基于管制語音負荷的空域容量評估方法研究

摘" 要：為充分提高我國空域運行安全，該文創新性地提出一種基于管制員語音的空域容量評估方法。空域容量評估是安全、高效實施空中交通流量管理的關鍵，而我國在該方面研究尚處于起步階段。管制員的工作負荷是影響當前空中交通管制工作流暢性、穩定性的主要因素，該文以管制員語音負荷及相關算法為研究基礎，綜合采用MATLAB、SPSS等軟件等進行綜合分析，利用相關算法提取管制員語音負荷大小。在應用測試中，該研究利用甚高頻電臺錄用天津管制陸空通話，并綜合利用以上軟件及算法求出管制語音負荷，并采用邏輯統計算法求出對應的航空器數量，進行同步擬合，得出相對應的函數管制，根據國際民航組織（ICAO）《空中交通服務計劃手冊》（Doc 9426號文件）中的規定進行容量評估。該研究可有效提升空域容量，加強空中交通綜合治理，具有較強的經濟價值與社會價值。

關鍵詞：管制語音；管制負荷；空域容量；空域安全；管制員工作負荷

中圖分類號：V355" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）13-0023-04

Abstract： In order to improve the safe operation of airspace， the paper proposes a method of airspace capacity evaluation based on controller voice. Airspace capacity evaluation is key for the safe and efficient implementation of air traffic flow management. While our country is still in its infancy in this field. The controller's workload is a major factor affecting the fluency and stability of current ATC work. Based on the controller's voice load and related algorithms， this paper uses MATLAB， SPSS and other software for comprehensive analysis， and extracts the controller's voice load by using the related algorithms. In the application test， this study employed the land and air call of Tianjin Control by VHF radio station， comprehensively used the above software and algorithm to calculate the control voice load， and used the logical statistical algorithm to calculate the corresponding aircraft number， carried out synchronous fitting， obtained the corresponding function control， and conducted capacity assessment according to the regulations in the International Civil Aviation Organization （ICAO） document No. 9426. This study can effectively improve the airspace capacity and strengthen the integrated management of air traffic， which has strong economic and social value.

Keywords： controller voice; controller load; airspace capacity; airspace safety; controller workload

隨著國家經濟的不斷增長，民航業蓬勃發展，航班量的增長趨勢也越來越快。根據《2018年民航行業發展統計公報》，到2018年，全行業完成旅客運輸量61 173萬人次。隨著旅客吞吐量和總架次的增加，我國空中交通系統面臨著越來越嚴重的擁堵，并因此引起大量的航班延誤和機場設施過載等問題。

安全，無論在何種行業與何種情況下都是第一要務，同時也是人們最為關注的問題之一，在民航業尤為如此，安全在現在和未來都會是第一面要高舉的旗幟。無論是發生在1977年的民航史上傷亡人數最多的特內里費空難，還是2016年10月11日發生在上海虹橋機場的跑道入侵事件，以及一線無數的事故差錯等，都為民航人敲響了警鐘。這幾個事件，不僅僅是因為發生了或者可能發生十分重大的人員傷亡事件而震驚了世人，同時也是因為其都是與管制員息息相關的事件。雖然通過人為因素可以知道，事故的發生不是特定的某一件事情導致的，而是像奶酪上的洞一樣，一層一層地被串聯起來，其中某一環節的缺失可能都會使事故不發生，但是管制員的確在上述2個事件中扮演了非常重要的角色，并且在這2個事件中，管制員的疲勞都是導致管制員這一環節失效的重要原因。

隨著航空器制造業的進步，智能化技術的不斷發展，在航空事故中，由于人為因素所導致的航空事故不斷攀升。人與機器和計算機程序不一樣，不能無差錯地重復提前設置好的指令，人會疲勞、會受外界不同因素的影響，因此人是管制系統中最不穩定的因素。因此，為了能夠將航空器運行持續朝著安全的方向有效推進，需要對管制員的工作負荷進行有效的評估，并評估每一個管制員的最佳值班空域容量，從而對一定時間內扇區的航空器數量進行有效的控制，從而可以有效地確認航空器運行過程中的持續安全管理。顯而易見的是，空管是確保空中交通安全、有序運行十分重要的一環。在空中交通管制工作中，管制部門是執行空中交通管制業務的最基本單位，而其中管制員又是最為核心的一環，因此如何確保在多大流量條件下管制員不會長時間超負荷運行就是十分重要的工作。

