（交通运输规划与管理专业论文）管制员工作负荷评估方法研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 随着空中交通流量的增加，管制员工作负荷也随之增大。管制员的工作负荷 已经发展成为制约扇区容量的最重要的因素之一。 本文首先从理论和实际应用两 个方面针对管制员工作负荷评估及基于管制员工作负荷的扇区容量评估问题进 行研究，并运用动态密度模型预测管制员工作负荷的变化。概述了中国民航的发 展现状，介绍了国内外管制员工作负荷的研究状况，分析了影响管制员工作负荷 的主要因素并对已有的工作负荷分类方法做了详细研究， 在此基础上建立了新的 管制员工作负荷模型，并提出了评估工作负荷的方法和评估流程。然后论文详细 介绍了动态密度模型，并结合扇区的各交通因素，运用动态密度模型对管制员工 作负荷变化预测分析。接着以上海地区进近空域 01 号扇区为背景，针对该扇区 的具体特点，进行管制员工作负荷的评估及扇区容量评估，使用主观权值及客观 权值计算动态密度并把计算结果与管制员工作负荷对比， 然后使用相关系数判断 动态密度与实际管制员工作负荷变化情况的相关性。 本文还介绍了管制员工作负 荷评估的计算机实现方法与实现技术。 最后对论文的成果进行了总结并对管制员 工作负荷评估问题及相关问题进行了展望。 关键词：关键词：管制员，工作负荷，工作分类，动态密度，容量评估，评估方法 . 管制员工作负荷评估方法研究 ii abstract according with the airspace flow increasing, the workload of air traffic controllers is also rising, and has become one of the most important factors which restrict the sector capacity. the workload of air traffic controllers and capacity evaluation based on workload are deeply analyzed from the aspects of theory and practice. and use dynamic model to predict the change of air traffic controllers workload. first of all, the development of air transportation in china is introduced, then the current situation of study on workload is construed. after that, the factors impact the workload of atcs and its classification are discussed, and specific new method of evaluating the workload of atcs is implemented. then, dynamic density model is introduced in details and combined with traffic factors, it is been used to forecast the change of the workload. after this, based on the developed model associated with the characteristics of shanghai airspace no.1 sector, according to the workload evaluation model, the idiographic capacity evaluation method of sector is introduced and is validated by an instance, and use subjective weight and objective weight dynamic density method to forecast the change of atcs workload, then the pearson correlation coefficient r is used to analyze the correlation between