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[摘 要]近年来我国民航运输的持续高速发展，不仅极大地激活了航空需求，也导致飞行流量的迅猛增长。另一方面，我国现有的基于空域结构、网络布局、通导设施等构建的流量管理系统已不堪重负。通过增开管制扇区，将空中交通适当分配给多名管制员负责，并加强扇区间的协调配合，可有效减轻管制员工作负担、提高飞行安全。在研究管制员工作负荷的统计方法和描述空域拓扑结构的数学模型的基础上，利用基于自然法则的模拟退火随机优化算法对扇区最优化问题进行求解。并通过对广州管制区的扇区最优划分实例分析，验证了扇区优化数学理论正确性和使用该算法达到预期的效果。
[关键词]优化、扇区、空管管制。
中图分类号：TU133.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）07-0399-01
引言
自新中国成立以来，中国的民航事业持续发展，尤其在改革开放后的这二十多年来，其发展势头更是迅猛。如何有效利用空域资源成为空域规划部门日益面临的紧迫问题。作为空中交通管理系统的核心技术之一的空域扇区规划技术，是解决空域资源有效配置的一项专门技术。空域管理部分通常将空域划分为若干个扇区，每个扇区设立一个管制席位和一个协调监控席，进行空中交通的指挥和协调工作。空域扇区规划是空域资源管理中最为重要的内容之一，所谓空域扇区规划主要是指根据空域用户提出的飞行需求，组织空中交通管理部门将空域划分为若干个扇区，分别提供空中交通管制服务，以保障用户飞行安全和通畅。终端区扇区划分的目标是在基于当前空域现状的基础上，根据管制员所能 承受的工作负荷，合理均分各扇区的管制负荷，来提高整个终端区的容量。因此，如何量化管制员工作负荷以及考虑负荷在整个空域的分布模型的合理性，直接影响扇区划分的合理性。
一、國内研究现状
国内对于空域扇区规划的研究起步比较晚，并且主要集中在终端区的静态扇区规划方面。应对扇区容量与管制员工作负荷的关系进行研究。提出基于管制员工作负荷扇区划分的优化方法。通过建立约束规划模型，利用基于顶点收获的变量求解方法对扇区进行动态规划。建立基于管制员工作负荷的动态扇区规划模型。利用组合算法进行动态扇区规划，组合算法的思想是迭代方式将工作负荷最大扇区和工作负荷最小扇区进行组合。对动态空域管理的安全性问题进行研究，指出动态空域规划为应对未来的交通流量增长提供了一个可行的解决方案，但也凸显出了一些安全问题，主要体现在管制员适应动态变化的空域结构和复杂的交通形势上引发的安全隐患。
二、扇区优化设计的理论基础
用计算机实现对管制空域进行扇区优化划分，首先要建立管制空域结构的拓扑描述和对应的工作负荷计算模型，这是利用计算机解决此类问题所必须的数学基础。
1、 管制空域结构的拓扑描述
管制空域结构是由大量导航台、位置报告台等组成的航路点。以及连接航路点而形成的航路或航线所组成，这些航路点的名称代码、经纬度、以及航线的代码、航线途径各航路点的代码等信息，都可以从空域结构数据库中获得。要用计算机对指定管制空域进行扇区优化划分工作，可以利用空域结构数据库中的信息，建立指定管制空域结构的拓扑图。
2、 管制员的管制工作负荷统计
管制员的管制工作主要通过观察雷达屏幕和填写进程单监控管制区域内飞机的飞行动态，利用无线电对讲机向飞行员发布指令并掌握飞机的状况和确认飞行员复述指令的正确性，以及与相邻管制单位的协调工作等。根据英国运筹与分析理事会提出的DORA TA SK 方法， 可以将管制员的工作时间分为看得见部分用时、看不见部分用时和恢复时间。所谓看得见部分是指管制员进行常规管制工作，解决冲突的通信，以及填写进程单等能够被观察员记录和记时的工作；而看不见的工作是指管制员监控雷达屏幕，对照进程单，大脑指定指挥预案等工作所用时间，这部分工作很难进行记录和记时。恢复时间对扇区的安全运行极为重要。虽然后两项时间很难统计，但一定的管制通信时间通常伴随着一定的填写进程单时间，同时也伴随着一定的看不见部分时间和恢复时间，就大致可以确定该管制员的工作负荷。依照以上的思想，可以通过统计雷达，语音记录仪记录的历史数据或对实际管制工作进行记时和统计。
