CN110264786A - 一种基于空管模拟训练系统评估空域运行容量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空管模拟训练系统评估空域运行容量的方法，该方法以空管模拟训练系统为平台，在固定空域结构下，选择多个管制员对密度可调节的仿真航班序列进行模拟管制；根据管制员的主观感受到的工作负荷，调节航班密度，直到管制工作负荷与其管制能力相匹配，此时单位时间内进入该空域的航班量即为该管制员管制该空域时的空域运行容量；平均值即可确定为该空域的运行容量。本发明在客观的空域结构和航班流基础上，纳入了管制员主观能动性对空域运行有较大影响这一重要因素，更加符合航空管理工作实际，不但提高了评估结果的实际精确度，适用于常态下对空域运行容量的评估，也适用于特殊气象条件下空域的动态容量评估。

Description

一种基于空管模拟训练系统评估空域运行容量的方法

技术领域

本发明属于航空技术领域，涉及空中交通管理领域，具体涉及一种基于空管模拟训练系统评估空域运行容量的方法。

背景技术

在航班飞行流量剧增、航班延误时间长且可预测性差等背景下，飞行流量管理是减少航班延误、提高飞行安全性的必要手段。而对空域容量的精确判定，又是飞行流量管理的基础。

当前，评估、分析空域容量的方法主要有数学模型方法、计算机仿真的评估方法和基于历史运行的统计分析法。数学模型法通过纯理论的数学公式计算空域的飞行容量，其结果与实际相差甚远，近年来已逐渐被丢弃；基于计算机仿真的评估方法通过计算机软件在建立空域环境、管制规则、冲突探测与解脱等模型的基础上，根据飞行计划信息连续模拟航班的飞行过程，并不断增加飞行计划的量，直到模拟航班的整体延误到达预定水平。此时，单位时间内通过空域的航班量即为该空域的容量。该方法受模型精准度、航班模拟飞行过程与实际飞行过程的偏差、忽略管制意图等约束，评估结果也只能作为参考；基于历史运行的统计分析法，利用历年的航班飞行数据，针对指定空域，统计分析指定时段内的航班量及其变化规律，剔除异常数据，以航班峰值时段单位时间内通过空域的航班量作为该空域的容量。该方法得出的结果实用性强，但对结构调整后的空域、新划设空域不适用。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于空管模拟训练系统评估空域运行容量的方法，利用空管模拟训练系统提供的模拟管制功能，针对待评估空域，通过成熟、在岗的管制员对密度可调节的高仿真航班序列进行管制，当仿真航班密度达到与管制员能力达到平衡时，单位时间内进入该空域的仿真航班数量即为该空域的运行容量，通过将管制员主观能动性引入空域容量评估的过程中，使得最后的评估结果更贴合实际，实用性强。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于空管模拟训练系统评估空域运行容量的方法，包括如下步骤：

S1：针对待评估空域Airspace，在空管模拟训练系统中，建立面向日常运行的航班序列Blist_ORG；

S2：确定模拟管制起始时刻，以该时刻为基准，实现对航班序列Blist_ORG中所有航班起飞时刻的同步变换，得到航班序列Blist，该序列中最早进入空域Airspace的时刻即为模拟管制的开始时刻；

S3：对航班序列Blist实现K倍增压，得到仿真航班序列MBlist(K)，(1.0≤K<10.0，可调节)；

S4：选定N名管制员CR_h(h＝1,…,N)，基于空管模拟训练系统，对空域Airspace范围内的航班序列MBlist(K)进行模拟管制，并根据管制员实际感受到的工作负荷调节K的值，进而评估空域Airspace在该管制员值班时的运行容量C_h(h＝1,…,N)；

S5：计算空域Airspace在各管制员分别值班时运行容量的平均值，得到该空域的运行容量C＝(C₁+C₂+…+C_N)/N。

进一步的，所述步骤S1中建立航班序列Blist_ORG的具体步骤如下：

S1-1：构建待评估空域Airspace的三维空域结构，三个要素分别为构成空域的水平边界点、以及空域的上、下限高度层；

S1-2：利用空管模拟训练系统中对历史航班飞行计划的导入功能，从相应的空管自动化系统中导入本管制区过去一段时间Tcontrol(如：1-3小时左右)内的飞行计划集，该管制区包含待评估空域；

