依據(jù)管制員工作負(fù)荷的扇區(qū)優(yōu)化研究摘要對空域扇區(qū)優(yōu)化問題的研究是空管領(lǐng)域的一項(xiàng)重要的研究課題。該項(xiàng)研究對于保障空域容量和飛行安全均具有重要作用。本文在統(tǒng)計(jì)管制員工作負(fù)荷和建立空域拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用模擬退火算法( s a ) 實(shí)現(xiàn)了空域扇區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在對廈門管制區(qū)的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了基于有限元的優(yōu)化方法。通過實(shí)際空域設(shè)計(jì)的算例計(jì)算，驗(yàn)證了扇區(qū)優(yōu)化數(shù)學(xué)理論正確性，比較兩種算法的優(yōu)化結(jié)果，證明了改進(jìn)的優(yōu)化算法更具合理性。關(guān)鍵詞：管制工作負(fù)荷，空域拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有限元，模擬退火算法，扇區(qū)劃分m塑塞墮窒墮鲞查主堡主蘭焦堡苧一一a b s t r a c tt h ea i r s p a c e ss e c t o rp a r t i t i o ni sa l li m p o r t a n to f r e s e a r c hp r o b l e ma tt h ed o m a i no ft h ea i r 打a 伍cm a n a g e m e n t i th a st h ev e r yi m p o r t a n te f f e c to ne n s u r i n ga i r s p a c e sc a p a b i l i t ya n dt h es e c u r i t y t l l i sp a p e rp u tt ou s es i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m ( s a ) t oa c h i e v et h ed e s i g na b o u ts e c t o ro p t i m i z a t i o nb a s e do nt h es t a f f s t i cm e t h o do ft h ec o n t r o l l e r sw o r k l o a da n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e ld e s c r i b i n gt h ea i r s p a c es t r u c t u r eo ft h et o p o l o g y w ea n a l y z et h eo p t i m u mr e s u ro fx i a m e nc o n t r o la i r s p a c ea n dp u tf o r w a r do p t i m a la l g o r i t h mb a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) b yc o m p u t i n gt h ee x a m p l e i tv a l i d a t e dt h ec o l t e c t n e s so ft h et l l e o r c t i ca b o u ts e c t o ro p t i m u ma n dc o m p a r e dt w ol d n do f o p t i m a lr e s u l t t h ei m p r o v e da l g o r i t h mi sp r o v e dm o r er a t i o n a l k e y w o r d ：c o n t r o lw o r k l o a d ，a i r s p a c es t r u c t u r eo ft h et o p o l o g y , t h ef i n i t ee l e m e n t , s i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m , s e c t o rp a r t i t i o n南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文1 1 前言第一章緒論我國實(shí)行的改革開放政策為民航的發(fā)展提供了前所未有的機(jī)遇。國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長，旅游外貿(mào)加速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，促進(jìn)了航空運(yùn)輸需求的快速增長，我國民航事業(yè)得到長足的發(fā)展。最近2 0 年，我國航空運(yùn)輸量以每年平均2 0 7 的速度增長。在生產(chǎn)規(guī)模方面，運(yùn)輸總周轉(zhuǎn)量、旅客周轉(zhuǎn)量、貨郵周轉(zhuǎn)量快速增長，不包括港、澳、臺地區(qū)，2 0 0 0 年全行業(yè)完成航空運(yùn)輸總周轉(zhuǎn)量1 2 2 5 x 1 0 ”噸公里，旅客運(yùn)輸量6 7 2 2 1 0 7 人，貨郵運(yùn)輸量1 9 6 7 1 0 6 噸。中國民航在世界民航業(yè)中的排位穩(wěn)步提高，2 0 0 0 年運(yùn)輸總周轉(zhuǎn)量排第9 位。2 0 0 0年中國民航定期航線總數(shù)達(dá)到1 1 6 5 條，國內(nèi)通航1 2 6 個(gè)城市，國際通航3 3 個(gè)國家6 0 個(gè)城市。2 0 0 0 年末全國民用運(yùn)輸機(jī)場1 2 9 個(gè)。其中，2 0 0 0 年首都機(jī)場旅客吞吐量突破2xlo7 人次，成為亞洲最繁忙空港并躋身世界特別繁忙機(jī)場。航空運(yùn)輸量的快速增長客觀上要求我國民用航空的建設(shè)和管理與之相適應(yīng)。而我國目前航空運(yùn)輸流量分布很不均衡。目前，民航旅客吞吐量的9 5 集中在4 0個(gè)主要機(jī)場，其中3 0 個(gè)為全國省會、自治區(qū)首府和直轄市機(jī)場；1 0 個(gè)為深圳、廈門、大連、汕頭、珠海、溫州、寧波、桂林、青島、重慶等經(jīng)濟(jì)特區(qū)、開放城市和旅游城市機(jī)場。隨著旅客吞吐量和飛行運(yùn)行總架次的e l 益增長，使我國空中交通系統(tǒng)面臨著越來越嚴(yán)重的航線擁擠；此外，惡劣天氣、導(dǎo)航設(shè)備故障也必然導(dǎo)致空域容量資源嚴(yán)重不足。因此，盡管我國的空中交通流量與發(fā)達(dá)國家相差甚遠(yuǎn)，但空中交通的擁擠狀況卻嚴(yán)重得多，并因此引起大量的航班延誤，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且埋下了事故的隱患【2 】。由于上述空中交通現(xiàn)狀存在，管制員在其管轄空域內(nèi)的飛機(jī)數(shù)量越來越多，使得管制員工作負(fù)荷在不斷增加。在我國的某些空域的空域管制工作的工作量之大，時(shí)常超出管制員所能承受的程度，對飛行安全帶來不利影響。為了保證飛行安全，提高飛行效率和空域利用率，空管部門將空域劃分為若干扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)設(shè)立一個(gè)管制席位，進(jìn)行空中交通的指揮和協(xié)調(diào)工作。如何確保扇區(qū)劃分的均衡、有效和合理，成為世界民航空中交通管制領(lǐng)域不少學(xué)者研究關(guān)注的一個(gè)重要課題。這方面研究對于增加空域容量，保證飛行安全，具有重要意義。1 2 國內(nèi)外相關(guān)工作研究的現(xiàn)狀在管制工作負(fù)荷和扇區(qū)優(yōu)化方面，近些年來，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一些理論研依話管制員工作負(fù)荷的扇區(qū)優(yōu)化研究究和系統(tǒng)開發(fā)，取得了一些成果。