機場管制模擬練習復雜度量化評價研究

鐘涵

（中國民航大學空中交通管理學院管制運行與技術系 天津市 300300）

1 機場管制實踐教學現狀分析

機場管制模擬仿真系統主要用于民航院校對空中交通管理（空管）專業學生進行機場管制教學和管制單位培訓塔臺管制員，依托其開展的實踐訓練是培養空管學生具備機場管制意識和技能的有效手段。模擬練習作為教學方案設計和教學內容組織的實現載體，其編制水平和質量將對最終的教學效果產生決定性影響。

空管模擬仿真系統能夠覆蓋航班運行全過程，有助于學生協同意識及系統思維能力的培養和提高。然而，隨著行業的快速發展，崗位一線對空管人員的素質要求日益提高。面對行業高素質工程應用型人才的迫切需求，目前機場管制實踐教學的發展水平相對滯后，模擬練習的編制采用基于教學經驗的人工編制方法，存在問題主要體現在以下4方面：

（1）訓練科目陳舊，未跟上新技術、新運行程序的發展；

（2）編制耗時耗力，更新周期長，無法與崗位能力需求形成同步；

（3）形式單一，因材施教沒有得到很好的體現；

（4）編制標準不統一，存在較大的主觀個體化差異 。

以上問題制約了機場管制實踐教學質量和效果的提高，也束縛了教師成長和課程的建設發展。因此，實踐課程教員組之間要加強協作，嚴格統一訓練標準。對于有典型沖突類型和沖突點的訓練題，提出優化的管制調配原則、方案和注意事項，作為統一的教學標準[1]。

對于空中交通的復雜度評價，歐美國家提出研究多維度的空中交通復雜性評估指標,用于反映空域及交通的實際狀態特征，為交通管制提供更為科學的依據[2]。然而，關于模擬練習的復雜度評價，目前國內各民航院校主要依據管制教員的經驗來進行判定，尚未形成統一的標準，為此，本文將針對模擬練習的控制變量及其對復雜度的影響進行系統分析，采用復雜性建模方法探索對模擬練習的量化評價。

2 機場管制模擬仿真系統架構與功能

機場管制模擬仿真系統能夠為培訓塔臺管制員模擬出覆蓋飛行起降和進近過程的管制環境，具備較好的直觀性和逼真性。該系統包括數據庫服務器、數據準備與分析終端、系統運行控制終端、模擬飛行員操控終端、塔臺視景模擬終端和保障信息模擬終端，系統結構如圖1所示。

其中系統運行控制終端包括系統運行控制軟件，飛行運行仿真計算軟件和模擬內話服務器端軟件；數據準備與分析終端包括訓練計劃編輯軟件和空管特征數據統計分析軟件；模擬飛行員操控終端包括模擬內話客戶端軟件和航空器操縱軟件；受訓人員席位中的塔臺視景模擬終端包括視景模型庫與視景生成管理軟件，保障信息模擬終端包括模擬內話客戶端軟件，雷達顯示與處理軟件，氣象自動觀測終端軟件，場面監視軟件以及飛行計劃處理與顯示軟件。本文所設計的量化評價功能服務于數據準備與分析終端，旨在協助管制教員在使用訓練計劃編輯軟件編制模擬練習后，通過預演并使用量化評價功能對復雜度進行評價，以對比其主觀復雜度預期，同時減少訓練題目編制過程中的個體差異。

圖1：機場管制模擬仿真系統結構圖

3 模擬練習控制變量及其對復雜度的影響

3.1 模擬練習控制變量

機場管制模擬練習的目標是盡可能真實再現機場管制的工作場景，管制教員通常需要根據教學目標結合自己的教學經驗及管制運行實際，在模擬仿真系統上設置諸如航班號，機型，預計起降時間，目的地機場，航班激活時間和出現位置等控制變量，通過對其調配以構建相應的運行場景來實現教學效果。

3.2 模擬練習復雜度影響因素分析

機場管制模擬練習的復雜度主要存在兩大影響因素，一是沖突強度，二是工作負荷。即一個模擬練習若是體現出沖突強度高，工作負荷重，則表明其復雜度高，反之則表示復雜度低。

3.2.1 沖突強度

塔臺管制員的主要職責是為飛行員提供有關氣象，飛行活動等情報，防止航空器之間、航空器和地面車輛、人員之間、航空器和障礙物之間相撞。因此，沖突強度對于復雜度的影響因素體現在：

（1）航空器或車輛活動的混合程度；

（2）滑行路線交叉數量；

（3）尾流間隔約束；

（4）放行間隔約束；

（5）航線網絡或機場交通的影響程度；

（6）復雜航空器排序的數量（專機，搶險救災等）。

3.2.2 工作負荷

管制員的工作負荷是由于航空器的活動對其形成了客觀的任務要求，其為滿足該需求承受身體上和精神上的壓力，并通過時間消耗來緩解承受的壓力和完成客觀任務的要求，該時間消耗就是其工作負荷的大小。工作負荷過低或者過高對管制工作都是不利的，機場管制中會影響管制員負荷的因素主要包括：

