基于動態(tài)空域管理的安全性研究

滕英元，高申坤

(沈陽航空航天大學民航與安全工程學院，遼寧 沈陽 110136)

航空運輸業(yè)的快速發(fā)展使空中交通系統(tǒng)面臨越來越嚴重的交通擁堵，空域資源日趨緊張，空域使用與飛行需求間的矛盾日益突出。空中交通管制的主要任務是實現(xiàn)空域使用與需求平衡，確保飛行活動安全高效進行。在當前的管制實踐中，當空域受到惡劣天氣影響或空域內(nèi)交通形勢過于復雜超出管制員的認知能力時，空中交通管理部門為保證航空安全通常采用改航、空中等待、地面延誤等措施來對流量進行控制，確保管制員負荷保持在合理范圍內(nèi)［1］。這樣就會不可避免的造成航班延誤，增加航空公司運營成本。為此，空管界提出了動態(tài)空域管理的概念—通過對空域結構的實時靈活調整來實現(xiàn)空域使用需求平衡［1－3］。

空中交通管制是一項對安全性要求極高的活動，動態(tài)管理在給傳統(tǒng)靜態(tài)空域結構帶來挑戰(zhàn)的同時，也給空中交通管理帶來了安全問題。在充分把握動態(tài)空域管理概念的基礎上主要從3個方面研究動態(tài)空域管理中相關安全性問題。

1 動態(tài)空域管理概念

動態(tài)空域管理是近年來空中交通管理領域提出的一個新空域管理理念，它旨在打破傳統(tǒng)的靜態(tài)空域結構對交通流量的限制，通過對空域的靈活劃分使用來緩解空域使用需求不平衡。

圖1 空域優(yōu)化劃分流程圖

動態(tài)空域管理概念提出的基本假設是調整空域結構能滿足空域使用需求［4］。早在1997年，Eurocontrol就提出了適應性空域管理的概念來應對地面延誤和滿足改航需要，這其中便包含了動態(tài)空域管理的思想。進入21世紀，美國在新一代空中交通運輸系統(tǒng)計劃中提出未來空中交通需求管理將交由協(xié)同流量管理系統(tǒng)進行處理，而空域容量管理將主要通過對空域的動態(tài)管理來實現(xiàn)，并指出動態(tài)空域管理的一個主要方面是通過優(yōu)化空域設計來實現(xiàn)空域容量最大化。Parimal Kopardekar等率先對動態(tài)管理概念進行了綜合闡述［1］。相關研究者也紛紛提出了不同的空域優(yōu)化劃分算法［5－9］，空域優(yōu)化劃分一般遵循圖1的基本流程，其核心是空域優(yōu)化劃分的算法，確保管理過程的安全有效優(yōu)化。

2 動態(tài)空域結構與靜態(tài)空域結構的比較分析

較之傳統(tǒng)的靜態(tài)空域結構，動態(tài)空域結構更能適應復雜的交通形勢和變化的交通流量，表現(xiàn)出較強的動態(tài)特性。表1對二者進行了比較分析。

表1 動態(tài)空域結構與靜態(tài)空域結構對比

3 動態(tài)空域管理中的安全性問題

3.1 管制員工作負荷增加

傳統(tǒng)的管制條件下，管制員的工作負荷主要來源于3個方面:監(jiān)視所負責空域內(nèi)的飛行活動、飛行沖突解脫、與鄰近扇區(qū)管制員協(xié)調接收/移交飛機。在動態(tài)空域管理新舊空域的過渡轉換過程中，管制員不僅要完成以上3種管制任務，還要在較短時間內(nèi)熟悉新生成分配空域的情況，如本扇區(qū)和鄰近扇區(qū)的通信頻率、扇區(qū)結構、空域地理位置信息等，并接收/移交新增加和丟失空域內(nèi)的飛機。這種情況下，管制員工作負荷就有一個暫時性的增加過程。管制員承受較大的工作負荷，其管制效率和管制靈活性難免會受到影響，給飛行安全帶來隱患。文獻［11］進行的一項模擬試驗表明，在扇區(qū)調整過程中，管制員整體工作負荷相對調整前增加了16.9%;扇區(qū)調整完成后，平均工作負荷相對調整前增加了12.7%。

現(xiàn)代空中交通管理依然以人作為決策主體，管制員提供空中交通管制服務來保證飛行安全和效率。管制員工作負荷也是空管人的因素研究的主要方面，合理適度的工作負荷對保證空管系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性具有重要意義。動態(tài)空域管理中，對空域結構進行優(yōu)化調整也是一種管制員工作負荷的管理方法，但二者之間的作用機制尚不明確。如何尋找影響管制員工作負荷的相關因素以及確定主要的影響因素目前仍是一個研究難點。［12 －13］

