張璋

(中國民航大學空中交通管理學院，天津300300)

基于管制員負荷的扇區(qū)容量評估工具開發(fā)

張璋

(中國民航大學空中交通管理學院，天津300300)

為使空管部門能夠?qū)苤粕葏^(qū)容量進行自主評估，基于管制員工作負荷在Matlab平臺上進行了容量評估工具的開發(fā)。首先對扇區(qū)容量和管制員工作負荷概念、回歸模型及其在本工具中的應用進行了介紹，然后對工具的硬件結(jié)構(gòu)及軟件模塊進行了描述，最后利用該工具對南北分流均可用情況下的烏魯木齊區(qū)域04號扇區(qū)進行容量評估并給出建議值。結(jié)果表明，該工具提高了容量評估的效率，可以作為一種有效的輔助工具。

容量評估；管制員負荷；Matlab；軟件開發(fā)；空中交通管制

Abstract：To enable the air traffic control (ATC) department evaluate sector capacity,a capacity assessment tool based on controller workload is developed on Matlab platform.In this paper,the concept of sector capacity and controller workload,the regression model and its application in the tool are introduced.A description of the tool′s hardware structure and software modules are given afterwards.Finally,the tool is used for capacity assessment of Sector No.4 in Urumchi under the circumstances where the flow splitting of both south and north side are available,and suggestions are proposed accordingly.Result shows that the assessment efficiency has been increased and the software can be an effective auxiliary tool.

Key words：capacity assessment;controller workload;Matlab;software development;air traffic control

民航業(yè)發(fā)展帶來的航班量增加使空域資源越發(fā)緊張，高效地使用空域變得更加重要?？沼蛲ǔ１粍澐譃槿舾缮葏^(qū)，單位時間內(nèi)扇區(qū)能夠處理的交通量被稱為扇區(qū)容量[1]，它與空域系統(tǒng)提供服務的安全性、質(zhì)量等緊密相關。因此，進行扇區(qū)容量評估很有意義。

由于管制員工作負荷和扇區(qū)容量密切相關，故常根據(jù)管制員工作負荷的大小來評估扇區(qū)容量。對扇區(qū)容量進行評估時，管制員工作負荷是一項重要指標。當管制員工作負荷飽和時，航班不能再增加，此時扇區(qū)容量即達到飽和。因此，在管制員工作負荷處于飽和狀態(tài)的時間段內(nèi)，航班架次與時間的比值即是容量[2]。

管制員工作負荷的評估方法主要有2種：一種是客觀評估法，如英國的運籌與分析理事會提出的DORATASK法和德國的梅塞施密特等提出的MBB法；另一種是主觀評估法，如Reid等提出的SWAT法、通過采用聲光的方式來評價工作負荷的ATWIT法以及美國國家航空空管局的TLX法[3]。

本工具的開發(fā)旨在為空管部門未來進行自主評估管制扇區(qū)容量提供解決方案。

1 基于管制員工作負荷的容量評估方法

定量評估方法主要有2種，即時間區(qū)間法和回歸法[4]。

1.1 容量評估回歸模型

線性回歸模型可以表示為如下2種形式：

WLi=βi·Ni+ei

通過檢驗后的工作負荷回歸模型為：

(1)

(2)

根據(jù)可接受的工作負荷WL(一般選取統(tǒng)計時間片長度的70%)，由式(1)、(2)工作負荷回歸模型之一(視工作負荷統(tǒng)計數(shù)據(jù)和對應航班數(shù)的散點圖關系而選定)就可得到對應時間片所處理的航班量N[5]。

1.2 回歸模型在本工具的具體應用

本文采用的容量評估方法主要是通過將基于管制員工作負荷的管制現(xiàn)場和雷達模擬機相結(jié)合來實現(xiàn)的，回歸數(shù)據(jù)對分別來源于管制工作現(xiàn)場和模擬機測試的采集數(shù)據(jù)。