S1-3：计算飞行计划集内任一飞行计划航线与待评估空域的空间关系，剔除与待评估空域Airspace无空间交集的飞行计划，形成航班序列Blist_{_}ORG_ij，各航班的起飞机场为Aport_i，起飞时刻为t_dep_org_ij，其中：

i＝1,2,…,Nroute；Nroute为航班序列Blist_{_}ORG相关的航线数量；

j＝1,2,…,Ncraft_i；Ncraft_i为Tcontrol时间内经第i条航线进入空域Airspace的航班数量；

S1-4：Blist_{_}ORG_ij序列中，依据航班起飞时刻，分别对第i条航线上的航班排序。

进一步的，所述步骤S2中航班序列Blist的具体形成过程为：

S2-1：根据起飞机场Aport(i)(i＝1,2,…,Nroute)、空域Airspace结构、各航路点位置及飞越时刻，计算序列Blist_{_}ORG内航班从Aport(i)机场起飞(对应于第i条航线)后途经空域Airspace的进入点和航班飞越空域前的飞行时间，分别为进入点p_er(i)(i＝1,2,…,Nroute)、起飞后到达空域进入点所需的时间TA(i)(i＝1,2,…,Nroute)；

S2-2：根据航班起飞机场Aport(i)(i＝1,2,…,Nroute)、起飞时刻t_dep_org_ij、各航路点位置及飞越时刻、航班4D轨迹模型，计算航班Blist_ORG(i,j)进入空域Airspace的时刻：t_dep_org(i,j)+TA(i)(进入点p_er(i))

其中：i＝1,2,…,Nroute

j＝1,2,…,Ncrafti

S2-3：在航班序列Blist_{_}ORG _ij中搜索最早进入空域的航班Blist_ORG(R,P)，并记录其进入空域时刻：t_dep_org(R,P)+TA(R)，这里的最早表示为进入时刻最小；

S2-4：设开始针对空域Airspace进行模拟管制的时刻为T_BEGIN，将航班序列Blist_{_}ORG_ij中所有航班的起飞时刻t_dep(i,j)变更为：t_dep_org(i,j)+T_BEGIN-t_dep_org(R,P)-TA(R)(i＝1,2,…,Nroute；j＝1,2,…,Ncrafti)，形成航班序列Blist_ij，保证Blist_ij中最早到达空域Airspace进入点的时间为T_BEGIN，Blist_ij飞行计划要素包括：航班起飞机场及起飞时间、途经的航路点及飞越时间、落地机场。其中：

i＝1,2,…,Nroute；Nroute为航班序列Blist途经的航线数量；

j＝1,2,…,Ncraft_i；Ncrafti为Tcontrol时段内经第i条航线进入空域Airspace的航班数量。

进一步的，所述步骤S3的具体过程如下：

针对航班序列Blist ij，在任意第i(i＝1,2,…,Nroute)条航线上的任一对前后航班Blist(i,j)、Blist(i,j+1)(j＝1,2,…,Ncrafti-1)之间插入数量为K-1的模拟航班，插入航班的起飞时刻为：((K-m)*t_dep(i,j)+m*t_dep(i,j+1))/K，m＝1,…,int(K-1)，形成增压K倍后的仿真航班序列MBlistijm(K)，航班MBlist(i,j，m)(K)的起飞、落地机场以及所用航线与航班序列Blist中Blist(i,j)的相应数据保持一致。

进一步的，所述步骤S4中评估空域Airspace在管制员值班时的运行容量C_h的方法，具体包括以下步骤：

S4-1：设模拟管制时间单元T_LAST；

S4-2：以空管模拟训练系统为平台，从T_BEGIN时刻开始，管制员对在空域Airspace内飞行的仿真航班MBlist(K)序列(K值初始可设为1.0)进行模拟管制，持续时间为T_LAST；

S4-3：根据管制员在管制过程中感受到的工作负荷，及与其管制能力的匹配情况，调节K值大小，继续模拟管制T_LAST时间；

S4-4：重复步骤S4-3，直到管制员认为其主观感受到的工作负荷达到其能力范围，通常为最大能力的90％左右；

S4-5：统计单位时间内仿真航班序列MBlist(K)进入空域Airspace的航班量Ch，即为管制员CRh值班时空域Airspace的运行容量。

所述步骤S5中，评估空域运行容量的方法，包括：根据管制员能力等级，针对各管制员值班时的运行容量C_h进行分组，并求均值，得到不同能力等级管制员值班情况下的空域运行容量。

本发明方法以空管模拟训练系统为平台，在固定空域结构下，选择在岗、成熟的管制员各若干名，对密度可调节的仿真航班序列进行模拟管制。在任一管制员的模拟管制过程中，根据其主观感受到的工作负荷，调节航班密度，直到管制工作负荷与其管制能力相匹配，此时单位时间内进入该空域的航班量即为该管制员管制该空域时的空域运行容量。多个管制员重复上述过程，所得结果的平均值即可确定为该空域的运行容量。

