应对空中交通管理服务突发事件的航空器动态接管方法

应对空中交通管理服务突发事件的航空器动态接管方法

屈涵1  崔妍 2

1西部机场集团建设管理部 712000

2西部机场集团空域协调办712000

摘要：应对空中交通服务突发事件的航空器接管方案是我国空管应急系统的一项重要组成部分，现行模式通过相邻管制扇区将失能扇区所有航空器单独接收，增加了接机区机组人员工作负担，易引发扇区的安全隐患。在此基础上，考虑到航空器在接管过程中航空器的有效通信距离，同时考虑到管制人员工作负载和航空器撤离时间对航空器的综合影响，以航空器在接管失能扇区中航空器过程中的总成本最小为目标、管制员负载增加最大为限制条件，提出一种基于失能扇区的动态接管策略。

关键词：空中交通；突发事件；航空器；动态接管

空管应急管理是民航应急保障的一项重要内容，它的主要目的是在突发事件发生后，在最短的时间内对航空器进行营救，从而保证航空器的安全。新冠疫情发生后，空中交通管制系统为国家调配各种资源提供了有效的保障，也为应对突发公共卫生事件提供了宝贵的经验。但是，面对日益增多的航班数量、精细化空域改革以及突发事件类型的多样性，空中交通的复杂性不断增加，对我国空管应急管理系统的构建提出了更高的要求，尤其是在面对突发事件时，如何快速有效地接收和撤离航空器显得尤为重要。

一、航空器的动态应急接管方案

1.1问题描述和假设

本文针对终端区飞行的航空器为研究对象，在失能扇区遇到紧急情况时，需要在最短时间内将其转移到邻近的接管扇区。因为失能扇区的管制人员已经不能执行空中命令，所以本区段的航空器必须按照接收区段管制人员的指示来执行。在建模的过程中，进行了如下的假定。

（1）所研究的终端区域仅存在1个能量损失扇区，各控制扇区之间的边界都是平滑线段。

（2）在空域丧失能力时，接管控制人员可以立刻与在有效范围内的航空器进行通讯联络，并向其发出指令。

（3）航空器在被接管之后，按照控制人员的命令，可以迅速地改变航空器的航向，并使航空器以恒定的速度运行。

1.2动态接管模型

通过对航空器管制难度的分析来阐述管制人员的工作负荷。基于复杂网络理论，将航空器视为飞行状态网络中的节点，研究航空器的水平和垂直位置关系。为了提高模型对飞行碰撞检测的敏感性，拟以航空器结点为中心，以底部半径10公里、高度500米的圆柱体作为保护区域，当2架航空器的保护区有重合的情况下会发生飞行冲突，使得这两个航空器形成连边。在这种情况下，边界权的设置只依赖于航空器的空间距离，随着空间距离的增大，边界权的大小逐渐减小。

二、算例仿真与分析

2.1仿真场景

在MATLAB环境下，建立一个终端区域的模拟环境，以满足应急救援中接管方案的实施。为了简洁、清楚地刻画失能扇区和接管扇区之间的位置关系，将100km的失能扇区△ABC和3个与之相邻的三角形空间R1、R2、R3作为备用接管扇区。在上述四个管制区段所组成的末端区域空域范围内，生成任意位置的60架航空器。由于终端区域的航空器多为中低空飞行，且飞行速度较高，且空管人员可根据指令将航空器转向任何符合作业需求的航向，所以在本模拟场景中，任意设定航空器的速度为300-400公里/h，高度1000-3000米，航向为001-360区间内的任意数。如果两个航空器的防护区有重合，那么这两个航空器之间就有了飞行冲突，它们所处的空间位置就是连接点。

2.2算例分析

在该模拟方案中，有15架航空器在失能扇区Z范围内运行，并全部构成连边。这时，邻近Z区的航空器必须马上接管Z区内的航空器并迅速撤离。在接管之前，每一个备用接收扇区共有45架航空器，R1扇区的航空器分布比较稀疏，连边也比较少；R3区航空器密集，边数多；R2扇区航空器密度中等，研究发现：失能扇区Z的航空器分布比较分散，其与R1扇区和R2扇区之间的连边最多。在此基础上，结合接管扇区管理人员的工作量和航空器撤离时间，提出符合目标函数和限制的动态接管方案，并将其与现有的单区段接管方案进行对比，得出以下结论：

（1）R1为接管扇区的现行方案。在R1区段，航空器密集程度很小，所构成的连边大多是成对接的，管制员的工作负载也很小。在Z扇区突然空域失能时，如果R1是接收扇区，则控制人员能够与Z扇区上的所有航空器取得联络，但是，由于Z区内的航空器数量增多，控制人员需要增加额外的工作负载，超出了正常情况下的承受能力。

（2）R2为接管扇区的现行方案。R2扇区中航空器密集程度大，航空器间多发生三次碰撞，产生多条连边，R2扇区的管制员工作负载也比较高。以R2为接管扇区，R2不能接管，因为Z区30、33、34号航空器离接管扇区太远，如果遇到紧急情况，不能与管制员取得通讯联络。尽管在实例中并未考虑到这一点，但是当遇到这种情况时，应事先制定应急预案，确保各航空器都能在最短的时间内到达各自的管制区。

（3）R3为接管扇区的现行方案。在3个可选择的接管扇区中，R3扇区的航空器密集程度是最高的，航空器的连边也是最多的，所以R3扇区的控制人员工作负载也是最高的。以R3为接收扇区，其代价函数和撤离时间明显高于接管扇区R1和R2的情况。动态接管方案。在此基础上，结合航空器在紧急情况下的实际操作数据，设计出一种能使航空器在紧急情况下，以最小的成本和最大的负载约束为目标的动态接管方案。在目标函数中，综合考虑了航空器的飞行高度、速度、航向、可能发生的冲突和与扇区之间的几何位置关系，可实现失能扇区中航空器的柔性接管。在动力学方案中，每一个接机区将分别接收5架航空器；试验结果表明，与现有扇区单独控制的方案相比，终端区内扇区控制人员的平均负载下降9.8%、12.2%和18.6%，航空器的平均撤离时间下降56.8%、56.3%和64%。此动态接取策略，不仅能充分考虑航空器在紧急情况下的空间位置及碰撞因素，还能兼顾管制人员作业负载递增的安全性需求，使宝贵的应急资源得到更合理的分配。在实践中，若因空中交通服务出现紧急情况，地面控制单元对空指挥能力受影响，可利用此方法快速构建备用接收扇区和失能扇区内航空器的交接关系，实现失能扇区内航空器的快速、柔性紧急接收。

三、结束语

本文以空中交通突发事件下的航空器紧急接管为研究对象，构建一种动态接管方案的数学模型。在MATLAB环境下，建立应急处置过程中的应急处置情景，并以总接管成本最小为目标，对现有接管方式与动态接管方式进行了比较。研究成果显示，采用动态接管策略，可以有效地减少在终端区空域内管制员的工作量，缩短航空器离开失能扇区所需的时间，从而为空管部门制订应急预案提供更可靠的依据。

参考文献：

[1]杨越,马博凯,颜晨阳.应对空中交通管理服务突发事件的航空器动态接管方法[J].交通信息与安全,2023,41(03):41-47.

[2]陈肯.终端区飞行程序及导航设施布局优化方法研究[D].西南交通大学,2014.

[3]高毅.新一代民航空管应急通讯系统研究与实现[D].电子科技大学,2010.