基于动态空域管理的安全性研究

滕英元，高申坤

(沈阳航空航天大学民航与安全工程学院，辽宁 沈阳 110136)

航空运输业的快速发展使空中交通系统面临越来越严重的交通拥堵，空域资源日趋紧张，空域使用与飞行需求间的矛盾日益突出。空中交通管制的主要任务是实现空域使用与需求平衡，确保飞行活动安全高效进行。在当前的管制实践中，当空域受到恶劣天气影响或空域内交通形势过于复杂超出管制员的认知能力时，空中交通管理部门为保证航空安全通常采用改航、空中等待、地面延误等措施来对流量进行控制，确保管制员负荷保持在合理范围内［1］。这样就会不可避免的造成航班延误，增加航空公司运营成本。为此，空管界提出了动态空域管理的概念—通过对空域结构的实时灵活调整来实现空域使用需求平衡［1－3］。

空中交通管制是一项对安全性要求极高的活动，动态管理在给传统静态空域结构带来挑战的同时，也给空中交通管理带来了安全问题。在充分把握动态空域管理概念的基础上主要从3个方面研究动态空域管理中相关安全性问题。

1 动态空域管理概念

动态空域管理是近年来空中交通管理领域提出的一个新空域管理理念，它旨在打破传统的静态空域结构对交通流量的限制，通过对空域的灵活划分使用来缓解空域使用需求不平衡。

图1 空域优化划分流程图

动态空域管理概念提出的基本假设是调整空域结构能满足空域使用需求［4］。早在1997年，Eurocontrol就提出了适应性空域管理的概念来应对地面延误和满足改航需要，这其中便包含了动态空域管理的思想。进入21世纪，美国在新一代空中交通运输系统计划中提出未来空中交通需求管理将交由协同流量管理系统进行处理，而空域容量管理将主要通过对空域的动态管理来实现，并指出动态空域管理的一个主要方面是通过优化空域设计来实现空域容量最大化。Parimal Kopardekar等率先对动态管理概念进行了综合阐述［1］。相关研究者也纷纷提出了不同的空域优化划分算法［5－9］，空域优化划分一般遵循图1的基本流程，其核心是空域优化划分的算法，确保管理过程的安全有效优化。

2 动态空域结构与静态空域结构的比较分析

较之传统的静态空域结构，动态空域结构更能适应复杂的交通形势和变化的交通流量，表现出较强的动态特性。表1对二者进行了比较分析。

表1 动态空域结构与静态空域结构对比

3 动态空域管理中的安全性问题

3.1 管制员工作负荷增加

传统的管制条件下，管制员的工作负荷主要来源于3个方面:监视所负责空域内的飞行活动、飞行冲突解脱、与邻近扇区管制员协调接收/移交飞机。在动态空域管理新旧空域的过渡转换过程中，管制员不仅要完成以上3种管制任务，还要在较短时间内熟悉新生成分配空域的情况，如本扇区和邻近扇区的通信频率、扇区结构、空域地理位置信息等，并接收/移交新增加和丢失空域内的飞机。这种情况下，管制员工作负荷就有一个暂时性的增加过程。管制员承受较大的工作负荷，其管制效率和管制灵活性难免会受到影响，给飞行安全带来隐患。文献［11］进行的一项模拟试验表明，在扇区调整过程中，管制员整体工作负荷相对调整前增加了16.9%;扇区调整完成后，平均工作负荷相对调整前增加了12.7%。

现代空中交通管理依然以人作为决策主体，管制员提供空中交通管制服务来保证飞行安全和效率。管制员工作负荷也是空管人的因素研究的主要方面，合理适度的工作负荷对保证空管系统的稳定性和安全性具有重要意义。动态空域管理中，对空域结构进行优化调整也是一种管制员工作负荷的管理方法，但二者之间的作用机制尚不明确。如何寻找影响管制员工作负荷的相关因素以及确定主要的影响因素目前仍是一个研究难点。［12 －13］

