Scientific Journal of Control Engineering June 2013, Volume 3 Issue 3, PP.111-119
Sector Dividing Method in Enroute Radar Airspace with Unbalanced Traffic Distribution Zhijian Ye#, Linhang Meng, Wei Gao, Zengxian Geng, Qiu Xiang Key Lab of Operation Programming and Safety Technology of Air Traffic Management, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China #
Email: zjye@cauc.edu.cn
Abstract In order to effectively meet the traffic demand changes in time and space, based on the multi-controller team, an adaptive airspace sector boundaries dividing method was proposed.First,the target airspace was processed with grid.Statistics of average distribution of the aircraft number for each grid, revised by adding the distribution coefficients of aircraft number which measure the (Air Traffic Controller)ATC additional workload associating with coordinating, handover and resolve conflicts, alluding to each grid.the multi Huolang backpack method was used to group grids.This method ensure that the aircraft count does not exceed the monitor alert parameter(MAP).On this basis, rules which try to avoid increasing ATC workload was used to divide sector boundaries. Monitor alert parameters taking a value which is much bigger than median ensure that the the foundation sectors have more adaptability and security,as well controllers will not need additional training to adapt to changes in the sector range. The dynamic reaction logic control designed effective monitoring could effectively monitor MAP in plan time.Test results show that the higher the frequency of the dynamic response, the average number of aircraft in the sector of 15 minutes will be more closer MAP. Keywords: Airspace Planning; Adaptive Sector Division; Security; Controller Workload; Monitor Alert Parameter; Dynamic Reaction Logic Control
交通随时空需求变化的扇区动态反应方法* 叶志坚，孟令航，高伟，耿增显，向秋 中国民航大学 天津市空管运行规划与安全技术重点实验室，天津 300300 摘