從所掌握文獻(xiàn)來看，研究情況如下。1 2 1 管制員工作負(fù)荷方面的研究情況1 9 7 8 年，d k 。s c h m i d t | 8 】提出了用排隊(duì)論方法分析管制員工作負(fù)荷，討論了管制員對例行事件的處理時(shí)間以及扇區(qū)的交通流量與航班延誤之間的關(guān)系；1 9 7 9年，a r o b e r t s o n 5 1 等人在美國航空管理局( f 從) 文檔中對管制員工作負(fù)荷模型有效性給出論證；日本電子導(dǎo)航研究所的n o r i y a s ut o f u k u j i 4 1 t 5 1 教授對日本東京機(jī)場進(jìn)行了調(diào)查和統(tǒng)計(jì)分析，他根據(jù)在交通繁忙的情況下，管制員工作的完成情況來判斷容量極限是否達(dá)到，從而推算出終端區(qū)管制扇區(qū)的實(shí)際最大容量。1 9 8 9 年，r e a u x ，r a 9 1 等提出建立模型和評估工具( 預(yù)測管制員分析模型p a t c a m ) ，預(yù)測管制員工作負(fù)荷。整套模型包括管制員行為模型、扇區(qū)環(huán)境模型和工作負(fù)荷模型等。1 9 9 9 年，在國際空管第4 4 屆技術(shù)和展覽年會上，澳大利亞的a m b i d j i f i8 】小組推出測量a t c 工作負(fù)荷的工具，該軟件工具可以設(shè)計(jì)扇區(qū)大小和確定扇區(qū)容量，實(shí)現(xiàn)空域和扇區(qū)的優(yōu)化。國內(nèi)在管制員的工作負(fù)荷及空域規(guī)劃方面的研究開展相對較晚。工作負(fù)荷方面的研究，主要是在人為因素方面的研究涉及對于管制員工作負(fù)荷，進(jìn)行有關(guān)探討。韓松臣1 2 2 】等針對廣州管制區(qū)，對于管制員工作負(fù)荷進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)，采用國際上較為成熟的主觀容量評估方法d o r a r a s k 方法，進(jìn)行扇區(qū)容量評估實(shí)驗(yàn)，為本文進(jìn)行的工作負(fù)荷量化研究提供借鑒。1 2 2 國內(nèi)外空域規(guī)劃方面的研究情況本文重點(diǎn)探討的扇區(qū)優(yōu)化問題是空域規(guī)劃設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面，對于增加空域容量，保證飛行安全，具有重要意義。國際民航組織的文件對該方面的研究進(jìn)行了闡述：d o c8 1 6 8 o p s 6 1 1 1 2 4 j 根據(jù)空域安全間隔專家組的研究成果制定了空域規(guī)劃的方法和原則。此外，d o e4 4 4 4 一r a c 5 0 1 3 4 t 、d o c9 4 2 6 a n 9 2 4 2 0 1 和國際民航公約附件1 l 也包含部分空域規(guī)劃設(shè)計(jì)方面的內(nèi)容。最近的空域規(guī)劃文件是9 8 年公布d o c9 6 8 9 一a n 9 5 3 3 1 1 總結(jié)了國際民航界在空域規(guī)劃設(shè)計(jì)和空域安全性評估方面更廣泛的量化研究成果，成為國際空中交通管理人員進(jìn)行空域規(guī)劃設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。其中，d o c 9 4 2 6 a n 9 2 4 中對于扇區(qū)劃分考慮的以下方面，是進(jìn)行空域扇區(qū)劃分研究必須遵循重要因素。在審查把空域劃分為幾個(gè)扇區(qū)的需要時(shí)，應(yīng)考慮的因素：空中交通服務(wù)( a t s ) 航路網(wǎng)的形態(tài)：交通量及其混和情況；交通的地理分布；a t s 人員( 所能處理的) 容量；2南京航空航天太學(xué)碩士學(xué)位論文在評估a t s 航路網(wǎng)形態(tài)時(shí)，應(yīng)顧及下述因素：所服務(wù)的航路數(shù)：a t s 航路交叉點(diǎn)數(shù)i平飛的航空器和在爬升與下降的航空器的比例；重要航空器的性能特點(diǎn)。依據(jù)以上相關(guān)的文件，國際上先后有多位學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)問題的探討：進(jìn)入9 0 年代由于空中交通流量的增加和空中交通系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高，c r o w nc o m m u n i c a t i o n “1 于1 9 9 7 年提出動態(tài)扇區(qū)的概念；南斯拉夫貝爾格萊德大學(xué)學(xué)者0 b r a db a b i c 1 9 1 等在1 9 9 8 年提出利用模糊邏輯進(jìn)行空域扇區(qū)的劃分；p a w l a k 等在1 9 9 7 年n a s a 中對動態(tài)劃分扇區(qū)和航路的協(xié)調(diào)系統(tǒng)( d i r e c t ) 給出評估。就扇區(qū)安全性分析來說，a a t r a n i 和h d s h e r a l i 【”】等人1 9 9 8 年提出航空器沖突模型( a e m ) 和空域占有模型( a 叫) 兩種計(jì)算機(jī)模型來解決空域及扇區(qū)沖突和評估扇區(qū)扇區(qū)容量。同時(shí)，就扇區(qū)容量評估方法來說，英國的運(yùn)籌與分析理事會提出的d o r a t a s k 方法10 】1 1 6 】【2 0 堤較為成熟的主觀容量評估方法；就空域和扇區(qū)優(yōu)化算法來講，近些年來，有學(xué)者提出有限元方法1 6 】( f e m ) 和隨機(jī)優(yōu)化方法，該方面研究較活躍的一位學(xué)者是法國學(xué)者d a n i e ld e i a h a y e l 3 j 1 6 1 1 1 2 】f 1 3 1 1 側(cè)，他提出了基于隨機(jī)優(yōu)化( 主要是遺傳算法) 結(jié)合計(jì)算幾何的空域和扇區(qū)優(yōu)化方法。我國在空域規(guī)劃研究方面的研究是：1 9 9 9 年，胡明華、張志龍、杜駿 3 0 】等人進(jìn)行的對終端區(qū)容量的模型研究，建立了航路交叉點(diǎn)的容量估計(jì)模型，分析了不同的流量分配方案及機(jī)型混雜比對交叉點(diǎn)容量的影響，建立了終端區(qū)空域的容量估計(jì)模型，并用網(wǎng)絡(luò)流理論分析了終端區(qū)的容量，以及走廊口的流量分配、交通流特征、空域結(jié)構(gòu)、間隔規(guī)則對終端區(qū)容量的影響，較好的解決了空域主觀容量的評估問題。2 0 0 2 年，胡明華和蔣兵f 2 3 】就跑道、航路和終端區(qū)的具體情況建立了對應(yīng)的容量評估模型，提出了其容量評估方法。1 2 。3 國外空域規(guī)劃方面的產(chǎn)品介紹如上所述，r e a u x ，r a 等提出建立模型和評估工具，a a t r a n i 和j c s m i t h等人1 9 9 8 年提出航空器沖突模型( a e m ) 和空域占有模型( a o m ) ，這些相關(guān)軟件，在實(shí)際的管制員工作負(fù)荷及空域規(guī)劃的研究中，由于研究和運(yùn)用的側(cè)重點(diǎn)不樣，軟件的相關(guān)功能各有不同之處。1 9 8 8 年，澳大利亞的p r e s t o ng r o u p t 0開發(fā)成功“整個(gè)機(jī)場和空域評估模型”( t a a m ) 第一代。目前，t a a m 發(fā)展到了第二代，是相互關(guān)聯(lián)，功能強(qiáng)大的統(tǒng)一整體，現(xiàn)在已經(jīng)運(yùn)用在機(jī)場容量研究和設(shè)計(jì)，t r a c o n 及終端區(qū)進(jìn)程的分析，工作負(fù)荷分析，空域設(shè)計(jì)，自由飛行問題的研究等等。未來的第三代t a a m 性能將更強(qiáng)大，其中可以在1 2 小時(shí)內(nèi)模擬6 0 0 0 0 架飛機(jī)，空域沖突的預(yù)測算法的效率將是現(xiàn)在第二代的十倍以上。