3.2 空域结构调整带来的管制操作困难问题

空域划分的一个原则是空域结构要适合于管制员进行管制操作并能较好的适应空中交通流量。良好稳定的空域结构有助于管制员建立和维持良好的情景意识以安全高效地完成管制任务。动态空域管理能较好地解决空域使用与流量需求之间的关系，但是受到空域优化划分算法不完善性的制约，生成的空域结构尚不能全面顾及实际的管制情况。非理想的空域结构能给实际的管制活动带来诸多操作困难。

图2 交通流汇聚问题示意图

汇流操作是空中交通管制中的一项重要工作，空域设计要充分考虑扇区边界与汇流点之间的位置关系［14］。图2给出了空域结构调整可能对汇流操作带来的困难。空域调整前，扇区之间的协调工作只在扇区1和扇区2之间进行;调整后，两股交通流分别通过扇区3'和扇区4'，汇流操作要通过扇区2'与扇区3'、4'相互协调才能完成，这样不仅增加了管制难度，还增加了管制员协调工作量。

图3给出了一种狭长型空域结构(扇区1)。当交通流沿扇区短轴方向通过时，飞机在该扇区内停留时间过短，管制员无法及时向下一扇区完成交接操作造成操作失误。扇区形状的凸多边形性质通常被认为是扇区结构的一种优良性质。图4中所示的非凸多边形扇区结构(扇区3)可能会造成一架飞机多次进入同一扇区的情况。

图3 狭长型扇区结构

图4 非凸多边形扇区结构

3.3 空域优化划分的触发机制问题

空中交通管制是一项对专业化程度要求很高的工作，管制员在进入实际管制工作之前要经过充分的专业化培训。当前的动态空域管理实践主要是根据空中交通在不同时段的繁忙程度对管制员所熟悉的空域进行拆分合并以保证管制员工作负荷维持在合理范围内，同时达到优化管制员资源配置的目的。空域管理的动态特性主要体现在不同时段扇区数目的差异上。这个过程中，人仍然起着主体决策作用。

空域优化划分的触发机制主要包括3个方面的问题:空域重新划分的条件依据、如何选择恰当的时机对空域进行重新划分以及空域边界调整的频率。文献［15］尝试性地从空域重新划分的成本方面探讨动态空域管理的触发条件。文献［10］则指出，过早地对空域进行重新划分会造成资源浪费;在空中交通繁忙时段对空域进行重新划分会对管制员安全高效处理空中交通的能力产生负面影响。空域优化划分的触发机制应更多地考量空域的划分成本、新旧空域过渡转换过程中的管制员工作负荷增加问题以及管制员对变化的空域结构的适应能力问题。

4 问题的进一步总结

空中交通管制系统是一个复杂的人－机系统。现行的空中交通管理模式依然以管制员作为管制主体通过地面管制来保证飞行活动的安全有序进行。在现有设备和技术条件下，管制员作为空中交通管制主体的地位在较长一段时间内仍将继续保持。动态空域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，主要体现在如何发挥人的主观能动性适应变化的空域结构和复杂的交通形势上，在一定程度上表现为如何有效地管理空域调整整个过程中的管制员工作负荷问题。相关安全性问题的解决有赖于自动化设备(自动化冲突探测设备、自动化冲突解脱决策支持设备及自动化的管制移交设备等)在空中交通管理中的使用以及制定合理完善有效的空域结构调整过度程序。

5 结语

动态空域管理作为一种新的流量和空域管理理念，一方面为空中交通流量与空域使用的适应问题提供了一种解决方案;另一方面提高了空域管理的动态特性，给当前高度程序化的管制操作带来了前所未有的挑战。对其中相关安全性问题的研究有助于更好的保障动态空域管理理念的运用实施。本文首先介绍了动态空域管理的基本概念，然后对静态空域结构和动态空域结构进行了比较，着重从管制员工作负荷、管制操作困难及空域划分触发机制3个方面探讨研究了动态空域管理的相关安全性问题。

［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，FL.，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，Fort 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.