一种新型空域扇区垂直边界动态调整方法

1.本发明涉及空中交通管理
技术领域：
：，具体为一种新型空域扇区垂直边界动态调整方法。
背景技术：
：：2.我国目前存在数量不少的高低扇结构，但还未能实现运行中实时进行扇区边界的动态调整，目前国内外关于动态扇区的研究主要集中于水平边界上，关于三维扇区的研究主要以交通流的复杂度和管制指挥负荷为约束条件，针对扇区垂直边界调整的方法较少，也较少有研究讨论不同高度范围内飞机飞行特征的差异性。3.区域管制是针对沿航路飞行的航空器巡航阶段的管制，该服务由区域管制室或区域管制中心提供，在区域管制空域飞行的航空器主要分为以下三类：4.(1)在巡航高度上按航路巡航飞越的航空器；5.(2)离场飞机脱离进近扇区后向巡航高度爬升的航空器；6.(3)进场飞机进入进近扇区前由巡航高度下降的航空器；7.区域管制可分为纯区域管制和混合型区域管制，纯区域管制扇区内，航空器大都处于巡航状态，以飞越为主，一般为高空扇区，混合型区域管制扇区内，不仅有巡航飞越的航空器，还有大量需要加入航路和从航路脱离的航空器，管制特点和技巧上与进近管制有些类似，通常为终端管制空域周围的中低空扇区。8.在混合型区域管制扇区内，由于高低空的交通环境的差异性会带来管制员管制模式和注意力分配的差异性，通过对指定扇区单位时间内的飞行流量进行预测、进行管制负荷分析与计算，以达到管制平衡为目标，即可将一定范围的空域在垂直方向上进行划分，将其与时间变化相关联并满足一定的约束条件即可实现扇区的动态调整。9.所提出的计算模型基于以下假设：10.(1)航班按计划起飞，不考虑航班延误11.(2)航空器飞行时间的起算点为计划起飞时刻，忽略计划到达时刻12.(3)巡航阶段的航空器为平飞，不作高度改变，不产生航路等待13.(4)不考虑恶劣天气、军航活动等空域限制因素14.(5)航空器不发生紧急状况15.模型的约束条件有：16.(1)间隔约束：飞机与飞机之间应满足最小安全间隔；17.(2)开扇时间约束：为避免扇区结构变化过于频繁导致管制员需要频繁适应，每次扇区调整时长至少为2小时的倍数；18.(3)管制负荷约束：管制员的工作负荷不应使管制员感到疲劳；19.(4)优先权约束：航空器改变高度时，已经在某一高度层巡航的航空器通常比其他要求进入该巡航高度层的航空器更具有优先权。当两架或者多架航空器在同一巡航高度层时，排列在前的航空器通常具有优先权。20.目标函数：在开扇时间约束条件下使扇区间的管制负荷差异最小；21.除特殊说明外，计算统一采用公制单位；22.用以表示扇区边界的高度层的意义为扇区下界；23.因此，为解决这些问题，分析了不同运动状态下的飞机对管制员产生的管制负荷，使用4d航迹理论对飞行时间进行预测，设计了一种贴近实际运行且易于实践的扇区边界动态调整方法。技术实现要素：24.本发明的目的在于提供一种新型空域扇区垂直边界动态调整方法，以解决上述
背景技术：
：中提出的问题。25.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种新型空域扇区垂直边界动态调整方法，模型建立，所述模型建立包括以下步骤：26.s1、飞机在飞行中的4d航迹预测：27.4d航迹是以空间和时间的形式对航空器轨迹中各点空间位置和时间的描述，本文使用eurocontrol发布的bada手册计算飞机在飞行全程的运动参数；28.飞机的飞行剖面可用爬升、平飞和下降三种基本模式的组合来描述。bada手册中给出了飞机在爬升、巡航和下降时的表速配置表，在指定高度范围内均为等表速飞行；29.