采用線性或非線性回歸方法將相同管制運行類型、相同工作負荷計量類型及相同時間片的管制現(xiàn)場數(shù)據(jù)序列對和模擬機測試數(shù)據(jù)序列對合并在一起，確定管制員工作負荷與管制飛機數(shù)量關系的數(shù)學模型。依據(jù)工作負荷程度的要求(例如70% )確定管制員工作負荷閾值，再由閾值求解出扇區(qū)容量值。用回歸法評估管制扇區(qū)容量的步驟如圖1所示。

圖1 回歸法評估管制扇區(qū)容量流程圖

2 扇區(qū)容量評估工具

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

評估工具硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 扇區(qū)容量評估工具硬件結(jié)構(gòu)

攝像頭#1接USB1口，監(jiān)視管制雷達屏幕，用于管制員管制飛機架次統(tǒng)計和觀察分析管制員操作鼠標時光標的運動。按照圖像抓圖的時間間隔(0.3～0.6 s)將屏幕圖像處理為按時間分段的“時間—飛機數(shù)”時間序列文件。

攝像頭#2接USB2口，用于采集管制員的鼠標操作動作時間、進程單填寫的動作時間、通話頻率選擇動作時間、鍵盤操作動作時間。按照圖像抓圖的時間間隔(0.3～0.6 s)將動作圖像處理為按時間分段的“時間—動作總時間”“鼠標操作時間”“進程單操作時間”“通信選頻操作時間”“鍵盤操作時間”時間序列文件。

無線或有線麥克接MIC口，用于采集管制員和飛行員的通話時間，按照1 s的時間間隔將聲音文件處理為按時間分段的“時間—通話時間”時間序列文件。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)

整個工具基于Matlab平臺開發(fā)，主要由7個模塊組成，包括采集數(shù)據(jù)合并、動作平均時間計算、扇區(qū)平均飛行時間計算、各類數(shù)據(jù)時間片的提取、序列對產(chǎn)生和區(qū)間法容量計算、同類序列對數(shù)據(jù)的合并、回歸法容量計算模塊[6]。

2.2.1 采集數(shù)據(jù)合并模塊

將同類管制原始數(shù)據(jù)、不同采集文件形成的不同時間段的多個文件數(shù)據(jù)進行合并。

2.2.2 動作平均時間計算模塊

對合并形成的時間序列動作文件進行計算處理，計算出鼠標動作、進程單填寫和通信頻道選擇的平均時間。

2.2.3 扇區(qū)平均飛行時間計算模塊

計算設定時間段內(nèi)，完成飛越扇區(qū)的飛機架次、所有航班飛行時間總和、航班飛越扇區(qū)的平均飛行時間。

2.2.4 時間片提取模塊

1)通話負荷數(shù)據(jù)提取按鈕。提取所需時段內(nèi)通話負荷并形成通話負荷時間片文件。

2)動作負荷數(shù)據(jù)提取按鈕。提取所需時段內(nèi)動作負荷并形成動作負荷時間片文件。

3)屏幕/1 s表單飛機數(shù)提取按鈕。提取雷達屏幕攝像/1 s空管表單統(tǒng)計的飛機架次數(shù)并形成2種類型的飛機數(shù)時間片文件。

4)原始表單飛機數(shù)提取按鈕。提取運管中心提供的原始空管表單統(tǒng)計的飛機架次數(shù)并形成2種類型的飛機數(shù)時間片文件。

2.2.5 序列對產(chǎn)生和區(qū)間法容量計算模塊

1)數(shù)據(jù)類型選擇。選擇時間片時間間隔(15、30、60 min)；選擇工作負荷類型(通話負荷/動作通話總負荷)；選擇飛機數(shù)統(tǒng)計類型(時間等效飛機數(shù)/物理飛機數(shù))；選擇飛機數(shù)數(shù)據(jù)源類型(來自屏幕攝像/空管表單)。

