应对空中交通管理服务突发事件的航空器动态接管方法.pdf

收稿日期：2022-10-26*国家自然科学基金青年基金项目（52102419）、天津市应用基础研究多元投入基金重点项目（21JCZD-JC00780）、民航华东空管局科技项目（KJ2102）资助 第一作者（通信作者）简介：杨越（1984），博士，讲师.研究方向：空管运行中的人为因素.E-mail：应对空中交通管理服务突发事件的航空器动态接管方法*杨越1马博凯1颜晨阳2（1.中国民航大学空中交通管理学院天津 300300；2.中国民用航空华东地区空中交通管理局空管部上海 200335）摘要：应对空中交通服务突发事件的航空器接管方案是我国空管应急体系的重要内容，现行方式由相邻管制扇区独立接管失能扇区中的全部航空器，在一定程度上加剧了接管扇区管制员的工作负荷，容易产生安全风险。考虑接管中航空器的有效通讯范围，以及管制员工作负荷水平与航空器疏散时间的共同影响，制定了以接管失能扇区中航空器的总代价最小为目标、管制员负荷增量上限为约束条件的动态接管方案。将航空器视为飞行状态网络中的节点，在三维空间中建立空域失能瞬间的动态接管模型；基于MATLAB构建终端区失能瞬间的仿真空域场景，通过计算代价函数输出接管各航空器的扇区编号；以终端区内的管制员平均负荷和航空器脱离失能扇区的平均时间作为检验指标，对比分析了动态接管方案与现行方案的应用效果。通过仿真发现：该方案与由各扇区独立接管的现行方案相比，尽管少量航空器由于有效通讯范围无法被最优扇区接管，但管制员的平均负荷分别降低了9.8%、12.2%、18.6%；同时，航空器的平均疏散时间减少了56.8%、56.3%、64.0%。动态接管方案既考虑了航空器在紧急事件突发瞬间的位置因素，又满足了管制员负荷增量水平的安全需求，实现了对失能空域内航空器的灵活接管，为空管单位制定更加合理的应急处置策略提供了参考依据。关键词：交通安全；空中交通；应急接管；代价函数；工作负荷；疏散时间中图分类号：V355.1文献标识码：Adoi：10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.03.005A Dynamic Takeover Method for Aircrafts in Emergency Response ofAir Traffic Management ServiceYANG Yue1MABokai1YAN Chenyang2(1.College of Air Traffic Management,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China;2.Department of Air Traffic Control,East China Air Traffic Management Bureau CAAC,Shanghai 200335,China)Abstract：Aircraft takeover methods in response to unforeseen events in air traffic services is an important compo-nent of the Air Traffic Management(ATM)contingency system in China.Under the current scheme,all aircrafts inthe sector of Air Traffic Control-Zero(ATC-Zero)are independently taken over by adjacent control sectors.To someextent,it aggravates the workload of Air Traffic Controllers(ATCOs)of the takeover sector and creates safety chal-lenges.Considering the effective communication range of aircraft during the takeover process and the combined im-pacts of ATCOs workload and aircraft evacuation time,a dynamic takeover method is developed with the objectiveof minimizing