表1：復雜度影響因素量化評價標準表

表2：準則層判斷矩陣

表3：平均隨機一致性指標RI

（1）同時管制航空器數量；

（2）管制范圍大小；

（3）協調次數；

（4）天氣對運行影響程度；

（5）流量控制等限制。

3.3 基于控制變量的復雜度量化分析

通過對復雜度影響因素的分析，為實現既定復雜度的模擬練習，需將其影響因素內化為控制變量的變化。因此，對控制變量的變化進行量化是復雜度量化評價的基礎。后續的量化分析結果均來自來專家問卷調查以及實踐教學中的學習和反饋情況。如表1所示。

4 模擬練習復雜度評價模型

運用層次分析法可得到每個評價指標對上一層指標的影響，根據以上的復雜度影響因素的分析，可以建立如下指標集：C={C1,C2,C3,C4}，其中C1={C11,C12,C13}，C2={C21,C22,C23}，C3={C31, C32,C33,C34,C35}，C4={C41,C42}。練習復雜度C包括航空器數量C1，間隔C2，滑行沖突C3和非常規情況C4四個一級指標。二級指標中與航空器數量對應的為航空器總數C11，進離港航空器比例C12和同時出現的航空器的數量C13；與間隔對應的為連續起飛的尾流間隔C21，放行間隔C22和交叉數量C23；與滑行沖突對應的為滑行路線沖突C31，相鄰停機位推出C32，平均滑行時間C33，滑行路線經過盲區C34和滑行限制C35；與非常規情況對應的為低能見度C41以及航空器特情C42。表2顯示了據此構建的準則層判斷矩陣。

通過n個要素分別進行兩兩比較，得到相對重要度矩陣A

于是，有

當A 為一致性矩陣時，n 是A 的特征值，W 是A 的特征向量，，

（1）構造判斷矩陣。

（2）按列歸一化。

（3）按行求和。

（4）歸一化。

（5）計算一致性指標CI

（6）一致性檢驗。

查找平均隨機一致性指標RI， 1至9階判斷矩陣RI值，如表3所示。

（7）計算一致性比例CR

查表的RI=0.9,CR=CI/RI=0.076<0.1，所以矩陣具有可接受的一致性。同理可計算C1i,C2i,C3i,C4i4個判斷矩陣得出如表4權重值。

5 實例驗證

根據專家調查問卷結果，練習復雜分為四個等級，得分在（0，3.0）區間為簡單，在[3.0,5.0）區間為一般，在[5.0,7.5）區間的為難，在[7,5,10.0]區間的為較難。接下來將以“中航大”機場模擬練習為驗證實例，選擇三個練習樣本用本文設計的方法來進行復雜度評估。

5.1 練習樣本描述

01號練習較為基礎，4個進港，4個出港共8個航班。02號練習航空器總數為14，8個離港，6個進港，同時管制的飛機最多達到6架，3組航空器需要配備放行間隔，離港航空器有重型和中型，滑行道使用有限制，滑行路線有16次交叉，平均滑行時間為139.5秒，進港的6個航班均需要穿過機坪盲區。03號練習航空器總數為26，其中15個離港，11個進港，同時管制的航空器達到了7架以上，3組航班需要配備放行間隔，離港航空器中有A380、重型和中型航空器，離港航空器所需平均起飛時間為37.2秒，滑行路線交叉次數超過了14次，平均滑行時間為173.3秒，13個航班需穿過盲區，2架航空器存在滑行限制。三個樣本均無低能見度運行和航空器特情。

5.2 復雜度評價結果

按照本文設計的方法逐一對每個指標評分，經過計算可得出三個樣本練習的復雜度如表5所示。

5.3 評價結果對比

表6可見，本次量化評價結果的復雜度等級與課程組教員預期的教學目標一致性較好，客觀反映了不同復雜度練習之間的差異。因此，該方法能夠有效地為模擬練習編制的復雜度進行評價。

6 研究結論

本文通過對機場管制模擬練習復雜度的影響因素分析，構建了其復雜度量化評價模型，實現了模擬練習編制標準的統一。通過“中航大”機場模擬練習實例評價驗證，結果與課程組教員主觀復雜度預期相一致，驗證表明，該方法對于控制模擬練習的復雜度十分有效，解決傳統模擬練習編制耗時耗力、更新周期長的問題，有效減少了題目編制過程中的個體差異，易于進行教學效果和教學質量的監控。將對交通運輸其他行業的實踐課程建設提供示范和參考。

表4：各指標對應的權重值表

表5：樣本練習復雜度評價表

表6：驗證練習復雜度評價結果匯總表