[0001] 本发明涉及一种基于空中交通复杂性的管制员工作负荷测量方法，属于民航空中交通管制领域。

[0002] 随着经济的迅速发展，航空运输业持续高速发展使某些空域面临着越来越严峻的饱和及拥挤态势。虽然这些空域增加了管制扇区数量，但总体上每个管制员所承受的工作负荷仍呈不断上升的趋势。为保证空中交通管制的安全性，民航管理部门迫切需要科学评估管制员工作负荷水平。因此，寻求管制员工作负荷的准确测度方法，对于保障空中交通管制的安全性、实施民航管制技能培训、科学评估扇区容量及合理划设扇区意义重大。

[0003] 目前，对于管制员工作负荷的研究主要从如下两个方面着手开展：

[0004] 第一，管制员工作负荷的生理和行为评估研究。该方法就是以若干生理和行为指标作为研究对象，通过测量和分析在不同交通特征下这些参数的变化，并进行统计分析，获取生理和行为参数与管制员工作负荷两者之间的变化关系。但由于人体是一个复杂的系统，对管制员生理和行为的测量个体差异大，且众多的生理和行为指标之间的关联性难以确定，目前该方面的研究较难深入。

[0005] 第二，管制员工作负荷的主观评估研究。管制员工作负荷的主观评估可以分为工作负荷强度的自我评估和专家评估。自我评估方法需要通过编写适用于管制员工作负荷的问卷，通过对于问卷的测评完成工作负荷的评估工作。国内学者多采用专家评估方法开展该方面研究，代表性方法是采用DORATASK方法完成对于管制员工作负荷的评估。

[0006] 国际民航组织通过规范性文件《空中交通服务计划手册》(DOC 9426-AN/924)向各国推荐使用的扇区/席位容量评估方法——DORATASK方法，其是通过专家主观评估管制员工作负荷，从而进一步评估管制扇区的主观容量。这种方法着重对雷达管制员所承担的工作负荷进行评估，将管制员的工作负荷划分为看得见部分和看不见部分。所谓看得见部分是指管制员进行常规管制工作、解决冲突的通讯和填写进程单等能够被观察员记录和记时的工作；而看不见部分是指管制员监控雷达屏幕、对照进程单、思考计划等工作，这部分工作不便进行记录和记时。DORATASK方法认为必须为管制员留有一定的恢复时间，该恢复时间对扇区的安全运行极为重要，所以规定平均工作负荷强度必须小于总统计时间的80％，并且90％的工作负荷不得超过总(工作)时间的2.5％。但从目前该方面研究看，由于该方法只是从统计不同的原始陆空对话用时出发，导致评估往往忽略了“看不见”部分的工作负荷和恢复时间，对管制员工作负荷评估结果不够准确。

[0007] 本发明针对现有方法存在的问题，而提出一种基于空中交通复杂性的管制员工作负荷测量方法。

[0008] 该方法包括如下步骤：

[0009] 步骤1：对基本空中交通事件进行分类；

[0010] 步骤2：确定易观测的基本管制单元的管制员工作负荷统计模型；

[0011] 步骤3：通过机器学习，获取管制行为和空中交通事件的非线性关系，得到通过空中交通事件确定的基本管制单元工作负荷，并确定该工作负荷的修正系数；

[0012] 步骤4：利用步骤3得到的修正系数对步骤2得到的统计模型进行修正，得到管制员工作负荷测量模型；

[0013] 步骤5：根据DORATASK方法，通过步骤4得到的管制员工作负荷测量模型确定扇区容量。

[0014] 技术效果：

[0015] 1、针对目前专家主观评估的DORATASK方法对于测量工作负荷“看不见部分”存在的主观不确定性，本发明从空中交通管制领域的实际需要出发，应用人类工效学和统计数学理论方法，提出了基于空中交通复杂性的管制员工作负荷测量方法，可有效提高管制员工作负荷测量的准确性。