要：为了有效地适应交通需求在时间和空间的变化，在采用多管制员团队基础上，提出了一种适应性空域扇区边界划分的
方法。首先对目标空域作网格处理，统计得到每个网格的航空器平均分布数量，衡量管制员进行协调、移交和解决冲突的额外 工作负荷的航空器分布数量系数被用来修正航空器平均分布数量，修正后的航空器分布数量影射到每个网格，然后采用多货郎 背包法对网格分组，保证航空器计数不超过监控警告参数，在此基础上利用避免增加管制员负荷的规则来划定扇区边界。监控 警告参数取中值偏上的策略，保证了基础扇区有更多的适应性和安全性，也不会需要管制员额外的训练来适应扇区范围的变化。 设计的动态反应控制逻辑能有效监控未来计划时段的监控警告参数，试验结果显示动态反应频率越高，15 分钟扇区内平均航空 器数量越接近监控警告参数。 关键词:空域规划；适应性扇区划分；安全性；管制员工作负荷；监控警告参数；动态反应逻辑控制
引言 为了化解交通需求和空域通行能力不平衡的矛盾，根据国外的经验，一是通过流量管理措施，限制高峰 *
资助项目：中国民用航空局基金(MHRD201014)；中央高校基本科研业务费（ZXH2010B003）; 国家自然科学基金委员会与中 国民用航空局联合资助项目（61179042） - 111 http://www.sj-ce.org/
时段的需求或改航改变交通流地理分布，平峰消谷；二是动态空域配置，增大空域通行能力并减少延误，比 如增开扇区，以减少管制员管制员工作负荷，扇区重构，适应随时空变化的交通需求，动态边界调整以适应 改航需求，扇区合并，减少交通低谷时段人力资源浪费等[1]。我国目前由于航路空域容量正在趋于饱和，对 扇区重构和增开扇区的活动越来越迫切，而且交通需求日夜分布、日分布和月分布都极为不均衡，探索交通 随时空需求变化的扇区动态反应方法以提高空中交通管理的服务水平，减少管制员超负荷工作，提高安全， 合理利用空域和人力资源，加速空中交通流顺利运行具有重要意义。 目前扇区划分的方法大致分为 5 类：CellGeoSect 为基础的，将空域先粒度化为六边形的单元，然后通过 重组形成输出的空域边界[2-4]；FlightLevel 为基础的，按高度层分高低扇[5]；Graph 为基础的，用图论的方法 对关键点和空中交通路线建立图模型，再来对图分割重组，输出空域边界[6-8]；SectorFlow 为基础的，以流密 度和流结构为空域分割的基础，然后再按优化目标重组输出空域边界[9]；FPA 为基础的，其出发点是有一个 基本的扇区划分基础，在基础扇区交接部分划出一些固定位置区域，扇区边界可以在这些固定位置区内变动， 这样变动的部分和原扇区结构差距不是很大，减少了管制员需要训练的成本[10-11]。这些扇区划分方法都过分 强调管制员工作的平衡，其假设前提是目标空域实施自由飞行，其目标函数是最小化工作负荷的差异；而我 国航空器都沿着航路飞行，目前的扇区由 2-3 个管制员管理，本文采用的方法考虑了这些实际情况，结合扇 区容量随负责扇区管制的人数增加会稳步增长这个假设前提，充分考虑划分扇区的适应性和安全性来构建扇 区划分方法。 我们研究的空间范围是区调管理的空间范围，时间范围限定在一日之内，扇区的变动是适应不同时段扇区 交通流量的变化的，交通流在各个扇区从时间上分布是不均衡的，但在同一个扇区同一个时段内里面相对均衡， 交接班的时候做扇区边界调整，并假定雷达管制区调内雷达全覆盖无缝连接、通讯频率足够无限制使用。
1 空域交通流地理分布离散化处理 对整个目标空域交通流地理分布做离散化处理：将包括有整个目标空域的航路航线图按 10 公里间隔一 条经线和一条纬线划经纬线网格，并对每个网格编号， g i ，i=1，2…n；凡是有航路航线经过的网格都做航 空器分布数量量化处理。对应于一个扇区计划时间段[ T0 ， T1 ]，一般按 24 小时处理，根据有相同特性的历 史统计计算该计划时间段内： （1）飞经每个航段 routex (x=1,2…k)的航空器架次 N route x ； （2）小时平均数量即流量为 Q route x = N route x /(T1 T0 )，单位 架次/hr； （3）区间平均速度 vs lroutex /
1
N routex
N routex
i 1
t （i=1,2… Q route i
x
） ，单位 km hr ， l route x 为航段 routex 的长度。
（4）交通小时平均分布密度：
d route x = Q route x / v s =(N route x Q route x
=
