基于管制語音負(fù)荷的空域容量評估方法研究

摘" 要：為充分提高我國空域運(yùn)行安全，該文創(chuàng)新性地提出一種基于管制員語音的空域容量評估方法。空域容量評估是安全、高效實(shí)施空中交通流量管理的關(guān)鍵，而我國在該方面研究尚處于起步階段。管制員的工作負(fù)荷是影響當(dāng)前空中交通管制工作流暢性、穩(wěn)定性的主要因素，該文以管制員語音負(fù)荷及相關(guān)算法為研究基礎(chǔ)，綜合采用MATLAB、SPSS等軟件等進(jìn)行綜合分析，利用相關(guān)算法提取管制員語音負(fù)荷大小。在應(yīng)用測試中，該研究利用甚高頻電臺錄用天津管制陸空通話，并綜合利用以上軟件及算法求出管制語音負(fù)荷，并采用邏輯統(tǒng)計(jì)算法求出對應(yīng)的航空器數(shù)量，進(jìn)行同步擬合，得出相對應(yīng)的函數(shù)管制，根據(jù)國際民航組織（ICAO）《空中交通服務(wù)計(jì)劃手冊》（Doc 9426號文件）中的規(guī)定進(jìn)行容量評估。該研究可有效提升空域容量，加強(qiáng)空中交通綜合治理，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與社會(huì)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：管制語音；管制負(fù)荷；空域容量；空域安全；管制員工作負(fù)荷

中圖分類號：V355" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）13-0023-04

Abstract： In order to improve the safe operation of airspace， the paper proposes a method of airspace capacity evaluation based on controller voice. Airspace capacity evaluation is key for the safe and efficient implementation of air traffic flow management. While our country is still in its infancy in this field. The controller's workload is a major factor affecting the fluency and stability of current ATC work. Based on the controller's voice load and related algorithms， this paper uses MATLAB， SPSS and other software for comprehensive analysis， and extracts the controller's voice load by using the related algorithms. In the application test， this study employed the land and air call of Tianjin Control by VHF radio station， comprehensively used the above software and algorithm to calculate the control voice load， and used the logical statistical algorithm to calculate the corresponding aircraft number， carried out synchronous fitting， obtained the corresponding function control， and conducted capacity assessment according to the regulations in the International Civil Aviation Organization （ICAO） document No. 9426. This study can effectively improve the airspace capacity and strengthen the integrated management of air traffic， which has strong economic and social value.

Keywords： controller voice; controller load; airspace capacity; airspace safety; controller workload

隨著國家經(jīng)濟(jì)的不斷增長，民航業(yè)蓬勃發(fā)展，航班量的增長趨勢也越來越快。根據(jù)《2018年民航行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，到2018年，全行業(yè)完成旅客運(yùn)輸量61 173萬人次。隨著旅客吞吐量和總架次的增加，我國空中交通系統(tǒng)面臨著越來越嚴(yán)重的擁堵，并因此引起大量的航班延誤和機(jī)場設(shè)施過載等問題。

安全，無論在何種行業(yè)與何種情況下都是第一要?jiǎng)?wù)，同時(shí)也是人們最為關(guān)注的問題之一，在民航業(yè)尤為如此，安全在現(xiàn)在和未來都會(huì)是第一面要高舉的旗幟。無論是發(fā)生在1977年的民航史上傷亡人數(shù)最多的特內(nèi)里費(fèi)空難，還是2016年10月11日發(fā)生在上海虹橋機(jī)場的跑道入侵事件，以及一線無數(shù)的事故差錯(cuò)等，都為民航人敲響了警鐘。這幾個(gè)事件，不僅僅是因?yàn)榘l(fā)生了或者可能發(fā)生十分重大的人員傷亡事件而震驚了世人，同時(shí)也是因?yàn)槠涠际桥c管制員息息相關(guān)的事件。雖然通過人為因素可以知道，事故的發(fā)生不是特定的某一件事情導(dǎo)致的，而是像奶酪上的洞一樣，一層一層地被串聯(lián)起來，其中某一環(huán)節(jié)的缺失可能都會(huì)使事故不發(fā)生，但是管制員的確在上述2個(gè)事件中扮演了非常重要的角色，并且在這2個(gè)事件中，管制員的疲勞都是導(dǎo)致管制員這一環(huán)節(jié)失效的重要原因。