該系統(tǒng)是目前世界上比較先進(jìn)，功能強(qiáng)大的空域評估系統(tǒng)軟件。依據(jù)管制員工作負(fù)荷的扇區(qū)優(yōu)化研究1 3 本文主要研究內(nèi)容本文將對于空域規(guī)劃方面的扇區(qū)優(yōu)化問題展開討論。主要論述如下內(nèi)容：討論了管制員工作負(fù)荷的量化工作。在d o r a t a s k 方法的基礎(chǔ)上，給出了量化指標(biāo)和量化統(tǒng)計(jì)結(jié)果，為扇區(qū)的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)。給出了空域航路的拓?fù)潢P(guān)系的數(shù)學(xué)描述和數(shù)學(xué)模型，為扇區(qū)優(yōu)化提供數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。最終實(shí)現(xiàn)了扇區(qū)優(yōu)化算法：模擬退火算法和基于有限元的隨機(jī)優(yōu)化算法。具體內(nèi)容安排如下：第二章詳細(xì)分析了管制工作，主要是管制通信工作的特點(diǎn)和內(nèi)容。介紹了早期管制員工作負(fù)荷的研究和d o r a t a s k 方法。在此基礎(chǔ)上，提出了管制工作負(fù)荷的量化指標(biāo)。在附錄1 中詳細(xì)列出常用的管制用語的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。第三章主要介紹空域航路結(jié)構(gòu)的拓?fù)潢P(guān)系的數(shù)學(xué)描述，扇區(qū)優(yōu)化的理論基礎(chǔ)和扇區(qū)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型。第四章介紹了基于模擬退火算法的扇區(qū)優(yōu)化，給出優(yōu)化結(jié)果和分析。第五章介紹了有限元方法，及采用基于有限元的扇區(qū)優(yōu)化方法解決空域扇區(qū)優(yōu)化問題，并就此方法和第四章的模擬退火算法進(jìn)行比較，得出結(jié)論。最后，對所做工作的總結(jié)，以及對于管制員工作負(fù)荷和扇區(qū)優(yōu)化進(jìn)一步研究的展望。4南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文2 1 引言第二章管制員工作負(fù)荷的分析人的能力是有限的，負(fù)荷過重或不足，都不利于人的能力的發(fā)揮。系統(tǒng)的工作負(fù)荷，典型的方法用計(jì)算機(jī)單位時(shí)間可處理的輸入、輸出量來表示。而人的工作負(fù)荷與系統(tǒng)的工作負(fù)荷不同，前者不能長時(shí)期保持不變，要考慮“實(shí)際緊迫”的影晌。實(shí)際上不存在一種絕對不變的客觀工作負(fù)荷，它與任務(wù)的性質(zhì)、內(nèi)容有關(guān)，與人的經(jīng)驗(yàn)、技能有關(guān)。通常將工作負(fù)荷與任務(wù)要求相聯(lián)系，與管理每一架飛機(jī)要做的事相關(guān)聯(lián)。工作負(fù)荷行為分為兩類：可觀察的( 客觀的) 負(fù)荷和認(rèn)知理解的( 主觀的)負(fù)荷。可觀察的負(fù)荷可以量化表示，如需要工作的飛機(jī)的數(shù)量、需要的通信和協(xié)調(diào)量、數(shù)據(jù)輸入量等，時(shí)間緊迫性以可用時(shí)間與需用時(shí)間之比來定量表示。工作負(fù)荷也與a t c 設(shè)旌有關(guān)，如工作臺的顯示器，操縱器，要求的手動輸入，文件工作及與其他管制員的聯(lián)絡(luò)等。認(rèn)知理解負(fù)荷，則是管制員個(gè)人對a t c 環(huán)境和工作提出的要求，個(gè)人感受或主觀的認(rèn)知理解。認(rèn)知負(fù)荷隨扇區(qū)內(nèi)飛機(jī)數(shù)量增加而增大。不同的管制員，由于訓(xùn)練、經(jīng)驗(yàn)、技巧、疲勞等因素，對相同的、可觀察的工作負(fù)荷，他們的認(rèn)知負(fù)荷可能不同。認(rèn)知負(fù)荷十分重要，因?yàn)闇p少了可觀察負(fù)荷，不一定能減少認(rèn)知負(fù)荷。認(rèn)知負(fù)荷的增加有可能影響到空域的容量和安全，認(rèn)知負(fù)荷不足，也易引起厭煩，單調(diào)情緒，降低能力。工作負(fù)荷評估的主要目的，是使人的信息處理能力在長時(shí)間不能過重，也不能過輕，要留有余地，以應(yīng)付意外情況。因?yàn)檎J(rèn)知工作量比較難定量計(jì)算，所以不可能有純客觀的工作負(fù)荷。只有通過比較改進(jìn)前、后的工作負(fù)荷，才能得至拉l 些改進(jìn)對工作負(fù)荷的影響。對于不同的管制員來說，客觀工作負(fù)荷相同，主觀工作負(fù)荷不同，這主要取決于他們訓(xùn)練、經(jīng)歷、技能、疲勞和其他因素。任何增加的主觀工作負(fù)荷，都可能影響管制員對新系統(tǒng)的接受能力：過分減少主觀工作負(fù)荷將引起人們對工作的厭倦和感覺工作單調(diào)，這將從反面影響管制員的業(yè)績和使管制員處于滿足狀態(tài)。因此，評價(jià)工作負(fù)荷首要的目標(biāo)是：在一定時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)對管制員信息處理的能力保證即不超負(fù)荷工作，也不能輕負(fù)荷工作，因?yàn)槌?fù)荷和輕負(fù)荷都將影響管制員的工作業(yè)績。同時(shí)，管制員工作負(fù)荷與扇區(qū)容量密切相關(guān)。眾所周知，容量估計(jì)問題是空中交通流量管理系統(tǒng)實(shí)施過程中，需要首先解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，空域容量既取決于由通信導(dǎo)航設(shè)備、場地條件、空域結(jié)構(gòu)、所在地氣象條件等因素決定的客觀容量，同時(shí)也取決于與管制員工作負(fù)荷等人的因素相關(guān)的主觀容量。研究表明，空域容量在很大程度上取決于管制員的工作負(fù)荷，管制員的個(gè)人能力，如預(yù)測、依據(jù)管制員_ 工作負(fù)荷的扇區(qū)優(yōu)化研究分析、理解、決策、應(yīng)變、協(xié)調(diào)、自控、表達(dá)能力等都對空域扇區(qū)容量產(chǎn)生影響。由于個(gè)體之間的差異和個(gè)體狀態(tài)變化，每個(gè)管制員管制下的扇區(qū)容量都不一樣，同一管制員在不同條件狀態(tài)下的管制扇區(qū)容量也不相同，只能獲得一個(gè)平均值。一個(gè)管制員只有完全調(diào)動上述各方面能力，才能達(dá)到其最高的工作效率?？疾焐葏^(qū)容量方法，可以考慮通過在正常的管制條件和熟練程度下，管制員在單位時(shí)間所能處理的飛機(jī)數(shù)目來決定空域容量的大小。為了研究空域的扇區(qū)優(yōu)化問題，本文必須首先建立航路的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，又必須先確定各個(gè)線段的權(quán)值，即管制員在此線段上的管制工作負(fù)荷。于是就引出了如何解決管制員工作負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)問題，通過統(tǒng)計(jì)管制員工作負(fù)荷來確定航路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系中的權(quán)值問題，為形成完整的航路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系做準(zhǔn)備。2 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和d o r a t a s k 方法介紹2 2 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀早期的研究發(fā)明了一種空中交通管理尺度如飛行密度用來聯(lián)系空中交通量數(shù)據(jù)和工作負(fù)荷。將用模型預(yù)測的工作負(fù)荷和觀測到管制員生理活動數(shù)據(jù)進(jìn)行比較并提供一個(gè)良好的交互作用。