ti /[(T i
1
1
N route x
1
N route x
ti ) /[(T i
1
1
T0 ) lroute x ]
T0 ) lroute x ]，单位 架次km 。
（5）每个网格 g i 航空器的 15 分钟平均分布数：
fg i = lg i (0.25d route ) ， g i routex ， x
（1）
lg i 为航段在网格 g i 中的长度。 是网格内航空器数量系数。考虑到进扇区需要管制员和管制员协调，需要管制员和飞行员确认接管， 扇区内航路飞行转弯（强制报告点）需要监控，交叉点有冲突需要调配，出扇区需要移交，分别是 15 秒、 - 112 http://www.sj-ce.org/
10 秒、15 秒、50 秒、10 秒[12-13]。航空器按 800km/hr（马赫数 0.8）计算，飞行一个网格 10 公里平均需要 45 秒。进出点有第一项、第二项和最后一项，共计 35 秒，进出点网格内航空器数量系数按 =1+35/45 来算， 转弯点和强制报告点的网格航空器数量系数按 =1+10/45 来算，交叉点按 =1+50/45 来算。如图 1 所示， 某目标空域作地理分布处理后的交通密度地理分布图。分布密度按绿色、黄色、橙色、红色来分级表示。
图 1 交通密度地理分布图
2 扇区划分方法 监控警告参数（MAP，Monitoring and Alerting Parameter）设为 17，该参数设置是参照美国联邦航空局 1997 年关于雷达管制人员配备标准研究报告设定的[14]，取 MAP=17 意味每个扇区需要配备 2 个管制员，按 这个参数设计的扇区比按 MAP=12（目前我国无论扇区管制员人数多少，区调都用这个标准）设计的扇区更 大，比按 MAP=29（3 个管制员）设计的扇区更小。扇区设计足够大，好处是每个管制员熟悉的空域范围大， 便于边界动态调整时，减小管制员的不适应；扇区设计如果按 3 个管制员来设计，扇区能保证足够大，但会 减少我们应对交通流在某一时间点突然陡增通过增加管制员来分解工作负荷应对的机会，增加运行安全风 险；同理在交通量比较小时，也可以通过减少管制员配置来运行，减少了频繁合扇的概率，提高了安全性； 在同一扇区，交通流随时间分布不平滑时，通过增减管制员数量来解决，可以节约人力资源，并提高安全性 和适应性。在实际运用中，对于 2 人组合，可以取中间值 14 或 15，更安全。我们这里期望划分的扇区是一 个足够大的扇区，以增大管制员熟悉的空域，便于动态调整扇区边界；没有取 MAP=29 原因是，如果按 3 人 组合来分扇区，就失去了通过增加人手来临时解决短时间空域航空器数量超过 MAP 的应急措施。选择一个 中间路线，取最大值 17；设目标空域最终需要划分为 k 个扇区，对应 k 组管制员（每组 2 人），以下是 K 值 得确定表达式：
n f g K= i 1 i * ， Mj
(2)
*
M j (j=1，2…k)为（每组管制员）的背负的航空器数量极限， M j 是货郎实际背负的值。 * M j ( M j =MAP=17), j=1，2…k;
(3)
划分步骤： （1）交差点邻域打包。为了保证交叉点与以后划分的扇区边界保证足够的距离，以便于管制员做冲突 调配留下足够的余地，交叉点附近邻域必须和交叉点本身必须在一个扇区，交叉点距离小于 30 公里的也必 - 113 http://www.sj-ce.org/
须在一个扇区，即由一个货郎来打包处理。航空器进入扇区需要移交，移交完了如果有冲突，必须要有足够 时间解决冲突，移交时间包括管制员听飞行员报告加发指令时间，接近 20 秒，解决一次冲突时间 50 秒，总 计不超过 1 分半钟，取 2 分钟为交叉点距离边界的飞行时间足够安全，民航飞机航路飞行速度大约 0.8 个马 赫数，接近 800km/hr，2 分钟飞行距离 27km，相当于三个网格的距离，两个交叉点距离小于 30 公里的也合 并在一个区块，如图 2 交叉点附近红色区域，这些小区块都在一个扇区就可以保证管制员有充分时间完成移 交和解决冲突。 假设通过处理后有 m 个区块，区块数学描述如下：
block y ={( g i dis( crosspi g i ) 30) crossp i block l }， y=1,2,3…m;
(4)
（2）利用货郎背包理论(TSP)，从西向东，从北向南，从最西南方的第一个主航路进入点开始沿航路顺时 针方向背货，背到不能背为止，背负的负荷小于等于监控警告参数乘安全系数。假设，走行步数用 表示， 除了交叉点必须一步走完，其都是一步一个网格，遇见第 y 个交差点包块在第 步，能背负(if M *