dynamic density and workload. the workload evaluation system is introduced and used to evaluate workload and dynamic density. finally, the further work on the research of workload of air traffic controllers and capacity evaluation are pointed out. keywords ： controller, workload, workload classification, dynamic density, capacity evaluation, evaluation method 管制员工作负荷评估方法研究 vi 图表清单 图 3.1 次数统计所需数据.21 图 3.2 进入扇区流量统计图.22 图 3.3 离开扇区流量统计图.23 图 3.4 扇区内流量统计图.24 图 3.5 航路点统计与预测图.26 图 3.6 扇区内航空器高度、速度、航向统计图.27 图 3.7 扇区内航路点冲突统计.29 图 4.1 工作负荷、相同权值动态密度变化图.36 图 4.2 工作负荷、客观权值动态密度变化图.37 图 4.3 工作负荷、主观权值动态密度变化图.37 图 4.4 工作负荷变化图.41 图 4.5 飞机架次变化图.41 图 4.6 工作负荷与飞机架次.42 图 4.7 工作负荷与飞机架次拟合结果.43 图 5.1 系统结构图.45 图 5.2 系统流程图.46 图 5.3 时间统计界面.48 图 5.4 权值、次数统计界面.49 图 5.5 工作负荷统计结果及比较界面.50 图 5.6 动态密度统计结果界面.51 图 5.7 常用空管指令查询.52 表 3.1 交通复杂因素利克特量表.17 表 4.1 工作负荷权值统计表.40 表 5.1 变量表.47 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件， 允 许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 前言 在我国 gdp 长期稳定增长的背景下，民航运输业一直保持较高的增长率。 从 1990 年至 2003 年,gdp 年复合增长率为 9.67%，而同期我国民航旅客运输量、 货邮运输量年复合增长率分别为 13.65%和 14.66%，均高于 gdp 的复合增长率。 另外,与其他运输方式相比，民航业也显示了较高的增长率。从 1991 年至 2002 年，民航旅客运输量年复合增长率为 13.29%；民航货邮运输量年复合增长率为 14.58%1。2006 年，中国民航生产效益显著增长，预计全年全行业累计完成运输 总周转量、旅客运输量和货邮运输量可分别达到 302 亿吨公里、1.6 亿人和 342 万吨，分别比 2005 年增长 15.7%、15.9%、何 11.5%。 此外，中国民航在世界民航业中的排位稳步提高。运输总周转量保持了年均 17%的发展速度。2003 年，全国共有民用运输机 640 架，民用机场 143 个，班机 航线 1155 条，通航城市 125 个，通航国家（地区）32 个，全年共实现运输总周 转量 170.8 亿吨公里、旅客运输量 8759 万人，总周转量居世界第五位。2003 年 有 6 至 7 家机场吞吐量突破 1000 万人次，其中首都机场旅客吞吐量突破 3107 人次，成为亚洲最繁忙空港并跻身世界特别繁忙机场。截至 2005 年底，全行业 运输飞机总数 863 架，其中客机 835 架，比 2004 年增长 15.2%，2000 年至 2005 年五年平均增长 11.5%。目前，首都机场的航班日平均起降已达 800 余架次，继 北京、上海、广州、成都、西安等地区之后，新的飞行热点地区正在全国范围内 悄然形成。根据预测，到 2020 年，我国航空运输总周转量将跨入世界前三位。 这必将对空域资源的开发利用、 飞行流量的管理和空管服务保障能力等提出新的 更高的需求。 航空运输量的快速增长客观上要求我国民用航空的建设和管理与之相适应。 而我国目前航空运输流量分布很不均衡。目前，民航旅客吞吐量的 95.3%集中在 43 个主要机场，其中北京、上海和广州三大城市机场旅客吞吐量占全部旅客吞 吐量得 39.6%。随着旅客吞吐量和飞行运行总架次的日益增长，使我国空中交通 系统面临着越来越严重的航线拥挤；此外，恶劣天气、导航设备故障也必然导致 空域容量资源严重不足。