远程塔台中心模块的部署与优化

董川DONG Chuan；武丁杰WU Ding-jie；刘颖LIU Ying

（中国民用航空飞行学院空中交通管理学院，广汉618307）

0 引言

小型机场对于确保国家交通的平等连接与可达性至关重要，尤其对于新疆这类人口稀少的大片地区来说更是如此，人口密度与航空服务需求直接相关，因此一些小型机场难以盈利。为了保持小型机场的运转，航空业需要找到一种成本效益更高的解决方案。如今，大多数设有航空交通服务的机场都由位于机场内的塔台管制。机场塔台内的航空交通管制员负责为在机场机动区内的所有交通和在机场起落航线上以及正在进入或脱离机场起落航线飞行的所有航空器提供管制服务，包括空中交通管制服务、飞行情报服务以及告警服务。航空器在机场管制区内的起飞和降落、飞行以及在滑行道上的运动都属于塔台管制服务的范围。管制员监视的主要手段是视觉观察与语音通话。在塔台管制中，一次或二次监视雷达（PSR/SSR）和地面活动雷达（SMR）作为监视手段。远程塔台的概念，旨在用摄像机和传感器取代本地塔台，同时提供相同的服务。

21 世纪，远程塔台的运行概念以及技术要求在欧盟发起的欧洲单一天空空中交通管理（Single European Sky ATM Research，SESAR）项目中提出[1]。随后研究人员对远程塔台中心（RTC）的概念进行了各方面研究。Möhlenbrink等人[2]和Papenfuss 等人[3]考虑了新型远程管制环境中的可用性方面。Wittbrodt 等人[4]强调了无线电通信在远程机场交通管制中心中的作用。在远程塔台中心的安全评估中，Meyer 等人[5]提出了功能风险分析，并指出为模型获取可靠的概率值的问题。Oehme 和Schulz-Rueckert[6]提出了一种基于传感器的机场管制解决方案，消除了对能见度条件和塔台位置的依赖。随后Möhlenbrink 等人[7]考虑了远程塔台中心工作组织的各个方面。作者假设了从一个中心控制两个机场的几种方法。通过模拟，他们研究了监视行为如何影响系统设计和行为策略，并就新型工作场所的设计提出了一些想法。Andersson 等人[8]首次考虑将机场交通分配给远程塔台模块，并估计了为瑞典所有29 个运行中的机场提供服务所需远程塔台模块（RTM）数量。国内对于远程塔台的研究起步较晚。张建平等人[9]探讨了欧洲远程塔台运行概念及技术要求以及对于我国远程塔台未来发展的启示。徐国标等人[10]分析了远程塔台相关技术，提出了在我国应用的前与展望，并探讨了增强现实（AR）技术在塔台交通管理中的应用。

2020 年5月，我国首个运输机场远程塔台在新疆成功试运行，标志着我国在远程塔台技术上取得实质性进展。随着我国远程塔台技术的快速发展，对远程塔台的运行模式及方法提出了更高要求。本文将建立远程塔台模块与多个机场流量的关系，将机场流量合理分配到每个远程塔台模块，从而保证机场运行安全并提高机场运行效率。

1 当前空中交通管理系统

现行系统的要点是机场的物理塔台及位于塔内的一个或多个管制员。机场管制可从机场塔台上看到及监察机场的机动区域，以确保机场内外的交通安全及有序运行。塔台管制员负责放行、地面管制、机场进出交通管理和飞行数据处理。在某些情况下，机场管制服务也提供进近管制。同时，机场塔台必须满足一些要求，才能管制飞机在机场及其附近区域运行的飞机[11]：

①塔台必须允许管制员目测他/她所管制的机场部分及其附近区域。

②塔台必须配备设备，为管制员提供与飞机快速可靠的通信。此外，要求规定，管制员必须能够区分在相同或不同的跑道和/或滑行道上运行的飞机和车辆。塔需要足够高，以允许控制器遵守前面提到的要求。

塔台管制员使用许多手段和系统来提供空中交通服务。其中一些是可选的，如地面活动雷达，但最重要和最有区别性的是窗外视图。用于提供空中交通服务的其他系统和工具包括空-地通信（如无线电）、飞行计划和空中交通服务信息处理系统、灯光控制系统（如跑道/滑行道灯）、双筒望远镜、信号光枪等。

2 远程塔台概念

远程塔台技术，是指为偏远地区的低流量中小型机场提供的远程管制服务的一种技术，为单个或多个小型机场从一个遥远的位置由一个单独的管制员提供空中交通管制服务，不过远程塔台技术也可以作为大型机场的应急系统来实现。