3、工作负荷计算的数学模型
要计算管制员的工作负荷，就必须首先确定每个航班的计划飞行剖面与航段之间的关系。每个航班在飞行前一天都要向管制部门报送该航班的飞行计划报。飞行计划报中包括飞机的呼号、起终点、途径主要航路点代码、预计起飞和到达时间等信息。管制部门通过解报后获取有用的信息，形成飞行计划数据库，作为管制员实施管制工作的依据。不同管制单位根据需要从飞行计划数据库中提取不同的信息。
三、扇区优化设计的数学模型
按照英国运筹与分析理事会的研究结果表明，管制区容量在很大程度上受到管制员的工作负荷的制约，如果管制员的工作负荷超过他们所能承受的范围，将对空域的飞行安全产生影响；研究结果还指出一个管制员的有效工作负荷的时间不应该超过总时间的80%。如果工作负荷超过该标准时，就需要将该管制区划分为多个扇区，以满足空域飞行流量的需求和空域飞行安全性的要求。显然，要使空域在扇区数量一定的前提下，获得最大的空域容量和最好的安全性，就必须在满足扇区设计原则的同时，尽量使所有扇区的工作负荷相对均衡。为实现这个目标，可以采用优化设计的思想由计算机进行扇区划分。
结束语
目前我国的空域容量已经不能很好地满足民航运输发展的需要，空域的实际容量主要受限于管制员的业务素质和承受能力。为了提高空域的实际容量，一种方法就是扇区重新划设，另一种方法就是给管制员提供决策辅助工具，从而降低管制员的工作负荷。提供科学合理的扇区划设方案，实现管制员工作任务的合理分配，从而增加空域容量，提高空域利用率，已经成为空管部门面临的紧迫问题。 目前的扇区划设方案主要有静态的和动态的两种，静态的方案不能随流量变化适时划设，动态的可以随着流量的变化实时统计管制员工作负荷并作为依据进行扇区划设，具有很强的现实意义。迄今为止对于静态划设方案的研究比较多，动态划设方案研究起步较晚。为了更为科学地评价管制员工作负荷，规划设计空域结构，本文提出了一种基于管制员工作负荷进行扇区设计的方法，并通过计算机程序设计，实现了管制扇区的优化划分。通过算例的试算和分析工作，验证了本文所用数学模型的正确性，优化设计出的扇区机构也较为理想。
参考文献
[1] 何光勤，朱代武 日视和仪表飞行程序设计{R}广汉：中国民用航空飞行学院，1993.
[2] 徐贵生 空中交通管制学讲义{R}天津：中民民用航空飞行器学院，1993
[3] 韩松臣，胡明华，扇区容量与管制员工作负荷的关系研究{J}空中交通管理，2000，17（6）：42—45.
[关键词]优化、扇区、空管管制。
中图分类号：TU133.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）07-0399-01
引言
自新中国成立以来，中国的民航事业持续发展，尤其在改革开放后的这二十多年来，其发展势头更是迅猛。如何有效利用空域资源成为空域规划部门日益面临的紧迫问题。作为空中交通管理系统的核心技术之一的空域扇区规划技术，是解决空域资源有效配置的一项专门技术。空域管理部分通常将空域划分为若干个扇区，每个扇区设立一个管制席位和一个协调监控席，进行空中交通的指挥和协调工作。空域扇区规划是空域资源管理中最为重要的内容之一，所谓空域扇区规划主要是指根据空域用户提出的飞行需求，组织空中交通管理部门将空域划分为若干个扇区，分别提供空中交通管制服务，以保障用户飞行安全和通畅。终端区扇区划分的目标是在基于当前空域现状的基础上，根据管制员所能 承受的工作负荷，合理均分各扇区的管制负荷，来提高整个终端区的容量。因此，如何量化管制员工作负荷以及考虑负荷在整个空域的分布模型的合理性，直接影响扇区划分的合理性。
一、國内研究现状
国内对于空域扇区规划的研究起步比较晚，并且主要集中在终端区的静态扇区规划方面。应对扇区容量与管制员工作负荷的关系进行研究。提出基于管制员工作负荷扇区划分的优化方法。通过建立约束规划模型，利用基于顶点收获的变量求解方法对扇区进行动态规划。建立基于管制员工作负荷的动态扇区规划模型。利用组合算法进行动态扇区规划，组合算法的思想是迭代方式将工作负荷最大扇区和工作负荷最小扇区进行组合。对动态空域管理的安全性问题进行研究，指出动态空域规划为应对未来的交通流量增长提供了一个可行的解决方案，但也凸显出了一些安全问题，主要体现在管制员适应动态变化的空域结构和复杂的交通形势上引发的安全隐患。
