浅析民航管制空域扇区划分及其优化方法

摘要：简单介绍了我国民航发展的趋势，分析了划分扇区的实际意义，从原则与基本方法两个方面阐述了扇区划分理论。进一步介绍了扇区优化的基本方法及其意义。最后，总结了未来民航扇区划分及优化方面研究的方向与趋势。适合对民航相关知识基础较为薄弱的读者参考使用。

关键词：管制空域扇区划分；扇区优化

中图分类号：V355文献标识码：A文章编号：1008-4428（2019）03-0020-02

一、 引言

近几十年来，我国航空航天事业得到了飞速的发展。随着人民生活水平不断提高，人们在出行的时候不再单一地考虑经济成本，而是追求时间成本与经济成本的最大性价比。人们对客航与货航的需求日益增加，有限空域资源与交通需求之间的矛盾日益突出。越来越多的飞行器在空域中运行，导致在某些流量高峰期空域中时常会出现管制员超负荷工作的情况。为了保证民航运输安全、高效、经济的原则，空管部门常常将管制空域划分为若干个管制扇区，并为每个扇区设置相应的管制席位，各个扇区之间相互协作又保持相对独立，共同提供对空域的管制服务。通过划分扇区的方法不仅可以提高空域的整体容量，使之满足与飞行流量的匹配，同时可以减轻管制员工作负荷、缓解空中交通压力、保证空中交通安全畅通。进一步考虑扇区划分的优化方法，以保证扇区划分方案的科学性、合理性。所以，针对民航管制空域扇区划分及其优化方法的研究具有重要的意义。

二、 扇区划分的原则与基本方法

扇区是相关空管部门将其负责管制的空域经有限划分后的一个个小的管制空域单元。相应扇区管制席位上的管制员，负责集中精力提供本扇区的管制服务。扇区划分方案关系着管制工作的具体实施，也是空域结构科学合理与否的体现之一。扇区的划分需要遵循一些基本原则、满足特定的约束。接下来从扇区划分的原则与基本方法两个方面做出阐述。

（一）扇区划分的原则

1. 划设管制区扇区时，要考虑通讯、导航、监视设备。具体体现在以下三个方面：①管制服务依赖于管制员与飞行员的陆空通话，所以划分扇区时需考虑到雷达信号覆盖的水平与高度范围，保证所设区域内通话信号良好；②由于管制空域内航空器较多，通信频道数目有限，所以需考虑区域内通信频道的占用度，尽可能做到通信频道的均匀分配；③相关导航设备（如VOR、NDB）的数量、种类及其安装位置将直接决定航空器导航的精度，精度越高的区域需要管制员的人为操作就越少，其工作负荷就相对较轻。

2. 划设扇区应考虑扇内航空器的机型与飞行性能（航速）。对于中重型或速度较大的航空器，处理其已有或者潜在的飞行冲突较为紧急，所以应为其配备较大的扇区范围，保证管制员拥有充裕的处理时间；反之，对于轻型或速度较小的航空器，管制扇区的范围可合适地紧凑规划。

3. 划分扇区时要注意管制员注意力的分配与工作负荷情况。管制扇区的划设应有利于管制员将注意力集中于本扇区的所有飞行活动上，使之保持良好的情景意识。同时，应当根据所划扇区的结构特征、辖区内航空器类型、管制员的管制水平等因素，规定管制扇区内的航空器阈值。某些高峰流量时刻航空器数目超过所设阈值，则应考虑对现有扇区划分方案进行适当的调整，保证管制员负荷合理。

4. 管制扇区的划分原则上应保证其连续性，不可出现界限重叠或者跳跃的情况。在实际管制和飞行过程中，飞行员在任意位置都应保证受不大于一个的管制员提供的管制服务，以确保飞行的安全性。

（二）扇区划分的基本方法

1. 二维空域划分。对目标空域做几何二维的平面拓扑，以枢纽机场、航路航线交叉点或重要导航设备为中心点，综合考虑其周围的飞行流量分布特点，划设相应数量的管制扇区，使得每个扇区的操作难度与管制工作量大致平衡；

2. 三维空域划分。以高度作为划设扇区的标准，主要考虑航空器不同飞行状态下运行的高度范围，并以此为依据选取高度分界值，在此值附近设定扇区的高度范围以及上下限；

3. 功能性扇区划分。以航路航线网络的复杂程度均衡为原则。该方法选定固定通航流量较大的几条航线，将这些航线均匀地分配到相邻的不同扇区，避免同一扇区内出现管制工作过度复杂的情况，使管制员能够集中处理本扇区内重要航线上的飞行冲突。

在繁忙管制空域中，较大的飞行流量将会带来大量的管制负荷。通过对管制空域进行扇区的划分，可以有效地分配管制员负荷，保证管制员处于良好的压力环境，提供优质的管制服务。

