王穎

摘 要 靈活使用空域是指通過規(guī)劃空域，增加其使用空間，發(fā)揮空域最大價(jià)值，以滿足未來空中交通發(fā)展需求。近年來我國(guó)民航事業(yè)發(fā)展迅速，原空域受到壓縮，空間使用緊張。故需對(duì)空域落實(shí)動(dòng)態(tài)管理，對(duì)現(xiàn)有航路結(jié)構(gòu)規(guī)劃，減少流量對(duì)航班效率的影響，針對(duì)空域配置對(duì)空域扇形劃分，優(yōu)化扇區(qū)組合。

關(guān)鍵詞 空域;航班;扇區(qū);組合;空間

基于靈活使用空域概念的扇區(qū)組合優(yōu)化，按照動(dòng)態(tài)空域配置劃分空域，并對(duì)劃分的扇區(qū)動(dòng)態(tài)管理，優(yōu)化流量各時(shí)段分布不均問題，可減少管制人員工作負(fù)擔(dān)[1]。文章以Voronoi圖對(duì)空域劃分，以降低管制員工作的負(fù)擔(dān)為最終目的，對(duì)空域組合優(yōu)化，將優(yōu)化結(jié)果整合，得到動(dòng)態(tài)的扇區(qū)便捷，以此實(shí)現(xiàn)扇區(qū)動(dòng)態(tài)管理。

1理論概述

國(guó)家經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，空中交通事業(yè)也得到新發(fā)展。當(dāng)下，空中交通量存在超出管制員能力范圍的情況，需對(duì)空域管制扇區(qū)劃分，優(yōu)化扇區(qū)，落實(shí)扇區(qū)分時(shí)段開關(guān)，強(qiáng)化扇區(qū)配合，降低管制員負(fù)擔(dān)，確保航空事業(yè)穩(wěn)定發(fā)展[2]。

對(duì)空域扇區(qū)的規(guī)劃，還需考慮到多方面因素：①空域結(jié)構(gòu)，如航線分布、數(shù)量、限區(qū)、禁區(qū)、跑道、機(jī)場(chǎng)。②航空器類型，如其飛行方式、排量、交通流量。③通信及雷達(dá)設(shè)備先進(jìn)度及分布情況。

扇區(qū)規(guī)劃還有一定要求：①雷達(dá)管制區(qū)，扇區(qū)劃分需在雷達(dá)覆蓋范圍，確保管制員可落實(shí)有效監(jiān)控。②通信：扇區(qū)規(guī)劃 應(yīng)考慮對(duì)應(yīng)范圍設(shè)備覆蓋能力。③要考慮特殊空域，如軍方空域、放油區(qū)等，將特殊區(qū)域列入扇區(qū)工作負(fù)荷。

扇區(qū)規(guī)劃可按照以下幾種方法劃分：①幾何象限劃分：以機(jī)場(chǎng)店、航路為中心，按照具體流量，在二維空間劃分[3]。②按航線繁忙程度劃分：以限制區(qū)、飛行交叉位置，劃分不同扇區(qū)。③按高度劃分：針對(duì)區(qū)域主要高度范圍，選擇高度界定值，以此確定扇區(qū)高度范圍，高度邊界可按照梯級(jí)確定。

2以Voronoi圖劃分空域

Voronoi圖以一組鄰點(diǎn)線段垂直平分線為邊構(gòu)成連續(xù)多邊形。不同點(diǎn)以鄰近原則切割平面。

對(duì)特點(diǎn)初始點(diǎn)集N，以不同方式分割，Voronoi圖具有唯一性，一個(gè)確定的點(diǎn)集，有且僅有一個(gè)Voronoi圖。Voronoi圖中三角網(wǎng)邊的垂直平分線構(gòu)成集N的凸多邊形外邊，各個(gè)點(diǎn)為三角形定點(diǎn)。

對(duì)Voronoi圖生成方法如下：

2.1 對(duì)偶生成

先生成三角網(wǎng)，對(duì)各三角形各邊畫垂直平分線，三個(gè)垂直平分線構(gòu)成凸多邊形定點(diǎn)。

2.2 增添法

按照已有n個(gè)點(diǎn)Voronoi圖追添加剩余點(diǎn)1n+1，添加所有點(diǎn)后，得到新的Voronoi圖。增添先尋找1n+1鄰近點(diǎn)，連線。而后進(jìn)行更新，作垂直平分線。

2.3 部件合成法

將整個(gè)點(diǎn)集劃分為部分的，不同部分之間不存在交集，對(duì)各個(gè)部分劃分Voronoi圖，整合完畢。

3動(dòng)態(tài)空域扇區(qū)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型分析

3.1 扇區(qū)數(shù)量計(jì)算

管制員平均工作符合需在統(tǒng)計(jì)時(shí)間的80%，達(dá)到90%的工作負(fù)荷應(yīng)在總工作時(shí)間2.5%以下。若空域流量較大，導(dǎo)致管制員自身工作負(fù)擔(dān)增加，可設(shè)計(jì)增加扇區(qū)，劃分好管制席位，確保管制員工作穩(wěn)定，不增加扇區(qū)總工作負(fù)荷。