這個(gè)模型的一個(gè)約束就是人的行為的重要成分是有可知性并且這點(diǎn)并未在以前的模型提及。因?yàn)檎J(rèn)識行為建立模型很難，所以這里的方法是利用管制員實(shí)際的工作負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)將空中交通流量特性和管制員工作負(fù)荷聯(lián)系在一起的。一旦這種對應(yīng)關(guān)系構(gòu)成就可以用來預(yù)測管制員的工作負(fù)荷了。三種顯著的方法被用于工作負(fù)荷的研究，第一種方法目的是測量空管的生理狀況，這種測量包括電擊皮膚的反應(yīng)( g s r ) ，心率，心電圖( e c g ) ，血壓，體液的生物分析和行為癥狀。這種方法被工作負(fù)荷的壓力指示器限制著。第二種方法目的是測量管制員工作負(fù)荷就在人機(jī)連接系統(tǒng)的方面的相互影響。這種測量包括按鍵的數(shù)目，單位時(shí)間的記錄和通話。這些測量作為工作負(fù)荷尺度的主要困難在于這種方法假設(shè)空中交通管制工作總是在一個(gè)可知的自然行為上顯示這種假設(shè)的。沒有完全獲得空管工作的主要認(rèn)識和數(shù)據(jù)密集的特性，而不是自然和勞動密度的特性。為了生理和自然行為的測量方面的約束，第三種方法的目的是測量空管心理狀況，被測量的是工作負(fù)荷在工作認(rèn)識的程序和有效的心理能力方面。以上研究【3 刈是針對管制員的生理和心理特征，對其工作負(fù)荷進(jìn)行的研究，各自有其側(cè)重，無法直接應(yīng)用于空域和扇區(qū)規(guī)劃工作。南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文2 2 2d o r a t a s k 方法介紹有關(guān)管制工作負(fù)荷的定性方面的研究相對較多，而管制工作負(fù)荷定量研究開展，比較著名的方法是英國運(yùn)籌與分析理事會所提出的用于扇區(qū)容量評估的“d o r a t a s k ”方法 1 0 】f l e l 2 們。該方法在d o r a 第8 1 8 8 號暫時(shí)性報(bào)告，d o r a 第8 9 1 6號暫時(shí)性報(bào)告和d o r a 第8 9 2 7 號報(bào)告進(jìn)行了闡述，并對倫敦終端區(qū)扇區(qū)進(jìn)行實(shí)際的校準(zhǔn)。“d o r a t s a k ”方法著重對雷達(dá)管制員所承擔(dān)的工作負(fù)荷的評估。一方面是把用在( 看得見的) 日常的和解決沖突的工作時(shí)間加在一起，另一方面是( 看不見的) 思考計(jì)劃的工作時(shí)問。管制員的工作，除了這兩個(gè)互有關(guān)系的組成部分外，還有第三部分一一恢復(fù)時(shí)間。這部分時(shí)間最少，沒有列入( 看得見的和看不見的)指定工作時(shí)間之內(nèi)，但被認(rèn)為是對扇區(qū)是安全運(yùn)行極為重要。因此，管制員的時(shí)間分為看得見的工作、看不見的工作和恢復(fù)時(shí)間。看得見的工作是那些外界觀察員容易記錄和記時(shí)的工作，看不見的工作是同繁忙的管制員的看得見的工作并行的，幾乎是連續(xù)地在做著那些工作，通常是觀察員不能直接予以記錄或計(jì)算的。但是這些工作包括監(jiān)控雷達(dá)屏幕和思考下一步指揮的預(yù)案，這些對于扇區(qū)管制員的管制工作來說是很關(guān)鍵的?？床灰姷墓ぷ魇歉鶕?jù)計(jì)算在該扇區(qū)內(nèi)每駕航空器要產(chǎn)生多少張進(jìn)程單，并且當(dāng)它首次交給雷達(dá)管制員時(shí)，已經(jīng)有了多少張其他的進(jìn)程單置放在進(jìn)程板上，還必須對它予以對照檢查。然后，把檢查的次數(shù)乘以“每張進(jìn)程單每次檢查的時(shí)間”，求得看不見的全部工作負(fù)荷。檢查進(jìn)程單的時(shí)間不被認(rèn)為是體力工作的持續(xù)時(shí)間，但在校正模型以反映全部計(jì)劃所用的時(shí)間的時(shí)候可以作為一個(gè)計(jì)算因素。在交通流量高峰期間，這類工作負(fù)荷將顯著增加。對一給定扇區(qū)和交通樣本的工作負(fù)荷測計(jì)，是看不見和看得見的工作時(shí)間之和。為了達(dá)到容量足以使該扇區(qū)能夠持續(xù)安全運(yùn)行，需要確定管制員有一極小部分時(shí)間進(jìn)行恢復(fù)。這項(xiàng)比例可能隨著預(yù)期的一種以某一“容量”的流量率要持續(xù)的時(shí)間長度而增加。起初，假定既不更換管制員，也不減少交通量，該扇區(qū)按其容量運(yùn)行不到一小時(shí)的時(shí)間。再進(jìn)一步研究，把交通量定在較低的數(shù)量以便持續(xù)安全運(yùn)行。當(dāng)假定用在檢查每一進(jìn)程單的時(shí)間( 它確定對計(jì)劃的工作負(fù)荷的加權(quán)) 為兩秒鐘時(shí)，導(dǎo)得下述結(jié)論：具有容量時(shí)的平均工作負(fù)荷必須小于總工作負(fù)荷的8 0 ，并且9 0 的工作負(fù)荷不得超過總( 工作) 時(shí)間的2 5 。校正d o r a t a s k 模型分作兩個(gè)部分進(jìn)行。首先，把在研究期間內(nèi)的由模型所預(yù)計(jì)的工作負(fù)荷與觀測到的工作負(fù)荷相比較，調(diào)節(jié)模型的參數(shù)使兩者匹配。其次，對于若干小時(shí)的流量，為兩個(gè)扇區(qū)( 它們的容量是事先用其他方法決定的) 繪制工作負(fù)荷的曲線圖。估計(jì)扇區(qū)空域容量的d o r a t a s k 方法的原則，不論把它們應(yīng)用于航路中的扇區(qū)化部分或終端區(qū)( t m a ) 的扇區(qū)內(nèi)，基本上都是一樣的。但在t m a 扇區(qū)中依據(jù)管制員工作負(fù)荷的扇區(qū)優(yōu)化研究實(shí)施需作三項(xiàng)值得注意的變化：必須考慮涉及管制等待層的工作負(fù)荷；必須改變用來識別潛在沖突的條件，以便為某一t m a 航線結(jié)構(gòu)的更復(fù)雜情況做準(zhǔn)備。最后，必須改變計(jì)劃工作負(fù)荷的模型化方法以反映這一事實(shí)：即管制員主要是依靠雷達(dá)屏幕而不是進(jìn)程板來察覺沖突的。d o r a l s k 方法將管制員的管制負(fù)荷劃分為看得見、看不見的和恢復(fù)時(shí)間。這是從管制負(fù)荷統(tǒng)計(jì)難易的角度劃分。如果我們根據(jù)管制工作的內(nèi)容來劃分，又可以劃分為三個(gè)部分：沖突負(fù)荷、協(xié)調(diào)負(fù)荷和航跡監(jiān)控負(fù)荷。沖突負(fù)荷包括了管制員解決沖突的不同方法。協(xié)調(diào)負(fù)荷包括管制員和相鄰扇區(qū)管制員、管制員和飛越扇區(qū)邊界飛行員的信息交流。監(jiān)控目的是核查在當(dāng)前扇區(qū)內(nèi)飛機(jī)飛行的不同軌跡并且減少工作負(fù)荷。2 3d o r a t a s k 方法的應(yīng)用實(shí)踐2 3 _ 1 管制工作過程介紹和管制通信過程分析介紹了管制工作負(fù)荷的概念和d o r a t a s k 方法，我們就應(yīng)當(dāng)知道究竟管制工作負(fù)荷包括那些具體內(nèi)容。管制工作負(fù)荷主要內(nèi)容是：通過觀察雷達(dá)屏幕和填寫進(jìn)程單監(jiān)控管制空域內(nèi)飛機(jī)的飛行動態(tài)、利用無線電對講機(jī)向飛行員發(fā)布指令并掌握飛機(jī)的狀況和確認(rèn)飛行員復(fù)述指令的正確性、對可能發(fā)生沖突的飛行器進(jìn)行協(xié)調(diào)以及與相鄰管制單位的協(xié)調(diào)移交工作等。與此同時(shí)，管制人員應(yīng)當(dāng)思考確定指揮預(yù)案，以便有效指揮管制區(qū)內(nèi)的飛行器，保證飛行安全。我們發(fā)現(xiàn)，管制工作分解成單個(gè)的管制動作，其實(shí)就是一個(gè)接受信息和處理信息的信息反饋系統(tǒng)，如圖2 1 所示。