the total cost of taking-over aircrafts in the ATC-Zero sector and the constraint of a maximum incre-ment in ATCOs workload.Aircrafts are regarded as nodes in a flight state network,and a dynamic takeover modelis developed in a three-dimensional space at the moment of ATC-Zero.A simulated airspace scenario of the terminalarea at the moment of the ATC-Zero is developed using MATLAB.The sector ID for taking over each aircraft is de-应对空中交通管理服务突发事件的航空器动态接管方法杨越马博凯颜晨阳41交通信息与安全2023 年3 期第 41卷总 244期0引言空管应急管理作为民航应急保障工作的重要组成部分，其目标是当影响空中交通正常运行的紧急事件发生时，能够在有效的时间内采取救援行动以保障航空器的飞行安全1-3。新冠疫情爆发以来，我国的空管体系有力保障了国家调动各项资源的战略部署，同时积累了防范重大公共卫生事件的经验。然而，随着航班量增长、空域精细化改革、突发事件类型多样化等因素的影响，空中交通的复杂程度日益加剧，空管应急管理体系的建设仍面临着巨大挑战，特别是当遭遇空中交通服务突发事件时，如何安全地接管和疏散空中航空器尤为关键4-7。空中交通服务突发事件是指在空中交通服务过程中突然发生，已经或可能造成服务能力降低或丧失，需要立即采取措施予以应对的事件8。例如：当突发大型电力、通导系统故障或重大公共卫生事件而导致地面管制单位完全丧失其所辖空域的管制能力时，应立即由其他单位代替失能单位继续提供不间断的对空指挥。我国现行的应急接管方案综合了地理位置（水平范围）和空域权限（垂直范围）的影响，明确了由负责相邻扇区的空管单位间进行相互接管的原则，按照突发事件的紧急程度，建立了应急接管的3级响应机制，即：级应急接管，指跨区域管制范围的高空或终端管制单位之间进行相互接管，例如，由北京区域管制中心接管太原区域管制室所辖空域内的航空器；级应急接管，指相同区域管制范围内的高空、终端、机场管制单位之间进行相互接管，例如，由北京区域管制中心接管北京终端管制室所辖空域内的航空器；级应急接管，指高空、终端、机场管制单位的内部接管，例如：由北京区域管制中心的01扇区接管本中心02扇区所辖空域内的航空器。然而，现行的应急接管方案虽然清晰地划分了各空管单位之间的权责归属，建立了各单位之间的接管关系，但是却忽略了接管过程中管制员工作负荷变化特征这一重要的影响因素。当遭遇突发事件后，接管单位所辖扇区的管制员必须在第一时间向位于失能扇区的航空器发送指令以保证其迅速有序疏散，同时还要与失能扇区及周边单位进行大量的协调工作，以确保应急状态下本扇区的通行能力维持正常水平；而且，当航空器疏散至接管扇区后，会与正常运行的航空器形成不同态势的飞行冲突，对管制员已制定的指挥策略产生较大影响。在这些突发因素扰动下，接管管制员的工作负荷会在短期内急剧增加，极易引发运行风险和安全隐患。目前，多数研究是从如何应对危险天气以降低延误率，或如何减少军航限制影响，以提高空域利用率为出发点，分析航空器的路径优化和流量调度问题，但尚未从应急管理的角度对航空器的接管和疏散方法进行系统研究。例如：马俊雄9阐述了开展空管应急接管工作需要解决的关键问题；刘天成10分析了空域接管的原则和接管状态下空管系统的运行特点；王晓等11以空域接管中的制约问题为出发点，从设备、人员、规章等方面提出了空域接管的改进建议。然而，上述研究均是以空管从业者的视角阐述应急接管的现状和问题，并未通过建立相关的模型或算法证明所提出方案在实施中的可行性和有效性。MALAKIS等12-13指出，在空管应急管理中除了要制定针对特殊事件的解决方案，更要加强各单位和团队之间的协调分工和资源配备。因此，制定1种既能满足空管运行的安全要求，又能更加合理地配置应急资源以降低运行风险的空域接管方案，对我国空管应急管理体系的建设具有重要意义14-15。