優(yōu)化扇區(qū)需先考慮扇區(qū)數(shù)量，確保扇區(qū)總工作負(fù)荷不便。按照流量確定扇區(qū)數(shù)量。

其中，t為時(shí)間段，Ns為空域劃分的扇區(qū)數(shù)量，W為管制員工作負(fù)荷。

3.2 空域扇區(qū)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型

優(yōu)化扇區(qū)可有效提高的空域容量，減少管制員工作負(fù)擔(dān)的，因此，在具體的優(yōu)化工作中需降低扇區(qū)數(shù)量，確保各個(gè)扇區(qū)負(fù)荷均衡。要確保各個(gè)扇區(qū)工作符合均衡，得到優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

其中，Ns為扇區(qū)管制員負(fù)荷，wk為k個(gè)扇區(qū)管制員工作負(fù)荷。

3.3 輔助扇區(qū)劃分

航空運(yùn)輸中，各個(gè)公司都希望在人們黃金出行期間安排盡量多的航班，這就導(dǎo)致航班流量受時(shí)段影響較大，高峰期間管制員自身工作負(fù)擔(dān)較大。為解決此問題，可采取流控方式，加上增設(shè)扇區(qū)，解決此問題。單獨(dú)的流控會(huì)導(dǎo)致航班出現(xiàn)大延誤，導(dǎo)致航空公司流失客戶。因此，需考慮增設(shè)輔助扇區(qū)。部分時(shí)段飛行流量較小，若設(shè)置較多扇區(qū)，會(huì)導(dǎo)致扇區(qū)資源浪費(fèi)，因此，需對(duì)扇區(qū)合并。以某市為例，終端區(qū)劃分為南北兩區(qū)，一號(hào)和五號(hào)走廊位于北扇區(qū)，二號(hào)、三號(hào)和四號(hào)走廊在南扇區(qū)，五號(hào)走廊多為重要往返航班，但是其流量較小而一號(hào)走廊的航班流量較大。該市其扇區(qū)劃分極為不均衡，北扇區(qū)較小，而某時(shí)段南扇區(qū)管制員實(shí)際工作負(fù)荷較大。

輔助扇區(qū)開放及合并：輔助扇區(qū)設(shè)計(jì)需考慮飛機(jī)數(shù)量、空域結(jié)構(gòu)、軍方活動(dòng)及天氣因素等。按照《空中交通管理規(guī)則》，則管制中，管制員指揮飛機(jī)超出20架需考慮開設(shè)輔助扇區(qū)，而部分時(shí)間管制員雖然指揮飛機(jī)較多，但其工作仍然輕松。但部分時(shí)段管制員雖然智慧的飛機(jī)數(shù)量較少，但是其工作較忙。涉及扇區(qū)進(jìn)近協(xié)調(diào)、航空器高度改變、進(jìn)港離港管制等，則管制員工作負(fù)擔(dān)較大。因此，輔助扇區(qū)開放及合并需考慮多方面因素。

航空器進(jìn)入某扇區(qū)前，管制員接收到相鄰管制區(qū)移交指令，進(jìn)入扇區(qū)，管制員對(duì)飛機(jī)進(jìn)行雷達(dá)識(shí)別，后針對(duì)扇區(qū)交通形式及下一扇區(qū)要求，對(duì)航空器發(fā)出調(diào)高、調(diào)速及航線操作，記錄信息。若管制員發(fā)布信息較多，則工作量大，需開放輔助扇區(qū)。

管制席位可設(shè)置雙崗制，設(shè)置管制席和協(xié)調(diào)席，管制席對(duì)雷達(dá)識(shí)別后，預(yù)判斷航空器存在的沖突，對(duì)航空器調(diào)配，監(jiān)控航空器。

約束條件：扇區(qū)優(yōu)化還需考慮到約束條件的設(shè)置，不僅考慮到管制員負(fù)荷及空域容量，優(yōu)化應(yīng)兼顧扇區(qū)自身及空域結(jié)構(gòu)。

（1）便于扇區(qū)移交。航空器扇區(qū)之間切換，各個(gè)航路存在交叉或位于重要為支點(diǎn)，管制移交容易出現(xiàn)工作脫節(jié)，影響飛行安全，需解決冊(cè)類沖突，才能移交扇區(qū)管制。

（2）扇區(qū)凸約束。某航路穿越扇區(qū)進(jìn)入另一扇區(qū)，后又進(jìn)入本扇區(qū)，就會(huì)導(dǎo)致管制移交工作頻繁，徒增人員工作負(fù)擔(dān)，扇區(qū)設(shè)計(jì)需考慮好其形狀，確保其滿足凸形要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉敏.試論空域復(fù)雜性因素下的扇區(qū)劃分[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019， （8）：49-50.

[2] 李歡，王毅鵬.基于空域復(fù)雜度的扇區(qū)動(dòng)態(tài)通行能力研究[J].航空計(jì)算技術(shù)，2019，（4）：79-83.

[3] 叢瑋，鄭洪峰，朱睿.一種基于交通態(tài)勢(shì)的扇區(qū)聚類分析方法[J].航空計(jì)算技術(shù)，2019，（4）：17-21.