管制人員接受外界的原始信息，包括雷達(dá)顯示的位置信息，飛行報(bào)文信息，機(jī)長傳輸?shù)膙 h f 飛行狀態(tài)信息等等，對于這些數(shù)據(jù)信息，首先根據(jù)管制人員的實(shí)際管制經(jīng)驗(yàn)和航管知識，進(jìn)行信息加工，思考確定指揮預(yù)案，然后通過無線電等媒介分布指令，通過電話與相鄰管制區(qū)協(xié)調(diào)，同時(shí)觀察執(zhí)行情況，及時(shí)反饋，對管制效果及時(shí)總結(jié)。圖2 一l 管制工作流程南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文上述的管制工作流程中，除了填寫進(jìn)程單和操作計(jì)算機(jī)等一些基本的工作外，大部分時(shí)間是通信工作。通信是現(xiàn)今空中交通管制的主要手段，也是管制員工作負(fù)荷的主要來源。通信過程一般由以下幾個(gè)單元組成：送訊者、受迅者、傳輸時(shí)間、通信時(shí)間、通信內(nèi)容及其表達(dá)形式、傳輸手段與媒介，這些單元缺一不可。這些單元的質(zhì)量通常都是不穩(wěn)定的，往往會影響通信的成功率，通信失敗也加劇了最重要的通信資源一一時(shí)間的消耗。通信內(nèi)容及其表達(dá)形式，是人腦及各種感官活動的綜合結(jié)果，各種感官接受外界的刺激通過大腦思考后做出的適當(dāng)反應(yīng)。例如管制員從雷達(dá)上看到一架飛機(jī)證在偏離航線，經(jīng)思考找出正確的處理方法后，用無線電對講機(jī)對機(jī)長發(fā)出警告及指令，這一過程中綜合使用了視覺、聽覺和思考。由于個(gè)體能力，或者說人這種資源的可用性、可靠性的不同，導(dǎo)致通信內(nèi)容及其表達(dá)形式差別很大。傳輸手段與媒介是一種依賴通信設(shè)施及環(huán)境的資源，它的可用性和可靠性主要依賴通信的技術(shù)水平，比如用無線電通信要看它的信噪比及頻道數(shù)目。通信質(zhì)量好，管制員的工作量會減少：反之說話就會變得不流暢，停頓及改正增多，加重了工作負(fù)荷的同時(shí)，也浪費(fèi)了不少時(shí)間。用計(jì)算機(jī)通信同樣也要看它的傳輸速率、帶寬及糾錯(cuò)能力等。前面提到的傳輸時(shí)間是最重要的資源，如果只是為了管制一架飛機(jī)，傳輸時(shí)間可以說是用之不盡，但實(shí)際上通常會有多架飛機(jī)同時(shí)占用這種資源，由于管制員在一次通信中的對象只能是單架飛機(jī)的特殊性，a t e 通信只能是分時(shí)通信。這樣，如果一架飛機(jī)占用波道的時(shí)間太長，那么其它飛機(jī)就無法及時(shí)地和管制員聯(lián)絡(luò)。很明顯，出現(xiàn)這種情況管制員在相同時(shí)間內(nèi)處理的飛機(jī)數(shù)目就會減少，在增加了工作負(fù)荷的同時(shí)，降低了扇區(qū)容量。2 3 2 管制員工作負(fù)荷的量化由上文介紹的“d o r a t a s k ”方法，我們可以看出，通過工作時(shí)間的分析，將其分為看得見的工作負(fù)荷、看不見的工作負(fù)荷和恢復(fù)時(shí)間。構(gòu)成我們評價(jià)工作負(fù)荷的三個(gè)部分，對于飽和的工作負(fù)荷，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，規(guī)定平均工作負(fù)荷必須小于總工作負(fù)荷的8 0 ，而且大于9 0 的工作負(fù)荷時(shí)間應(yīng)當(dāng)不超過工作時(shí)間的2 5 。盡管該方法是側(cè)重與對雷達(dá)管制員工作負(fù)荷的扇區(qū)工作負(fù)荷研究，但對于雷達(dá)監(jiān)視下的程序管制的扇區(qū)工作負(fù)荷研究，也具有借鑒作用。本文將借鑒d o r a t a s k方法的思想，對管制員工作負(fù)荷給出具體量化方法。通過計(jì)算機(jī)手段對空域容量和扇區(qū)優(yōu)化的研究，我們首先應(yīng)當(dāng)考慮如何將管制員的管制工作負(fù)荷定量表達(dá)。管制員的管制工作主要是通過觀察雷達(dá)屏幕和填寫進(jìn)程單監(jiān)控管制空域內(nèi)飛機(jī)的飛行動態(tài)、利用無線電對講機(jī)向飛行員發(fā)布指令并掌握飛機(jī)的狀況和確認(rèn)飛行員復(fù)述指令的正確性、以及與相鄰管制單位的協(xié)調(diào)依據(jù)管制員工作負(fù)荷的扇區(qū)優(yōu)化研究工作等。根據(jù)d o r a t a s k 方法，管制員工作負(fù)荷分為看得見、看不見部分和恢復(fù)時(shí)間。首先，我們對于看得見部分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。通過統(tǒng)計(jì)雷達(dá)、語音記錄儀記錄的歷史數(shù)據(jù)或?qū)?shí)際管制工作進(jìn)行記時(shí)和統(tǒng)計(jì)，確定出相應(yīng)通話種類的經(jīng)驗(yàn)工作負(fù)荷指數(shù)的期望值( 以時(shí)間長短衡量) 。若第k 種工作負(fù)荷經(jīng)驗(yàn)負(fù)荷指數(shù)為t 。，則i = z r , - 石( n 5 0 )( 2 一1 )j - t其中，疋i 表示對第足類管制動作第j 次持續(xù)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)值，n 為對于此類管制動作的統(tǒng)計(jì)次數(shù)。參照上式，對于廈門管制區(qū)較為繁忙時(shí)段的管制通話進(jìn)行錄音，同時(shí)結(jié)合在廈門航管站，對迸近管制、塔臺管制和區(qū)域管制的對話的現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)，首先按照中國民用航空無線電通話手冊【2 l 】的常用管制用語，對不同類型的管制進(jìn)行分類，然后對相同的管制指令進(jìn)行加權(quán)平均，求得期望值大小。如表2 1 是對機(jī)場、進(jìn)近和區(qū)域的部分常用無線電管制用語統(tǒng)計(jì)的結(jié)果。全部管制用語統(tǒng)計(jì)的結(jié)果見附錄1 。表2 一l 部分常用管制用語的工作負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表管制類別管制種類管制用語工作負(fù)荷一般用語高度指令上升下降1 6一般用語移交改頻在( 單位呼號) ( 頻率) 上等待4 2一般用語氣象情報(bào)能見度( 距離)4 3一般用語位置報(bào)告下一次在( 重要點(diǎn)) 報(bào)告5 1機(jī)場管制目視識別打開著陸燈3 ，l機(jī)場管制目視識別擺動機(jī)翼2 8機(jī)場管制開車程序同意開車。2 6機(jī)場管制推出程序推出時(shí)間自己掌握3 7機(jī)場管制著陸可以著陸2 ，4進(jìn)近管制離場指令起飛后，左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)，航向( 三位數(shù))7 4進(jìn)近管制進(jìn)近指令可以沿( 航線代號) 飛行5 2區(qū)域管制管制許可a t c 許可( 航空器呼號)6 5區(qū)域管制高度保持保持( 高度) 直到飛越( 重要點(diǎn))7 2區(qū)域管制巡航高度規(guī)定飛越( 某點(diǎn)) 高度( 高度) 以下以上7 9區(qū)域管制間隔指令在( 某時(shí)) 飛越( 某點(diǎn))7 1其中，管制類別欄表示管制類別，管制種類欄表示具體管制命令種類，管制用語欄表示管制員發(fā)出的具體指令內(nèi)容，工作負(fù)荷欄表示統(tǒng)計(jì)的管制指令發(fā)出所1 0南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文需時(shí)間，以時(shí)間秒為單位。對于管制人員來說，較大一部分時(shí)間必須用在對雷達(dá)屏幕進(jìn)行監(jiān)視，對照進(jìn)程單，思考制定指揮預(yù)案等。工作負(fù)荷如果始終處于看得見的部分，不僅管制任務(wù)是不完整的，而且使管制人員處于十分疲勞之中，對空域的安全不利。同時(shí)，留有一定的恢復(fù)時(shí)間，對于管制入員保持清醒的頭腦和精力集中，很有益處。