本文为改进接管过程中管制员工作负荷急剧增加的问题，优化当前由单一扇区接管航空器的传统模式，结合管制员的工作负荷与航空器脱离失能扇termined by calculating the cost function.The average workload of ATCOs in the terminal area and the average timefor aircrafts to evacuate from the ATC-Zero sector are used as the evaluation indexes to compare and analyze the ap-plication effectiveness of the dynamic takeover and the current method.Simulation results show that,compared tothe current method,the average workload of ATCOs is reduced by 9.8%,12.2%,and 18.6%,respectively,although asmall number of aircrafts cannot be optimally taken over by the most suitable sectors due to their effective communi-cation range.At the same time,the average evacuation time of aircrafts is reduced by 56.8%,56.3%,and 64.0%,re-spectively.The dynamic takeover method proposed considers both the positional factors of aircrafts at the momentof emergency events and the safety constraint related to the increment in ATCOs workload.With this,the flexibletakeover of aircrafts in the ATC-Zero sector can be accomplished,which should provide a reference for ATM unitsto develop more reasonable emergency response strategies.Keywords：traffic safety;air traffic;emergency takeover;cost function;workload;evacuation time42区耗时的综合影响，研究了1种由相邻的备选扇区动态接管失能扇区中航空器的方法，对比分析了该方法与现有接管方法的使用效果，以期为完善空管应急接管方案提供帮助。1航空器的动态应急接管方案1.1问题描述和假设以终端区内飞行的航空器为研究对象，当遭遇空中交通服务突发事件时，失能扇区内的航空器需尽快疏散至相邻的接管扇区。由于失能扇区的管制员已无法实施对空指挥，该扇区内的所有航空器均需遵照接管扇区管制员的指令飞行。在建立模型时做出以下假设。1）所研究终端区内只有1个失能扇区，且所有管制扇区的边界均为平滑线段。2）空域失能瞬间，接管管制员能够立即与有效距离内的航空器建立通信联系并对其指挥。3）航空器被接管后，根据管制员指令能够立即转向接管扇区且保持匀速飞行。1.2动态接管模型以航空器的管制难度对管制员的工作负荷进行描述。基于复杂网络理论16-18，将航空器视为飞行状态网络中的节点，在三维空间中综合考虑航空器的水平和垂直位置关系建立动态接管模型。为增加模型对飞行冲突探测的灵敏度，参考终端区最小水平间隔及垂直间隔标准19，以航空器节点为中心，划设10 km为底面半径、500 m为高的圆柱体为保护区，当2架航空器的保护区出现重叠时则存在飞行冲突，使这2架航空器构成连边。此时，设定连边的边权仅与航空器的空间距离有关，空间距离越大则边权越小20-21，计算见式（1）。wij=202+12/sij2+hij2（1）式中：wij为航空器i与航空器j之间的边权；sij为航空器i与航空器j之间的水平距离，单位km；hij为航空器i与航空器j的高度差，单位km。定义航空器节点在飞行状态网络中的点强qi为该航空器的管制难度，计算见式（2）。qi=jniwij（2）式中：qi为航空器i的管制难度；ni为与航空器i构成连边的所有航空器节点的集合。因此，某扇区管制员的工作负荷可以用该扇区内所有航空器的点强和进行表示，计算见式（3）。