軍民航空管聯合運行中管制員工作負荷及碳排放的研究

夏宇，張小琴

（1.四川大學計算機學院，成都　610065；2.阿壩師范學院生化系，汶川　623002）

軍民航空管聯合運行中管制員工作負荷及碳排放的研究

夏宇1，張小琴2

（1.四川大學計算機學院，成都610065；2.阿壩師范學院生化系，汶川623002）

0　引言

空域緊張和飛行流量劇增是軍民航反映最為強烈的問題[1]。空中交通管制員是管制工作的核心，管制員的工作負荷及工作能力一定程度上決定了空管系統的運行效率，而空域的劃設及調整又對管制員的工作負荷產生較大影響，故空域資源的優化配置[2]是對空管系統進行效能評估的影響因素。空管系統基本要素涉及的另一方面為飛行流量。從社會效益角度出發，飛行碳排放量指標是軍民航空管聯合運行效能評估系統的重要組成部分。夏正洪等人采用層次分析法及專家調查法評估空管系統效能[3]。本文以成都地區當前軍民航飛行流量和空域結構為基礎，在飛行流量合理增長和空域靈活使用情況下，分析管制員工作負荷及飛行碳排放量的變化，進而評估聯合運行的效能。

1　管制員工作負荷

根據Wiener和Nagel給出的定義：工作負荷是指對于加在管制員身上的客觀任務需求，管制員為滿足這些需求所作的客觀上的努力，他的工作表現，他的生理狀態，及他對所消耗的努力的主觀上的感知。管制員利用衛星、雷達等設備獲知航空器的位置、動態，利用無線電與飛行員通信保證航空器的飛行安全[4]。本文將管制員工作負荷定義為：為保障管制空域內航空器的飛行安全，管制員提供對航空器的指揮、引導、管制等服務，而這些工作都伴隨著一定的時間消耗，管制員工作負荷的評價就可以從時間的消耗著手。

1.1管制員工作負荷的分類

管制員工作負荷可以分為主觀工作負荷和客觀工作負荷。前者是一種認知的負荷，目前沒有準確的測量方法。后者可以通過對管制員各項操作的時間來進行量化統計。本文采用客觀工作負荷對管制員的工作負荷進行評估。

首先需要意識到，管制員的絕大多數工作是依據雷達所顯示的航空器的狀態和位置，再根據管制規則和自己的判斷，利用無線電對航空器實施管制指揮。因此管制員客觀工作負荷可以分為雷達管制工作負荷和非雷達管制工作負荷[5]。

1.2管制員工作負荷評估數學模型[5-7]

根據上述對管制員工作負荷的分類，結合空管系統實際運行狀況，管制員總的工作負荷可以表示為：

表1　管制員工作負荷分類

本文將全天劃分為24個時間片，故每個時間片為一個小時。在公式中，Wradar（t）表示雷達管制工作負荷，Wnonradar（t）表示非雷達管制工作負荷。Wsc（t）、Wac（t）、Whc（t）、Wot（t）、Wft（t）、Wdo（t）分別表示速度改變工作負荷、高度改變工作負荷、航向改變工作負荷、其他工作負荷、進程單填寫工作負荷、設備操作工作負荷。

輸出：時間片t內管制員總的工作負荷W（t）。

2　飛行碳排放

航空業碳排放問題逐漸受到國際社會的重視，其碳排放量占了交通運輸行業碳排放總量的12%，占全行業碳排放總量的2%[8]。中國航空旅客人數增長迅速，促進了航空運輸業低碳經濟的發展。軍航組訓方式的調整轉型，編隊訓練、機群活動和機動訓練明顯增多，也是軍航碳排放量加大的原因之一。平衡好軍民航空發展與碳排放之間的關系尤為重要，對于軍民航空管聯合運行的探索具有重大意義。本文將根據ICAO標準碳排放模型及飛機平飛狀態議程推導出飛行過程中總的碳排放量。

2.1ICAO標準排放量模型

國際民航組織使用標準起飛著陸循環（LTO）計算機場范圍內1000m以下飛機的滑行、起飛、爬升、進近著陸等階段的污染氣體的排放量，稱為ICAO標準排放量模型[9]。該模型劃分了各飛行階段的時間及推力等級。由于LTO狀態下發動機廠商提供了各飛行階段的基準燃油流量和排放指數，而CO2排放量只與耗油相關，故排放指數固定。

在標準LTO循環下，某機型的CO2排放量計算公式如下：

其中G表示CO2排放量，以千克為單位。n表示該機型的發動機臺數。ti表示第i飛行階段的飛行時間，以秒為單位；起飛階段時間為0.7min、爬升階段為2.2min、進近著陸4min、滑行階段2.6min。Fi表示第i飛行階段的單發燃油流量，單位千克每秒。Ii是指在第i個飛行階段的二氧化碳排放指數，為3.115。