但在實(shí)際的統(tǒng)計(jì)過程中，統(tǒng)計(jì)這兩部分管制工作負(fù)荷比較困難。因?yàn)檫@些負(fù)荷不是通過實(shí)際通話的時(shí)間長短來表示，并且經(jīng)常是融入到看得見部分里去，量化難度較大。為了計(jì)算方便，我們假設(shè)看不見部分和恢復(fù)時(shí)間占整個(gè)工作負(fù)荷的5 0 左右。因此，總的工作負(fù)荷s ，可表示如下：mns = 2 ( ) ( 5 0 )( 2 2 )k = lj - i，在求得( 2 一1 ) 單一種類負(fù)荷值，將在時(shí)間段m 種負(fù)荷值相加得到總的看得見部分工作負(fù)荷，再乘以系數(shù)2 ，得到在時(shí)間段管制員總工作負(fù)荷s 。墮堡筻型里王堡壘煎竺墮匡垡些墮莖第三章拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)、扇區(qū)設(shè)計(jì)理論和優(yōu)化數(shù)學(xué)模型3 1 引言在明確了管制員工作負(fù)荷的量化方法之后，我們接下來需要確定航路的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系。因?yàn)橥ㄟ^計(jì)算機(jī)手段對空域的優(yōu)化扇區(qū)工作，首先必須建立管制空域結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋽?shù)學(xué)描述和對應(yīng)的工作負(fù)荷計(jì)算模型。這是利用計(jì)算機(jī)解決此類問題所必須的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。3 2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淅碚撛诳沼蚝铰肪W(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用3 2 1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎嚓P(guān)性與拓?fù)渚仃囃負(fù)鋵W(xué)萌發(fā)于1 7 世紀(jì)瑞士數(shù)學(xué)家l 歐拉發(fā)表關(guān)于求解哥尼斯堡七橋問題的論文，1 9 世紀(jì)后該學(xué)科得到發(fā)展。拓?fù)鋵W(xué)有多個(gè)研究方向，早期分為一般拓?fù)鋵W(xué)和代數(shù)拓?fù)鋵W(xué)，后來又出現(xiàn)了微分拓?fù)鋵W(xué)和低維流形等研究方向。本文借鑒的拓?fù)鋵W(xué)知識來源于代數(shù)拓?fù)鋵W(xué)理論。3 2 1 1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎嚓P(guān)性拓?fù)湎嚓P(guān)性分析是以幾何六面體單元為對象，對其節(jié)點(diǎn)一節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)一棱線、單元一單元之間的相互聯(lián)系性的討論。如果兩節(jié)點(diǎn)有連線關(guān)系，則這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)是相關(guān)的；如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)是某棱線上的一個(gè)端點(diǎn)，則這個(gè)節(jié)點(diǎn)與該棱線是相關(guān)的；如果兩個(gè)單元是相鄰的，即有相同的節(jié)點(diǎn)( 或棱線) ，則這兩個(gè)單元是相關(guān)的。節(jié)點(diǎn)相關(guān)性分析是要確定相對某節(jié)點(diǎn)v j ，所有與之相關(guān)的節(jié)點(diǎn)的集合以及相關(guān)棱邊的集合，若( u ) 表示相對節(jié)點(diǎn)v ，與之相關(guān)節(jié)點(diǎn)的集合，匆( v j ) 表示相對節(jié)點(diǎn)v 與之相關(guān)棱邊的集合，則有( 葉) = 以ie t = ( v l ，v v i v j , i ，)e 面( y i ) = e j q = ( v i ，v ) ，咋v ，i )( 3 1 )( 3 2 )宴壅墮窒鑒墨盔堂墮主堂堡堡苧其中，v ，表示節(jié)點(diǎn)，氣表示節(jié)點(diǎn)v ；和”j 之間的棱邊。圖3 1單元節(jié)點(diǎn)相關(guān)圖圖3 一l 是節(jié)點(diǎn)相關(guān)圖，它直觀地反映了單元節(jié)點(diǎn)間的相關(guān)性。單元相關(guān)性分析是要確定所有單元中彼此相關(guān)的單元集合，g i 表示單元，g 0 ( q ) 表示與g ；相關(guān)的單元集合，則有g(shù) ( g i ) = q j g i n g j 卿( 3 7 3 )其中，m 表示空集，n 表示交集。若兩個(gè)單元相關(guān)，則在節(jié)點(diǎn)集合或棱線集合中必有相同的因素。設(shè)有m 個(gè)單元，任意兩個(gè)單元求交有g(shù) j n g ，i = 1 ，m ) 。若g j n g = 巾，則單元f 與單元，不相關(guān)：若g i n g j - t e 中，且當(dāng)e ，n e j o 時(shí)，則單元f 與單元_ ，為相關(guān)的。3 2 1 2 拓?fù)渚仃嚫鶕?jù)以上對單元六面體拓?fù)湎嚓P(guān)性的數(shù)學(xué)描述，相應(yīng)可以具體對幾種拓?fù)渚仃囘M(jìn)行描述。拓?fù)渚仃囍饕幸韵聨追N：單元節(jié)點(diǎn)一棱線拓?fù)渚仃?，單元?jié)點(diǎn)拓?fù)渚仃?，整體節(jié)點(diǎn)拓?fù)渚仃嚨?。單元?jié)點(diǎn)一棱線拓?fù)渚仃囀怯镁仃嚪椒ū硎竟?jié)點(diǎn)與棱線相關(guān)性的一種方法。設(shè)單元網(wǎng)格圖中有n 個(gè)節(jié)點(diǎn)，k 個(gè)棱線，構(gòu)成一個(gè)n 露階矩陣，記做a = 陋“ o = 1 ，n ；j = 1 ，)( 3 4 )鼽曠倦蘭鼉瑟黼：矩陣4 中第珩對應(yīng)第i 個(gè)節(jié)點(diǎn)，第，列對應(yīng)第j 條棱線。當(dāng)某元素為l 時(shí)，對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)與棱線相關(guān)，當(dāng)元素為0 時(shí)，對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)與棱線不相關(guān)。這樣由矩陣依據(jù)管制員工作負(fù)荷的扇區(qū)優(yōu)化研究完全地確定了單元節(jié)點(diǎn)與棱線的拓?fù)潢P(guān)系。單元節(jié)點(diǎn)拓?fù)渚仃囀怯镁仃嚪椒ū硎締卧?jié)點(diǎn)間相關(guān)性的一種方法。設(shè)單元網(wǎng)格圖中有”個(gè)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)造一個(gè)一n 階的矩陣，記作b = b , j 】( f ，j = 1 ，；f ) ( 3 - - 5 )其中，= 1 ；如僦相關(guān)的，通過以上拓?fù)渚仃嚨姆治?，可以便于對于空間和平面等研究對象通過拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)庫加以描述。3 2 2 空域航路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系的數(shù)學(xué)表示根據(jù)上面介紹的拓?fù)淅碚摲治觯瑢?shí)際航路的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行如下數(shù)學(xué)表示。實(shí)際的管制空域包括導(dǎo)航臺，機(jī)場，位置報(bào)告點(diǎn)和連接這些航路節(jié)點(diǎn)的航路組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。