因此，尽管我国的空中交通流量与发达国家相差甚远， 但空中交通的拥挤状况亦相当严重，并因此引起大量的航班延误，造成巨大的经 济损失，而且埋下了事故的隐患2。 由于上述空中交通现状存在，管制员在其管辖空域内的飞机数量越来越多， 使得管制员工作负荷在不断增加。在我国的某些繁忙机场和空域，管制工作的工 管制员工作负荷评估方法研究 2 作量之大时常超出管制员所能承受的能力范围， 对飞行安全带来不利影响。 因此， 正确的评估管制员工作负荷的大小， 根据管制员工作负荷合理安排区域内航班流 量和管制员的工作时间，使航班流量与管制员工作负荷相平衡，减少空中交通流 量不断给管制员增加带来的空域承受压力，保证飞行的安全性变得非常必要。 1.2 国内外研究概况 在管制工作负荷和容量评估方面，近些年来，国内外学者进行了一些理论研 究和系统开发，取得了一些成果。从所掌握文献来看，研究情况如下。 1.2.1 国外管制员工作负荷评估发展概况 1978 年， d.k.schmidt3提出了用排队论方法分析管制员工作负荷， 讨论了管 制员对例行事件的处理时间以及扇区的交通流量与航班延误之间的关系；1979 年，a.robertson4等人在美国航空管理局（faa）文档中对管制员工作负荷模型 有效性给出论证；1993 年，日本电子导航研究所的 noriyasu tofukuji56教授对 日本东京机场进行了调查和统计分析，根据在交通繁忙的情况下，管制员工作的 完成情况来判断容量极限是否达到，从而推算出终端区管制扇区的实际最大容 量；1989 年，reaux，r.a.7等提出建立模型和评估工具（预测管制员分析模型 patcam），预测管制员工作负荷。整套模型包括管制员行为模型、扇区环境 模型和工作负荷模型等；1999 年，在国际空管第 44 届技术和展览年会上，澳大 利亚的 ambidji8小组推出测量 atc 工作负荷的工具， 该软件工具可以设计扇区 大小和确定扇区容量，实现空域和扇区的优化；2001 年,manning,c.a.9等推出了 power 软件，该软件可以运用空域系统和系统分析记录的数据对管制员工作负 荷和绩效进行客观的测量， 同时并将扇区划分和优化与管制员工作负荷和绩效相 结合；2002 年，majumdar, a. 和 w.y. ochieng10对管制员工作负荷进行了复合 评估；2003 年，danile cloarec11等人在实时的主观工作负荷和各种交通情况下 提供定量的工作负荷尺度的基础上建立管制员工作负荷模型，即 rams 模型。 1.2.2 国内管制员工作负荷评估发展概况 国内在管制员的工作负荷及空域规划方面的研究开展相对较晚。工作负荷方 面的研究，主要是在人为因素方面的研究涉及管制员工作负荷，进行有关探讨。 韩松臣12等针对广州管制区， 对于管制员工作负荷进行定量统计， 采用国际上较 为成熟的 doratask 主观容量评估方法，进行扇区容量评估实验；2003 年， 邢诒吉13采用修改的 mbb 方法，评估扇区内管制员管制一架飞机的工作负荷， 用总的滞留时间除以单架航空器的管制负荷来得到扇区的容量。2004 年万莉莉 14，2005 年张蕾采用对管制员工作内容进行分类的方法，评估每个扇区内管制 南京航空航天大学硕士学位论文 3 员的工作负荷， 用最繁忙时段的管制员工作负荷值所对应的航空器数量得到扇区 的容量。 1.2.3 容量评估研究概况 国外方面：关于容量评估的问题，在航空业发达的地区和国家，例如欧洲和 美国，该方面的研究工作早在 60 年代就已经开始了，并取得了很多的研究成果。 研究范围从单一的跑道容量模型发展到区域容量模型。1979 年，bowen 和 pearcelf16最早提出了单一跑道容量模型，其后 blumstein、newell 等人相继完善 该模型17； 1966 年， graphical airspace design environment(grade)以及 simmod plus 软件对空域从机场到航路进行设计评估和分析18； 对于空域容量问题的研究 相对较晚；1970 年,gene 和 marner 首次将针对跑道的容量概念扩充到终端区和 航路上19； 1981 年,milan janic 和 vojin tosic 进一步的对该问题进行了研究20。 