如图1 所示，远程塔台中心（RTC）内可以安装独立的管制席位。在图1 所示的远程塔台中心内，还有两个额外的管制席位：一个负责管制的主任席和一个进近管制席位。进近管制服务可以由远程塔台管制模块提供，因此在较大的远程塔台中心，可以合理地将主任席和进近管制席位安装在不同的位置。

图1 RTC 示意图

为了加快机场之间的有效过渡尽，远程塔台模块需要有一个统一的布局。如今，不同的塔台之间的布局或人机界面是不同的。而远程塔台模块内的统一人机界面布局将无需更改管制员工作位置，或要求管制员在特定机场取得特定人机界面的许可证。

从技术上讲，一个模块可以同时对无限多个机场进行可视化重现。但根据目前为止的理论研究，一个远程塔台模块可以同时处理最多三个机场[12]。模块中提供给管制员的的窗外视图是使用摄像机和传感器实现实际视图的再现。根据远程塔台中心离机场的距离，数据和视频传输会有一些延迟，但这个延迟通常不超过1 秒[13]。每一个机场都安装有摄像头，如果其中一个或多个摄像头显示了虚假的图像或显示了无图，窗外视图监视将失效。此时如果机场没有其他监察设备，有关服务会大幅减少甚至终止。这与在普通机场其他类型的设备故障或当目视飞行规则不能使用时没有区别，机场将采用应急计划解决问题。

远程塔台中心的最大优点是运营成本低，远程空中交通服务设施的维护成本降低，能够长期运行，并降低人员配备和培训/再培训成本。远程塔台中心的实现还将大大降低对机场塔台和基础设施的运营和维护要求，从而进一步节省成本。

3 远程塔台模块分配问题

远程塔台分配问题是将机场分配给远程塔台模块，使提供远程空中交通服务所需的模块数量最小化。该问题需要考虑机场的运行时间和运行情况，同时根据给定的约束条件找到最佳组合。

3.1 假设和约束

出于本文的目的，远程塔台的概念及其所有组件都被认为是可用并且可实现。整个远程塔台系统被认为是正常运转且不会出现技术问题，同时仅根据机场交通密度来决定给哪些机场提供远程管制服务。

并且为了保证远程塔台中心人员操作的安全和效率，有以下约束：

①分配给一个远程塔台模块的最大机场数量的默认值设置为两个。由专家及一线远程塔台管制员得知，当超过三个机场被分配到一个模块时，可能会出现视觉呈现和视图之间切换的问题。但是，从理论上讲一个远程塔台模块可以控制更多的机场。

②每小时可分配给一个远程塔台模块的最大移动数设置为11。该假设为一个模块中的一个管制员可以处理的移动总数设置了一个上限，该模块代表了远程塔台管制员的可管理工作负载。这个约束是初步的，进一步的研究将根据管制员工作量的真实情况来约束。

③我们的目标是检测和避免潜在的冲突情况。因此我们把一个冲突看作是在一个模块中5 分钟内安排的三次以上的运动。

④在此模型中，我们假设在考虑的机场中除了预定的航班计划外没有其他的移动。

⑤我们研究远程塔台管制中心中单个管制员的工作，仅考虑远程塔台模块中管制员理想化工作状态，不考虑其他可能会占用管制员注意力的事件。

在实际运行中输入的数据会与约束2 相冲突，为了建模的目的我们将冲突的移动数优化为11。

3.2 建立模型

模型利用混合整数规划（MIP）方法建立，输入数据为新疆阿克苏机场、库尔勒机场、且末机场等五个小型机场一天的机场数据，包括机场的开放时间以及计划到达和离开的航班等。我们用某段时间内发生的移动次数来量化交通总量。在考虑实际管制约束条件下，输出将机场流量以最优方式分配给远程塔台模块。同时通过用各时段内航班移动次数来量化总交通量。

3.3 符号

A=机场集合；

Amovj，k=K 时段在机场j 的移动次数；

dl，m，k=k 时段模块m 与模块l 工作负荷之间的差异；

MA=每个远程塔式模块最大机场数量；

Mmov=每时段每个远程塔式模块最大移动次数；

movi，j，k=k 时段在机场j 上远程塔模块i 处理的移动次数；

Oj，k=如果在k 时段机场j 开放，则等于1，否则为0；

P=时段集合；

p=时段数量；

periodi，j，k=如果在k 时段将机场j 分配给远程塔式模块i，则为1，否则为0；

R=远程塔台模块集合；

ADij=如果机场j 分配给RTMi则为1，否则为0；

RTMi，k=如果在k 时段使用远程塔式模块i，则为1，否则为0；

switchi，j，k=如果periodi，j，k等于periodi，j，k+1，则为0，否则为1。

3.4 约束条件

对机场数量的限制和每个时段内每个远程塔台模块的航班移动数量限制如下约束所示：

其中式（1）和式（2）分别表示每个时间段内每个模块的移动总数和每个时间段内分配给每个远程塔台模块的机场数量的限制。式（3）和式（4）确保每个机场在任意时间只分配给一个远程塔台模块。式（5）和式（6）保证在所有时间内处理所有飞行流量。式约束（7）保证覆盖所有机场的所有开放时间。