1" 研究內容

管制員日常工作的主要手段就是陸空通話，管制員的日常工作很大一部分就是發指令，因此對管制語音信號進行分析可以較好反映管制員的工作負荷。

本文對語音信號的分析主要通過MATLAB編程實現。首先要將錄制的語音信號進行讀取，轉化為計算機可以識別和處理的數字信號，再通過調用Voicebox工具箱中的分幀、端點檢測等函數，得到管制員通話語音中的各類參數。本文選擇使用SPSS（Statistical Product and Service Solution，統計產品與服務解決方案）軟件進行數據的有關處理，目的是找到各個參數之間的函數關系，最終達到用管制陸空通話語音衡量管制員工作負荷大小的目的，可有效地實現管制負荷的評估，解決空域安全容量評估等問題。

2" 研究意義

本課題的研究具有深遠的意義，主要分為以下幾個方面。管制部門是保證民航安全高效運行的基礎。客觀、科學和準確的扇區容量評估，既有利于確保在今后流量、密度都快速增長的空域環境下管制工作的安全，又能夠有效地減少延誤的發生，提高運行效率。隨著空域規劃的越發科學化，各種協同科學決策的計算機軟件的出現，使得原先硬件方面缺失所帶來的差錯、不安全事件等越來越少。人，成為了管制中確保安全最重要的一環，不僅掌握著空中交通的安全，管制員們所能承受的負荷也決定著扇區內的容量大小。因此，扇區容量往往是根據管制員工作負荷的大小來評估的，抑或者管制負荷是評估中的一項重要指標。空域容量是指該空域單位時間內所能承受的最多的航空器架次，因此，當管制員的負荷值快要達到飽和時，單位時間內的航空器就是該扇區的容量。此值可以作為一個臨界警告值，因為如果人在較長時間內處于高壓狀態的話，對身心會造成較大傷害，影響生活幸福。而同時管制員的心理狀態與航空安全也有極大相關，對管制扇區的容量也會有很大影響。因此，根據管制員的工作負荷對該空域的容量作出科學合理的評估，根據評估結果合理安排航班量，可以有效地降低管制員的工作壓力，有利于保障民航安全及提高運行效率。

綜上所述，本文將基于管制員工作負荷，進行空域容量評估，促進管制扇區更合理運行。

3" 基于管制語音負荷的空域容量評估

進行管制語音負荷評估的目的在于實現容流匹配，本文所采用的方法是基于上文所給出的評估管制員語音負荷的方法，進行負荷評估，得到工作負荷。進一步根據中國民航局有關標準，進行容量的有效評估。中國民航局有關標準規定：管制員的平均工作負荷不得超過工作負荷峰值的80%，并且工作負荷超過最大值的90%的時間不得超過總工作時間的2.5%。根據此標準可以進行判斷，當管制員的負荷值達到峰值的80%時，此時扇區內的航班量即為該扇區的容量。如何得知負荷80%時的航班量呢？此時就需要用到下述方法。

3.1" 最小二乘法回歸分析

本文將采用最小二乘法回歸分析擬合管制員與航空器數量的管制函數，具體將管制員負荷與航空器的數量進行擬合，得到回歸函數及相關因素的關系。

最小二乘法又稱為最小平方法，是指將通過實驗測得的多組數據，畫成散點圖的形式，發現這些點近似地分布在一條直線或曲線附近，找出使圖線上的各點與對應的各點之間誤差最小的方法。以一元一次函數為例，假設散點坐標為（xi，yi）（i=1，2...，n），擬合的近似直線為y=ax+b，那么直線上的點與對應的散點的誤差可表示為式（1）

。" " " "（1）

但是這種直接將誤差相加的方法，由于差值可正可負，所以存在相互抵消的可能性，使最終得出的結果顯示誤差并不大，所以為了防止這種情況的發生，最小二乘法選擇了將誤差的平方相加，如式（2）。所以最小二乘法的最終原理就是求出

，（2）

式中：a、b使F（a，b）最小，即函數F分別對a、b求偏導，令偏導等于零，得到方程組可求出a、b，得出的該條擬合函數就是最接近散點圖的直線，得到最小二乘法擬合的函數。