L=i=1mqi=i=1mjniwij（3）式中：L为某扇区管制员的工作负荷；m为该扇区内所有航空器的数量，单位架。综合考虑管制员的平均负荷与航空器的疏散时间，构建由相邻管制扇区R接管失能扇区Z中的航空器k的代价函数，计算见式（4）。PkR=CkR(LRLZ+Tk-Tk)qk（4）式中：PkR为由扇区R接管航空器k的所需代价；CkR为接管系数，定义当航空器k的位置距离扇区R的几何中心点超过100 km时，由于甚高频通信失效而无法被R接管，表示为CkR=1航空器k可以被管制扇区R接管航空器k无法被管制扇区R接管（5）LR为突发事件之前的扇区R的管制员工作负荷；LZ为突发事件之前的扇区Z的管制员工作负荷；Tk为航空器k由遭遇突发事件时的所在位置疏散至接管扇区所耗费的时间，单位min，计算见式（6）。Tk=dkvk+k（6）式中：dk为遭遇突发事件时航空器k距接管扇区边界的水平距离，单位km；vk为航空器k的速度，单位km/h；k为航空器k转向接管扇区边界的转弯角度，单位（），定义转弯起始航向为遭遇突发事件瞬间航空器k的航向，转弯终止航向为从转弯位置至垂直于接管扇区边界的矢量线方向；为航空器的标准转弯率，单位（/s），取值为3。-Tk为航空器k脱离失能扇区的平均时间，即根据式（6）计算得到的疏散至所有相邻管制扇区的平均飞行时间，单位min；qk为航空器k在飞行状态网络中的点强，可由式（2）计算得出。以接管失能扇区Z中航空器的总代价PZ最小为目标，制定由r个与Z相邻的扇区作为备选接管扇区的应急方案。由于接管过程中管制员的工作负荷会显著增加，在该方案中规定接管扇区管制员允许增加的负荷量与备选接管扇区的数量有关。将动态接管方案的目标函数和约束条件分别表示为PZ=mink=1mCkr(LrLZ+Tk-Tk)qk（7）DLr2Lr/n（8）式中：Lr为第r个备选扇区的管制员工作负荷；Ckr为第r个备选扇区对第k架航空器的接管系数；m应对空中交通管理服务突发事件的航空器动态接管方法杨越马博凯颜晨阳43交通信息与安全2023 年3 期第 41卷总 244期为失能扇区Z中需要被接管的航空器总数；DLr为第r个备选扇区的管制员在接管过程中增加的工作负荷；n为所有备选接管扇区的数量。为与现行接管方案进行比较，可采用以下检验指标。1）终端区内所有扇区的管制员在接管过程中的平均负荷L，计算见式（9）。L=1nr=1n(Lr+DLr)（9）2）所有被接管的航空器脱离失能扇区的平均时间T，单位min，计算见式（10）。T=1mk=1mTk（10）由此，以接管失能扇区中航空器的代价最小为目标，制定动态应急接管方案的步骤如下。步骤1。提取突发事件瞬间的终端区空域内航空器的飞行参数数据（位置、高度、速度、航向），并将航空器编号。步骤2。将失能扇区中的航空器编号与飞行参数作为航空器元胞数组变量；将备选接管扇区编号作为接管扇区数组变量。步骤3。依据式（1）（2）计算终端区空域内各航空器节点的点强。步骤 4。遍历航空器元胞数组变量，依据式（3）（6）计算各备选扇区接管航空器k的代价函数，生成代价矩阵A，其中元素Pkr表示第r个备选扇区接管第k架航空器的代价函数值。A=P11P1nPk1PkrPknPm1Pmn步骤5。在A中各行分别选取1个元素相加求和，将得到的所有可能组合按升序排列为代价和数组E=e1e2et，t为所有可能的排列方式数量。步骤6。计算E中各元素对应的备选接管扇区和其所接管的航空器编号。步骤7。根据式（8）按顺序判断E中元素对应的接管方案（第r个备选扇区接管第k架航空器）所产生的工作负荷增加量DLr是否满足约束条件中的限制要求。步骤8。保存首次满足约束条件的数据，输出所有航空器的接管扇区编号列表。应对空中交通服务突发事件的航空器动态接管方案的算法流程见图1。提取数据计算失能扇区及备选接管扇区中各航空器节点的点强失能扇区 中的航空器 可以与备选接管扇区 建立通信联系接管代价值均已计算完成是是否否 中元素对应的接管方案已满足约束条件中的管制负荷限制否是计算 中元素对应的备选扇区和其接管的航空器编号计算航空器 由备选扇区 接管的代价值并保存生成代价矩阵 ，从各行选取 1 个元素相加求和并 升序排列为代价和数组 开始结束输出该方案中所有航空器的接管扇区编号列表kZRRAkSSt=t+1S=s1s2st图1动态接管方案流程图Fig.1Thealgorithmflow chartof dynamictakeoverscheme2算例仿真与分析2.1仿真场景基于MATLAB构建满足突发事件情况下实施接管方案的终端区仿真场景。