现在西方国家已经在这些理论研究的基础上开发出相对较完善的空域评估及仿 真系统；1997 年，eric r. hughes 等人开发的 facelift fy97 是针对空域的自 由飞行 （free flight） 进行评估21； 1998 年， 欧洲控制实验中心 （eurocontrol experimental centre (eec)）根据 deutsche flugsicherung gmbh（dfs）的要求对 德国基于区域导航（rnav）的空域进行评估22。可以说，西方国家对空域容量 问题进行了大量的研究，其评估和仿真系统也趋于进一步发展和完善。 国内方面：容量评估的研究由南京航空航天大学民航学院率先开展，经过几 年的工作，在理论和应用方面取得重要成果。1999 年，胡明华教授和刘松等人 针对跑道容量估计进行了系统深入的研究23；1999 年，张志龙等人进行了终端 区容量的模型研究，通过建立仿真模型考虑了影响空管系统容量的诸多因素；建 立了航路（航段）交叉点容量估计模型，分析了不同的流量分配方案及机型混杂 比对交叉点容量的影响，建立了终端区空域的容量估计模型，并用网络流理论分 析了终端区的容量，研究了走廊口的流量分配、交通流特征、空域结构、间隔规 则对终端区容量的影响，较好的解决了空域主观容量的评估问题24；2003 年， 杜骏、 黄卫芳等人使用仿真的方法对机场终端区容量估计问题进行了更系统的研 究，针对空域、航路结构等限制讨论了终端区空域容量。取得的成果已经应用于 上海虹桥国际机场和北京首都国际机场的容量评估25。 1.3 本文主要研究内容 本文从理论和实际应用两个方面针对管制员工作负荷进行评估，并且针对基 于管制员工作负荷的扇区容量评估问题进行研究， 首先在已有管制员工作负荷评 估模型基础上进行管制员工作的分类，然后提出评估工作负荷的方法和评估流 程，并结合上海空域数据进行评估。分析和介绍了动态密度模型，并结合动态密 管制员工作负荷评估方法研究 4 度模型预测管制员工作负荷的变化。 具体内容安排如下： 第二章详细分析管制员工作负荷的定义及影响因素，对管制员工作负荷进行 分类并建立管制员工作负荷的模型。针对动态密度进行详细分析，并建立了动态 密度的模型。 第三章详细分析了动态密度主观权值、客观权值以及管制员工组负荷权值的 定义及统计方法。 第四章基于动态密度模型及管制员工作负荷模型进行管制员工作负荷、动态 密度评估，并以管制员工作负荷评估的结果进行扇区容量评估。 第五章介绍了管制员工组负荷及动态密度评估的计算机实现过程。 最后，对所做的工作进行总结以及对管制员工作负荷进一步研究的展望。 南京航空航天大学硕士学位论文 5 第二章 管制员工作负荷及动态密度模型 2.1 管制员工作负荷的定义 虽然有很多不同的方法用于评估管制员的工作负荷，但是对管制员工作负荷 却没有一个统一的定义。管制员工作负荷概念在不同的文献中有不同的定义，其 中比较著名的是 wiener 和 nagel 26对工作负荷给出的定义：工作负荷是指对于 加在管制员身上的客观任务需求，管制员为满足这些需求所作的客观上的努力， 他的工作表现，他的生理心理的状态，以及他对所消耗的努力的主观上的感知。 管制员职责是通过雷达、卫星和地面管制设备等来了解航空器的位置与状 态，并通过无线电通讯设备来指挥航空器、支配航空器的飞行，并为飞行员提供 资料和必要的帮助从而协助飞行员保证航空器在飞行中一切活动安全、迅速、有 效执行。管制员工作内容主要包括： ? 指挥航空器的滑行、起飞、降落和空域飞行； ? 维持航空器飞行的安全间隔； ? 为飞行员提供有关气象、飞行活动和航行情报； ? 协助飞行员确保航空器安全、快速及有效的飞行。 从上述管制员的功能和工作内容来看，本文把管制员工作负荷理解为：由于 空域内航空器的飞行对管制员形成了客观任务的需求， 管制员为满足这些需求必 须承受身体上和精神上的压力，这些压力可以转化为一个时间上的消耗，通过时 间消耗来缓解承受到的压力和完成客观任务的要求， 这个时间消耗的长短就是管 制员工作负荷的大小。 2.2 管制员工作负荷的分析 工作负荷可分为可观察的（客观的）负荷和认知的（主观的）负荷两类。可 观察的负荷可以量化表示，如需要处理的航空器数量、需要的通信和协调量、数 据输入量、管制工作行动所需时间等。认知负荷是管制员个人对 atc 环境和工 作提出的要求，个人感受或主观的认知理解。所要处理的航空器的数目越多，管 制员的认知工作负荷就越大。由于训练、经验、技巧、疲劳等因素，对相同的、 可观察的工作负荷，他们的认知负荷可能不同。因为可观察负荷的减少，不一定 能引起认知负荷的减少。高的认知工作负荷对于管制员会产生负面的影响，从而 将减少管制员处理紧急情况的能力，有可能影响到空域的容量和安全，较低的认 知负荷不足也会使人产生厌倦、感觉工作单调而减少警惕性。