+ block y < M j )就装上，沿顺时针从包块出去围绕包块直到装满；若不能背负(if M 从包块顺时针出，到边界后，顺时针进下一个进点。如此反复，直到 M j = M （M
1
j
1 + block y ）， M j = M j 。图 2 是货郎走行线路图。
1
j
*
j
+ block y > M j )，
= M j ；或 M j M j *
j
1
*
图 2 是货郎走行线路图
（3）扇区边界划定 勾画每个货郎走行的外部轮廓，将轮廓外的缓冲区尽量均分给这些轮廓，得到一个轮廓解，如图 2（左） 所示。用下面避免增加管制员负荷规则作对轮廓解适当调整得到基础解： a．管制区边界划设在航路或者航线的侧向缓冲区内； b．航路或者航线短距离穿越某管制区，导致管制移交频繁； c．管制区边界设在航空器爬升或者下降阶段的航路、航线上，导致航空器在爬升或者下降阶段进行管制 移交； d．来自几个管制区的多条航路、航线的汇聚点距离管制区边界较近，增加汇聚点附近区域管制工作的 难度。 e．任何航线穿越任何扇区只能一次，即１个进点和１个出点。在对应国外自由飞行时，通过扇区形状呈 “凸”型来达到，在我国从实际出发，扇区形状可以非“凸”型，但任何飞行不能 2 次进出同一扇区必须要 保证。 f．缓冲区的划设应该给流量大的航路更多空间，以便于调配冲突和绕飞雷雨。 g．当扇区边界穿越限制区时，要尽量均分限制区或从限制区外围通过。 - 114 http://www.sj-ce.org/
至此，得到一个航路分区解( rset1 , rset2 ,… rsetk )和一个目标扇区基准解，如图 3（右）所示为目标空域 扇区划分的基准解。
图 3 目标空域扇区划分的轮廓解（左） ，基准解（右）
3 本地评估调整 前面得到的扇区基准解考虑了航空器平均计数不能超过监控警告参数，扇区航空器数量接近平衡，接近 扇区边界与飞机主要流向垂直，扇区边界与交叉点保持足够的距离。但依然存在一个问题，航空器平均计数 是以计划时段[ T0 ， T1 ]来统计的，而为了确保安全，扇区划分应该以 15 分钟高峰计数为基准，因为扇区监 控警告参数是基于 15 分钟计数的，但前面的划分是以全天全空域的地理平均数（和航段长度成正比）来分 的，没有考虑局部扇区内航空器数量随时间的变化。因此，我们在前面划出的基础扇区后，还需要进一步对 经过每个扇区的航空器数量随时间分布做进一步评估和优化，具体步骤如下： （1）统计每一个基础扇区未来 24 小时预计航空器数量 15 分钟峰值（如果每日规律相同，可以用前一 日的数据） 。 （2）根据 15 分钟峰值的接近程度分时段处理。以 12、17、29 为参考线，看落入[0,12]、[12,17]、[17， 29]的 15 分钟峰值时间分布。把 15 分钟峰值落入不同区间的划为一个时间段；对于时间段过短的，不便于排 班，应考虑与附近峰值较高时间段合并，人员安排取高值。
（3）对于有 15 分钟峰值落入[29, 29 ]区间的，时间持续短的和附近低值时段合并，并且分扇；时间持 续长的直接在该时间段内分扇。水平分扇和垂直分扇都可以减少监控工作负荷，但在区调无爬升下降区域采 用垂直分扇可以增加容量，水平分扇不会增加容量[15]，所以局部优化调整时我们采用垂直分扇。 （4）时段均值越接近时段峰值，则分扇方案越有效节约管制员人力资源，但风险增大，随实际需求增 大，要么是增加人员配置，要么增开扇区；时段均值越远离时段峰值，说明安全性高、风险小，但人力资源 利用率不高。但由于我们按 MAP=17 来分扇，偶尔的峰值超预期可以过增加人员来化解，适应性大大增强， 而且均值离峰值较近，充分利用了人力资源。 图 4 和图 5 是一个基础扇区分时段处理实例结果。 如图 4 所示，为某基础扇区预计航空器数量峰值时间分布，在计划时间段[前一日 23:00，后一日 23:00] 航空器平均计数是 17，在 23:00-8:00 高峰 15 分钟计数是 12，时段平均数 10；8:00-17:00 高峰 15 分钟计数是 29，时段平均数 24；17:00-23:00 高峰 15 分钟计数是 17，时段平均数 15。对于这种有规律的偏离全天航空器 平均分布数的，分为三个时段来处理，第一个时段[23:00-8:00]该扇区 MAP 12 ，采用一个管制员来指挥； 第二个时段[8:00-17:00]该扇区 17 MAP 29 ，采用三个管制员来指挥；第三个时段[17:00-23:00]该扇区 - 115 http://www.sj-ce.org/