二、扇区优化设计的理论基础
用计算机实现对管制空域进行扇区优化划分，首先要建立管制空域结构的拓扑描述和对应的工作负荷计算模型，这是利用计算机解决此类问题所必须的数学基础。
1、 管制空域结构的拓扑描述
管制空域结构是由大量导航台、位置报告台等组成的航路点。以及连接航路点而形成的航路或航线所组成，这些航路点的名称代码、经纬度、以及航线的代码、航线途径各航路点的代码等信息，都可以从空域结构数据库中获得。要用计算机对指定管制空域进行扇区优化划分工作，可以利用空域结构数据库中的信息，建立指定管制空域结构的拓扑图。
2、 管制员的管制工作负荷统计
管制员的管制工作主要通过观察雷达屏幕和填写进程单监控管制区域内飞机的飞行动态，利用无线电对讲机向飞行员发布指令并掌握飞机的状况和确认飞行员复述指令的正确性，以及与相邻管制单位的协调工作等。根据英国运筹与分析理事会提出的DORA TA SK 方法， 可以将管制员的工作时间分为看得见部分用时、看不见部分用时和恢复时间。所谓看得见部分是指管制员进行常规管制工作，解决冲突的通信，以及填写进程单等能够被观察员记录和记时的工作；而看不见的工作是指管制员监控雷达屏幕，对照进程单，大脑指定指挥预案等工作所用时间，这部分工作很难进行记录和记时。恢复时间对扇区的安全运行极为重要。虽然后两项时间很难统计，但一定的管制通信时间通常伴随着一定的填写进程单时间，同时也伴随着一定的看不见部分时间和恢复时间，就大致可以确定该管制员的工作负荷。依照以上的思想，可以通过统计雷达，语音记录仪记录的历史数据或对实际管制工作进行记时和统计。
3、工作负荷计算的数学模型
要计算管制员的工作负荷，就必须首先确定每个航班的计划飞行剖面与航段之间的关系。每个航班在飞行前一天都要向管制部门报送该航班的飞行计划报。飞行计划报中包括飞机的呼号、起终点、途径主要航路点代码、预计起飞和到达时间等信息。管制部门通过解报后获取有用的信息，形成飞行计划数据库，作为管制员实施管制工作的依据。不同管制单位根据需要从飞行计划数据库中提取不同的信息。
三、扇区优化设计的数学模型
按照英国运筹与分析理事会的研究结果表明，管制区容量在很大程度上受到管制员的工作负荷的制约，如果管制员的工作负荷超过他们所能承受的范围，将对空域的飞行安全产生影响；研究结果还指出一个管制员的有效工作负荷的时间不应该超过总时间的80%。如果工作负荷超过该标准时，就需要将该管制区划分为多个扇区，以满足空域飞行流量的需求和空域飞行安全性的要求。显然，要使空域在扇区数量一定的前提下，获得最大的空域容量和最好的安全性，就必须在满足扇区设计原则的同时，尽量使所有扇区的工作负荷相对均衡。为实现这个目标，可以采用优化设计的思想由计算机进行扇区划分。
结束语
目前我国的空域容量已经不能很好地满足民航运输发展的需要，空域的实际容量主要受限于管制员的业务素质和承受能力。为了提高空域的实际容量，一种方法就是扇区重新划设，另一种方法就是给管制员提供决策辅助工具，从而降低管制员的工作负荷。提供科学合理的扇区划设方案，实现管制员工作任务的合理分配，从而增加空域容量，提高空域利用率，已经成为空管部门面临的紧迫问题。 目前的扇区划设方案主要有静态的和动态的两种，静态的方案不能随流量变化适时划设，动态的可以随着流量的变化实时统计管制员工作负荷并作为依据进行扇区划设，具有很强的现实意义。迄今为止对于静态划设方案的研究比较多，动态划设方案研究起步较晚。为了更为科学地评价管制员工作负荷，规划设计空域结构，本文提出了一种基于管制员工作负荷进行扇区设计的方法，并通过计算机程序设计，实现了管制扇区的优化划分。通过算例的试算和分析工作，验证了本文所用数学模型的正确性，优化设计出的扇区机构也较为理想。
参考文献
[1] 何光勤，朱代武 日视和仪表飞行程序设计{R}广汉：中国民用航空飞行学院，1993.
[2] 徐贵生 空中交通管制学讲义{R}天津：中民民用航空飞行器学院，1993
[3] 韩松臣，胡明华，扇区容量与管制员工作负荷的关系研究{J}空中交通管理，2000，17（6）：42—45.