表速vcas和真空速vtas的转换公式为：[0030][0031]式中：[0032][0033]κ为大气绝热系数，取1.4p和ρ分别为大气压强和密度，数值可通过国际标准大气(isa)表查得p0为标准海平面气压，数值为1013.25hpa，为便于计算，本文将飞行全程简化为三个阶段，分别为进入目标扇区前的航段、扇区内航段和剩余航段，各航段的里程表示为dpre、din和dafter高空飞行时，高空风对地速的影响不可忽略，由于航段在计算上得到简化，航段上的风速由当量风速vwe来表示，它是各航段上风速分量的加权平均值，以顺风为正，表示为：[0034][0035]式中，di为第i个航段的距离，vwi为第i个航段的风速；[0036]飞机飞行时的地速vgs为：[0037]vgs＝vtascosα+wesinθ[0038]式中，α为速度矢量与水平方向的夹角，以爬升为正；θ为风向与飞机航迹的夹角的绝对值。[0039]飞机处于等表速爬升/下降状态时，飞行时间tc/d与航段里程dc/d为：[0040][0041]dc/d＝∑vgsitc/di[0042]飞机处于平飞状态时，航段里程可由航段全程减去爬升、下降的航段里程得出，飞行时间tcr为：[0043]tcr＝(d-dc-dd)/vgs[0044]飞机在指定为航段上的飞行时间为飞机处于三种飞行阶段分别耗费的时间的线性组合，表示为：[0045]t＝atc+btcr+ctd[0046]式中，a,b,c为系数，数值为处于各个飞行阶段的航段数量；[0047]s2、管制间隔与尾流间隔约束：[0048]航空器进行仪表飞行时，同航迹、同高度、同速度飞行的航空器之间，纵向间隔为不小于10分钟。实施雷达管制时，区域管制中的雷达水平间隔为不小于10公里；[0049]除管制间隔外，为保证飞行安全，飞机之间也要满足尾流间隔，在预测模型中，任意两架位于同一高度层飞行的飞机之间均需满足间隔标准。如不满足，按照优先权机制，后机进入目标扇区的时刻将受到前机影响，需使用间隔时间进行修正。[0050]第一架飞机进入扇区时，其前方没有飞机，因此不受间隔约束限制，第一架飞机进入目标扇区的时刻tin，1表示为：[0051]tin，1＝ttakeoff，1+tpre，1[0052]式中，ttakeoff，1为第一架飞机的起飞时刻，tpre，1为第一架飞机在进入目标扇区前的飞行时间；[0053]考虑间隔约束后，第i架飞机进入和离开目标扇区的时刻为：[0054]tin,i*＝ttakeoff,i+tpre,i,i＝1,2,…,n[0055][0056]tout,i＝tin,i+tin,i,i＝1,2,…,n[0057]式中，间隔时间tsep取管制间隔和尾流间隔的较大值，tin,i为第i架飞机在目标扇区内的飞行时间；[0058]s3、管制员工作负荷分析[0059]doratask方法是目前较为常用的工作负荷量化评估方法，由英国运筹学会提出，也是国际民航组织(icao)中推荐各成员国使用的管制员负荷评估方法，该方法将作业细分为多个子任务，通过统计各子任务工作时长在单位时间内的占比表示管制员的负荷情况，可表示为：[0060][0061]式中：w为管制员负荷，wk管制员在执行第k个子任务时消耗的时间，δt为单位时间；[0062]处于巡航飞越阶段的航空器，往往按照飞行计划飞行，不会耗费管制员过多的精力关注，主要的工作负荷为扇区接收和移交航空器时产生的陆空通话时间。如果有其它航空器即将穿越当前高度层，则要额外增加发布调速指令所需要的时间。[0063]处于上升和下降阶段的航空器，因需要穿越高度层，会耗费管制员较多的精力进行关注，产生的通话与监视负荷较大。本文认为管制员对此类飞机的工作负荷为飞机完成上升/下降全程所花费的时间tc/d。在实际运行中，管制员不可能真正将所有精力用于监视飞机穿越高度层全程，因此认为该时间包括了管制员的思考、决策、记忆花费的时间，这部分难以量化的负荷不再另做统计。[0064]经查阅文献，管制员每分钟扫视雷达的次数计为扇区内飞机数量的2倍，每次扫视时间为2s。[0065]对每架进入扇区的飞机，统一分配2s时间用于管制员记忆飞机动态以及调整大脑状态。[0066]doratask方法将管制负荷分为5个等级，认为负荷量在80％以下时，管制员的负荷处于正常水平，没有疲劳感。