12 MAP 17 ，采用 2 个管制员来指挥。如果出现高峰值超过 29 的情况，要考虑高峰时段分扇，以应对图 4 中的第二个时间段，比如分为 2 个扇区，将监控数量降到一半，如图 5 所示。 扇区变动由大扇区到小扇区，有效防止了管制员对扇区的不熟悉，减少过渡成本（训练及相关花费）， 同时也减少了过渡风险。没分扇之前人员消耗是（1,3,2），分扇后是（1,2,2,2），通过在第二时段增加一个人 有效解决高峰时段管制员监控航空器数量段超极限情况。这个高峰时段大扇区分为小扇区的思路和目前高峰 小扇区合并为大扇区的思路正好相反，由大到小的思路可以解决高峰时段进一步增大通行能力的问题，而由 小到大的思路，有一个本质的缺陷，过小的扇区再划小，可能出现驻留时间不够，管制员对扩大的扇区不熟 悉等问题。从上面的数值例子中也可以看出，大的扇区使用人数会减少，而且高峰时段分扇，不但监控负荷 会下降，通行能力和安全性都得到进一步的改善。 35 30 25 15分钟高峰 时段均值 日均值 时段高峰
20 15 10 5
23 :0 00 0 :0 01 0 :0 02 0 :0 03 0 :0 04 0 :0 05 0 :0 06 0 :0 07 0 :0 08 0 :0 09 0 :0 10 0 :0 11 0 :0 12 0 :0 13 0 :0 14 0 :0 15 0 :0 16 0 :0 17 0 :0 18 0 :0 19 0 :0 20 0 :0 21 0 :0 22 0 :0 23 0 :0 0
0
图 4 某基础扇区航空器计数时间分布统计 18 16 14 12
15分钟高峰 时段均值 日均值 时段高峰
10 8 6 4 2
23:00
22:00
21:00
20:00
19:00
18:00
17:00
16:00
15:00
14:00
13:00
12:00
11:00
10:00
09:00
08:00
07:00
06:00
05:00
04:00
03:00
02:00
01:00
00:00
23:00
0
图 5 某基础扇区高峰分扇处理航空器计数时间分布统计
4 扇区动态反应逻辑控制 扇区动态反应逻辑控制如图6所示，受控对象是扇区工作负荷，受控变量 N i 是各个扇区的15分钟处理的 航空器数量，设置1.5-2.5小时的预测前置时间是为了提前分析应对超负荷解决方案，若 N i 17，则将 N i 送入 ''
''
比较器得到偏差e，将偏差e送入分析器分析，分析机作决策优先考虑通过扇区变动适应需求，在扇区变动无 法解决需求变化时才使用流量控制需求的时空分布。分析的重点将是评估对存档警告采取行动和未采取行动 所带来的效益和影响，既面向扇区又面向用户；分析的结果是为解决识别到的约束提供建议，这些建议也许 包括扇区设计调整，流量的分布，或者用户的运行调整；如果当地的设备因外界因素而不能实施解决的建议 （例如缺乏设备，与其他设备不能协同工作等问题），当地组织机构应将问题提到上级的责任服务部门。将 重复出现的扇区负荷问题的提交到地区管理局意味着当地的机构在解决问题时需要额外的协助。相应的服务 部门将调配必要的资源来解决扇区负荷问题，并且应该保证做到： （1）由当地的机构提交到区域服务部门一份当班人员做的研究报告，这份研究要概述为解决重复出现 的扇区负荷问题而采取的行动、探索性解决方案和解决建议。报告也将包含使用何种设备以改善当前扇区管 理的特殊举措。 - 116 http://www.sj-ce.org/
（2）牵头的区域服务部门将制定一个行动计划来解决已识别的问题，并且： 1）通知空中交通管制系统指挥中心一切为解决扇区负荷问题正在实施的持续的交通管理举措。 2）尽力投入部门内资源以评估设备的调查结果。 3）作为服务关键部门，合理协调内部设施活动。 4）当需要的时候，与相应的联邦航空局总部服务单位协调获取帮助。 5）在接受机构报告的 60 天内，提交给空中交通管制系统指挥中心经理一份计划草案和相关进展的拷贝。 干扰 f
MAP矫正器 f MAP 流量控制处理机 预测值Ni
偏差e 分析机
-
决策
航空器数量/15min
方 案
空管单位
执行
扇区工作负荷
扇区划分处理机
Ni²
WL 1.测量值（溢出持续时间t） 2.Ni²
触发器 If Ni²>=MAP & t>=5min
1.5-2.5小时预测器
Ni‘
f' 其他干扰f' 警告