超负荷和轻负荷都 将影响管制员的工作业绩，因此工作负荷评估的主要目的，是在一定的时间内， 管制员工作负荷评估方法研究 6 使人的信息处理能力在不能长时间超负荷工作，以应付意外情况，也不能长时间 轻负荷工作，提高管制员的警惕性。 目前为止，有三种被认可的工作负荷测量方法，第一种方法是测量管制员的 生理状况，这种测量方法主要分成三个种类：1）眼睛相关测量（眨眼持续时间、 反应时间、频率，瞳孔的尺寸，眼睛移动分析）；2）大脑相关测量（脑电波记 录的活动性 eeg，事件相关潜力 erp 或者是唤起脑电波的潜力 cep 等）；3） 心脏相关测量（心电图 ecg，心率和心率可变性）。其他普通的方法包括电击 皮肤的反应（gsr），血压，肌肉潜力和行为症状。虽然这种方法不需要管制员 明显的反应，非常适合那些主要是自然感知的工作，可以不断记录数据，但是这 种方法的数据收集和分析都需要专家，花费很高；第二种方法是利用管制员完成 作业的能力方面的测量，即客观工作负荷评估，这个方法花费不高。第三种方法 目的是测量管制员主观工作负荷，这个方法经常会采用主观等级尺度的方法，包 括很多测量方法： swat27， nasa-tlx28， analytical hierarchy process， bedford， cooper-harper29，modified copper-harper。 2.3 管制员工作负荷的影响因素 对管制员工作负荷进行评估，需要先了解管制员的管制工作内容，以及影响 管制工作的主要因素。 管制员工作负荷评估方法基本就是通过对若干管制扇区进 行数据采集，观察和记录扇区内繁忙时段资深管制员的管制内容以及花费时间， 可以确定管制工作的影响因素和影响程度。mogford31在 1995 年提出了比较全 面具体的影响因素： ? 扇区的边界数及结构； ? 上升和下降的航空器数量； ? 扇区内的航空器数量； ? 航空器间的各种角度关系； ? 航路间的交叉点数； ? 管制员必须进行的工作； ? 所需要的行动准则文件； ? 航空器发生交叉冲突的次数； ? 航空器发生对头冲突的次数； ? 交叉处进行各种协调的数目； ? 从另一管制区进入/离开本管制区所需协调 ? 从同一管制区进入/离开所需协调的次数； ? 爬升/下降飞行进入/离开扇区的次数； 南京航空航天大学硕士学位论文 7 ? 以巡航高度进入/离开扇区的次数； ? 航空器在本扇区的飞行时间； ? 扇区内导航设备的数目； ? 天气影响的范围对空中交通管制操作上的影响； ? 复杂航路的数目； ? 限制区、禁区、最小超障高和相关飞行活动 ? 雷达和信号的覆盖能力； ? 频率阻塞的次数； ? 管制员的经验以及心理状态。 2.4 管制员工作负荷的模型 近些年来，国内外的学者致力于该课题的研究，在理论和实际应用方面取得 了许多重要的研究成果。目前较为成熟的两种定量管制员工作负荷的方法为： “doratask”32和“mbb”33，这两种方法都是首先对管制员的工作进行分类， 然后对管制工作指令时间的统计来评估管制员的工作负荷。 现阶段许多国内外对 管制员工作负荷的研究， 以及一些用于管制员工作负荷评估的系统都是基于这两 种方法的。 在这两种方法中对管制员工作负荷的评估都使用到日常记录的空中交通管 制数据，其中最主要的就是管制员与飞行员之间的语音通信记录数据。其方法是 首先对语音通信中的管制工作进行分类，然后统计出各类通信工作所使用的时 间，从而得出管制员在某时间段内管制工作所耗的时间，即管制员的工作负荷。 可以看到，对于 doratask 以及 mbb 两种评估方法，都是通过分析统计 扇区内管制通话录音而得到管制员工作负荷。 这种做法存在很大的局限性。 第一， 这两种方法需要分析某时间段内所有指令及无线电语音通话记录，工作量会很 大， 一旦扇区发生变化或者飞行计划发生变化， 所有的评估工作都需要重新进行； 第二这两种方法都没有考虑到扇区结构特点对管制员工作负荷的影响。 因此需要建立一个具有通用性的数学模型，既能简化评估过程又能准确地得 到管制员工作负荷的评估结果，为此需要对管制员工作负荷进行分类，以及确定 扇区特点对于管制员工作负荷有影响的因素。 fts35(fast time simulation)中将管制员工作负荷分为： ? 例行工作的工作负荷； ? 上升、下降的工作负荷； ? 冲突监视的工作负荷。 这种分类方法中各个部分类别之间的界限不明显，会有重叠，比如管制员管 管制员工作负荷评估方法研究 8 制航空器时的例行工作中会发生冲突， 这个行为很难区分为冲突监视工作负荷还 是为例行工作的工作负荷。 