区域管制系统运行效率影响因素排序研究

赵玉环，曹兴武，崔子洋，张兆宁

（1.中国民航大学 a.理学院；b.空中交通管理学院，天津 300300；2.国家空域管理中心，北京 100094）

区域管制系统在航路上为航空器飞行提供管制服务，其运行效率影响着航路上民航运输的安全和效率。科学分析区域管制系统运行效率的影响因素，找出影响运行效率的关键因素并给出影响性的顺序，对于研究如何提高区域管制系统的运行效率，降低航班延误具有重要意义。

国外学者针对区域管制系统运行效率影响因素的研究较少，主要从整个管制系统出发研究管制系统的运行效率。Aricò等[1]运用神经计量学对管制系统中一些最重要的人为因素需求进行了研究，认为管制系统是由管制员、无线电通信设备、雷达显示设备以及环境组成的一个复杂系统，管制员的能力限制和空管设备的设计会对管制系统的运行效率产生影响。Baier等[2]认为在空中交通管制中，三维空间中的事件必须以安全和效率的双重目标来管理，而在实际工作中通常是用二维空间和数字信息表示这些事件的空间状态，这导致管制员的精神负担非常重，因此，提出了空中交通管制三维空间的实验工作模型，并验证了该模型可以降低管制员的心理负荷、提高管制系统的运行效率。Blucher等[3]提出了偏离增强规划、跑道/滑行道分配系统、在较高的飞行高度改变空中流量分配（AFD，air flow distribution）规则、会合跑道配置4个概念，其中在高空管制空域实施改变AFD规则可提高航路的容量，进而提高管制系统的运行效率。Reynolds等[4]提出了一种基于经典故障检测技术的一致性监测方法，该方法可对来自不同监视系统的飞行数据进行监测，确定飞机是否遵守其指定的管制许可，以保证管制系统的运行效率。

在国内，赵汝斌[5]从空域资源系统、空域用户系统和空中交通管理系统3方面对空域系统运行效率进行了评估，而在选取空中交通管理系统评估指标时，其考虑了包含人员、规则、技术和设备在内的空中交通流量管理、空域管理以及空中交通服务等因素的影响。杜实等[6]对区域管制系统运行效率进行了研究，构建了区域管制系统运行效率评估模型，在建模过程中，考虑了高度层使用、空域结构复杂性、实际运行航段长度以及实际空域内终端区数量等因素的影响。罗冠中[7]运用“人-机-环-管”工程系统理论对空管运行效率的影响因素进行了分析，其认为人、机、环是影响空管运行效率的直接因素，管理则属于间接因素。其中人为因素是影响空管运行效率水平的核心因素，设备因素从硬件上直接影响空管运行效率的发挥，空管环境通过影响空域的灵活使用程度和空域或航路航线的可使用状态，从而影响空管的运行效率。

以往学者大都是对空管运行效率影响因素进行定性分析，缺乏对影响因素的影响程度进行定量分析。在定量计算各影响因素的影响程度时，排序指标往往具有模糊性和不确定性，难以科学准确地测量数值大小，同时传统排序方法过于单一，具有很大的局限性。因此，根据区域管制系统的运行过程，运用“人-机-环-管”的系统思想给出区域管制系统运行效率的影响因素，选取航路飞行延误时间、航路飞行流量减少架次、扇区内飞机的滞留数量、单位时间内航班移交架次等指标，以直觉三角模糊数描述各影响因素，解决了排序指标的模糊性和不确定性，结合TOPSIS法和矢量投影方法，引进基于直觉三角模糊数的逼近于理想灰关联投影思想建立排序模型对各因素的影响程度进行排序。

1 区域管制系统运行效率影响因素

区域管制系统是空管系统的子系统。其主要工作内容包括：负责航路放行许可的批准；与相邻的管制单位进行协调；对管制扇区内的航空器进行雷达识别，监控航空器的飞行状态，包括处理飞行员发来的请求、预测航路网中潜在的飞行冲突、合理地发布指令解决飞行冲突、处理流控、天气等突发情况。区域管制系统的运行过程如图1所示。

图1 区域管制系统运行过程Fig.1 Operational process of area control system

区域管制系统的运行效率没有统一的定义，这里是指在保证管制航空器安全飞行的条件下，使空中交通流处于畅通运行的程度。根据区域管制系统的运行过程，运用“人-机-环-管”系统工程理论给出区域管制系统运行效率的影响因素。