3.2" 基于語音負荷的空域容量評估

當前對于空域容量評估的方法主要包括基于仿真的空域容量評估和基于管制員負荷的空域容量評估。其中，基于仿真的空域容量評估是針對空域的結構、航路航線的設置和管制間隔的規定等評估出空域內單位時間可以同時運行的航空器架次最大值，但這樣的評估方法只單一地考慮了客觀原因對空域容量的影響，得出的結果通常比實際運行可以接受的最大值要大。或許在未來實現自動化管制的背景下，如此的評估方式會有一定參考價值，但就目前來說，管制員仍是限制空域容量的主要因素。因此，更為合理的空域容量評估方式是基于管制員工作負荷。具體流程如圖1所示。

基于管制語音負荷的空域容量評估研究過程如下。

1）使用軟件可以計算出不同時間段下管制員的實際工作負荷，以幫助更準確地評估管制員的工作情況。

2）利用SPSS軟件統計對應時間片段下的航空器架次。

3）根據前2個步驟的結果，利用軟件做出管制負荷與航空器架次的關系圖，直觀得到管制負荷與航空器架次的關系。

4）通過MATLAB進行函數擬合，得到管制語音負荷與航空器架次之間的對應函數關系。

5）由于目前管制員在行使管制職能時大多使用雷達管制，管制員工作中的通話數量相比程序管制時期的通話數量有所減少，因此當平均工作負荷達到峰值的70%時對應的航空器架次即是空域容量。

3.3" 實例分析

本文將采用上文所描述的流程進行數據處理，首先采集華北地區某管制單位的語音數據，并進一步運用SPSS軟件對語音特征參數實例分析，計算管制員在某一時間段內的管制員語音負荷，并進行航班架次的同步統計，得到飛機架次與語音負荷的擬合函數，具體對應關系見表1。

根據表1作出散點圖，結果如圖2所示。

大致判斷散點對應的函數次方數，近似于一元二次方程，利用MATLAB的polyfit函數對散點圖進行回歸分析，得到各系數，由此得到擬合結果

Wyuyin=-7 524.8N2+118 620N+342 630，" " （3）

式中：N為航空器架次。

擬合函數與散點圖結合如圖3所示。

當扇區達到最大容量時，管制員的工作負荷必須低于負荷峰值的80%，在實施雷達管制時，當管制員的平均工作負荷達到70%時，該扇區已經達到了其對應的空域容量值，但由于本文選取的是塔臺席通話錄音，因此仍以峰值的80%進行計算，即工作負荷達到峰值的80%時，此時航空器的流量N為扇區的容量值

80%×Wmax=80%×（-7 524.8N2+118 620N+342 630），（4）

式中：N為航空器架次；Wmax為語音負荷峰值。

根據擬合出的函數特點發現，通過該函數，可以確定管制員負荷的峰值以及對應的航空器數量。根據采集的語音數據，該塔臺管制單位的語音負荷峰值為Wmax，當負荷達到峰值的80%時，需要掌控的航空器數量約為3架。因此，該管制單位塔臺席的合理安排是控制每個10 min的時間片內不超過3架航空器。

為了驗證所得結果的可靠性，統計得到了天津塔臺塔臺席位42個10 min時間片的航空器架次，做出散點圖進行比較，結果如圖4所示。

從圖4可以看到，根據本文語音分析得到的基于管制語音負荷的空域容量值對比實際運行中10 min時間片內的航空器架次偏低，說明單一利用語音負荷進行空域容量評估的方法考慮不全面，若能綜合考慮管制員思考負荷、操作負荷等，并找到與語音負荷之間的關系進行容量評估，結果會更貼近實際。

4" 結束語

對空域容量合理評估可以有效規劃空域、安排航班，在保障管制員工作負荷不過載的情況下，可以有效減少航班延誤率，提高運行效率和安全。查閱文獻資料發現，空域容量的評估大多是從各種技術方法入手，落腳點在管制負荷上，再推導出空域容量。本文以空中交通管制單位實際需求入手，對管制員語音數據進行深度分析，并進行特征數據的有效提取。并且，根據本文的實際意義，利用多軟件平臺聯合運行計算的方式進行數據的處理，最終得到本文所需要的某一管制狀態量下的管制負荷。在空域容量評估與預測部分，采用多函數擬合的方式進行管制員負荷與航空器數量的靈活擬合。根據國際民航組織9426號文件中指出的，達到管制負荷峰值的80%時，對應的航空器架次即為空域容量，結合上一步得到的方程式，可以求出相應負荷值時航空器的架次即空域容量。

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