信（如無線電）、飛行計劃和空中交通服務信息處理系統、燈光控制系統（如跑道/滑行道燈）、雙筒望遠鏡、信號光槍等。

2 遠程塔臺概念

遠程塔臺技術，是指為偏遠地區的低流量中小型機場提供的遠程管制服務的一種技術，為單個或多個小型機場從一個遙遠的位置由一個單獨的管制員提供空中交通管制服務，不過遠程塔臺技術也可以作為大型機場的應急系統來實現。

如圖1 所示，遠程塔臺中心（RTC）內可以安裝獨立的管制席位。在圖1 所示的遠程塔臺中心內，還有兩個額外的管制席位：一個負責管制的主任席和一個進近管制席位。進近管制服務可以由遠程塔臺管制模塊提供，因此在較大的遠程塔臺中心，可以合理地將主任席和進近管制席位安裝在不同的位置。

圖1 RTC 示意圖

為了加快機場之間的有效過渡盡，遠程塔臺模塊需要有一個統一的布局。如今，不同的塔臺之間的布局或人機界面是不同的。而遠程塔臺模塊內的統一人機界面布局將無需更改管制員工作位置，或要求管制員在特定機場取得特定人機界面的許可證。

從技術上講，一個模塊可以同時對無限多個機場進行可視化重現。但根據目前為止的理論研究，一個遠程塔臺模塊可以同時處理最多三個機場[12]。模塊中提供給管制員的的窗外視圖是使用攝像機和傳感器實現實際視圖的再現。根據遠程塔臺中心離機場的距離，數據和視頻傳輸會有一些延遲，但這個延遲通常不超過1 秒[13]。每一個機場都安裝有攝像頭，如果其中一個或多個攝像頭顯示了虛假的圖像或顯示了無圖，窗外視圖監視將失效。此時如果機場沒有其他監察設備，有關服務會大幅減少甚至終止。這與在普通機場其他類型的設備故障或當目視飛行規則不能使用時沒有區別，機場將采用應急計劃解決問題。

遠程塔臺中心的最大優點是運營成本低，遠程空中交通服務設施的維護成本降低，能夠長期運行，并降低人員配備和培訓/再培訓成本。遠程塔臺中心的實現還將大大降低對機場塔臺和基礎設施的運營和維護要求，從而進一步節省成本。

3 遠程塔臺模塊分配問題

遠程塔臺分配問題是將機場分配給遠程塔臺模塊，使提供遠程空中交通服務所需的模塊數量最小化。該問題需要考慮機場的運行時間和運行情況，同時根據給定的約束條件找到最佳組合。

3.1 假設和約束

出于本文的目的，遠程塔臺的概念及其所有組件都被認為是可用并且可實現。整個遠程塔臺系統被認為是正常運轉且不會出現技術問題，同時僅根據機場交通密度來決定給哪些機場提供遠程管制服務。

并且為了保證遠程塔臺中心人員操作的安全和效率，有以下約束：

①分配給一個遠程塔臺模塊的最大機場數量的默認值設置為兩個。由專家及一線遠程塔臺管制員得知，當超過三個機場被分配到一個模塊時，可能會出現視覺呈現和視圖之間切換的問題。但是，從理論上講一個遠程塔臺模塊可以控制更多的機場。

②每小時可分配給一個遠程塔臺模塊的最大移動數設置為11。該假設為一個模塊中的一個管制員可以處理的移動總數設置了一個上限，該模塊代表了遠程塔臺管制員的可管理工作負載。這個約束是初步的，進一步的研究將根據管制員工作量的真實情況來約束。

③我們的目標是檢測和避免潛在的沖突情況。因此我們把一個沖突看作是在一個模塊中5 分鐘內安排的三次以上的運動。

④在此模型中，我們假設在考慮的機場中除了預定的航班計劃外沒有其他的移動。

⑤我們研究遠程塔臺管制中心中單個管制員的工作，僅考慮遠程塔臺模塊中管制員理想化工作狀態，不考慮其他可能會占用管制員注意力的事件。

在實際運行中輸入的數據會與約束2 相沖突，為了建模的目的我們將沖突的移動數優化為11。

3.2 建立模型

模型利用混合整數規劃（MIP）方法建立，輸入數據為新疆阿克蘇機場、庫爾勒機場、且末機場等五個小型機場一天的機場數據，包括機場的開放時間以及計劃到達和離開的航班等。我們用某段時間內發生的移動次數來量化交通總量。在考慮實際管制約束條件下，輸出將機場流量以最優方式分配給遠程塔臺模塊。同時通過用各時段內航班移動次數來量化總交通量。

