管制员技术特征研究

车雨桐

摘  要：管制员在指挥航空器时，往往会考虑安全间隔、当前流量等因素，根据情况采取不同的指挥策略，不同的策略组合也会造成航空器不同的飞行状态。为了更好的描述与分析管制员的技术特征，文章首先结合实际工作对管制员的技术特征下定义，然后用层次分析法建立模型，最后用北京首都国际机场某一天进近区域一小时的数据验证模型有效，可以用该模型来帮助研究管制员的技术特征。

关键词：管制员;技术特征;层次分析法

中图分类号：V219          文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）08-0152-04

Abstract： When the controller directs the aircraft， he often takes into account the safety interval， the current flow rate and other factors. According to the situation， different command strategies will be adopted， and different strategy combinations will also cause different flight states of the aircraft. In order to better describe and analyze the technical characteristics of controllers， this paper first defines the technical characteristics of controllers in combination with practical work， and then establishes a model by analytic hierarchy process （AHP）. Finally， the model is verified by one hour's data from Beijing Capital International Airport， which can be used to help study the technical characteristics of controllers.

Keywords： controller; technical characteristics; analytic hierarchy process

引言

近年來我国民航事业迅速发展，空域流量越来越大，管制员的压力也越来越大，在压力下如何保持判断准确指挥迅速是管制员面对的难题。目前来说管制工作仍属于在一定规则下的主观活动，不同地区的管制员会根据地形等因素，形成较为固定的指挥风格，研究管制员之间不同的指挥风格，即技术特征，有助于了解管制员在不同情况下做出的决策。

目前对管制员的研究多集中在疲劳、工作负荷等方面。Isabelle在分析了管制员轮班制度、工作时间和工作负荷后，提出了相对应的缓解策略[1]。Oransanu等学者在管制员工作时间对建立疲劳风险管理系统模型的方法和要求做出了讨论[2]。邓娟列举了因管制员疲劳和厌倦而产生的影响飞行安全的实例，同时提出有效的预防措施[3]。孙涛和陈宇结合我国国情，借鉴国外对空管人员疲劳研究的文献和数据，分析了疲劳的因素并提出预防措施[4]。国内外学者对技术特征尚未进行研究，也尚未有明确定义，本文对管制员的技术特征尝试定义，以进近区域为研究范围，并利用模型更加完善地论述。

1 管制员技术特征定义

1.1 不同席位的要求

管制员的席位总体来说可以分为区域、进近和塔台，不同的席位对管制员的要求也不一样，具体如下：

（1）区域管制员

主要工作是指挥飞机在航路上直线飞行，保证航空器之间的间隔，和进近管制员移交时保证航空器在规定的高度层。区域管制员需要对航空器速度进行调控，在航空器需要变换高度时保持一定的上升率和下降率。

（2）进近管制员

主要工作是安排路线，接到区域移交的进场航空器后，要尽快完成航空器的排序，在保证进场航空器之间的间隔的同时，还要调整路线和离场航空器保持足够的安全间隔，以便航空器可以安全有序地进场并移交给塔台。进近管制员需要时刻掌握航空器之间位置的变化，最重要的是完成对进场航空器的排序。

（3）塔台管制员

主要工作是对进离场飞机发放许可，同时引导航空器滑行，了解与本场有关的全国当前的流控状态。

1.2 航行三要素

在实际工作中，管制员是按照一定的行为准则来完成工作的，而管制员的工作就是对航行三要素的应用，航行三要素分为：高度、速度和航向。

（1）高度。高度是反映航空器飞行动态的重要指标，是管制员工作中观察、分析的重要对象，是管制员进行决策和实施指挥的关键参数，为航空器配备不同的合理的高度层、建立垂直间隔，是管制员必须具备的技能。明确高度调整的目的，掌握高度调整的方法是培养这项技能的前提。

（2）速度。航空器的速度是飞行过程中表示其运动特征的重要指标，也是关系飞行安全和效率的关键要素之一。在飞行过程中，航空器采用不同的速度将表现出不同的操作性能，掌握航空器速度的特征。使用方法和时机，是管制员高效、优质地实施管制服务的前提和保障。

（3）航向表明了航空器飞行的方向，是航空器飞行中的重要参数，也是管制员指挥时的重要指标，它对航空器安全、有序的运行起着重要的作用。雷达引导是监视服务中的关键技术之一，它充分体现了监视服务相比程序管制的优势所在[5]。