隨著航空器制造業(yè)的進(jìn)步，智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，在航空事故中，由于人為因素所導(dǎo)致的航空事故不斷攀升。人與機(jī)器和計(jì)算機(jī)程序不一樣，不能無差錯(cuò)地重復(fù)提前設(shè)置好的指令，人會(huì)疲勞、會(huì)受外界不同因素的影響，因此人是管制系統(tǒng)中最不穩(wěn)定的因素。因此，為了能夠?qū)⒑娇掌鬟\(yùn)行持續(xù)朝著安全的方向有效推進(jìn)，需要對管制員的工作負(fù)荷進(jìn)行有效的評估，并評估每一個(gè)管制員的最佳值班空域容量，從而對一定時(shí)間內(nèi)扇區(qū)的航空器數(shù)量進(jìn)行有效的控制，從而可以有效地確認(rèn)航空器運(yùn)行過程中的持續(xù)安全管理。顯而易見的是，空管是確保空中交通安全、有序運(yùn)行十分重要的一環(huán)。在空中交通管制工作中，管制部門是執(zhí)行空中交通管制業(yè)務(wù)的最基本單位，而其中管制員又是最為核心的一環(huán)，因此如何確保在多大流量條件下管制員不會(huì)長時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行就是十分重要的工作。

1" 研究內(nèi)容

管制員日常工作的主要手段就是陸空通話，管制員的日常工作很大一部分就是發(fā)指令，因此對管制語音信號進(jìn)行分析可以較好反映管制員的工作負(fù)荷。

本文對語音信號的分析主要通過MATLAB編程實(shí)現(xiàn)。首先要將錄制的語音信號進(jìn)行讀取，轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以識別和處理的數(shù)字信號，再通過調(diào)用Voicebox工具箱中的分幀、端點(diǎn)檢測等函數(shù)，得到管制員通話語音中的各類參數(shù)。本文選擇使用SPSS（Statistical Product and Service Solution，統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品與服務(wù)解決方案）軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的有關(guān)處理，目的是找到各個(gè)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，最終達(dá)到用管制陸空通話語音衡量管制員工作負(fù)荷大小的目的，可有效地實(shí)現(xiàn)管制負(fù)荷的評估，解決空域安全容量評估等問題。

2" 研究意義

本課題的研究具有深遠(yuǎn)的意義，主要分為以下幾個(gè)方面。管制部門是保證民航安全高效運(yùn)行的基礎(chǔ)。客觀、科學(xué)和準(zhǔn)確的扇區(qū)容量評估，既有利于確保在今后流量、密度都快速增長的空域環(huán)境下管制工作的安全，又能夠有效地減少延誤的發(fā)生，提高運(yùn)行效率。隨著空域規(guī)劃的越發(fā)科學(xué)化，各種協(xié)同科學(xué)決策的計(jì)算機(jī)軟件的出現(xiàn)，使得原先硬件方面缺失所帶來的差錯(cuò)、不安全事件等越來越少。人，成為了管制中確保安全最重要的一環(huán)，不僅掌握著空中交通的安全，管制員們所能承受的負(fù)荷也決定著扇區(qū)內(nèi)的容量大小。因此，扇區(qū)容量往往是根據(jù)管制員工作負(fù)荷的大小來評估的，抑或者管制負(fù)荷是評估中的一項(xiàng)重要指標(biāo)。空域容量是指該空域單位時(shí)間內(nèi)所能承受的最多的航空器架次，因此，當(dāng)管制員的負(fù)荷值快要達(dá)到飽和時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)的航空器就是該扇區(qū)的容量。此值可以作為一個(gè)臨界警告值，因?yàn)槿绻嗽谳^長時(shí)間內(nèi)處于高壓狀態(tài)的話，對身心會(huì)造成較大傷害，影響生活幸福。而同時(shí)管制員的心理狀態(tài)與航空安全也有極大相關(guān)，對管制扇區(qū)的容量也會(huì)有很大影響。因此，根據(jù)管制員的工作負(fù)荷對該空域的容量作出科學(xué)合理的評估，根據(jù)評估結(jié)果合理安排航班量，可以有效地降低管制員的工作壓力，有利于保障民航安全及提高運(yùn)行效率。