1）人 区域管制系统决策与控制的主体，是影响系统运行效率的主因素。在区域管制系统中，人包括代班主任、区域管制员、飞行情报员。其心理素质、工作负荷、工作经验、责任意识、英语等级、管制技能等因素会相互影响，共同决定了“人”的状况，进而影响区域管制系统的运行效率。

2）机 管制工作中用到的硬件设备和软件系统；硬件设备主要包括雷达、陆空通话系统、导航台、监视仪表等；软件平台包括工作系统平台、工作记录相关软件、情报信息系统等。其影响区域管制系统运行效率的因素有硬件设备的自动化程度、可靠性和软件系统的稳定性。

3）环 管制员的工作环境和空域环境。管制员的工作环境主要包含环境舒适度、班组安排满意度、工作待遇满意度以及管制员之间人际关系的和谐程度等影响因素。空域环境主要涉及区域流量情况、高度层使用、空域范围内终端区的数量、恶劣天气、军事活动等因素。

4）管 区域管制系统中的管理因素，主要包括管理机构、运行机制、运行程序。其主要涉及组织机构管理、文件记录管理、班组资源管理、工作流程管理等因素。

根据以上分析给出的主要影响因素，利用系统运行过程方法，根据区域管制系统具体运行过程所涉及的人、机、环、管的主要因素给出二级因素指标如表1所示。

表1 区域管制系统运行效率影响因素集合Tab.1 Influencing factor set of area control system operation efficiency

2 影响因素排序模型建立

为了定量衡量各因素的影响程度，引入直觉三角模糊数理论，并结合TOPSIS法和矢量投影法建立影响因素排序模型，其基本思想是运用直觉三角模糊数描述各个影响因素的模糊程度，利用TOPSIS法计算每个因素与正理想解和负理想解的距离，运用矢量投影法将模（距离的大小）与矢量间夹角余弦值综合起来计算矢量之间的接近程度，最后根据接近程度的大小来对影响因素进行排序。

2.1 指标取值

测量各因素对区域管制系统运行效率的影响程度，实际上是测量其对运行效率评价指标影响的大小。按照区域管制系统运行效率的定义，表征空中交通流快速性的指标选用航路飞行的延误时间，表征空中交通流流畅性的指标选用扇区内飞机的滞留数量。从区域管制系统的运行中间过程出发，选取单位时间管制区航班移交架次（进入管制区时移交架次和飞出管制区时移交架次之和）反映区域管制系统的管制移交效率，选取航路流量反映管制系统的保障能力。

为了全面测量各因素对运行效率评价指标的影响程度，使排序结果更加科学可靠，选取区域管制系统中的航路飞行延误时间u1、航路飞行流量减少架次u2、扇区内飞机的滞留数量u3以及单位时间管制区航班移交架次u44个度量指标对影响因素进行测量。按照文献[8-9]中三角模糊数的计算公式，对于选定区域管制系统实际运行各度量指标的历史数据的统计分析，给出三角模糊数数值表如表2～表5所示。

表2 航路飞行延误时间的三角模糊数Tab.2 Triangular fuzzy number of flight delay time

表3 航路飞行流量减少架次的三角模糊数Tab.3 Triangular fuzzy number of flight flow reduction

表4 扇区内飞机滞留数量的三角模糊数Tab.4 Triangular fuzzy number of stranded aircraft amount

2.2 基于直觉三角模糊数的影响因素排序模型

设 X={x1，x2，…，x21}为待排序影响因素构成的影响因素集，U={u1，u2，u3，u4}为度量指标构成的属性集，ω =[ω1，ω2，ω3，ω4] 为各属性权重构成的权重向量，且。影响因素xi在属性uj下的属性值为直觉三角模糊数，即

表5 单位时间管制区航班移交架次的三角模糊数Tab.5 Triangularfuzzynumberforareacontrolhandoverinunittime

其中：i=1，2，…，21；j=1，2，3，4；uj（xi）与vj（xi）分别表示影响因素xi在属性uj下的高影响程度和低影响程度，0≤uj（xi）≤1，0≤vj（xi）≤1，uj（xi）+vj（xi）≤1。

基于直觉三角模糊数的逼近于理想灰关联投影的影响因素排序步骤[8-9]如下。

1）从造成航路飞行延误时间、航路飞行流量减少架次、扇区内飞机的滞留数量、单位时间管制区航班移交架次给出各影响因素的三角模糊数，得到原始排序决策矩阵

其中：m=21，n=4。

其中，l=1，2，3。

3）构造正、负理想影响因素。正影响因素是假想对区域管制系统运行效率影响程度最大的因素，负理想因素是假想对区域管制系统运行效率影响程度最小的因素。根据区域管制系统的运行效率影响因素，选取个数为4，则正理想影响因素，由待排序影响因素中各度量指标的最优值构成，其中最优解在度量指标uj下相对于最大模糊数的隶属度为1，非隶属度为0，可表示为