1.3 定义

根据前文所述，可以将管制员的技术特征定义如下：

管制员的技术特征是管制员在指挥航空器的过程中，在保证安全间隔的前提下，对于高度、速度、雷达引导航向的组合使用，以及使用过程中对航行三要素优先顺序的排列和对间隔的使用。不同的管制员有不同的指挥风格和指挥策略，由此可区分出不同的技术特征。

2 层次分析法

2.1 算法概述

层次分析法（Analytic Hierarchy Process， AHP）是由美国著名运筹学家，匹兹堡大学教授T.L.Saaty在20世纪70年代中期提出。AHP方法是一种多准则预测方法，它把一个复杂的问题表示为有序的递阶层次结构，通过两两比较和计算，对预测方案的优劣进行排序，它具有实用性、系统性和简捷性等优点。使用AHP方法建模分为四个步骤：建立递阶层次结构模型;构造判断矩阵;层次单排序及一致性检验;层次总排序及一致性检验。

2.2 建立递阶层次结构模型

首先把实际问题分解为若干因素，然后按属性的不同把这些因素分成若干组，划分递阶层次结构，一般的结构模型分为三层，分别是目标层、准则层和方案层，对于较复杂的模型，可以在准则层下边增加一层子准则层，以便更好地分析问题。

2.3 构造判断矩阵

判断矩阵中的第一个元素，是位于左上角的元素，它是一个具有向下隶属关系的元素。排列隶属于它的各个元素，判断并确定下层元素的相对重要性。aij的值近似等于元素i的权值除以Wi和元素j的权值Wj，代表第i个因素对第j个元素的相对重要性的估计值。判断矩阵为：

在AHP中使用两两比较的方法判断重要性的估计值，1-9的比例标度意义如表1所示。

2.4 层次单排序及一致性检验

2.4.1 层次单排序

单层次排序是在准则Ck下，对元素A1，A2…An的单排序计算，步骤如下：

（1）求矩阵A的最大特征值？姿max;

（2）利用AW=？姿maxW，求解特征向量W;

（3）将W归一化后即为所求。

2.4.2 一致性检验

完成层次单排序后，还需对矩阵进行检验，看权重值是否合理，检查方法是计算一致性指标CI=（？姿max-n）/（n-1）。为判断矩阵是否具有满意的一致性，还需要判断矩阵的平均随机一致性指标RI，对于1～10判断矩阵，RI值见表2。

当CR=<0.10时，认为判断矩阵具有满意的一致性，否则需要调整判断矩阵，重新分配权重，使之具有满意的一致性。

2.5 层次总排序及一致性检验

2.5.1 层次总排序

利用同一层中所有层次单排序的结果，可计算总排序。

若上一层所有元素A1，A2…Am的总排序完成，权值分别是a1，a2...am，与Ai相应的本层元素B1，B2…Bn单排序结果为b（i=1，2...m），若Bj与Ai无联系时。

2.5.2 一致性检验

为评价层次总排序计算结果的一致性，也需计算与层次单排序相类似的检验量，即：

CI：层次总排序一致性指标;RI：层次总排序随机一致性指标。

其计算公式为：

CIi为与Ai相对应的B层次中判断矩阵的一致性指标。RIi为与Ai相对应的B层次中判断矩阵的随机一致性指标。并取CR=，当CR？燮0.10时，认为层次总排序的结果具有满意的一致性。

2.6 建立模型

（1）建立层次结构模型（图1）

（2）层次排序及检验

赋予第一层权重1、4、5，求得W=（0.6651，0.2311，0.1038）T，检验λ=3.0871，CI=0.0436，CR=0.0751合理;赋予第二层C1对应的权重为1、1/5，求得W=（0.1667，0.8333）T，C2对应的权重为1、1/4，求得W=（0.2，0.8）T，C3对应的权重为1、3，求得W=（0.75，0.25）T，该层检验均为λ=2， CI=0，CR=0合理;第三层D1只对应了一个元素，所以权重是1，W=1，赋予D2对应的权重为1、1/4、1/5，求得W=（0.0964，0.2842，0.6194）T，检验求得λ=3.0866，CI=0.0433，CR=0.0747合理，D3对应的权重为1、1/7，求得W=（0.125，0.875）T，检验λ=2，CI=0，CR=0合理。对D层总排序得到W=（0.1571，0.8170，0.0260）T，检验CI=0， RI=0，CR=0合理;对P层总排序得到W=（0.2390，0.2322，0.5288）T，检验CI=0.0354， RI=0.4739， CR=0.0747合理。