綜上所述，本文將基于管制員工作負(fù)荷，進(jìn)行空域容量評估，促進(jìn)管制扇區(qū)更合理運(yùn)行。

3" 基于管制語音負(fù)荷的空域容量評估

進(jìn)行管制語音負(fù)荷評估的目的在于實(shí)現(xiàn)容流匹配，本文所采用的方法是基于上文所給出的評估管制員語音負(fù)荷的方法，進(jìn)行負(fù)荷評估，得到工作負(fù)荷。進(jìn)一步根據(jù)中國民航局有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行容量的有效評估。中國民航局有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：管制員的平均工作負(fù)荷不得超過工作負(fù)荷峰值的80%，并且工作負(fù)荷超過最大值的90%的時(shí)間不得超過總工作時(shí)間的2.5%。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)可以進(jìn)行判斷，當(dāng)管制員的負(fù)荷值達(dá)到峰值的80%時(shí)，此時(shí)扇區(qū)內(nèi)的航班量即為該扇區(qū)的容量。如何得知負(fù)荷80%時(shí)的航班量呢？此時(shí)就需要用到下述方法。

3.1" 最小二乘法回歸分析

本文將采用最小二乘法回歸分析擬合管制員與航空器數(shù)量的管制函數(shù)，具體將管制員負(fù)荷與航空器的數(shù)量進(jìn)行擬合，得到回歸函數(shù)及相關(guān)因素的關(guān)系。

最小二乘法又稱為最小平方法，是指將通過實(shí)驗(yàn)測得的多組數(shù)據(jù)，畫成散點(diǎn)圖的形式，發(fā)現(xiàn)這些點(diǎn)近似地分布在一條直線或曲線附近，找出使圖線上的各點(diǎn)與對應(yīng)的各點(diǎn)之間誤差最小的方法。以一元一次函數(shù)為例，假設(shè)散點(diǎn)坐標(biāo)為（xi，yi）（i=1，2...，n），擬合的近似直線為y=ax+b，那么直線上的點(diǎn)與對應(yīng)的散點(diǎn)的誤差可表示為式（1）

。" " " "（1）

但是這種直接將誤差相加的方法，由于差值可正可負(fù)，所以存在相互抵消的可能性，使最終得出的結(jié)果顯示誤差并不大，所以為了防止這種情況的發(fā)生，最小二乘法選擇了將誤差的平方相加，如式（2）。所以最小二乘法的最終原理就是求出

，（2）

式中：a、b使F（a，b）最小，即函數(shù)F分別對a、b求偏導(dǎo)，令偏導(dǎo)等于零，得到方程組可求出a、b，得出的該條擬合函數(shù)就是最接近散點(diǎn)圖的直線，得到最小二乘法擬合的函數(shù)。

3.2" 基于語音負(fù)荷的空域容量評估

當(dāng)前對于空域容量評估的方法主要包括基于仿真的空域容量評估和基于管制員負(fù)荷的空域容量評估。其中，基于仿真的空域容量評估是針對空域的結(jié)構(gòu)、航路航線的設(shè)置和管制間隔的規(guī)定等評估出空域內(nèi)單位時(shí)間可以同時(shí)運(yùn)行的航空器架次最大值，但這樣的評估方法只單一地考慮了客觀原因?qū)沼蛉萘康挠绊懀贸龅慕Y(jié)果通常比實(shí)際運(yùn)行可以接受的最大值要大。或許在未來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管制的背景下，如此的評估方式會(huì)有一定參考價(jià)值，但就目前來說，管制員仍是限制空域容量的主要因素。因此，更為合理的空域容量評估方式是基于管制員工作負(fù)荷。具體流程如圖1所示。

基于管制語音負(fù)荷的空域容量評估研究過程如下。

1）使用軟件可以計(jì)算出不同時(shí)間段下管制員的實(shí)際工作負(fù)荷，以幫助更準(zhǔn)確地評估管制員的工作情況。

2）利用SPSS軟件統(tǒng)計(jì)對應(yīng)時(shí)間片段下的航空器架次。

3）根據(jù)前2個(gè)步驟的結(jié)果，利用軟件做出管制負(fù)荷與航空器架次的關(guān)系圖，直觀得到管制負(fù)荷與航空器架次的關(guān)系。

4）通過MATLAB進(jìn)行函數(shù)擬合，得到管制語音負(fù)荷與航空器架次之間的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系。

5）由于目前管制員在行使管制職能時(shí)大多使用雷達(dá)管制，管制員工作中的通話數(shù)量相比程序管制時(shí)期的通話數(shù)量有所減少，因此當(dāng)平均工作負(fù)荷達(dá)到峰值的70%時(shí)對應(yīng)的航空器架次即是空域容量。