使用本发明方法评估空域运行容量，在客观的空域结构和航班流基础上，实事求是地纳入了管制员主观能动性对空域运行有较大影响这一重要因素，更加符合航空管理工作实际；以此结果为依据进行容流平衡分析、制定流控措施，也更有针对性。截至目前，空管模拟训练系统已在国内民航各级管制中心普及应用。此方法评估空域容量，不需要额外的设施投入，评估过程简单、易于实施，评估结果实用、可信度高；不仅适用于常态下对空域运行容量的评估，也适用于特殊气象条件下空域的动态容量评估。

有益效果：本发明与现有技术相比，具备如下优点：

1、评估结果基于真实的空域结构和高度仿真的运行环境，由成熟、在岗管制员根据管制过程中感受的管制压力分析得出，评估结果更加贴合实际，精准度高、真实可靠。

2、避免了建立复杂的评估模型、建设专门的评估系统，只需充分利用现有的空管模拟训练系统，降低了空域容量评估的成本。

3、免除了仿真运行所需的迭代计算，缩短了评估时间。

4、本发明评估方法不仅适用于常态下对空域运行容量的评估，也适用于特殊气象条件下空域的动态容量评估，消除了环境局限性，具备更好的实用性。

附图说明

图1为基于空管模拟训练系统评估空域运行容量的流程图；

图2为待评估空域示意图：民航北京区域AC10扇区；

图3为2019年4月18日12:00-15:00时段内飞越AC10扇区的示例航班序列Blist_ORG；

图4为航班进入待评估空域位置和时间的计算示意图；

图5为示例航班序列Blist_ORG进入北京区域AC10空域的时间列表；

图6为基于模拟管制时刻(15：13)进行时间变换后的航班序列Blist；

图7为增压K倍航班序列起飞时刻计算示意图；

图8为航班序列Blist增压2倍后的航班列表；

图9为不同管制员模拟管制时AC10的运行容量列表。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

本实施例中以北京区域AC10扇区为例，对2019年4月18日12:00-15:00时段内，基于空管模拟训练系统对空域运行容量评估，如图1所示，具体的方法步骤如下：

步骤1：针对待评估空域-北京区域AC10扇区，在空管模拟训练系统中，建立面向日常运行的航班序列Blist_ORG，其具体过程为步骤1-1～步骤1-4：

步骤1-1：构建AC10扇区的三维空域结构，其要素包括：构成空域的水平边界点，具体如图2所示，以及空域的上、下限，本实施例中上、下限的标准为：高度层为7200米以上；

步骤1-2：利用空管模拟训练系统对历史航班飞行计划的导入功能，从相应的空管自动化系统中导入民航华北区域(含AC10)2019年4月18日12:00-15:00时段内的飞行计划集。每条飞行计划的要素包括：航班起飞机场及起飞时刻、航线(途经的航路点)及飞越时刻/飞越高度、落地机场及落地时刻。

步骤1-3：计算飞行计划集内任一飞行计划航线与AC10的空间关系，剔除与AC10无空间交集的飞行计划，形成航班序列Blist_{_}ORG_ij，具体见图3。图3中使用了3条航线(ZBAA-AC10、VHHH-AC10、ZYHB-AC10)，每条航线上3个航班。限于篇幅，图中对各航班的航路信息进行了简化，保留了部分关键航路点，用于标识航班飞行走向。

步骤1-4：Blist_ORGij序列中，依据航班起飞时刻，分别对第i条航线上的航班排序，具体还是见图3。

步骤2：确定模拟管制起始时刻，以该时刻为基准，实现对航班序列Blist_ORG中所有航班起飞时刻的同步变换，得到航班序列Blist，该序列中最早进入空域AC10的时刻即为模拟管制的开始时刻，其具体的过程为步骤2-1～步骤2-4：

步骤2-1：根据三条航线ZBAA-AC10、VHHH-AC10、ZYHB-AC10的走向、空域AC10结构、各航路点位置、高度等，计算序列Blist_ORG内航班从三个机场起飞(对应于3条航线)后途经空域AC10的进入点、航班到达空域前的飞行时间，分别为：进入点SZ、TODAM和IGPAS(三条航线与空域AC10的相交点恰好设置了这三个导航台。如相交点未设置导航台，则相交点可用经纬度表示)，起飞后到达空域进入点所需的时间TA分别约等于32分钟、134分钟、104分钟。