從公式中可以看出，由于各階段飛行時間固定，故只需知道各機型的發動機臺數、各飛行階段的單發燃油流量、CO2排放指數即可求得該機型一個LTO循環的碳排放量。

2.2平飛狀態碳排放量估算

平飛過程碳排放量的計算有很多通用公式，這些公式由聯合國和一些環保組織共同制定。在國內，使用中國本土的統計數據擬定相應的轉換因子，使得計算結果更符合中國國情，也能更準確地反映出實際的碳足跡[10]。

計算公式如下：

為計算飛機在LTO狀態及平飛狀態下的碳排放量，首先根據各類機型的座位數，將國內的機型進行分類，獲得加權平均座位數。然后根據分類，將各個分類里各機型各階段的燃油流量求取平均值。最后將加權平均座位數和燃油流量平均值代入公式，即可求得飛機的碳排放總量。

3　實驗結果與分析

以成都地區軍民航空管聯合運行為例，計算管制員工作負荷及飛行碳排放。該試驗主要涉及民航雙流機場及以雙流機場為節點前往國內的飛行航路航線、軍航某機場及其多個訓練空域、部分訓練航線。

在本實驗中，民航飛行計劃以雙流機場2015年夏秋季重復性飛行計劃中周一的進離滿港航班為原型，軍航飛行計劃根據某軍航機場管制室提供的空域數據、架次登記表為原型。將實驗分為四種場景即當前現狀、流量增加、空域結構調整、流量增加且空域結構調整。其中以成都區域02扇區為例計算管制員工作負荷。

圖1　管制員工作負荷變化圖

圖1為管制員工作負荷隨時間變化的示意圖。從圖中看出流量增加比例從10%-30%遞增時，大部分時段管制員的工作負荷增長較緩，且對空域進行調整后，工作負荷減小。當流量增加35%-45%時，管制員工作負荷增長較快，且對空域進行調整后，工作負荷并沒有明顯減小，甚至有增大的情形。這是因為流量增加過大，軍民航飛行沖突過多，需要管制員更多的操作。

圖2　碳排放量對比圖

圖2為飛行過程碳排放總量對比圖。從圖中可看出，流量增加比例從10%-30%遞增時，碳排放量呈線性增長。從30%-35%時，出現抖動，漲幅較大。流量相同條件下，采用靈活空域戰術后，碳排放量減小。

以上數據表明，在當前空域結構和飛行流量基礎上，增加30%的流量同時采用空域靈活使用策略，能更好地減輕管制員工作負荷及降低碳排放量，更宜開展軍民航空管聯合運行。

4　結語

通過對成都地區軍民航空管聯合運行進行了分析，本文提出了將管制員工作負荷及飛行過程碳排放量兩種指標作為空管系統效能評估的重要參數。結合具體的數據來源，通過合理調節飛行流量及調整空域結構[11]，對管制員工作負荷及碳排放量進行計算分析，得出了在流量增加30%情況下更宜實行聯合運行的結論，為我國空管改革作了前期工程的分析驗證。

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Cooperation;Controller's Workload;Carbon Emission;Performance Evaluation

Research on Controller's Workload and Carbon Emission in Civil-military ATM Cooperation

XIA Yu1，ZHANG Xiao-qin2
（1.College of Computer Science,Sichuan University,Chengdu 610065）2.Dept.of Biochemistry,Aba Teachers College,Wenchuan 623002）

1007-1423（2016）02-0007-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.02.002

夏宇（1991-），男，重慶涪陵人，碩士研究生，研究方向為空管自動化

2015-11-24

2015-12-18

隨著民用航空業的快速發展以及軍航使用空域需求的增長，建立軍民航空管聯合運行機制成為當務之急。這對于增強空管綜合保障能力，減輕管制員工作負荷，降低碳排放具有重要意義。在聯合運行過程中，如何評估管制員工作負荷、碳排放量，并以此分析聯合運行的優劣是一個亟待解決的問題。采用仿真分析法，對飛行流量、空域結構參數進行改變，從而對上述兩種指標進行定量評估。仿真結果證明，聯合運行后，兩種指標的評測值都有所提高。

聯合運行；管制員工作負荷；碳排放；效能評估

四川省教育廳科研項目（No.14ZB0337）

張小琴（1982-），女，四川新都人，研究生，講師，研究方向為生物圖像處理

With the development of civil aviation and the increasement of military's requirement of airspace,the urgent matter is to establish civil military ATM cooperation mechanism.It is of momentous significance to enhance ATM comprehensive support capability,reduce controller's workload and cut down carbon emission.In the process of cooperation,how to evaluate the workload and the emission is an immediate problem.Based on the method of simulation analysis,quantifies the aforesaid two indexes through changing flight flow and airspace structure.Experimental result shows that the cooperation mechanism can reduce controller’s workload and cut down carbon emission.