檢验结果认为模型建立完整，权重合理，并且说明管制员在下达指令时，23.9%的可能是调整速度，23.22%的可能是调整高度，52.88%的可能是雷达引导改变航向。

3 算例分析

本文选取北京首都机场某天连续一小时，UTC0：00-1：00（北京时间8：00-9：00）落地的进场数据，统计每两分钟的速度与高度，统计变化率，观察出管制员下达调整速度与高度指令的次数。以其中一架飞机为例见表3。

经统计，这一小时航班中，SC4651调速2次，调高度3次;O36914调速3次，调高度2次;CA1606调速2次，调高度4次;SC4851调速3次，调高度3次;CA1102调速4次，调高度4次;CA822调速1次，调高度2次;CZ6125调速3次，调高度3次;CA1707调速3次，调高度3次。

将实际航迹图与RNAV进场图比较，航空器进场后与管制员联系一次，建立航向道后向管制员报告一次，加上除RNAV外的转弯次数即为得出管制员下达雷达引导指令的次数（图2）。

引言

近年来我国民航事业迅速发展，空域流量越来越大，管制员的压力也越来越大，在压力下如何保持判断准确指挥迅速是管制员面对的难题。目前来说管制工作仍属于在一定规则下的主观活动，不同地区的管制员会根据地形等因素，形成较为固定的指挥风格，研究管制员之间不同的指挥风格，即技术特征，有助于了解管制员在不同情况下做出的决策。

目前对管制员的研究多集中在疲劳、工作负荷等方面。Isabelle在分析了管制员轮班制度、工作时间和工作负荷后，提出了相对应的缓解策略[1]。Oransanu等学者在管制员工作时间对建立疲劳风险管理系统模型的方法和要求做出了讨论[2]。邓娟列举了因管制员疲劳和厌倦而产生的影响飞行安全的实例，同时提出有效的预防措施[3]。孙涛和陈宇结合我国国情，借鉴国外对空管人员疲劳研究的文献和数据，分析了疲劳的因素并提出预防措施[4]。国内外学者对技术特征尚未进行研究，也尚未有明确定义，本文对管制员的技术特征尝试定义，以进近区域为研究范围，并利用模型更加完善地论述。

1 管制员技术特征定义

1.1 不同席位的要求

管制员的席位总体来说可以分为区域、进近和塔台，不同的席位对管制员的要求也不一样，具体如下：

（1）区域管制员

主要工作是指挥飞机在航路上直线飞行，保证航空器之间的间隔，和进近管制员移交时保证航空器在规定的高度层。区域管制员需要对航空器速度进行调控，在航空器需要变换高度时保持一定的上升率和下降率。

（2）进近管制员

主要工作是安排路线，接到区域移交的进场航空器后，要尽快完成航空器的排序，在保证进场航空器之间的间隔的同时，还要调整路线和离场航空器保持足够的安全间隔，以便航空器可以安全有序地进场并移交给塔台。进近管制员需要时刻掌握航空器之间位置的变化，最重要的是完成对进场航空器的排序。

（3）塔台管制员

主要工作是对进离场飞机发放许可，同时引导航空器滑行，了解与本场有关的全国当前的流控状态。

1.2 航行三要素

在实际工作中，管制员是按照一定的行为准则来完成工作的，而管制员的工作就是对航行三要素的应用，航行三要素分为：高度、速度和航向。

（1）高度。高度是反映航空器飞行动态的重要指标，是管制员工作中观察、分析的重要对象，是管制员进行决策和实施指挥的关键参数，为航空器配备不同的合理的高度层、建立垂直间隔，是管制员必须具备的技能。明确高度调整的目的，掌握高度调整的方法是培养这项技能的前提。

（2）速度。航空器的速度是飞行过程中表示其运动特征的重要指标，也是关系飞行安全和效率的关键要素之一。在飞行过程中，航空器采用不同的速度将表现出不同的操作性能，掌握航空器速度的特征。使用方法和时机，是管制员高效、优质地实施管制服务的前提和保障。

（3）航向表明了航空器飞行的方向，是航空器飞行中的重要参数，也是管制员指挥时的重要指标，它对航空器安全、有序的运行起着重要的作用。雷达引导是监视服务中的关键技术之一，它充分体现了监视服务相比程序管制的优势所在[5]。

1.3 定义

根据前文所述，可以将管制员的技术特征定义如下：

管制员的技术特征是管制员在指挥航空器的过程中，在保证安全间隔的前提下，对于高度、速度、雷达引导航向的组合使用，以及使用过程中对航行三要素优先顺序的排列和对间隔的使用。不同的管制员有不同的指挥风格和指挥策略，由此可区分出不同的技术特征。