[0016] 2、本发明可直接应用到民航管制技能培训中，有利于提高管制员队伍的总体业务素质。

[0017] 3、本发明还可以为各管制部门在管制员队伍建设和管理中提供帮助和指导，并可直接用于空域扇区容量评估及空域扇区规划设计，为保障空中交通安全、提高民航运输业的整体效益发挥积极作用。

[0018] 图1为本发明方法的流程框图。

[0019] 下面对本发明方法作进一步说明。

[0020] 本发明方法的流程如图1所示，具体包括如下步骤：

[0021] 步骤1：建立基于空中交通复杂性的交通事件分类标准，对基本空中交通事件进行分类。

[0022] 该步骤是根据影响管制员工作负荷的终端空域和航路空域的空中交通现状进行分类，确定的基本交通要素如下：航空器数量、航空器速度、交通流量比率、巡航交通量、占用率、航路之间的交叉角、每小时的交通量、爬升/下降交通量、水平冲突量、上升冲突量、交叉点的数量、垂直间隔、水平纵向间隔、航空器侧向间的最小距离。

[0023] 步骤2：确定易观测的基本管制单元的管制员工作负荷统计模型。

[0024] 该步骤又包括：

[0025] 步骤2-1：基于人类工效学，对管制员的管制行为进行分类；

[0026] 步骤2-2：通过雷达语音记录仪统计分析管制通话，确定易观测的基本管制单元的管制员工作负荷统计模型。

[0027] 从管制工作的过程来看，管制空中交通的职能被分为小的、离散的工作部分，称之为基本管制单元。需要确定每个基本管制单元所包含的活动，具体基本管制单元如下表所示：

[0028]基本管制单元 基本管制单元
管制员无线电话音 插进程单
飞行员无线电话音 摆放进程单(按一定顺序)
电话通话话音 数进程单
普通话音 寻找进程单
查看平面视野显示屏 重新摆放进程单
看进程单 移动/废弃进程单
标记进程单 其他进程单工作(取出空的进程单架)
键盘/鼠标 在记事本上记录

[0029] 根据管制工作分为通信、判断、处理三方面的本质来看，结合上述的基本管制单元，可以将管制员工作负荷分为五大类：飞行数据管理及雷达显示操作的工作负荷、协调管制工作负荷、飞行冲突搜寻与解决工作负荷、例行工作的标准无线电通话的工作负荷、雷达监视工作负荷。

[0030] 飞行数据管理及雷达显示操作的工作负荷是管制员对进程单操作和雷达显示初始化操作引起的工作负荷，对进程单操作包括：取出空的进程单架、插进程单、传递进程单、摆放进程单、看进程单、标志进程单和移动/废弃进程单。对雷达显示初始化操作是一种键盘/鼠标操作，是在航空器刚进入扇区没有和二次雷达应答机编码对应上时的一种手工相关配对操作。在时间段Δt内飞行数据管理及雷达显示操作的工作负荷的公式表示为：

[0031] WLsx＝∑W第i种进程单操作+∑W键盘鼠标操作

[0032] 式中，W第i种进程单操作是第i种进程单操作的工作负荷(操作种类如上所述)；W健盘鼠标操作是一次雷达显示初始化操作的工作负荷。

[0033] 协调管制工作负荷包括了相邻扇区间的协调移交、扇区内不同席位之间的协调以及有军方活动时与军方的协调等一系列协调移交所引起的管制员工作负荷。在时间段Δt内协调管制工作负荷的公式表示为：

[0034] WLxt＝∑W飞进+∑W飞出+∑W军方活动

[0035] 式中，W飞进是一架航空器即将飞进扇区时管制员与相邻扇区管制员电话移交协调、标志进程单和口头通信引起的工作负荷；W飞出是一架航空器即将飞出扇区时管制员与相邻扇区管制员电话移交协调和口头通信引起的工作负荷；W军方活动是如果有军方活动时，军方与管制员进行协调所引起的工作负荷。

[0036] 飞行冲突搜寻与解决的工作负荷：①在发出指令之前，管制员通过对已有信息的综合分析和判断以确保发出的指令不会引起违反交通间隔的情形发生；②在出现潜在冲突时，管制员根据自己的经验、策略来保证规定的空中间隔。管制员在①和②中所经历的就是飞行冲突搜寻与解决的工作负荷。在时间段Δt内飞行冲突搜寻与解决的工作负荷的公式表示为：