3.3" 實(shí)例分析

本文將采用上文所描述的流程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，首先采集華北地區(qū)某管制單位的語音數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步運(yùn)用SPSS軟件對語音特征參數(shù)實(shí)例分析，計(jì)算管制員在某一時(shí)間段內(nèi)的管制員語音負(fù)荷，并進(jìn)行航班架次的同步統(tǒng)計(jì)，得到飛機(jī)架次與語音負(fù)荷的擬合函數(shù)，具體對應(yīng)關(guān)系見表1。

根據(jù)表1作出散點(diǎn)圖，結(jié)果如圖2所示。

大致判斷散點(diǎn)對應(yīng)的函數(shù)次方數(shù)，近似于一元二次方程，利用MATLAB的polyfit函數(shù)對散點(diǎn)圖進(jìn)行回歸分析，得到各系數(shù)，由此得到擬合結(jié)果

Wyuyin=-7 524.8N2+118 620N+342 630，" " （3）

式中：N為航空器架次。

擬合函數(shù)與散點(diǎn)圖結(jié)合如圖3所示。

當(dāng)扇區(qū)達(dá)到最大容量時(shí)，管制員的工作負(fù)荷必須低于負(fù)荷峰值的80%，在實(shí)施雷達(dá)管制時(shí)，當(dāng)管制員的平均工作負(fù)荷達(dá)到70%時(shí)，該扇區(qū)已經(jīng)達(dá)到了其對應(yīng)的空域容量值，但由于本文選取的是塔臺席通話錄音，因此仍以峰值的80%進(jìn)行計(jì)算，即工作負(fù)荷達(dá)到峰值的80%時(shí)，此時(shí)航空器的流量N為扇區(qū)的容量值

80%×Wmax=80%×（-7 524.8N2+118 620N+342 630），（4）

式中：N為航空器架次；Wmax為語音負(fù)荷峰值。

根據(jù)擬合出的函數(shù)特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，通過該函數(shù)，可以確定管制員負(fù)荷的峰值以及對應(yīng)的航空器數(shù)量。根據(jù)采集的語音數(shù)據(jù)，該塔臺管制單位的語音負(fù)荷峰值為Wmax，當(dāng)負(fù)荷達(dá)到峰值的80%時(shí)，需要掌控的航空器數(shù)量約為3架。因此，該管制單位塔臺席的合理安排是控制每個(gè)10 min的時(shí)間片內(nèi)不超過3架航空器。

為了驗(yàn)證所得結(jié)果的可靠性，統(tǒng)計(jì)得到了天津塔臺塔臺席位42個(gè)10 min時(shí)間片的航空器架次，做出散點(diǎn)圖進(jìn)行比較，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看到，根據(jù)本文語音分析得到的基于管制語音負(fù)荷的空域容量值對比實(shí)際運(yùn)行中10 min時(shí)間片內(nèi)的航空器架次偏低，說明單一利用語音負(fù)荷進(jìn)行空域容量評估的方法考慮不全面，若能綜合考慮管制員思考負(fù)荷、操作負(fù)荷等，并找到與語音負(fù)荷之間的關(guān)系進(jìn)行容量評估，結(jié)果會(huì)更貼近實(shí)際。

4" 結(jié)束語

對空域容量合理評估可以有效規(guī)劃空域、安排航班，在保障管制員工作負(fù)荷不過載的情況下，可以有效減少航班延誤率，提高運(yùn)行效率和安全。查閱文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，空域容量的評估大多是從各種技術(shù)方法入手，落腳點(diǎn)在管制負(fù)荷上，再推導(dǎo)出空域容量。本文以空中交通管制單位實(shí)際需求入手，對管制員語音數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，并進(jìn)行特征數(shù)據(jù)的有效提取。并且，根據(jù)本文的實(shí)際意義，利用多軟件平臺聯(lián)合運(yùn)行計(jì)算的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，最終得到本文所需要的某一管制狀態(tài)量下的管制負(fù)荷。在空域容量評估與預(yù)測部分，采用多函數(shù)擬合的方式進(jìn)行管制員負(fù)荷與航空器數(shù)量的靈活擬合。根據(jù)國際民航組織9426號文件中指出的，達(dá)到管制負(fù)荷峰值的80%時(shí)，對應(yīng)的航空器架次即為空域容量，結(jié)合上一步得到的方程式，可以求出相應(yīng)負(fù)荷值時(shí)航空器的架次即空域容量。

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