步骤2-2：参照图4，根据航班起飞机场Aport(i)(i＝1,2,…,Nroute)、起飞时刻t_dep_org_ij、各航路点位置及飞越时刻等，计算航班Blist_ORG(i,j)进入空域Airspace(AC10)的时刻：t_dep_org(i,j)+TA(i)(其中：i＝1,2,…,Nroute；j＝1,2,…,Ncraft_i)，计算得到，图3中各航班进入北京区域AC10空域的时间，具体如图5所示。

步骤2-3：参照图5，在航班序列Blist_ORG _ij中搜索最早(进入时刻最小)进入空域AC10的时刻为12:13；

步骤2-4：设管制员开始针对空域AC10进行模拟管制的时刻为T_BEGIN＝15:13，将航班序列Blist_ORG_ij中所有航班的起飞时刻t_dep(i,j)变更为：t_dep_org(i,j)+T_BEGIN-t_dep_org(R,P)-TA(R)，形成航班序列Blist_ij，如图6所示，保证Blist_ij中最早到达空域AC10进入点的时间为15:13。

步骤3：对航班序列Blist实现K倍增压(1.0≤K<10.0可调节)，得到仿真航班序列MBlist(K)：

步骤3-1：针对航班序列Blist_ij，在任意第i(i＝1,2,…,Nroute)条航线上的任一对前后航班Blist(i,j)、Blist(i,j+1)(j＝1,2,…,Ncrafti-1)之间插入数量为(K-1)【取整】的模拟航班。插入航班的起飞时刻为：((K-m)*t_dep(i,j)+m*t_dep(i,j+1))/K，m＝1,…,int(K-1)，形成增压K倍后的仿真航班序列MBlist_ijm(K)，如图7所示。本实施例中K的数值选取为2，图8为增压2倍后的航班序列，插入航班的起降机场、所用航线、飞行高度等与前序航班的相关信息一致。

步骤4：选定5名成熟、在岗的管制员CR_h(h＝1,…,5)，基于空管模拟训练系统，对空域AC10范围内的航班序列MBlist(K)进行模拟管制，并根据管制员实际感受到的工作负荷调节K的值，进而评估空域AC10在该管制员值班时的运行容C_h(h＝1,…,N)，其具体过程为如下步骤4-1～步骤4-5：

步骤4-1：设置模拟管制时间单元T_LAST＝1小时；

步骤4-2、以空管模拟训练系统为平台，从T_BEGIN时刻开始，管制员对在空域AC10内飞行的仿真航班MBlist(K)序列(K值初始设为1.0)进行模拟管制，持续时间为T_LAST，也就是1小时；

步骤4-3：根据管制员在管制过程中感受到的工作负荷，及与其管制能力的匹配情况，调节K值大小，继续模拟管制T_LAST时间；

步骤4-4,：重复步骤4-3，直到管制员认为其主观感受到的工作负荷达到其最大能力的90％左右；

步骤4-5：统计1小时内仿真航班序列MBlist(K)进入空域AC10的航班量C_h，即为管制员CR_h管制时空域AC10的运行容量，如图9所示，五个管制员的运行容量分别为39、38、38、37和38；

步骤5：计算空域AC10在五个管制员分别值班时运行容量的平均值，得到该空域的运行容量C＝38。

Claims (5)

1.一种基于空管模拟训练系统评估空域运行容量的方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：针对待评估空域Airspace，在空管模拟训练系统中，建立面向日常运行的航班序列Blist_ORG；

S2：确定模拟管制起始时刻，以该时刻为基准，实现对航班序列Blist_ORG中所有航班起飞时刻的同步变换，得到航班序列Blist，该序列中最早进入空域Airspace的时刻即为模拟管制的开始时刻；

S3：对航班序列Blist实现K倍增压，得到仿真航班序列MBlist(K)；

S4：选定N名管制员CR_h(h＝1,…,N)，基于空管模拟训练系统，对空域Airspace范围内的航班序列MBlist(K)进行模拟管制，并根据管制员实际感受到的工作负荷调节K的值，进而评估空域Airspace在该管制员值班时的运行容量C_h(h＝1,…,N)；

S5：计算空域Airspace在各管制员分别值班时运行容量的平均值，得到该空域的运行容量C＝(C₁+C₂+…+C_N)/N。

2.根据权利要求1所述的一种基于空管模拟训练系统评估空域运行容量的方法，其特征在于：所述步骤S1中建立航班序列Blist_ORG的具体步骤如下：

S1-1：构建待评估空域Airspace的三维空域结构；

S1-2：利用空管模拟训练系统中对历史航班飞行计划的导入功能，从相应的空管自动化系统中导入本管制区过去一段时间Tcontrol内的飞行计划集，该管制区包含待评估空域；