3.2 空域結構調整帶來的管制操作困難問題

空域劃分的一個原則是空域結構要適合于管制員進行管制操作并能較好的適應空中交通流量。良好穩(wěn)定的空域結構有助于管制員建立和維持良好的情景意識以安全高效地完成管制任務。動態(tài)空域管理能較好地解決空域使用與流量需求之間的關系，但是受到空域優(yōu)化劃分算法不完善性的制約，生成的空域結構尚不能全面顧及實際的管制情況。非理想的空域結構能給實際的管制活動帶來諸多操作困難。

圖2 交通流匯聚問題示意圖

匯流操作是空中交通管制中的一項重要工作，空域設計要充分考慮扇區(qū)邊界與匯流點之間的位置關系［14］。圖2給出了空域結構調整可能對匯流操作帶來的困難?？沼蛘{整前，扇區(qū)之間的協(xié)調工作只在扇區(qū)1和扇區(qū)2之間進行;調整后，兩股交通流分別通過扇區(qū)3'和扇區(qū)4'，匯流操作要通過扇區(qū)2'與扇區(qū)3'、4'相互協(xié)調才能完成，這樣不僅增加了管制難度，還增加了管制員協(xié)調工作量。

圖3給出了一種狹長型空域結構(扇區(qū)1)。當交通流沿扇區(qū)短軸方向通過時，飛機在該扇區(qū)內(nèi)停留時間過短，管制員無法及時向下一扇區(qū)完成交接操作造成操作失誤。扇區(qū)形狀的凸多邊形性質通常被認為是扇區(qū)結構的一種優(yōu)良性質。圖4中所示的非凸多邊形扇區(qū)結構(扇區(qū)3)可能會造成一架飛機多次進入同一扇區(qū)的情況。

圖3 狹長型扇區(qū)結構

圖4 非凸多邊形扇區(qū)結構

3.3 空域優(yōu)化劃分的觸發(fā)機制問題

空中交通管制是一項對專業(yè)化程度要求很高的工作，管制員在進入實際管制工作之前要經(jīng)過充分的專業(yè)化培訓。當前的動態(tài)空域管理實踐主要是根據(jù)空中交通在不同時段的繁忙程度對管制員所熟悉的空域進行拆分合并以保證管制員工作負荷維持在合理范圍內(nèi)，同時達到優(yōu)化管制員資源配置的目的?？沼蚬芾淼膭討B(tài)特性主要體現(xiàn)在不同時段扇區(qū)數(shù)目的差異上。這個過程中，人仍然起著主體決策作用。

空域優(yōu)化劃分的觸發(fā)機制主要包括3個方面的問題:空域重新劃分的條件依據(jù)、如何選擇恰當?shù)臅r機對空域進行重新劃分以及空域邊界調整的頻率。文獻［15］嘗試性地從空域重新劃分的成本方面探討動態(tài)空域管理的觸發(fā)條件。文獻［10］則指出，過早地對空域進行重新劃分會造成資源浪費;在空中交通繁忙時段對空域進行重新劃分會對管制員安全高效處理空中交通的能力產(chǎn)生負面影響?？沼騼?yōu)化劃分的觸發(fā)機制應更多地考量空域的劃分成本、新舊空域過渡轉換過程中的管制員工作負荷增加問題以及管制員對變化的空域結構的適應能力問題。

4 問題的進一步總結

空中交通管制系統(tǒng)是一個復雜的人－機系統(tǒng)?，F(xiàn)行的空中交通管理模式依然以管制員作為管制主體通過地面管制來保證飛行活動的安全有序進行。在現(xiàn)有設備和技術條件下，管制員作為空中交通管制主體的地位在較長一段時間內(nèi)仍將繼續(xù)保持。動態(tài)空域為應對未來的交通流量增長提供了一個可行的解決方案，但也凸顯出了一些安全問題，主要體現(xiàn)在如何發(fā)揮人的主觀能動性適應變化的空域結構和復雜的交通形勢上，在一定程度上表現(xiàn)為如何有效地管理空域調整整個過程中的管制員工作負荷問題。相關安全性問題的解決有賴于自動化設備(自動化沖突探測設備、自動化沖突解脫決策支持設備及自動化的管制移交設備等)在空中交通管理中的使用以及制定合理完善有效的空域結構調整過度程序。