3.5 目标函数

3.5.1 最多分配两个机场给一个RTM

为了确保以最高的效率使用远程塔台，减少使用的模块数量，降低设备、维护和人力资源的成本。希望将给定的机场分配给尽可能少的远程塔台模块：

3.5.2 平衡各模块之间的工作量

由于需要使各模块之间的工作量等量分配，以平衡管制人员的调动，保证尽可能公平地分配管制总工作量，引入变量dlmk作为工作负荷的差异。此变量忽略了管制员心理负荷等因素，仅使用飞行动作来衡量管制员工作量。因此，引入以下不等式：

若使管制人员工作负荷差异最小，则有以下目标函数：

3.5.3 最小化机场在RTM 间分配切换

上述模型允许机场在任何时段再分配到其他远程塔台模块，这样的切换会导致管制员工作环境频繁变化，从而产生额外的工作负荷。因此，在机场分配到远程塔台模块时要尽可能使再分配的次数最小化。为此，引入变量switchi，j，k，在第k 和k+1 期间，当机场j 对模块i 分配的值相同时为0，否则为1。另有变量si，j，k，其中si，j，k=periodi，j，k+1-periodi，j，k，并添加等式（11）和（12）来定义switchi，j，k：

目标函数：

4 结果分析

4.1 最多分配两个机场给一个RTM

图2 机场数量上限为2 时每个RTM 的机场分配方案

图3 三个运行模块之间工作量分配

由于一个管制员在远程塔台模块监视多个机场时会有不同程度的的视觉切换和情景意识切换的问题，导致管制员的工作负荷的增加，因此引入初始假设（约束1），最多将两个机场同时分配给一个远程塔台模块，使MA=2，结合目标函数（8），结果如图2、图3 所示。图2 表格给出了机场中航班每小时移动次数，蓝色单元格对应模块1，绿色单元格对应模块2，黄色单元格对应模块3。图3 也使用相同的颜色，表示每小时分配给三个模块的总交通量。

4.2 平衡RTM 间工作负荷

由3.3.1 可知在同一时间段内每个模块处理的交通量并不均衡，但是在实际工作中管制员之间的工作应当尽可能的均衡分配以提高工作效率。因此利用目标函数（10）与基本模型和附加约束（9）最小化不平衡分配，得到了如图4 和图5 所示的分配情况。从图中我们可以看出各个模块间的工作量分布较为均衡，在每个时段内三个模块的工作量相差很小。但是这种均衡的分配是以增加远程塔台模块的数量为代价，例如第15 小时内模块3 使用的次数增加为两次，同时交通流在模块间的分配的切换次数显然增加。

图4 工作量最均衡时机场分配到RTM 方案

图5 三个运行模块之间工作量分配

4.3 最小化机场在RTM 间分配切换

在实际运行中避免频繁的切换远程塔台模块会带来管制任务交接的安全问题并造成复杂的交通问题。因此由目标函数（12）与附加约束（11）我们得到了图6 和图7 所示的切换次数最少的解决方案。但是通过这个结果我们可以看出每个机场全天都被分配到同一个模块，而这样的分配又使远程塔台模块间的工作负荷失去了平衡。所以在实际运行中应合理考虑各项目标的权重综合运行。

图6 在转换次数最少时机场分配到RTM 方案

图7 三个运行模块之间工作量分配

5 结束语

本文对如何将多个机场以最佳方式分配到远程塔台模块进行研究，总结了一种实现机场与远程塔台模块合理分配的模型，并且根据实际运行情况提出了反映安全运行要求的几个约束条件，以及三个优化目标：使用远程塔台模块运行的数量最小、平衡模块之间的负荷和最小化模块切换次数。针对这三个目标，以新疆五个小型机场为例模拟了远程塔台运行的三种方案并结合管制员工作量进行分析，为今后我国远程塔台技术的“一对多”“多对多”模式的发展提供理论支撑。