为简明且清晰地描述失能扇区与接管扇区的位置关系，划设正三角形ABC为失能扇区Z，边长100 km，与其边相接的3个正三角形空域R1，R2，R3为备选接管扇区。在由上述4个管制扇区构成的终端区空域（DEF）范围内，生成位置随机的60架航空器。由于终端区内的航空器属于中低空飞行，速度比沿高空航路飞行时慢，而且管制员可以通过引导指挥航空器偏转至满足运行要求的任意航向，因此在该仿真场景中随机设置每架航空器的速度为 300400 km/h、高度为1 0003 000 m、航向为001360的任意整数值。若任意2架航空器的保护区出现重叠，则这2架航空器存在飞行冲突，其所在的空间位置构成连边。各航空器的位置分布、编号、连边关系，以及扇区分属情况见图2；失能扇区Z中的航空器飞行参数见表1。44180160140120100806040200020406080 100 120 140 160 180 200 220EX/kmY/kmAR2R3ZBFDCR1图2终端区模拟仿真场景Fig.2Simulationscenarioof theterminalarea表1扇区Z中的航空器仿真数据Tab.1Simulation data of aircrafts in sectorZ航空器编号131518232528293033343638404147速度/（km/h）318314358335340312318324391395349390311378395高度/m1 9741 8942 0222 6231 7012 1002 2452 1741 9421 4611 3891 3411 8711 6221 878航向/（）1881771433290362450502601782813261210720112232.2算例分析在图2所示的仿真场景中，共有15架航空器在失能扇区Z内飞行且全部构成连边。此时，与Z相邻的扇区必须立即对Z中的航空器进行接管并使其尽快疏散。在实施接管前，各备选接管扇区中共分布有45架航空器，其中：R1扇区内航空器分布较稀疏、连边较少；R3扇区内航空器分布较密集、连边较多；R2扇区内航空器密集程度适中，还包括35号、44号、49号未构成连边的独立航空器节点。根据式（3）可以计算得到在Z扇区失能瞬间的各扇区管制员工作负荷数据，见表2。表2失能瞬间的各扇区管制员的工作负荷Tab.2The ATCOs workload in different sectors atthe moment of ATC-Zero扇区R1R2R3Z工作负荷40.68454.09959.56975.144各扇区接管失能扇区Z中航空器的代价函数计算结果见表3。其中，下划线数据表示满足目标函数及约束条件的计算结果；因通信失效而不能被接管的航空器未纳入计算和分析（第30号、33号、34号航空器）。图1所示的动态接管算法采用MATLAB实现。由图2可见：失能扇区Z中的航空器分布较为分散，这些航空器与R1扇区内的航空器节点形成连边最多，R3扇区次之，R2扇区最少。综合考虑接管扇区管制员的工作负荷与航空器疏散时间的影响，表3由相邻扇区接管扇区Z中航空器的代价函数计算结果Tab.3The cost function calculation result of aircrafts in sectorZtaken over by the adjacent sectors航空器编号131518232528293033343638404147求和R1扇区接管疏散时间/min2.0041.0740.8944.3896.1562.8237.7192.1052.0681.5896.5065.32211.5877.3829.26170.879代价函数5.0314.7403.0325.74210.1894.74610.5608.1728.8415.4612.9208.7478.6439.9638.109104.896R2扇区接管疏散时间/min1.4464.5266.1723.8622.14110.3702.5345.1066.7281.6807.7013.73856.004代价函数5.36510.4218.4766.0446.51212.2586.1312.76211.3373.11811.2244.93188.579R3扇区接管疏散时间/min14.51211.6318.3208.0999.1194.8228.1433.4131.5141.2044.1332.2685.2400.9361.58384.937代价函数17.48217.5569.3878.68213.2776.85210.83211.5569.5746.2542.3186.2594.9614.5373.476133.003应对空中交通管理服务突发事件的航空器动态接管方法杨越马博凯颜晨阳45交通信息与安全2023 年3 期第 41卷总 244期得到满足目标函数与约束条件的动态接管方案，同时采用检验指标将该方案与由单一扇区接管的现行应急接管方案进行比较，结果见表4。