基于管制员负荷的扇区容量评估工具开发

张璋

(中国民航大学空中交通管理学院，天津300300)

基于管制员负荷的扇区容量评估工具开发

张璋

(中国民航大学空中交通管理学院，天津300300)

为使空管部门能够对管制扇区容量进行自主评估，基于管制员工作负荷在Matlab平台上进行了容量评估工具的开发。首先对扇区容量和管制员工作负荷概念、回归模型及其在本工具中的应用进行了介绍，然后对工具的硬件结构及软件模块进行了描述，最后利用该工具对南北分流均可用情况下的乌鲁木齐区域04号扇区进行容量评估并给出建议值。结果表明，该工具提高了容量评估的效率，可以作为一种有效的辅助工具。

容量评估；管制员负荷；Matlab；软件开发；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

民航业发展带来的航班量增加使空域资源越发紧张，高效地使用空域变得更加重要。空域通常被划分为若干扇区，单位时间内扇区能够处理的交通量被称为扇区容量[1]，它与空域系统提供服务的安全性、质量等紧密相关。因此，进行扇区容量评估很有意义。

由于管制员工作负荷和扇区容量密切相关，故常根据管制员工作负荷的大小来评估扇区容量。对扇区容量进行评估时，管制员工作负荷是一项重要指标。当管制员工作负荷饱和时，航班不能再增加，此时扇区容量即达到饱和。因此，在管制员工作负荷处于饱和状态的时间段内，航班架次与时间的比值即是容量[2]。

管制员工作负荷的评估方法主要有2种：一种是客观评估法，如英国的运筹与分析理事会提出的DORATASK法和德国的梅塞施密特等提出的MBB法；另一种是主观评估法，如Reid等提出的SWAT法、通过采用声光的方式来评价工作负荷的ATWIT法以及美国国家航空空管局的TLX法[3]。

本工具的开发旨在为空管部门未来进行自主评估管制扇区容量提供解决方案。

1 基于管制员工作负荷的容量评估方法

定量评估方法主要有2种，即时间区间法和回归法[4]。

1.1 容量评估回归模型

线性回归模型可以表示为如下2种形式：

WLi=βi·Ni+ei

通过检验后的工作负荷回归模型为：

(1)

(2)

根据可接受的工作负荷WL(一般选取统计时间片长度的70%)，由式(1)、(2)工作负荷回归模型之一(视工作负荷统计数据和对应航班数的散点图关系而选定)就可得到对应时间片所处理的航班量N[5]。

1.2 回归模型在本工具的具体应用

本文采用的容量评估方法主要是通过将基于管制员工作负荷的管制现场和雷达模拟机相结合来实现的，回归数据对分别来源于管制工作现场和模拟机测试的采集数据。

采用线性或非线性回归方法将相同管制运行类型、相同工作负荷计量类型及相同时间片的管制现场数据序列对和模拟机测试数据序列对合并在一起，确定管制员工作负荷与管制飞机数量关系的数学模型。依据工作负荷程度的要求(例如70% )确定管制员工作负荷阈值，再由阈值求解出扇区容量值。用回归法评估管制扇区容量的步骤如图1所示。

图1 回归法评估管制扇区容量流程图

2 扇区容量评估工具

2.1 硬件结构

评估工具硬件结构如图2所示。

图2 扇区容量评估工具硬件结构

摄像头#1接USB1口，监视管制雷达屏幕，用于管制员管制飞机架次统计和观察分析管制员操作鼠标时光标的运动。按照图像抓图的时间间隔(0.3～0.6 s)将屏幕图像处理为按时间分段的“时间—飞机数”时间序列文件。

摄像头#2接USB2口，用于采集管制员的鼠标操作动作时间、进程单填写的动作时间、通话频率选择动作时间、键盘操作动作时间。按照图像抓图的时间间隔(0.3～0.6 s)将动作图像处理为按时间分段的“时间—动作总时间”“鼠标操作时间”“进程单操作时间”“通信选频操作时间”“键盘操作时间”时间序列文件。

无线或有线麦克接MIC口，用于采集管制员和飞行员的通话时间，按照1 s的时间间隔将声音文件处理为按时间分段的“时间—通话时间”时间序列文件。

2.2 软件结构

整个工具基于Matlab平台开发，主要由7个模块组成，包括采集数据合并、动作平均时间计算、扇区平均飞行时间计算、各类数据时间片的提取、序列对产生和区间法容量计算、同类序列对数据的合并、回归法容量计算模块[6]。