設置容量計算時所需的工作負荷閾值比例(如70%時，設置為0.7)。按照上文提到的2種工作負荷計量類型分為2種情況處理。

2)區(qū)間法容量計算按鈕。根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同組合，從彈出的文件選擇窗口相應選擇相同時間片時間間隔和相同文件名后綴標號的聲音、動作、飛機數(shù)時間序列文件，以及采樣間隔為秒級(0.3～0.6 s、1 s)的雷達屏幕飛機數(shù)統(tǒng)計時間序列文件或者1 s的空管表單飛機數(shù)序列文件。

2.2.6 同類序列對數(shù)據(jù)的合并模塊

將序列對產(chǎn)生和區(qū)間法容量計算模塊生成的同一時間片時間間隔長度、同一管制扇區(qū)運行情況下(如，南北分流均可用、南北分流均不可用等)的同類型序列對的多個數(shù)據(jù)文件進行合并，形成文件。

2.2.7 回歸法容量計算模塊

從同類序列對數(shù)據(jù)的合并模塊產(chǎn)生的同一時間片時間間隔、同一管制扇區(qū)運行情況下的序列對文件中讀取數(shù)據(jù)對，根據(jù)選擇的工作負荷類型的不同，與管制的飛機數(shù)配對，依據(jù)設定的工作負荷閾值(如0.7，即70%)和設定的回歸方程次數(shù)(一次線性、二次非線性)，對數(shù)據(jù)序列對進行回歸，計算出相應時間片時間間隔(15、30、60 min)對應的容量值，在界面上顯示容量值及與之對應的工作負荷值。該工具使用步驟可用圖3來描述。

圖3 工具運行流程圖

3 應用

管制模擬機測試，人員分成2組:第1組為工作3年以上的熟練管制員；第2組為工作3年(含)以下的新上崗管制員。利用該工具對南北分流均可用情況下的烏魯木齊區(qū)域04號扇區(qū)進行容量評估并給出建議值。

容量計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

結(jié)合表1和新疆空管局管制專家經(jīng)驗，綜合得到了04號扇區(qū)南北分流均可用情況下的扇區(qū)容量建議值，即15 min容量12架次、30 min容量24架次、60 min容量44架次。

表1 南北分流均可用情況下04號扇區(qū)容量計算結(jié)果

4 結(jié)語

本文基于管制員工作負荷在Matlab平臺上進行了容量評估工具的開發(fā)，介紹了數(shù)據(jù)采集及處理過程，并以烏魯木齊區(qū)域04號扇區(qū)為例進行測試，證明了工具的有效性。然而，數(shù)據(jù)采集及處理還有相當一部分需要人工操作，如何提升工具的自動化水平，從而進一步的提高容量評估效率，將是今后要考慮的問題。

[1]李錚.終端區(qū)扇區(qū)劃設方法研究[D].天津：中國民航大學,2009.

[2]張學文.基于管制員工作負荷的空域容量評估[J].空中交通管理,2008(11):17-19.

[3]萬莉莉.管制員工作負荷評估問題研究[D].南京：南京航空航天大學,2005.

[4]TIAN Y,WAN L,YANG S.Research on sector dynamic capacity evaluation[C]//Integrated Communications,Navigation and Surveillance(ICNS) Conference,IEEE，2014.

[5]裴成功.管制員工作負荷評估的回歸分析法[J].南京航空航天大學學報,2007,39(1):108-112.

[6]宗節(jié)保,段柳云,王瑩,等.基于MATLAB GUI軟件制作方法的研究與實現(xiàn)[J].電子設計工程,2010(7):54-56.

責任編輯：陳 亮

Development of a Sector Capacity Assessment Tool Based on Controller Workload

ZHANG Zhang

(College of Air Traffic Management,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300)

10.3969/j.issn.1671- 0436.2015.06.011

2015- 10- 18

中央高校基本科研業(yè)務費資助項目(Y15-14)

張璋(1992— )，男，碩士研究生。

V355

A

1671- 0436(2015)06- 0049- 04