传统的方法在评估不同的管制区的管制员工作负荷时，都是通过分析统计每 个管制区的管制通话录音，根据管制员的通话录音来得到管制员的工作负荷。这 些方法存在一定的局限性， 因为上一节中提出了多种影响管制员工作负荷的因素 中。 2.5 动态密度 空域复杂度取决于空域的结构和流量特点。扇区形状既决定着扇区本身的结 构特特征，同时还决定扇区的物理结构特点。如地形、航路数量、航路穿越和导 航辅助设备等。流量特点随时间而变化并取决于一些特征，如航空器数量、航空 器混合情况、天气状况、航空器之间间隔、航空器速度和流量限制等。这些结构 特征和流量特点相结合影响着管制员工作负荷。 国外许多研究机构正致力于研究 与影响管制员工作负荷有关的空域复杂度模型。 动态密度是一种基于空中交通流量特点的测量方法，它是用来反映扇区流量 对管制员工作负荷的影响， 这对于空中交通管理自动化和空中交通规程的发展都 是非常有必要的。动态密度测量方法能够捕获到空中交通流量的复杂性。 动态密度测量方法包括了扇区内交通复杂因素以及交通密度即航空器的数 量。因此其表达形式为： 1 n iit i ddwtcwtd = =+ (2-1) 式中：dd：动态密度； i tc ：交通复杂度因素； td：是交通密度； i ： 交通复杂度因素的数量。 t w ： 交通密度的权值； i w ： 第 i 个因素的权值，表示第 i 个影响管制员工作负荷因素对管制员 工作负荷影响程度的大小，在第三章中分别使用了主观权值、客观 权值以及相同影响权值计算动态密度。 交通复杂度因素被分为三类： ? 动态因素：用来捕获航空器速度、航向和高度的改变； ? 航空器密度因素：用来捕获航空器在扇区中分布的变化； ? 冲突因素：用来预测航空器的冲突。 因此由以上的分析可以得出： 南京航空航天大学硕士学位论文 9 ()()()ddw dfw adfw cftd=+ (2-2) 式中： ()w df ：动态因素； ()w cf ：冲突因素； ()w adf ：航空器密度因素； td：交通密度。 2.5.1 动态因素 动态因素主要来捕获航空器速度和航向的改变情况，因此它包括了： ? 航向改变：航空器航向改变超过15度； ? 速度改变：航空器时速改变大于20公里； ? 高度改变：航空器飞行高度改变大于200米。 因此动态因素可以写作： ()()()()w dfw hcw scw ac=+ (2-3) 式中：hc：单位时间片内发生航向改变的航空器数量（单位：架次）； sc：单位时间片内发生速度改变的航空器数量（单位：架次）； ac：单位时间片内发生飞行高度改变的航空器数量（单位：架次）。 2.5.2 航空器密度因素 航空器密度因素捕获了指定扇区内航空器分布的变化，因此它包括了： ? 最小间隔0-5海里（ 5 md ）：两架航空器之间的三维欧几里德距离在0 至5海里； ? 最小间隔5-10海里（ 10 md ）：两架航空器之间的三维欧几里德距离在5 至10海里。 因此航空器动态因素可以写作： 510 ()()()w adfw mdw md=+ (2-4) 式中： 5 md ： 在单位时间片内最小间隔在0至5海里的航空器数量 （单位： 架次） ； 10 md ：在单位时间片内最小间隔在5至10海里的航空器数量（单位：架 次）。 2.5.3 冲突因素 冲突因素捕获航空器潜在的冲突，因此包括了： ? 冲突预测0-25海里（ 25 cp ）：预测航空器与另架航空器有冲突，它们之 间的横向距离间隔在0至25海里； ? 冲突预测25-40海里（ 40 cp ）：预测航空器与另架航空器有冲突，它们 之间的横向距离间隔在25至40海里； 管制员工作负荷评估方法研究 10 ? 冲突预测40-70海里（ 70 cp ）：预测航空器与另架航空器有冲突，它们 之间的横向距离间隔在40至70海里。 因此冲突因素可以写作： 254070 ()()()()w cfw cpw cpw cp=+ (2-5) 式中： 25 cp ： 单位时间片内冲突并且冲突距离在0至25海里的航空器数量 （单 位：架次）； 40 cp ： 单位时间片内冲突并且冲突距离在25至40海里的航空器数量 （单 位：架次）； 70 cp ： 单位时间片内冲突并且冲突距离在40至70海里的航空器数量 （单 位：架次）。 2.5.4 交通密度 交通密度td就是指单位时间片扇区内航空器的数量。在计算交通密度时， 有可能出现重复计算扇区内同一航空器的情况。例如，在前一个时间片开始后某 一飞机进入扇区， 然而在紧接着开始的第二个时间片该飞机还在扇区内未飞越扇 区，从而导致该飞机在不同的两个时间片内被重复计算。