拓撲矩陣方法評估管制員工作負荷

摘 要：隨著航空事業的發展，民航業已經是我國經濟社會發展的重要產業之一，旅客運輸量，貨物運輸量每年保持著較高的增長。如何利用有限的空域資源盡可能多的發展民航運輸，已經成為了我們不得不面對的一個問題。而在空域容量的影響因素中，管制員工作負荷是一個決定性因素。因此，如何準確地計算管制員工作負荷是一個我們亟待解決的問題。傳統方法評估管制員工作負荷，考慮因素較多，不易進行統計。文章介紹了拓撲矩陣方法，使得影響管制員工作負荷相關因素簡單明了的呈現出來，方便統計，不易出錯。

關鍵詞：拓撲；管制員；工作負荷；管制指令；評估模型；類型

1 概述

民航業是我國重要產業之一，改革開放以來發展尤為迅猛，行業規模越來越大，業務水平不斷提高，旅客、貨物運輸量每年保持較高水平的增長。

根據《2015年民航發展基本數據》顯示，2015年，全國運輸飛行時間預計為846萬小時、運輸架次362萬架次，同比增長10.8%和7.4%。截至目前，運輸航空連續安全飛行時間已經達到64個月、3645萬小時。民航2015年預計運輸旅客4.4億人，同比上升11.4%；運輸貨物630萬噸，同比增長6%。

隨著航空事業發展，大量的問題暴露出來并且到了必須解決的地步[1]。例如航空器數量越來越多，增加了管制難度，使得管制員工作負荷越來越大[2]，對飛行安全帶來極大考驗，同時也大大制約了空域利用率的提高[3]。因此，準確的評估管制員工作負荷并基于此進行扇區的動態劃分，對飛行安全的保障有著十分重要的作用。

國際上常用的管制員工作負荷評估方法為DORA方法和MMB方法[4]。這些方法的原理都是把管制員工作分解為各種單獨的動作，然后統計完成這些單獨動作所需的時間，觀察管制員在一個單位時間內能執行多少個與調配相關的動作，算出工作負荷。

由于管制員工作中，單獨的動作種類太多。所以上述方法考慮的因素較多，比較復雜，常常考慮不是那么周全，而且考慮的因素一多，也容易造成模型混亂。考慮到上述因素，筆者在文章提出一種基于網絡拓撲矩陣的方法來評估管制員工作負荷，因為通過拓撲矩陣來表達相關因素中的聯系并陳列出來，簡單明了，不易混淆。

2 拓撲相關性及拓撲矩陣的介紹

拓撲相關性分析是把幾何六面體單元作為對象，分析其中的節點、棱邊、單元之間的相關性[5]。若兩節點間有連線，那么認為這兩節點相關；若某節點是某棱邊的端點，那么認為此節點與該條棱邊相關；若兩個單元存在相同節點（或棱邊），那么認為這兩個單元相關。

節點相關性分析指的是，確定所有和節點vi有關的節點及棱邊的集合，若Vadj（vi）表示與節點vi相關的節點的集合，Eadj（vi）表示與節點vi相關的棱邊的集合，則有：

根據上述描述，相應的可以對幾種拓撲矩陣進行具體描述[7]。拓撲矩陣主要有以下幾種：棱邊-單元節點拓撲矩陣、單元節點拓撲矩陣、整體節點拓撲矩陣等。

棱邊-單元節點拓撲矩陣是把棱邊和節點之間相關性用矩陣表述出來的一種方法，設網絡單元圖中有n個節點，k個棱邊，節點與棱邊構成一個n×k階矩陣，記作：

通過以上對拓撲矩陣的分析，對空間和平面等研究對象通過拓撲關系數據庫加以描述可以變得很方便。

3 管制員工作負荷評估模型

“Doratask”是目前較為成熟的定量研究管制負荷的算法[8]。其中指出，若按照工作內容可將管制員工作負荷分為以下三類[9]：

（1）監視負荷：管制員對扇區內每架飛機的飛行情況進行監視指揮的工作量。

（2）協作負荷：當飛機需要進行移交時，管制員工作產生的工作量。

（3）沖突解決負荷：當飛機可能產生沖突時，管制員工作產生的工作量。

4 仿真分析

文章采用中國民航大學雷達管制模擬機數據為基準，為了方便得出數據，管制區域中只設置了一條航路，一個航路點，以及十架航空器，且設定無特殊天氣情況。請中國民航大學空管學院資深雷達管制老師為管制員和飛行員。為了保證仿真數據的可靠性，在實驗之前，兩位老師都事先在模擬機上熟悉過模擬機的操作，并且得到了充分的休息。

其中qij=1表示管制員對第i架飛機發出了表1中第j類指令；qij=0表示管制員對第i架飛機沒有發出表1中第j類指令。

由上述矩陣并且根據表2可知，在實踐過程中，管制員指揮該條航路上十架飛機的監視負荷為Lm（j）=18；協作負荷Lc（j）=9；沖突解決負荷Lp（j）=20。則管制員總工作負荷L（j）=Lm（j）+Lc（j）+Lp（j）=18+9+20=47。

5 結束語

根據拓撲矩陣的性質，此方法多適用于動態空域規劃[12]中，能很好地得出各個時間段各個扇區管制員的工作負荷并決定時候重新規劃扇區。只是此方法計算量頗大，人為實時計算很不方便，因此最好能設計出一套軟件，能實時分析各時間段內各扇區管制員工作負荷，這將大大有利于扇區動態規劃的工作。當然，如果用此方法來預測空域容量，則必須把管制員發出的各指令用時間量化，仍需做一定的工作。

參考文獻

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