我們通過對這些點(diǎn)和線段的描述，建立拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，計(jì)算機(jī)通過讀取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，便能自動繪制網(wǎng)絡(luò)圖；根據(jù)隨機(jī)優(yōu)化算法選擇相關(guān)航路，完成扇區(qū)優(yōu)化。通過關(guān)聯(lián)矩陣描述各節(jié)點(diǎn)與線段，線段與航線之間的關(guān)系：其中，若設(shè)礦為節(jié)點(diǎn)集合，e 為線段集合，則有y = 【v l ，v ：，b ，川r( 3 6 )e = k ，島，島，p 。】( 3 7 )若g 為肌n 階節(jié)點(diǎn)和航段的關(guān)聯(lián)矩陣，則按照式( 3 - - 4 ) 的定義有g(shù)q g f ( f = l ，m ；j = l ，n ) ( 3 - - 8 )其中，矩陣g 的元素島 0 ，1 ) ，g f = 1 表示航路點(diǎn)_ 是航段e ，的端點(diǎn)之一：g f2 0 表示航段8 與航路點(diǎn)不相關(guān)，聊，n 分別是分析空域中的航段數(shù)和航路點(diǎn)數(shù)。同對，如果我們根據(jù)飛行計(jì)劃，確定各個(gè)航線的航段組成，則航段和航線的關(guān)聯(lián)矩陣可以表示如下：r = 【名( i = 1 ，l ；j = l ，- 一，m ) ( 3 - - 9 )其中，矩陣r 的元素0 o ，1 ) ，= 1 表示飛行計(jì)劃的路線c ，與航段e j 相關(guān)；0 = 0 表示飛行計(jì)劃的路線q 與航段e ，不相關(guān)，分別是分析空域中的直線航t 4妻室墮窒塾垂查堂堡主堂篁絲苧段數(shù)和分析時(shí)段的航班數(shù)。若用c 表示航線集合，用g 表示航線上的流量，即飛機(jī)數(shù)，d 表示不同航段上的流量矩陣，則有c = 【c i ，c 2 ，q ，c ，】( 3 一1 0 )q c = 【口d ，g 。：，】r( 3 1 1 )d = ，d 2 ，d ，d ?！? ( 3 - - 1 2 )其中，q “表示第f 航線的飛機(jī)數(shù)，d j 表示第，航段的飛機(jī)數(shù)。由式( 3 9 ) 、式( 3 - - 1 1 ) 和式( 3 - - 1 2 ) ，航線和航段存在如下關(guān)系：q=rd(3-13)設(shè)，為1 m 的工作負(fù)荷矩陣：f = k ，1( 3 1 4 )其中，表示在第f 航段，管制員指揮一架飛機(jī)的負(fù)荷矩陣。f 表明m 個(gè)航段，管制人員指揮一架飛機(jī)的負(fù)荷矩陣。由( 3 1 4 ) 和( 3 1 2 ) ，可得總工作負(fù)荷為：礦= 肋= 阮，五， ，丘】p 。，d 2 ，以，d 。r = d ，( 3 1 5 )3 3 影響扇區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要因素空中交通管制( a t c ) 系統(tǒng)必須能夠適應(yīng)暫時(shí)的或較為長久的空中交通量及其組成的變化。通?？罩薪煌ǖ脑鲩L導(dǎo)致管制員工作負(fù)荷的增加，并且如果預(yù)期重新發(fā)生長時(shí)期的超負(fù)荷的情況，可能需要重新分配職責(zé)。因此，可能要把空域劃分為幾個(gè)扇區(qū)，其中空中交通管制服務(wù)可能由一個(gè)或幾個(gè)工作席位提供。通常，扇區(qū)是管制區(qū)的一部分。我們在實(shí)際扇區(qū)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)考慮以下規(guī)則：( 1 ) 不允許航路的交通匯合在靠近邊界處或在雷達(dá)顯示屏邊緣發(fā)生。這會使管制員不得不在管制馬上要轉(zhuǎn)移和移交之前執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)動作。這種安排出現(xiàn)出錯(cuò)的機(jī)會高。而且，如果扇區(qū)最繁忙的部分遠(yuǎn)離顯示中心，則管制員可能在注意力集中到顯示屏外邊緣時(shí)不能觀察整個(gè)空域。( 2 ) 在繁忙的機(jī)場位置上最好給出一個(gè)a c c ( 區(qū)域管制) 扇區(qū)來處理從a p p( 進(jìn)場管制) 移交直到到達(dá)爬升頂點(diǎn)而到巡航高度的出港飛機(jī)。對于一個(gè)繁忙機(jī)依據(jù)管制員工作負(fù)荷的扇區(qū)優(yōu)化研究場的進(jìn)港飛機(jī)，同樣有一個(gè)a c c 扇區(qū)對進(jìn)港飛機(jī)從下降頂點(diǎn)一直到移交到a p p迸行處理。這樣安排使管制員把注意力集中到單項(xiàng)任務(wù)上。處理從巡航高度下來的進(jìn)港飛機(jī)的管制員可協(xié)助交通中的飛機(jī)排好順序來協(xié)助a p p ( 迸場管制) 。設(shè)計(jì)的一個(gè)扇區(qū)用來支持出港，這可使管制員加快交通中的飛機(jī)飛到它們的指定航路上，因而排除了高度限制。( 3 ) 在評價(jià)扇區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)，空域規(guī)劃設(shè)計(jì)人員必須測定在所規(guī)劃扇區(qū)中交通高蜂時(shí)間的需要。這是通過觀察實(shí)際運(yùn)行和管制員的工作量來完成的。工作量不一定與扇區(qū)內(nèi)一次或一小時(shí)的飛機(jī)飛行數(shù)量相關(guān)。較好測定法是知道所需的無線電或電話接觸和管制動作是多少。減少過重的工作量的解決方法之一是將空域進(jìn)行垂直分隔。即產(chǎn)生一個(gè)扇區(qū)來處理某巡航高度上的交通而下層的扇區(qū)處理低于此高度的交通。這是減少扇區(qū)工作量最通常的方法，而且在分繁忙的區(qū)域內(nèi)幾乎總是這樣做的。但是，當(dāng)在機(jī)場周圍這樣做時(shí)，可能會增加管制員協(xié)調(diào)和工作量，除非采用緩和程序才可避免。不應(yīng)使飛機(jī)停止爬升或下降，提早管制移交可避免這種情況。( 4 ) 始終要研究已規(guī)劃扇區(qū)設(shè)計(jì)的雷達(dá)和直接無線電通信覆蓋范圍。這些系統(tǒng)必須能支持該扇區(qū)的預(yù)定管制功能。( 5 ) 如果在一扇區(qū)內(nèi)的引導(dǎo)在另一扇區(qū)邊界附近：要記往飛行不得接近邊界多于規(guī)定雷達(dá)間隔的二分之一。此標(biāo)準(zhǔn)的采用是當(dāng)相鄰扇區(qū)也采用雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，由于這條規(guī)則，建議在受到影響的區(qū)域增加扇區(qū)的尺寸。其它影響空域邊界扇區(qū)設(shè)計(jì)的因素：在一個(gè)單一控制功能下的備降多個(gè)機(jī)場；毗連的t m a t c a 管制動作；特別的軍事操作訓(xùn)練機(jī)場區(qū)域；地形。3 4 數(shù)學(xué)模型的建立根據(jù)d o r a t a s k 方法，實(shí)際扇區(qū)的工作負(fù)荷為管匍員工作負(fù)荷的8 0 m 。在確保扇區(qū)設(shè)計(jì)的負(fù)荷滿足以上原則的基礎(chǔ)上，我們在進(jìn)行扇區(qū)優(yōu)化的時(shí)候盡量減少扇區(qū)的數(shù)目。設(shè)計(jì)的扇區(qū)數(shù)目滿足以下關(guān)系：ns =m f l + 1s x 8 0 研k f j sxl80)sx1 ，( 3 1 6 )其中，略為空域總工作負(fù)荷，用時(shí)間表示。s 為管制員在某一時(shí)間段的總6志志吖吒nn一一旦枷旦枷一5一j南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文工作負(fù)荷，采用時(shí)間表示。當(dāng)( 了巍贏 計(jì)算結(jié)果不為整數(shù)，對計(jì)算結(jié)果取整數(shù)加一( r n t 符號為取整符號) ，得到m 為最小扇區(qū)數(shù)；如果( 了) 計(jì)算結(jié)果為整數(shù)，直接得到m 為最小扇區(qū)數(shù)。