因此，管制负荷约束定为80％，如果某时刻管制员的工作负荷超过80％，则需要进一步给扇区分层。[0067]扇区分层后，为避免各扇区内的工作负荷差异过大，负荷平衡作为划设扇区边界的目标函数。令f为所有扇区分块方案的集合，当集合内的元素数量大于2时，目标函数表示为：[0068][0069]此处规定，i的数值按扇区高度由低到高排序，扇区间的分界高度层即扇区的垂直边界；[0070]s4、计算流程：[0071]以预先制定未来1天的扇区边界调整方案为例说明计算步骤：[0072]s4.1：选定目标扇区，令初始扇区数为1(即不分高低扇)；[0073]s4.2：获取未来1天计划飞经目标扇区的航班计划，并按照巡航、爬升和下降三种飞行状态进行分类；[0074]s4.3：计算飞机预计进入和离开目标扇区的时刻并排序，按照间隔约束对入扇时刻进行调整；[0075]s4.4：分析受穿越高度层影响的航班，对扇区内飞行时间进行调整；[0076]s4.5：统计管制负荷，如果在任意开扇时间内扇区内的负荷总量小于80％，则无需分扇，计算结束，否则进行下一步；[0077]s4.6：令扇区数量+1，即生成一个垂直边界，绘制扇区间管制负荷之比与扇区边界高度的关系图；[0078]s4.7：选取能够使扇区间负荷尽量平衡的高度层作为扇区边界，并满足开扇时间约束，转到s4.5；[0079]在实际运行中，飞机的运行数据可以根据运行实况实时更新，为扇区的实时动态管理提供参考。[0080]与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于航班计划和4d航迹预测理论，以贴近实际运行的角度，设计了任意单位时间内的扇区内飞机流量的统计算法，并进行了进近扇区开合策略的预战术规划，以实际区域管制区为例进行了计算仿真，效果如下：[0081](1)提出的算法能够实现扇区垂直边界随实际运行的动态调整；[0082](2)计算结果能够满足实际运行需要，比现行的空域划设方案更优；[0083](3)该方法能够为管制运行提供理论支撑和决策参考，具备现实使用价值；[0084](4)算法通用性强，自动化程度高，既可用于预测，也能在运行中实时更新数据。附图说明[0085]图1为扇区边界与结构示意图；[0086]图2为目标扇区内管制负荷统计示意图；[0087]图3为不同扇区边界下的高低扇区负荷比曲线示意图；[0088]图4为7:00-17:00时高低扇区负荷统计示意图；[0089]图5为17:00-23:00时高低扇区负荷统计示意图。具体实施方式[0090]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0091]请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种新型空域扇区垂直边界动态调整方法，模型建立，所述模型建立包括以下步骤：[0092]s1、飞机在飞行中的4d航迹预测：[0093]4d航迹是以空间和时间的形式对航空器轨迹中各点空间位置和时间的描述，本文使用eurocontrol发布的bada手册计算飞机在飞行全程的运动参数；[0094]飞机的飞行剖面可用爬升、平飞和下降三种基本模式的组合来描述。bada手册中给出了飞机在爬升、巡航和下降时的表速配置表，在指定高度范围内均为等表速飞行，表速配置表见表1-表3；[0095]表1喷气式飞机爬升表速配置表[0096]table1casscheduleforjetaircraftwhenclimbing[0097][0098][0099]表2喷气式飞机巡航表速配置表[0100]table2casscheduleforjetaircraftwhencruising[0101][0102]表3喷气式飞机下降表速配置表[0103]table3casscheduleforjetaircraftwhendescending[0104][0