S1-3：计算飞行计划集内任一飞行计划航线与待评估空域的空间关系，剔除与待评估空域Airspace无空间交集的飞行计划，形成航班序列Blist_{_}ORG_ij，各航班的起飞机场为Aport_i，起飞时刻为t_dep_org_ij，其中：

i＝1,2,…,Nroute；Nroute为航班序列Blist_{_}ORG相关的航线数量；

j＝1,2,…,Ncraft_i；Ncraft_i为Tcontrol时间内经第i条航线进入空域Airspace的航班数量；

S1-4：Blist_{_}ORG_ij序列中，依据航班起飞时刻，分别对第i条航线上的航班排序。

3.根据权利要求1所述的一种基于空管模拟训练系统评估空域运行容量的方法，其特征在于：所述步骤S2中航班序列Blist的具体形成过程为：

S2-1：根据起飞机场Aport(i)(i＝1,2,…,Nroute)、空域Airspace结构、各航路点位置及飞越时刻，计算序列Blist_{_}ORG内航班从Aport(i)机场起飞(对应于第i条航线)后途经空域Airspace的进入点和航班飞越空域前的飞行时间，分别为进入点p_er(i) (i＝1,2,…,Nroute)、起飞后到达空域进入点所需的时间TA(i)(i＝1,2,…,Nroute)；

S2-2：根据航班起飞机场Aport(i)(i＝1,2,…,Nroute)、起飞时刻t_dep_org_ij、各航路点位置及飞越时刻、航班4D轨迹模型，计算航班Blist_ORG(i,j)进入空域Airspace的时刻：t_dep_org(i,j)+TA(i)(进入点p_er(i))

其中：i＝1,2,…,Nroute

j＝1,2,…,Ncrafti

S2-3：在航班序列Blist_{_}ORG_ij中搜索最早进入空域的航班Blist_ORG(R,P)，并记录其进入空域时刻：t_dep_org(R,P)+TA(R)，这里的最早表示为进入时刻最小；

S2-4：设开始针对空域Airspace进行模拟管制的时刻为T_BEGIN，将航班序列Blist_{_}ORG_ij中所有航班的起飞时刻t_dep(i,j)变更为：t_dep_org(i,j)+T_BEGIN-t_dep_org(R,P)-TA(R)(i＝1,2,…,Nroute；j＝1,2,…,Ncrafti)，形成航班序列Blist_ij，保证Blist_ij中最早到达空域Airspace进入点的时间为T_BEGIN，其中：

i＝1,2,…,Nroute；Nroute为航班序列Blist途经的航线数量；

j＝1,2,…,Ncraft_i；Ncrafti为Tcontrol时段内经第i条航线进入空域Airspace的航班数量。

4.根据权利要求1所述的一种基于空管模拟训练系统评估空域运行容量的方法，其特征在于：所述步骤S3的具体过程如下：

针对航班序列Blist ij，在任意第i(i＝1,2,…,Nroute)条航线上的任一对前后航班Blist(i,j)、Blist(i,j+1)(j＝1,2,…,Ncrafti-1)之间插入数量为K-1的模拟航班，插入航班的起飞时刻为：((K-m)*t_dep(i,j)+m*t_dep(i,j+1))/K，m＝1,…,int(K-1)，形成增压K倍后的仿真航班序列MBlistijm(K)，航班MBlist(i,j，m)(K)的起飞、落地机场以及所用航线与航班序列Blist中Blist(i,j)的相应数据保持一致。

5.根据权利要求1所述的一种基于空管模拟训练系统评估空域运行容量的方法，其特征在于：所述步骤S4中评估空域Airspace在管制员值班时的运行容量C_h的方法，具体包括以下步骤：

S4-1：设模拟管制时间单元T_LAST；

S4-2：以空管模拟训练系统为平台，从T_BEGIN时刻开始，管制员对在空域Airspace内飞行的仿真航班MBlist(K)序列进行模拟管制，持续时间为T_LAST；

S4-3：根据管制员在管制过程中感受到的工作负荷，及与其管制能力的匹配情况，调节K值大小，继续模拟管制T_LAST时间；

S4-4：重复步骤S4-3，直到管制员认为其主观感受到的工作负荷达到其能力范围；

S4-5：统计单位时间内仿真航班序列MBlist(K)进入空域Airspace的航班量Ch，即为管制员CRh值班时空域Airspace的运行容量。