4）建立灰关联决策矩阵。考虑各待排序影响因素数列与参考数列（正、负理想影响数列）对应元素之差的绝对值，也就是对应元素之间的Hamming距离Δij。首先计算正理想影响因素数列的参考数列，即

因此，待排序影响因素各属性相对于正理想影响因素的灰关联系数[10]可表示为

其中，ρ为分辨系数，其作用在于调整比较环境的大小，一般取值为0.5。正理想影响因素各度量指标值相对于自身的灰关联系数应该为1。于是可以构造（m+1）×n个灰关联系数构成的正理想灰关联决策矩阵为

类似地，同样可构造出负理想灰关联决策矩阵

矩阵元素中

5）构造正理想加权灰关联决策矩阵[10]W+与负理想加权灰关联决策矩阵W-。设权向量为ω，则

根据式（12）可知，当 θi变小，则 γi变大，这时待排序影响因素Ai就越接近于理想影响因素A*。计算待排序影响因素Ai的模为

因此待排序影响因素Ai与理想影响因素A*间的贴近程度，即正、负灰关联投影值可计算为

7）计算待排序影响因素的灰关联投影系数Ei。灰关联投影系数Ei可以表征待排序影响因素Ai接近正理想影响因素、远离负理想影响因素的影响程度，可表示为

8）按照公式计算出所有的灰关联投影系数Ei，按值由大到小进行排序，值越大，影响因素的影响也越大。

3 算例分析

选取华东区域管制中心为研究对象，对应第1节分析出的21个影响因素，采集某周内航路飞行延误时间、航路飞行流量减少架次、扇区内飞机的滞留数量及单位时间管制区航班移交架次等数据来考虑各因素对运行效率度量指标影响程度，并根据2.1节度量指标的三角模糊数数值表，得到21个因素的直觉三角模糊数，即原始决策矩阵为

运用层次分析法求得4个评价指标权重向量为

正理想影响因素可表示为

负理想影响因素可表示为

求得的灰关联系数构成的正、负灰关联矩阵如下

运用式（14）、（15）计算得出算例的各影响因素的正、负灰联投影值及灰关联投影系数，进而计算出各影响因素的排序指标值、排序结果如表6所示。

通过对各影响因素进行定量分析，按照对区域管制系统运行效率的影响大小由高到低排序，排序结果居于前十的影响因素为：恶劣天气、军事活动、管制技能、心理素质、工作负荷、自动化程度、高度层的使用、可靠性、稳定性、工作流程管理。对于排序结果靠前的影响因素应该给与更多关注，在对区域管制系统运行效率进行控制时应优先考虑。

表6 运行效率影响因素排序指标值及排序结果Fig.6 Sorting index value and sorting result of operation efficiency influencing factors

针对排序结果居于前10位的影响因素，给出控制措施如下。

1）人员因素 管制单位应建立完善的培训机制，在管制员入岗前进行严格的入职培训，通过考核后再允许管制员入职上岗，同时定期对老管制员进行复训考核，对于不通过者进行降级处理，同时对管制员有针对性地开展抗压训练，并请有经验的管制员进行心理辅导，提高管制员的心理素质。对于交通流量较大的扇区应设置多个管制席位，以分担管制员的工作负荷。

2）设备因素 在选择软件的编写语言、用户操作界面、调试运行环境的过程中，建议以人的操作习惯为原则来开发软件，使管制员拥有一个良好的运行环境。另外，应该有一个专业的设备维护团队，不定期的对空管设备进行检修与维护保障设备良好的可用性。

3）环境因素 提前对恶劣天气的动态进行预判，及早制定改航路径；加强与军方的沟通协调，及时掌握军事活动的动向，开设临时航线绕飞军事活动区域。

4）管理因素 加强工作监督检查力度，规范管制工作流程，建立相应的激励与约束机制，提高区域管制员的工作热情。

4 结语

从区域管制系统的运行过程出发，运用“人-机-环-管”系统工程理论对影响区域管制系统运行效率的因素进行了分析，应用直觉三角模糊数排序模型对影响因素进行了排序，并通过算例验证了该模型的合理性和可行性。基于直觉三角模糊数排序模型综合了灰色关联分析法、TOPSIS法和矢量投影法的优点，避免了单一排序方法的局限性，同时可以更灵活地解决度量指标的模糊性和不确定性问题。