105]表速vcas和真空速vtas的转换公式为：[0106][0107]式中：[0108][0109]κ为大气绝热系数，取1.4p和ρ分别为大气压强和密度，数值可通过国际标准大气(isa)表查得p0为标准海平面气压，数值为1013.25hpa[0110]为便于计算，本文将飞行全程简化为三个阶段，分别为进入目标扇区前的航段、扇区内航段和剩余航段，各航段的里程表示为dpre、din和dafter高空飞行时，高空风对地速的影响不可忽略，由于航段在计算上得到简化，航段上的风速由当量风速vwe来表示，它是各航段上风速分量的加权平均值，以顺风为正，表示为：[0111][0112]式中，di为第i个航段的距离，vwi为第i个航段的风速；[0113]飞机飞行时的地速vgs为：[0114]vgs＝vtascosα+wesinθ[0115]式中，α为速度矢量与水平方向的夹角，以爬升为正；θ为风向与飞机航迹的夹角的绝对值；[0116]飞机处于等表速爬升/下降状态时，飞行时间tc/d与航段里程dc/d为：[0117][0118]dc/d＝∑vgsitc/di[0119]飞机处于平飞状态时，航段里程可由航段全程减去爬升、下降的航段里程得出，飞行时间tcr为：[0120]tcr＝(d-dc-dd)/vgs[0121]飞机在指定为航段上的飞行时间为飞机处于三种飞行阶段分别耗费的时间的线性组合，表示为：[0122]t＝atc+btcr+ctd[0123]式中，a,b,c为系数，数值为处于各个飞行阶段的航段数量；[0124]s2、管制间隔与尾流间隔约束：[0125]航空器进行仪表飞行时，同航迹、同高度、同速度飞行的航空器之间，纵向间隔为不小于10分钟，实施雷达管制时，区域管制中的雷达水平间隔为不小于10公里；[0126]除管制间隔外，为保证飞行安全，飞机之间也要满足尾流间隔，在仪表飞行和雷达管制下的尾流间隔标准见表4，括号内为雷达管制间隔，在预测模型中，任意两架位于同一高度层飞行的飞机之间均需满足间隔标准，如不满足，按照优先权机制，后机进入目标扇区的时刻将受到前机影响，需使用间隔时间进行修正。[0127]表4尾流间隔标准table4wakeseparationstandard[0128][0129]第一架飞机进入扇区时，其前方没有飞机，因此不受间隔约束限制，第一架飞机进入目标扇区的时刻tin，1表示为：[0130]tin，1＝ttakeoff，1+tpre，1[0131]式中，ttakeoff，1为第一架飞机的起飞时刻，tpre，1为第一架飞机在进入目标扇区前的飞行时间；[0132]考虑间隔约束后，第i架飞机进入和离开目标扇区的时刻为：[0133]tin,i*＝ttakeoff,i+tpre,i,i＝1,2,…,n[0134][0135]tout,i＝tin,i+tin,i,i＝1,2,…,n[0136]式中，间隔时间tsep取管制间隔和尾流间隔的较大值，tin,i为第i架飞机在目标扇区内的飞行时间；[0137]s3、管制员工作负荷分析[0138]doratask方法是目前较为常用的工作负荷量化评估方法，由英国运筹学会提出，也是国际民航组织(icao)中推荐各成员国使用的管制员负荷评估方法，该方法将作业细分为多个子任务，通过统计各子任务工作时长在单位时间内的占比表示管制员的负荷情况，可表示为：[0139][0140]式中：w为管制员负荷，wk管制员在执行第k个子任务时消耗的时间，δt为单位时间；[0141]处于巡航飞越阶段的航空器，往往按照飞行计划飞行，不会耗费管制员过多的精力关注，主要的工作负荷为扇区接收和移交航空器时产生的陆空通话时间，如果有其它航空器即将穿越当前高度层，则要额外增加发布调速指令所需要的时间。