在滿足扇區(qū)數(shù)最小化的前提下，我們還應(yīng)當(dāng)保證使扇區(qū)之間的工作負(fù)荷較為均衡。建立如下扇區(qū)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型：目標(biāo)函數(shù)：j = m i n ( 翱z ，一乃1 ) ( 3 - - 1 7 )l f = l = 1，約束條件：根據(jù)節(jié)點(diǎn)和航段的拓?fù)潢P(guān)系，保證隨機(jī)搜索得到的扇區(qū)連續(xù)件。依據(jù)管制員工作負(fù)荷的扇區(qū)優(yōu)化研究第四章扇區(qū)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)在介紹了工作負(fù)荷量化工作，空域航路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臄?shù)學(xué)描述，空域扇區(qū)劃分的理論基礎(chǔ)和扇區(qū)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，我們下面將詳細(xì)介紹有關(guān)模擬退火算法和基于此算法的優(yōu)化系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮母呒壘幊陶Z言m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 構(gòu)造了整個(gè)軟件系統(tǒng)框架。該語言的最大技術(shù)特點(diǎn)是采用了近年來風(fēng)靡軟件編程界的面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)( o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) 。該技術(shù)在“類一對象一成員”的體系下以模塊化的方式進(jìn)行編程。4 1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與界面設(shè)計(jì)4 1 1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫、主控模塊、優(yōu)化算法模塊、航路圖生成模塊、工作負(fù)荷計(jì)算模塊、和結(jié)果輸出模塊及連接它們的接口模塊組成。數(shù)據(jù)庫主要包括完成工作負(fù)荷計(jì)算和航路圖繪制等功能的相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫組成。數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建是本系統(tǒng)的基礎(chǔ)。主控模塊是系統(tǒng)調(diào)用各個(gè)模塊，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和調(diào)用等功能的模塊。算法模塊是解決采集得到的航段負(fù)荷，如何進(jìn)行扇區(qū)優(yōu)化的，接受數(shù)據(jù)模塊的工作負(fù)荷信息，進(jìn)行隨機(jī)優(yōu)化處理，然后輸出優(yōu)化結(jié)果給結(jié)果輸出模塊，該模塊是優(yōu)化系統(tǒng)的核心模塊。結(jié)果輸出模塊接受優(yōu)化結(jié)果，輸出優(yōu)化后的數(shù)據(jù)，給出直方圖、餅狀圖、折面圖、點(diǎn)陣圖、實(shí)體圖和二維三維轉(zhuǎn)換圖，直觀優(yōu)化顯示結(jié)果。它們的相互關(guān)系如圖顯示：數(shù)據(jù)庫航路圖生成模塊l 優(yōu)化算法模塊，上土接丁k 模塊o 接嗽主控模塊 王接口模塊土接口模塊工作負(fù)荷計(jì)算模塊優(yōu)化結(jié)果輸出模塊圖4 1 優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文4 1 2 系統(tǒng)總體界面設(shè)計(jì)本界面采用w i n d o w sx p 風(fēng)格設(shè)計(jì)。菜單，狀態(tài)條，工具條，浮動菜單，對話框，按鈕，界面色彩等都為w i n d o w sx p 風(fēng)格。( 1 ) 系統(tǒng)的啟動采用程序通常的屏幕閃現(xiàn)功能。顯示系統(tǒng)名稱，開發(fā)單位等文字信息。系統(tǒng)采用全屏顯示功能，完全覆蓋其它窗口信息。系統(tǒng)界面左側(cè)可以顯示對話框欄，重要的操作指令只需要點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕就可以實(shí)現(xiàn)。( 2 ) 系統(tǒng)界面下面的狀態(tài)條有以下功能：顯示界面指令的狀態(tài)信息。顯示鼠標(biāo)所在界面客戶區(qū)的經(jīng)緯度坐標(biāo)信息。滾動文字顯示系統(tǒng)相關(guān)信息。顯示系統(tǒng)時(shí)間。( 3 ) 本系統(tǒng)采用多文檔形式，系統(tǒng)采用t a b 標(biāo)簽形式，便于幾個(gè)視圖之間的切換，比如可以同時(shí)打開幾個(gè)管制區(qū)視圖，實(shí)現(xiàn)相互切換。( 4 ) 系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)視圖的背景色和字體顏色的選擇。( 5 ) 系統(tǒng)讀取雷達(dá)數(shù)據(jù)庫信息，列表顯示航班信息。( 6 ) 系統(tǒng)的關(guān)于對話框，可以顯示通過伸縮對話框顯示星空榮譽(yù)信息，本信息可以滾動顯示系統(tǒng)名稱，版本號，開發(fā)單位等。圖4 2 系統(tǒng)總體效果圖9依據(jù)管制員一：作負(fù)荷的扇區(qū)優(yōu)化研究4 。1 3 系統(tǒng)操作流程整個(gè)系統(tǒng)操作流程如圖4 3 所示4 2 數(shù)據(jù)庫組成圖4 3 系統(tǒng)操作流程圖數(shù)據(jù)庫是本系統(tǒng)的重要部分，主要任務(wù)是獲取系統(tǒng)所需要的地理位置信息，拓?fù)潢P(guān)系信息，工作負(fù)荷信息，航班路徑信息，并試圖解決各個(gè)信息之間的聯(lián)系和耦合，最終獲取管制區(qū)各航段的管制工作負(fù)荷。本系統(tǒng)所需的外部數(shù)據(jù)建立了以下幾個(gè)數(shù)據(jù)庫：航路網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置數(shù)據(jù)庫，航路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，管制員工作負(fù)荷數(shù)據(jù)庫，航班航段數(shù)據(jù)庫和航班管制負(fù)荷數(shù)據(jù)庫。4 2 1 航路網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置數(shù)據(jù)庫航路網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫中包含的節(jié)點(diǎn)為機(jī)場，導(dǎo)航臺和位置報(bào)告點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了航路網(wǎng)絡(luò)。對于本系統(tǒng)，無論是繪制生成管制區(qū)域圖，還是航班路徑都與導(dǎo)航臺的位置有關(guān)，因此該數(shù)據(jù)庫是基本數(shù)據(jù)庫。根據(jù)廈門管制區(qū)航圖，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的六十進(jìn)制的度、分、秒經(jīng)緯度坐標(biāo)，轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制的經(jīng)緯度坐標(biāo)，便于進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間距離計(jì)算。建立的廈門管制區(qū)機(jī)