2 层次分析法

2.1 算法概述

层次分析法（Analytic Hierarchy Process， AHP）是由美国著名运筹学家，匹兹堡大学教授T.L.Saaty在20世纪70年代中期提出。AHP方法是一种多准则预测方法，它把一个复杂的问题表示为有序的递阶层次结构，通过两两比较和计算，对预测方案的优劣进行排序，它具有实用性、系统性和简捷性等优点。使用AHP方法建模分为四个步骤：建立递阶层次结构模型;构造判断矩阵;层次单排序及一致性检验;层次总排序及一致性检验。

2.2 建立递阶层次结构模型

首先把实际问题分解为若干因素，然后按属性的不同把这些因素分成若干组，划分递阶层次结构，一般的结构模型分为三层，分别是目标层、准则层和方案层，对于较复杂的模型，可以在准则层下边增加一层子准则层，以便更好地分析问题。

2.3 构造判断矩阵

判断矩阵中的第一个元素，是位于左上角的元素，它是一个具有向下隶属关系的元素。排列隶属于它的各个元素，判断并确定下层元素的相對重要性。aij的值近似等于元素i的权值除以Wi和元素j的权值Wj，代表第i个因素对第j个元素的相对重要性的估计值。判断矩阵为：

在AHP中使用两两比较的方法判断重要性的估计值，1-9的比例标度意义如表1所示。

2.4 层次单排序及一致性检验

2.4.1 层次单排序

单层次排序是在准则Ck下，对元素A1，A2…An的单排序计算，步骤如下：

（1）求矩阵A的最大特征值？姿max;

（2）利用AW=？姿maxW，求解特征向量W;

（3）将W归一化后即为所求。

2.4.2 一致性检验

完成层次单排序后，还需对矩阵进行检验，看权重值是否合理，检查方法是计算一致性指标CI=（？姿max-n）/（n-1）。为判断矩阵是否具有满意的一致性，还需要判断矩阵的平均随机一致性指标RI，对于1～10判断矩阵，RI值见表2。

2.5 层次总排序及一致性检验

2.5.1 层次总排序

利用同一层中所有层次单排序的结果，可计算总排序。

2.5.2 一致性检验

为评价层次总排序计算结果的一致性，也需计算与层次单排序相类似的检验量，即：

CI：层次总排序一致性指标;RI：层次总排序随机一致性指标。

其计算公式为：            ;

2.6 建立模型

（1）建立层次结构模型（图1）

（2）层次排序及检验

赋予第一层权重1、4、5，求得W=（0.6651，0.2311，0.1038）T，检验λ=3.0871，CI=0.0436，CR=0.0751合理;赋予第二层C1对应的权重为1、1/5，求得W=（0.1667，0.8333）T，C2对应的权重为1、1/4，求得W=（0.2，0.8）T，C3对应的权重为1、3，求得W=（0.75，0.25）T，该层检验均为λ=2， CI=0，CR=0合理;第三层D1只对应了一个元素，所以权重是1，W=1，赋予D2对应的权重为1、1/4、1/5，求得W=（0.0964，0.2842，0.6194）T，检验求得λ=3.0866，CI=0.0433，CR=0.0747合理，D3对应的权重为1、1/7，求得W=（0.125，0.875）T，检验λ=2，CI=0，CR=0合理。对D层总排序得到W=（0.1571，0.8170，0.0260）T，检验CI=0， RI=0，CR=0合理;对P层总排序得到W=（0.2390，0.2322，0.5288）T，检验CI=0.0354， RI=0.4739， CR=0.0747合理。

检验结果认为模型建立完整，权重合理，并且说明管制员在下达指令时，23.9%的可能是调整速度，23.22%的可能是调整高度，52.88%的可能是雷达引导改变航向。

3 算例分析

本文选取北京首都机场某天连续一小时，UTC0：00-1：00（北京时间8：00-9：00）落地的进场数据，统计每两分钟的速度与高度，统计变化率，观察出管制员下达调整速度与高度指令的次数。以其中一架飞机为例见表3。

经统计，这一小时航班中，SC4651調速2次，调高度3次;O36914调速3次，调高度2次;CA1606调速2次，调高度4次;SC4851调速3次，调高度3次;CA1102调速4次，调高度4次;CA822调速1次，调高度2次;CZ6125调速3次，调高度3次;CA1707调速3次，调高度3次。

将实际航迹图与RNAV进场图比较，航空器进场后与管制员联系一次，建立航向道后向管制员报告一次，加上除RNAV外的转弯次数即为得出管制员下达雷达引导指令的次数（图2）。