[0142]处于上升和下降阶段的航空器，因需要穿越高度层，会耗费管制员较多的精力进行关注，产生的通话与监视负荷较大，本文认为管制员对此类飞机的工作负荷为飞机完成上升/下降全程所花费的时间tc/d，在实际运行中，管制员不可能真正将所有精力用于监视飞机穿越高度层全程，因此认为该时间包括了管制员的思考、决策、记忆花费的时间，这部分难以量化的负荷不再另做统计。[0143]经查阅文献，管制员每分钟扫视雷达的次数计为扇区内飞机数量的2倍，每次扫视时间为2s。[0144]对每架进入扇区的飞机，统一分配2s时间用于管制员记忆飞机动态以及调整大脑状态，管制员常用的通信内容及负荷如表5所示。[0145]表5管制员通信负荷[0146]table5communicationworkloadofcontroller[0147][0148]doratask方法将管制负荷分为5个等级，认为负荷量在80％以下时，管制员的负荷处于正常水平，没有疲劳感。因此，管制负荷约束定为80％，如果某时刻管制员的工作负荷超过80％，则需要进一步给扇区分层。[0149]扇区分层后，为避免各扇区内的工作负荷差异过大，负荷平衡作为划设扇区边界的目标函数。令f为所有扇区分块方案的集合，当集合内的元素数量大于2时，目标函数表示为：[0150][0151]此处规定，i的数值按扇区高度由低到高排序，扇区间的分界高度层即扇区的垂直边界；[0152]s4、计算流程[0153]以预先制定未来1天的扇区边界调整方案为例说明计算步骤：[0154]s4.1：选定目标扇区，令初始扇区数为1(即不分高低扇)；[0155]s4.2：获取未来1天计划飞经目标扇区的航班计划，并按照巡航、爬升和下降三种飞行状态进行分类；[0156]s4.3：计算飞机预计进入和离开目标扇区的时刻并排序，按照间隔约束对入扇时刻进行调整；[0157]s4.4：分析受穿越高度层影响的航班，对扇区内飞行时间进行调整；[0158]s4.5：统计管制负荷。如果在任意开扇时间内扇区内的负荷总量小于80％，则无需分扇，计算结束。否则进行下一步；[0159]s4.6：令扇区数量+1，即生成一个垂直边界，绘制扇区间管制负荷之比与扇区边界高度的关系图；[0160]s4.7：选取能够使扇区间负荷尽量平衡的高度层作为扇区边界，并满足开扇时间约束，转到s4.5；[0161]在实际运行中，飞机的运行数据可以根据运行实况实时更新，为扇区的实时动态管理提供参考。[0162]工作原理：[0163]选取大连管制区2号扇区和5号扇区作为仿真对象。仿真原始数据为2021年冬春航季预先飞行计划，选取2021年10月31日(周日)的预先飞行计划作为原始数据进行预测，并给出扇区的动态运行方案。仿真环境为matlabr2016a，高空风数据采集自欧洲中期天气预报中心(ecmwf)，参考的航行资料汇编(aip)版本号为2021nr.11。[0164]两扇区水平方向范围相同，垂直方向为高低扇关系，2号扇区垂直范围为8900米(含)以上，5号扇区垂直范围为8900米(不含)以下且不含大连进近管制区(6000米以下)。两扇区在运行中可实际按需求进行动态开合，扇区内实行雷达管制。扇区结构与扇区内航路示意图见图1。[0165]扇区内的主要飞行有：[0166](1)沿a588航路、w107-chi-a588航路巡航的飞机[0167](2)大连机场经chivor进出大连进近扇区的飞机，它们将在a588航路上完成爬升与下降[0168](3)营口、丹东机场的部分进出港飞机，在此扇区内完成爬升与下降[0169](4)军航飞机(不考虑)[0170]航班计划原始数据样例见表6，使用2.1、2.2节介绍的方法计算后的数据样例见表7。[0171]首先合并2号和5号扇区，24小时内扇区内管制负荷量统计如图2：[0172]可见，白天大部分时段间段扇区内的管制负荷都超过了管制负荷约束，而夜晚及凌晨的负荷较少。因此，在前日23:00至7:00时段内，现行高低扇区可以合并运行。在7:00-23:00时段内，生成一个扇区边界，分为高低扇。