1）R1为接管扇区的现行方案。R1扇区内航空器的密集程度较低，形成的连边多为两两连边，管制员工作负荷水平较低。当Z扇区突发空域失能时，若R1作为接管扇区，管制员可以联系到Z扇区中所有的航空器，但由于与Z中航空器形成的连边较多，使得管制员增加的工作负荷为突发事件前的2.5倍，超过了可接受的负荷水平。2）R2为接管扇区的现行方案。R2扇区中航空器的密集程度较高，航空器之间多为三者及以上的冲突，形成的连边较多，因此R2扇区中的管制员工作负荷水平较高。当R2作为接管扇区时，由于Z中的第30号、33号和34号航空器距接管扇区较远，在遭遇突发事件时无法与管制员建立通信联系，因此这些航空器无法被R2接管。虽然在算例中没有将其纳入计算，但在实际工作中若出现该情况必须提前确立应急预案，以保证所有航空器能够在第一时间与相应的管制扇区建立接管关系。3）R3为接管扇区的现行方案。R3扇区中航空器的密集程度在3个备选接管扇区中最高，航空器节点形成的连边最多，因此R3扇区的管制员工作负荷水平最高。由表3可见：当R3作为接管扇区时，代价函数值与疏散时间均显著高于R1、R2作为接管扇区的计算结果。4）动态接管方案。综合突发事件瞬间航空器的仿真运行数据，制定动态接管方案以保证应急接管过程中的所需代价最小且满足工作负荷的限制要求。目标函数中由于考虑了航空器的高度、速度、航向、潜在冲突，以及与扇区边界的几何位置关系等因素，实现了对失能扇区中航空器的灵活接管。基于仿真场景的计算结果见表4，动态方案中的每个接管扇区分别接管5架航空器；经检验指标验证，该方案与现行的由各扇区独立接管的方案相比，终端区内扇区管制员的平均负荷分别降低了 9.8%，12.2%，18.6%，航空器的平均疏散时间分别减少了56.8%，56.3%，64%。因此，动态接管方案既考虑了航空器在突发事件瞬间的位置和冲突因素，又满足了管制员工作负荷增量水平的安全要求，更加合理地配置了宝贵的应急资源。在实际工作中，当空中交通服务突发事件导致地面管制单位的对空指挥能力受到严重影响时，可使用该方法迅速建立备选接管扇区与失能扇区中航空器的接管关系，从而对失能扇区中的航空器进行迅速而灵活的应急接管。表4不同接管方案的检验指标计算结果Tab.4 The calculation result of test indexes by different takeover schemes接管方案现行接管方案动态接管方案接管扇区R1扇区接管R2扇区接管R3扇区接管R1扇区接管R2扇区接管R3扇区接管接管航空器编号Z中全部航空器Z中全部航空器Z中全部航空器15，18，28，30，3413，23，25，29，4033，36，38，41，47终端区内扇区管制员平均负荷L86.41688.82195.78577.946失能扇区航空器平均疏散时间T/min4.7254.6675.6632.0393结束语针对如何处理空中交通服务突发事件中航空器的应急接管问题，基于复杂网络理论，以飞行状态网络中航空器节点的点强和表示管制员的负荷水平，设计了接管航空器的代价函数，以此建立动态接管方案的数学模型；基于MATLAB平台构建突发事件瞬间的飞行场景，通过仿真算例对现行接管方案和以整体接管代价最小为目标的动态接管方案进行了对比分析。研究结果表明：动态接管方案不仅降低了终端区空域内管制员的工作负荷水平，而且缩减了航空器脱离失能扇区的时间，为管制单位应急方案的制定提供了更加可靠的参考依据。后续研究将进一步考虑接管中航空器间飞行冲突的动态变化过程，完善模型的约束条件和相关算法，制定更加符合一线单位运行要求的空域应急接管方案。参考文献References1中华人民共和国交通运输部.中国民用航空应急管理规定 EB/OL.（2016-04-05）2022-12-01.https：/ of Transport of the Peoples Republic of China.Con-tingency management rules of civil aviation of 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