2.2.1 采集数据合并模块

将同类管制原始数据、不同采集文件形成的不同时间段的多个文件数据进行合并。

2.2.2 动作平均时间计算模块

对合并形成的时间序列动作文件进行计算处理，计算出鼠标动作、进程单填写和通信频道选择的平均时间。

2.2.3 扇区平均飞行时间计算模块

计算设定时间段内，完成飞越扇区的飞机架次、所有航班飞行时间总和、航班飞越扇区的平均飞行时间。

2.2.4 时间片提取模块

1)通话负荷数据提取按钮。提取所需时段内通话负荷并形成通话负荷时间片文件。

2)动作负荷数据提取按钮。提取所需时段内动作负荷并形成动作负荷时间片文件。

3)屏幕/1 s表单飞机数提取按钮。提取雷达屏幕摄像/1 s空管表单统计的飞机架次数并形成2种类型的飞机数时间片文件。

4)原始表单飞机数提取按钮。提取运管中心提供的原始空管表单统计的飞机架次数并形成2种类型的飞机数时间片文件。

2.2.5 序列对产生和区间法容量计算模块

1)数据类型选择。选择时间片时间间隔(15、30、60 min)；选择工作负荷类型(通话负荷/动作通话总负荷)；选择飞机数统计类型(时间等效飞机数/物理飞机数)；选择飞机数数据源类型(来自屏幕摄像/空管表单)。

设置容量计算时所需的工作负荷阈值比例(如70%时，设置为0.7)。按照上文提到的2种工作负荷计量类型分为2种情况处理。

2)区间法容量计算按钮。根据数据类型的不同组合，从弹出的文件选择窗口相应选择相同时间片时间间隔和相同文件名后缀标号的声音、动作、飞机数时间序列文件，以及采样间隔为秒级(0.3～0.6 s、1 s)的雷达屏幕飞机数统计时间序列文件或者1 s的空管表单飞机数序列文件。

2.2.6 同类序列对数据的合并模块

将序列对产生和区间法容量计算模块生成的同一时间片时间间隔长度、同一管制扇区运行情况下(如，南北分流均可用、南北分流均不可用等)的同类型序列对的多个数据文件进行合并，形成文件。

2.2.7 回归法容量计算模块

从同类序列对数据的合并模块产生的同一时间片时间间隔、同一管制扇区运行情况下的序列对文件中读取数据对，根据选择的工作负荷类型的不同，与管制的飞机数配对，依据设定的工作负荷阈值(如0.7，即70%)和设定的回归方程次数(一次线性、二次非线性)，对数据序列对进行回归，计算出相应时间片时间间隔(15、30、60 min)对应的容量值，在界面上显示容量值及与之对应的工作负荷值。该工具使用步骤可用图3来描述。

图3 工具运行流程图

3 应用

管制模拟机测试，人员分成2组:第1组为工作3年以上的熟练管制员；第2组为工作3年(含)以下的新上岗管制员。利用该工具对南北分流均可用情况下的乌鲁木齐区域04号扇区进行容量评估并给出建议值。

容量计算结果汇总如表1所示。

结合表1和新疆空管局管制专家经验，综合得到了04号扇区南北分流均可用情况下的扇区容量建议值，即15 min容量12架次、30 min容量24架次、60 min容量44架次。

表1 南北分流均可用情况下04号扇区容量计算结果

4 结语

本文基于管制员工作负荷在Matlab平台上进行了容量评估工具的开发，介绍了数据采集及处理过程，并以乌鲁木齐区域04号扇区为例进行测试，证明了工具的有效性。然而，数据采集及处理还有相当一部分需要人工操作，如何提升工具的自动化水平，从而进一步的提高容量评估效率，将是今后要考虑的问题。

[1]李铮.终端区扇区划设方法研究[D].天津：中国民航大学,2009.

[2]张学文.基于管制员工作负荷的空域容量评估[J].空中交通管理,2008(11):17-19.

[3]万莉莉.管制员工作负荷评估问题研究[D].南京：南京航空航天大学,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.管制员工作负荷评估的回归分析法[J].南京航空航天大学学报,2007,39(1):108-112.

[6]宗节保,段柳云,王莹,等.基于MATLAB GUI软件制作方法的研究与实现[J].电子设计工程,2010(7):54-56.

责任编辑：陈 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

中央高校基本科研业务费资助项目(Y15-14)

张璋(1992— )，男，硕士研究生。

V355

A

1671- 0436(2015)06- 0049- 04