3.3 符號

A=機場集合；

Amovj，k=K 時段在機場j 的移動次數；

dl，m，k=k 時段模塊m 與模塊l 工作負荷之間的差異；

MA=每個遠程塔式模塊最大機場數量；

Mmov=每時段每個遠程塔式模塊最大移動次數；

movi，j，k=k 時段在機場j 上遠程塔模塊i 處理的移動次數；

Oj，k=如果在k 時段機場j 開放，則等于1，否則為0；

P=時段集合；

p=時段數量；

periodi，j，k=如果在k 時段將機場j 分配給遠程塔式模塊i，則為1，否則為0；

R=遠程塔臺模塊集合；

ADij=如果機場j 分配給RTMi則為1，否則為0；

RTMi，k=如果在k 時段使用遠程塔式模塊i，則為1，否則為0；

switchi，j，k=如果periodi，j，k等于periodi，j，k+1，則為0，否則為1。

3.4 約束條件

對機場數量的限制和每個時段內每個遠程塔臺模塊的航班移動數量限制如下約束所示：

其中式（1）和式（2）分別表示每個時間段內每個模塊的移動總數和每個時間段內分配給每個遠程塔臺模塊的機場數量的限制。式（3）和式（4）確保每個機場在任意時間只分配給一個遠程塔臺模塊。式（5）和式（6）保證在所有時間內處理所有飛行流量。式約束（7）保證覆蓋所有機場的所有開放時間。

3.5 目標函數

3.5.1 最多分配兩個機場給一個RTM

為了確保以最高的效率使用遠程塔臺，減少使用的模塊數量，降低設備、維護和人力資源的成本。希望將給定的機場分配給盡可能少的遠程塔臺模塊：

3.5.2 平衡各模塊之間的工作量

由于需要使各模塊之間的工作量等量分配，以平衡管制人員的調動，保證盡可能公平地分配管制總工作量，引入變量dlmk作為工作負荷的差異。此變量忽略了管制員心理負荷等因素，僅使用飛行動作來衡量管制員工作量。因此，引入以下不等式：

若使管制人員工作負荷差異最小，則有以下目標函數：

3.5.3 最小化機場在RTM 間分配切換

上述模型允許機場在任何時段再分配到其他遠程塔臺模塊，這樣的切換會導致管制員工作環境頻繁變化，從而產生額外的工作負荷。因此，在機場分配到遠程塔臺模塊時要盡可能使再分配的次數最小化。為此，引入變量switchi，j，k，在第k 和k+1 期間，當機場j 對模塊i 分配的值相同時為0，否則為1。另有變量si，j，k，其中si，j，k=periodi，j，k+1-periodi，j，k，并添加等式（11）和（12）來定義switchi，j，k：

目標函數：

4 結果分析

4.1 最多分配兩個機場給一個RTM

圖2 機場數量上限為2 時每個RTM 的機場分配方案

圖3 三個運行模塊之間工作量分配

由于一個管制員在遠程塔臺模塊監視多個機場時會有不同程度的的視覺切換和情景意識切換的問題，導致管制員的工作負荷的增加，因此引入初始假設（約束1），最多將兩個機場同時分配給一個遠程塔臺模塊，使MA=2，結合目標函數（8），結果如圖2、圖3 所示。圖2 表格給出了機場中航班每小時移動次數，藍色單元格對應模塊1，綠色單元格對應模塊2，黃色單元格對應模塊3。圖3 也使用相同的顏色，表示每小時分配給三個模塊的總交通量。

4.2 平衡RTM 間工作負荷

由3.3.1 可知在同一時間段內每個模塊處理的交通量并不均衡，但是在實際工作中管制員之間的工作應當盡可能的均衡分配以提高工作效率。因此利用目標函數（10）與基本模型和附加約束（9）最小化不平衡分配，得到了如圖4 和圖5 所示的分配情況。從圖中我們可以看出各個模塊間的工作量分布較為均衡，在每個時段內三個模塊的工作量相差很小。但是這種均衡的分配是以增加遠程塔臺模塊的數量為代價，例如第15 小時內模塊3 使用的次數增加為兩次，同時交通流在模塊間的分配的切換次數顯然增加。

圖4 工作量最均衡時機場分配到RTM 方案

圖5 三個運行模塊之間工作量分配

4.3 最小化機場在RTM 間分配切換

在實際運行中避免頻繁的切換遠程塔臺模塊會帶來管制任務交接的安全問題并造成復雜的交通問題。因此由目標函數（12）與附加約束（11）我們得到了圖6 和圖7 所示的切換次數最少的解決方案。但是通過這個結果我們可以看出每個機場全天都被分配到同一個模塊，而這樣的分配又使遠程塔臺模塊間的工作負荷失去了平衡。所以在實際運行中應合理考慮各項目標的權重綜合運行。

圖6 在轉換次數最少時機場分配到RTM 方案

圖7 三個運行模塊之間工作量分配

5 結束語

本文對如何將多個機場以最佳方式分配到遠程塔臺模塊進行研究，總結了一種實現機場與遠程塔臺模塊合理分配的模型，并且根據實際運行情況提出了反映安全運行要求的幾個約束條件，以及三個優化目標：使用遠程塔臺模塊運行的數量最小、平衡模塊之間的負荷和最小化模塊切換次數。針對這三個目標，以新疆五個小型機場為例模擬了遠程塔臺運行的三種方案并結合管制員工作量進行分析，為今后我國遠程塔臺技術的“一對多”“多對多”模式的發展提供理論支撐。