三、 扇区优化的方法及意义

扇区优化方法总体分为两大类：空域扇区的静态优化、空域扇区的动态优化。扇区的静态优化大多针对固定航路航线网络或某一特定时间段内管制空域的扇区划分问题，从优化目标不同的角度而言，大致分为基于管制员负荷的扇区优化与基于空中交通复杂度的扇区优化；扇区的动态优化则需进一步考虑基于空域结构变化的动态调整与基于时间的飞行流量动态变化。接下来重点介绍空域扇区静态优化的方法。

（一）基于管制员工作负荷的扇区优化

管制空域中有很多因素会直接或间接地影响到管制员的管制工作，对管制员造成客观与主观上的工作难度。统计并量化管制空域内管制員的工作负荷，以均衡量化后的管制员工作负荷为目标，提出相应优化的扇区划分方案。该方法主要分以下几个大的步骤：

1. 评估管制员工作负荷。普遍统计管制员工作负荷的定义是：管制员为满足客观任务需求需要承受身体以及精神上的压力，而这些压力可以转化为在时间上的消耗，而管制员工作负荷的大小就表征为管制员完成相应工作所消耗的时间。通过统计所给定时间段内的各种管制指令负荷以及操作进程单的时间消耗，求和就可以得到在相应空域内的总工作负荷（单位：秒）。

2. 计算扇区数量。根据DORATASK方法可知，管制员的工作负荷应当小于统计时间的80%，且90%的工作负荷不得超过总时间的2.5%。

3. 建立扇区优化模型以及约束条件。较为常用的方法是通过空域内关键点（导航台、航路交叉点）为生成元，对管制空域进行平面二维的拓扑，形成有限元分割，生成一定数量的扇区单元，通过一定的优化算法有序地排列这些单元，最终组成预期数量的扇区，输出扇区划分的边界。生成的扇区划分方案需要满足诸多的约束条件，如：①凸约束：避免扇区边界呈锯齿状，保证航空器沿航线行进过程进入或离开某一扇区的次数小于等于1。②最小距离约束：扇区边界和航路航线交叉点要保持一定的距离，以保证管制员有足够的时间来处理交叉点处可能出现的飞行冲突，保证管制移交工作的顺利。③连续性约束：一般情况下扇区在空间上必须连续，不允许出现空间上的间断与跳跃。

此方法的缺点在于管制员的工作负荷具有较强的主观性，以管制指令耗时的统计量无法全面客观地反映出空中交通的复杂性。

（二）基于空中交通复杂度的扇区优化

空中交通复杂性，是对管制员所要处理的管制空域的复杂程度的客观描述。许多因素会客观地影响空域的复杂程度，如：航空器数量、交通密度、间隔标准、航空器航速、飞行流量、高度变化、航向变化和天气因素等等。大致可以把这些影响因素分为两类：空域结构因素和飞行态势因素。空中交通复杂度，即是空中交通复杂性具体量化的结果。由于影响空中交通复杂性的因素众多，根据具体规划空域的实际情况，提取关键影响因素十分重要，通常采取专家调研问卷的方式获得。而对于影响因素的具体量化方法各不相同，目前也没有统一的量化标准。空中交通复杂度也可以量化一个扇区的繁忙程度，而且相对于管制员的工作负荷，由于考虑问题的角度不同，摈弃了管制员工作负荷的主观性，因此以空中交通复杂度为依据的扇区繁忙程度的量化更加客观，也更具有针对性。

需要指出的是，基于空中交通复杂度的扇区优化与基于管制员负荷的扇区优化主要区别在于优化扇区的目标不同，对扇区繁忙程度量化的出发点不一样，而在进行管制空域扇区单元的分割以及通过多种算法寻求最优扇区划分方案，输出相应扇区边界的步骤上具有同一性。

扇区优化方法对于保证扇区划分方案的科学性、合理性有着重大的意义。科学合理的管制扇区划设有利于管制工作的实施，保证管制员形成良好的情景意识，提供优质的管制服务，对保证民用航空运输安全、有效、经济有着重要的意义。

四、 结语

本文简单介绍了民航管制空域扇区划分的原则与基本方法，从理论的角度重点介绍了静态扇区优化方法及其意义。在未来扇区优化相关研究当中，基于空域信息的动态扇区划分代表着新的趋势。随着航班量的增加，空域内飞行流量将会进一步提升，在未来新技术的突破下，基于增强导航系统的导航精度将会进一步提升，届时，在考虑管制空域扇区优化的时候，可不再拘泥于扇区边界的动态调整，而应结合航路航线结构的调整，使得空域结构优化从固定航路航线结构的刚性优化方式向柔性转变，达到空域灵活使用、提升空域容量、保证飞行安全的目的。

参考文献：

[1]孔德福.终端区扇区優化技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2011.

[2]张明.终端区空域扇区规划及运行管理关键问题研究[D].南京：南京航空航天大学，2010.

[3]李铮.终端区扇区划设方法研究[D].天津：中国民航大学，2009.

作者简介：

陈耘路，男，中国民用航空飞行学院，空中交通管理学院。