按(13)式使用各高度层分别进行高低扇区负荷比值计算，绘制负荷比-时刻曲线并进行多项式拟合，如图3：[0173]由图可得，在满足开扇时间约束的条件下，在7:00-17:00范围内，使用8100m作为扇区边界时，高低扇区负荷比最接近1，即为负荷平衡状态。同理，在17:00-23:00范围内，使用8400m作为扇区边界时，负荷平衡较为理想。而现行的以8900m作为扇区边界的方案，大部分时间的高低扇负荷比小于0.75，最低值在0.25左右，表示低空扇区的负荷明显高于高空扇区，且因图2中显示的负荷峰值接近160％，低空扇区负荷可能仍会超过80％，不利于飞行安全，也不利于空域的高效利用。[0174]对两个时段下的高低扇区负荷分别统计，管制负荷-时间变化图见图4、图5。[0175]可以看出，进行划分后的各扇区均满足管制负荷约束，计算结束，扇区垂直边界的动态调整完成。此时高低扇之间的负荷较为平衡，优化效果较好。每次调整时间分别为10小时和8小时，不会使管制员频繁适应空域结构的变化。[0176]表6原始数据样例[0177]table6sampleoforiginaldata[0178][0179]表7计算数据样例[0180]table7sampleofcalculateddata[0181][0182]需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。[0183]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。当前第1页12当前第1页12
技术特征：
1.一种新型空域扇区垂直边界动态调整方法，其特征在于：模型建立，所述模型建立包括以下步骤：s1、飞机在飞行中的4d航迹预测：4d航迹是以空间和时间的形式对航空器轨迹中各点空间位置和时间的描述，本文使用eurocontrol发布的bada手册计算飞机在飞行全程的运动参数；飞机的飞行剖面可用爬升、平飞和下降三种基本模式的组合来描述，bada手册中给出了飞机在爬升、巡航和下降时的表速配置表，在指定高度范围内均为等表速飞行；表速v
cas
和真空速v
tas
的转换公式为：式中：κ为大气绝热系数，取1.4p和ρ分别为大气压强和密度，数值可通过国际标准大气(isa)表查得p0为标准海平面气压，数值为1013.25hpa；为便于计算，本文将飞行全程简化为三个阶段，分别为进入目标扇区前的航段、扇区内航段和剩余航段，各航段的里程表示为d
pre
、d
in
和d
after
，高空飞行时，高空风对地速的影响不可忽略，由于航段在计算上得到简化，航段上的风速由当量风速v
we
来表示，它是各航段上风速分量的加权平均值，以顺风为正，表示为：式中，d
i
为第i个航段的距离，v
wi
为第i个航段的风速，飞机飞行时的地速v
gs
为：v
gs
＝v
tas
cosα+w
e
sinθ，式中，α为速度矢量与水平方向的夹角，以爬升为正；θ为风向与飞机航迹的夹角的绝对值，飞机处于等表速爬升/下降状态时，飞行时间t
c/d
与航段里程d
c/d
为：d
c/d
＝∑v
gsi
t
c/di
飞机处于平飞状态时，航段里程可由航段全程减去爬升、下降的航段里程得出，飞行时间t
cr
为：t
cr
＝(d-d
c-d
d
)/v
gs
飞机在指定为航段上的飞行时间为飞机处于三种飞行阶段分别耗费的时间的线性组合，表示为：t＝at
c
+bt
cr
+ct
d
式中，a,b,c为系数，数值为处于各个飞行阶段的航段数量；s2、管制间隔与尾流间隔约束：
航空器进行仪表飞行时，同航迹、同高度、同速度飞行的航空器之间，纵向间隔为不小于10分钟，实施雷达管制时，区域管制中的雷达水平间隔为不小于10公里；除管制间隔外，为保证飞行安全，飞机之间也要满足尾流间隔，在预测模型中，任意两架位于同一高度层飞行的飞机之间均需满足间隔标准，如不满足，按照优先权机制，后机进入目标扇区的时刻将受到前机影响，需使用间隔时间进行修正，第一架飞机进入扇区时，其前方没有飞机，因此不受间隔约束限制，第一架飞机进入目标扇区的时刻t