为了解决这一问题，在 计算单位时间片内的航空器数量时， 只累计在该时间片内进入扇区的航空器数量 以及在时间片开始时扇区内已有航空器数量， 这样就能避免同一航空器被反复累 加。 2.5.5 动态密度模型 综上，动态密度模型为： 5 10254070 ()()() ()()()() ()()()()() ddw dfw adfw cftd w hcw scw acw md w mdw cpw cpw cpw td =+ =+ + (2-6) 2.6 管制员工作负荷的分类方法 在管辖扇区内，管制员主要根据雷达屏幕显示的航空器飞行状态和航空器之 间的相互位置，通过无线电通信向航空器发送管制指令。所以管制员工作负荷可 以表示为雷达管制作业工作负荷和非雷达管制作业工作负荷，公式表达为： ( )( ) radarnon radar wwtwt =+ (2-7) 式中：w：总的工作负荷； ( ) radar wt ：雷达相关的管制作业工作负荷； ( ) non radar wt ：非雷达管制作业工作负荷。 虽然空中交通管制花费大部分时间在通信上，但是归根结底都是为了根据雷 南京航空航天大学硕士学位论文 11 达所显示的交通状况，通过管制指令使航空器达到一定的飞行状态。这样分类方 法的好处在于： 第一，能够较为全面的将各种管制工作都包括在内。 第二，雷达屏幕显示的飞行数据可以直接反映出许多管制工作，这样可以简 化管制员工作负荷评估的方法。 根据以上的分析，可以将雷达管制作业工作负荷大致上分五类： ? 飞行高度改变工作负荷：管制员改变航空器飞行高度的工作量。 ? 速度改变工作负荷：管制员对航空器速度进行调配的工作量。 ? 航向改变工作负荷：管制员对航空器的航向进行调整的工作量 ? 偏航工作负荷：管制员对偏航航空器管制的工作负荷 ? 其他工作负荷：当航空器穿越扇区边界，离开或者进入扇区时，管制员 和飞行员、管制员与管制员之间的信息交换过程中管制员的工作量。以 及除了飞行高度改变、速度改变、航向改变、偏航以外的管制工作负荷。 因此，扇区内管制员雷达管制作业工作负荷模型用公式表示为： ( )( )( )( )( )( ) radaracschclwco wtwtwtwtwtwt=+ (2-8) 式中： ( ) ac wt ：高度改变工作负荷； ( ) sc wt ：速度改变工作负荷； ( ) hc wt ：航向改变工作负荷； ( ) lw wt ：偏航工作负荷； ( ) co wt ：其他工作负荷； t：测量管制员工作负荷的某一时间片。 以上雷达管制作业工作负荷只需知道花费在每项管制工作上的通话时间，便 可以直接从雷达飞行数据中获得管制员的工作负荷。 而对于非雷达管制作业工作 负荷，就需要实地测量得出。非雷达管制作业，指的是需要管制员手工作业处理 的工作，主要包括了填写进程单和设备操作两大部分。 ( )( )( ) non radarfsfo wtwtwt =+ (2-9) 其中： ( ) fs wt ：填写进程单工作负荷； ( ) fo wt ：设备操作工作负荷。 从以上分析可以看出，空中交通管制员工作负荷可以用以上几个方面所消耗 的工作负荷的总和来表示： ( )( ) ( )( )( )( )( )( )( ) non radarradar acschclwcofofs wwtwt wtwtwtwtwtwtwt =+ =+ (2-10) 2.6.1 高度改变工作负荷 管制员工作负荷评估方法研究 12 航空器在扇区内飞行时，管制员出于航路要求或者为了解决两架航空器之间 潜在的冲突，会改变航空器的飞行高度，因此产生高度改变工作负荷。 高度改变工作负荷可以表示为： ( ) acacac wwnt= (2-11) 其中： ac w ：高度改变工作负荷的权值（单位：秒） ( ) ac nt ：时间片t内，扇区内航空器发生高度改变的次数。 2.6.2 速度改变工作负荷 航空器在扇区内飞行，管制员出于航路要求或者对潜在的两架航空器之间冲 突的解决，要求航空器改变飞行速度，因此产生速度改变工作负荷。 速度改变工作负荷可以表示为： ( ) scscsc wwnt= (2-12) 其中： sc w ：速度改变工作负荷的权值（单位：秒）； ( ) sc nt ：在时间片t内航空器速度发生改变的次数。 2.6.3 航向改变工作负荷 航空器在扇区内飞行， 由于航路航向的变化， 或者管制员对潜在冲突的解决， 要求航空器改变现行航向并按新指定的航向飞行，产生的航向改变工作负荷。 