警告生成器
图 6 扇区动态反应逻辑控制
5 控制模拟实验及分析 采用天津市空管运行规划与安全技术重点实验室的流量管理系统、雷达模拟机和前述的扇区划分方法进 行了模拟实验，用如图 7 所示是目标空域日流量变化作为基础数据做了 2 个试验，试验长度都是 24 小时， 第一个试验是采用分 3 个 8 小时时段的强制调整扇区无反馈试验，第二个试验是有反馈的以 2 个小时做一次 扇区调整的有反馈试验。15min 航空器数量均值变化对比如图 8 所示，有反馈的 15min 航空器数量均值更接 近 MAP，第一个试验使用人力资源总工作小时是 240，第二个试验使用人力资源总工作小时是 212，减少了 11.6%。在有局部扇区出现凸点扰动（在局部扇区 15min 时间段航空器数量超过 MAP）的情况下，采用的应 对方法在 2 个实验里都是将这种扇区垂直分为 2 个扇区，第一个试验里面这种状况要保持 8 个小时，第二个 试验只需要保持 2 个小时，分扇后的 2 个上下扇区航空器数量小于 12 且只配一个管制员，则总工作小时不 受影响，如果分扇后的 2 个上下扇区航空器数量大于 12 小于 17，则人力资源总工作小时会增加。通过问卷 调查，在相同的 MAP 下，管制员感受到的工作负荷，在不同扇区对由于不同的空域结构和不同的个人知识、 技能和经验而存在差异。 100 90 80 70 流量 时段流量均值 日流量均值 时间
60 50 40 30 20 10 0 1
3
5
7
9
11
13
图 7 目标空域日流量变化 - 117 http://www.sj-ce.org/
15
17
19
21
23
18 16 14 12 强制3个时段 2小时反馈 MAP
10 8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
图 8 有反馈和无反馈扇区 15min 航空器数量均值变化对比
6 结束语 本文从我国非自由飞行实际情况出发，采用坐标网格粒度化地理空间，用航空器数量系数和网格内航段 长度量化网格内航空器平均分布数量，航空器数量系数考虑了不同网格地理位置管制员可能增减的工作负 荷，增加的负荷包括协调、接管、监控、解决冲突和移交，除了这些有这些特殊活动的位置，对于有自动相 关监视和自我间隔确保系统的航空器所处位置给了一个减少的负荷系数来处理。根据 FAA 研究结论，管制员 人数增长可以使 MAP 稳步增长的逻辑，设计了 MAP 取中偏上的货郎背包策略，用货郎背包策略对航路分区， 按制定的分扇规则，用扫描边和空域边界以及无航空器缓冲区中间线划分基础扇区边界。再将基础扇区边界 再经过所经航路的一日内 15 分钟峰值数据处理，与管制员排班结合，定出合理的排班时段和人数，并对时 段内超极限负荷的扇区做分扇处理。数值实例显示该法适应性较强，扇区由大到小，并留有可以进一步增加 人手解决峰值超负荷问题和进一步分扇不需要太多过渡成本，增加了区调扇区解决交通需求时空分布不均衡 问题的灵活性和安全性。采用带反馈的动态短时段反应逻辑控制能有效降低人力资源使用，也使得控制变量 15 分钟航空器数量更接近 MAP。在相同的 MAP 下，管制员感受到的工作负荷，在不同扇区对由于不同的 空域结构和不同的个人知识、技能和经验而存在差异。对于不同管制员调整 MAP 并分扇的方法，是今后需 要进一步研究的课题。
致谢 感谢赵嶷飞教授在模拟实验安排上提供的帮助。
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【作者简介】] 1
叶志坚（1972-） ，男，彝，博士，讲师，
2
孟令航（1977-） ，男，汉，硕士，讲师，空中交通规划与管
空中交通规划与管理，东北大学学士，
理，天津大学、博士生。Email: lhmeng@cauc.edu.cn
西南交通大学硕士/博士。
3
Email: 1272304541@qq.com
南京航空航天大学、硕士。Email: wgao@cauc.edu.cn 4
高伟（1971-） ，男，汉，硕士，副高，空中交通规划与管理，
耿增显（1976-） ，男，汉，硕士，讲师，空中交通规划与管
理，东北大学、博士。Email: zxgeng@cauc.edu.cn 5
向秋，女，汉，硕士，讲师，外语语言文学及翻译，天津外
国语学院、硕士。Email: qxiang@cauc.edu.cn
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