5 結語

動態(tài)空域管理作為一種新的流量和空域管理理念，一方面為空中交通流量與空域使用的適應問題提供了一種解決方案;另一方面提高了空域管理的動態(tài)特性，給當前高度程序化的管制操作帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。對其中相關安全性問題的研究有助于更好的保障動態(tài)空域管理理念的運用實施。本文首先介紹了動態(tài)空域管理的基本概念，然后對靜態(tài)空域結構和動態(tài)空域結構進行了比較，著重從管制員工作負荷、管制操作困難及空域劃分觸發(fā)機制3個方面探討研究了動態(tài)空域管理的相關安全性問題。

［1］Parimal Kopardekar，Karl Bilimoria，and Banavar Sridhar.Initial Concepts for Dynamic Airspace Configuration［C］.7th AIAA Aviation Technology，Integration and Operations Conference(ATIO)，18 －20 September 2007，Belfast，Northern Ireland.

［2］Kenneeth Leiden，Jill Kamienski.Initial Implication of Automation on Dynamic Airspace Configuration［C］.7th AIAA Aviation Technology，Integration and Operations Conference(ATIO)，18 －20 September 2007，Belfast，Northern Ireland.

［3］Alla G.Webb，Shahram Sarkani，and Thomas A.Mazzuchi.Resource Allocation for Air Traffic Controllers using Dynamic Airspace Configuration［C］.Proceedings of the World Congress on Engineering and Computer Science(WCECS)，October 20－22，2009，San Francisco，USA.

［4］Gano B.Chatterji，Yun Zheng.Analysis of Current Sectors Based on Traffic and Geometry［C］.AIAA Guidance，Navigation and Control Conference and Exhibit，18 －21 August2008，Honolulu，Hawaii.

［5］Joseph S.B.Mitchell，Girishkumar Sabhnani.Dynamic Airspace Configuration Management based on Computational Geometry Techniques［C］.AIAA Guidance，Navigation and Control Conference and Exhibit，18 －21 August2008，Honolulu，Hawaii.

［6］Shin－Lai Tien，Robert Hoffman.Optimizing Airspace Sectors for Varying Demand Patterns using Multi-Controller Staffing［C］.Eighth USA/Europe Air Traffic Management Research and Development Seminar，2009.

［7］Rafal Kicinger，Arash Yousefi.Heuristic Method for 3D Airspace Partitioning:Genetic Algorithm and A-gent-based Approach［C］.9th AIAA Aviation Technology， Integration， and Operations Conference(ATIO)，22 － 23 September 2009，Hilton Head，South Carolina.

［8］Micheal C.Drew.A Method of Optimally Combining Sectors［C］.9th AIAA Aviation Technology，Integration，and Operations Conference(ATIO)，22－23 September 2009，Hilton Head，South Carolina.

［9］Min Xue.Airspace Sector Redesign based on Voronoi Diagrams［C］.AIAA Guidance，Navigation and Control Conference and Exhibit，Aug.18 － 21，2008，Honolulu，Hawaii.

［10］Earl S.Stein，Pamela S.Dello Rocco，and Randy L.Sollenberger.Dynamic Resectorization in Air Traffic Control:A Human Factors Perspective［R］.U.S.Department of Transportation/Federal Aviation Administration Report Number DOT/FAA/TC-TN06/19，May 2006.

［11］Jaewoo Jung.Effect of Dynamic Sector Boundary Changes on Air Traffic Controllers［C］.AIAA Guidance，Navigation，and Control Conference，2 －5 August2010，Toronto，Ontario Canada.

［12］Paul U.Lee，Thomas Prevot，and Jeffey Homola et al.Impact of Airspace Reconfiguration on Controller Workload and Task Performance［C］.3rd International Conference on Applied Human Factors and Ergonomics，Miami，F(xiàn)L.，2010.

［13］Paul U.Lee，Thomas Prevot，Jeffrey Homola et al.Sector Design and Boundary Change Considerations for Flexible Airspace Management［C］.10th AIAA Aviation Technology， Integration， and Operations(ATIO)Conference，13－15 September 2010，F(xiàn)ort Worth，Texas.

［14］Shannon Zelinski.Defining Critical Points for Dynamic Airspace Configuration［C］.26th International Congress of the Aeronautical Science.

［15］Arash Yousefi，Robert Hoffman，Marcus Lowther et al.Trigger Metrics for Dynamic Airspace Configuration［C］.9th AIAA ATIOConference，21 － 23 September 2009，Hilton Head，South California.