航向改变工作负荷可以表示为： ( ) hchchc wwnt= (2-13) 其中： hc w ：航向改变工作负荷的权值（单位：秒）； ( ) hc nt ：在时间片t内航空器航向发生改变的次数。 2.6.4 偏航工作负荷 当航空器偏离航路一定距离时，管制员会向航空器发出指令提示其偏航，并 且要求其按正常航路飞行，或者由于管制员为解决冲突使航空器偏离原航路飞 行， 当冲突解决后管制员要求该航空器按原航路飞行， 从而产生了偏航工作负荷。 偏航工作负荷可以表示为： ( ) lwlwlw wwnt= (2-14) 其中： lw w ：偏航工作负荷的权值（单位：秒）； ( ) lw nt ：在时间片t内航空器发生偏航的次数。 2.6.5 其它工作负荷 当航空器进入一个扇区之前，该扇区管制员会事先得到它在这个扇区内飞行 南京航空航天大学硕士学位论文 13 的进程单，上面标示着航空器的航班号、机型等信息以及在这个扇区内要经过哪 些强制报告点和航空器过这些点的预计时间，当航空器进入扇区的时候，管制员 要花费一定的时间来识别所进入的航空器：包括报告航行，为了识别需要的管制 行为，已经识别等。 当航空器从相邻的扇区进入这个扇区的时候，管制员和飞行员、管制员与管 制员之间管制与协调通话，互相交换信息，确保航空器在这个扇区飞行的时候是 在本扇区的管制员的管制下飞行的；另外，当航空器从这个扇区离开进入下一扇 区之前，管制员与飞行员、管制员与管制员要进行管制移交，交换信息，保证飞 行员能够正确的与下个扇区的管制员联系上。 协调工作负荷包括：请求移交，（航空器呼号）在（时间）移交条件 （或限制），雷达移交（航空器呼号）应答机（ssr 代码）位置（航空器 位置）（高度）等。 从上面的具体管制过程来看，其它管制工作负荷又可以分成： ? 雷达识别：每架航空器进入扇区时，管制员对其进行识别的时间。 ? 雷达引导：除了高度改变、速度改变、航向改变、偏航以外管制员对航空器 在扇区内飞行进行的管制作业。 包括位置报告， 飞三边请求， 自主导航等等。 ? 进入/离开扇区协调：航空器进入/离开扇区时，管制员与管制员、管制员与 飞行员之间的管制和协调通话，互相交换信息所花费的时间。 因此，其它工作负荷可以表示成为： ( )( )( )( ) coidrcinout wwtwtwtwt=+ (2-15) 其中： ( ) id wt ：雷达识别工作负荷； ( ) rc wt：雷达引导工作负荷； ( ) in wt ：进入扇区协调的工作负荷； ( ) out wt ：离开扇区协调的工作负荷。 对于时间片t内进入扇区的每架航空器，管制员都要对其进行识别，所花费 的工作负荷。 ( )( ) ididid wtwnt= (2-16) 其中： id w ：识别负荷的权值。对于时间t内进入扇区的每架航空器，管制员 都要对其进行识别所花费的管制负荷值（单位：秒）； ( ) id nt ：时间片t内进入扇区的航空器数量。 对于时间片t内在扇区内飞行的航空器，管制员对其进行雷达引导的工作负 荷。 ( ) rcrcrc wwnt= (2-17) 其中： rc w：管制员对扇区内航空器进行雷达引导的工作负荷权值（单位： 管制员工作负荷评估方法研究 14 秒）； ( ) rc nt：时间片t内管制员雷达引导航空器的数量。 对于进入扇区管制负荷， 管制员与飞行员以及不同扇区管制员之间需要进行 协调，工作负荷可以如下表示： ( )( ) ininin wtwnt= (2-18) 其中： in w ：航空器进入扇区管制负荷的权值。当一架航空器进入扇区/机场 时，管制员与飞行员之间的信息交换和检查进程单的管制负荷值（单 位：秒）； ( ) in nt ：时间片t内，进入扇区的航空器数量。 对于离开扇区管制工作负荷，管制员与飞行员以及不同扇区管制员之间需要 进行协调，可以如下表示： ( )( ) outoutout wtwnt= (2-19) 其中： out w ：航空器离开扇区管制负荷的权值。当一架航空器进入扇区/机场 时，管制员与飞行员之间的信息交换和检查进程单的管制负荷值（单 位：秒）； ( ) out nt ：时间片t内，离开扇区的航空器数量。 2.6.6 非雷达管制工作负荷 2.6.6.1 填写进程单工作负荷 当航空器经过每个重要点，飞行员和管制员之间会通话，告知管制员经过这 个点，管制员会检查进程单并记录下这架航空器实际的过点时间，由于现在都采 用雷达管制模式，航空器过强制报告点时，飞行员不一定要向管制员详细报告， 但是飞行进程单上航空器实际过点时间还是要根据监视雷达屏幕来填写的。 航空器过报告点、高度改变、速度改变、移交、识别等都需要填写进程单， 整个过程包括