[0037] WLsj＝∑W冲突搜索+∑W冲突解决

[0038] 式中，W冲突搜索是管制员进行一次飞行冲突搜索的工作负荷；W冲突解决是管制员进行一次飞行冲突解决的工作负荷。

[0039] 例行工作的标准无线电通话的工作负荷：管制工作正是通过同频双向联络进行的，为了确保航空器之间的间隔，航空器严格按照管制员发布的指令执行。尽管管制员需要在判断和处理方面花一定的精力，但是管制员的大部分精力是花在通信方面(发布指令和听飞行员回复)，即陆空无线电通话，而这些方面管制员所做的就是例行工作的标准无线电通话的工作负荷。在时间段Δt内例行工作的标准无线电通话的工作负荷的公式表示为：

[0040] WLlt＝∑W第i次通话

[0041] 式中，W第i次通话是Δt内第i次单方(管制员或飞行员)通话引起的工作负荷。

[0042] 雷达监视工作负荷：下面主要针对管制指挥席的管制员工作情形进行分析。雷达监视工作负荷是指挥席管制员进行雷达监视时所经历的工作负荷，主要是监视航空器执行指令的飞行情况，以及在潜在冲突存在情况下监视航空器保持航迹的精确性。在时间段Δt内雷达监视工作负荷的公式表示为：

[0043] WLlj＝∑W监视活动

[0044] 式中，W监视活动是管制指挥席的管制员每次监视活动的工作负荷。

[0045] 采用雷达语音记录仪在时间段Δt内对于上述各种细化管制活动进行计时和统计，就可获得易观测的基本管制单元的管制员工作负荷统计模型，即为管制员第k类管制通话时间的数学期望：

[0046]

[0047] 式中：N为记录的次数，Tkj为统计中第k类管制通话第j次测量的时间段长度。

[0048] 这样，就获得了常用管制指令通话(包括管制员发指令和飞行员复述指令)的平均时间。

[0049] 步骤3：通过机器学习，获取管制行为和空中交通事件的非线性关系，得到通过空中交通事件确定的基本管制单元工作负荷，并确定该工作负荷的修正系数。

[0050] 该步骤又包括：

[0051] 步骤3-1：对于步骤1和步骤2确定的基本管制单元的管制员工作负荷量值和相应的交通事件，通过构建BP神经网络进行机器学习辨识，输入变量分别为基本管制单元的管制员工作负荷、基本管制事件种类，输出变量为训练后的管制员工作负荷修正值，从而获取管制行为和交通事件的非线性关系，得到通过交通事件确定的基本管制单元工作负荷；

[0052] 步骤3-2：进行管制行为问卷调查，将管制行为问卷调查得到的基本管制单元工T作负荷集合W＝[wl1，wl2，Λwln] 与机器学习辨识的工作负荷集合W′＝[wl′1，wl′2，T
Λwl′n] 比照，确定基本管制单元的工作负荷修正系数集合

[0053] 步骤4：利用步骤3得到的修正系数对步骤2得到的统计模型进行修正，得到管制员工作负荷测量模型。

[0054] 考虑到管制人员对各种指令伴随有对照进程单、思考计划等“看不见部分”的工作负荷和恢复时间，可得到管制员工作负荷测量模型，即为第k种管制员工作负荷：

[0055]

[0056] 式中：qk为基本管制单元的工作负荷修正系数。

[0057] 步骤5：根据DORATASK方法，通过步骤4得到的管制员工作负荷测量模型确定扇区容量。

[0058] 扇区容量确定模型为： 式中S为分析研究时段的单个扇区时间长度，s为统计扇区的工作负荷基本管制单元数量。

[0059] 确定整个空域的扇区数量模型为： 式中WT为管制空域总的工作负荷， T为分析研究时段的空域时间长度，m为统计整个空域的管制员工作负荷数量。