in，1
表示为：t
in，1
＝t
take off，1
+t
pre，1
式中，t
take off，1
为第一架飞机的起飞时刻，t
pre，1
为第一架飞机在进入目标扇区前的飞行时间，考虑间隔约束后，第i架飞机进入和离开目标扇区的时刻为：t
in,i*
＝t
take off,i
+t
pre,i
,i＝1,2,
…
,nt
out,i
＝t
in,i
+t
in,i
,i＝1,2,
…
,n式中，间隔时间t
sep
取管制间隔和尾流间隔的较大值，t
in,i
为第i架飞机在目标扇区内的飞行时间；s3、管制员工作负荷分析doratask方法是目前较为常用的工作负荷量化评估方法，由英国运筹学会提出，也是国际民航组织(icao)中推荐各成员国使用的管制员负荷评估方法，该方法将作业细分为多个子任务，通过统计各子任务工作时长在单位时间内的占比表示管制员的负荷情况，可表示为：式中：w为管制员负荷，w
k
管制员在执行第k个子任务时消耗的时间，δt为单位时间；处于巡航飞越阶段的航空器，往往按照飞行计划飞行，不会耗费管制员过多的精力关注，主要的工作负荷为扇区接收和移交航空器时产生的陆空通话时间，如果有其它航空器即将穿越当前高度层，则要额外增加发布调速指令所需要的时间，处于上升和下降阶段的航空器，因需要穿越高度层，会耗费管制员较多的精力进行关注，产生的通话与监视负荷较大，本文认为管制员对此类飞机的工作负荷为飞机完成上升/下降全程所花费的时间t
c/d
，在实际运行中，管制员不可能真正将所有精力用于监视飞机穿越高度层全程，因此认为该时间包括了管制员的思考、决策、记忆花费的时间，这部分难以量化的负荷不再另做统计；经查阅文献，管制员每分钟扫视雷达的次数计为扇区内飞机数量的2倍，每次扫视时间为2s；对每架进入扇区的飞机，统一分配2s时间用于管制员记忆飞机动态以及调整大脑状态；doratask方法将管制负荷分为5个等级，认为负荷量在80％以下时，管制员的负荷处于正常水平，没有疲劳感；因此，管制负荷约束定为80％，如果某时刻管制员的工作负荷超过80％，则需要进一步给扇区分层；
扇区分层后，为避免各扇区内的工作负荷差异过大，负荷平衡作为划设扇区边界的目标函数，令f为所有扇区分块方案的集合，当集合内的元素数量大于2时，目标函数表示为：此处规定，i的数值按扇区高度由低到高排序，扇区间的分界高度层即扇区的垂直边界；s4、计算流程。2.根据权利要求1所述的一种新型空域扇区垂直边界动态调整方法，其特征在于：所述步骤s4包括以下步骤：s4.1：选定目标扇区，令初始扇区数为1；s4.2：获取未来1天计划飞经目标扇区的航班计划，并按照巡航、爬升和下降三种飞行状态进行分类；s4.3：计算飞机预计进入和离开目标扇区的时刻并排序，按照间隔约束对入扇时刻进行调整；s4.4：分析受穿越高度层影响的航班，对扇区内飞行时间进行调整；s4.5：统计管制负荷，如果在任意开扇时间内扇区内的负荷总量小于80％，则无需分扇，计算结束，否则进行下一步；s4.6：令扇区数量+1，即生成一个垂直边界，绘制扇区间管制负荷之比与扇区边界高度的关系图；s4.7：选取能够使扇区间负荷尽量平衡的高度层作为扇区边界，并满足开扇时间约束，转到s4.5。

技术总结
本发明公开了一种新型空域扇区垂直边界动态调整方法，模型建立，所述模型建立包括以下步骤，飞机在飞行中的4D航迹预测、管制间隔与尾流间隔约束、管制员工作负荷分析和计算流程，本发明基于航班计划和4D航迹预测理论，以贴近实际运行的角度，设计了任意单位时间内的扇区内飞机流量的统计算法，并进行了进近扇区开合策略的预战术规划，以实际区域管制区为例进行了计算仿真，提出的算法能够实现扇区垂直边界随实际运行的动态调整，计算结果能够满足实际运行需要，比现行的空域划设方案更优，该方法能够为管制运行提供理论支撑和决策参考，具备现实使用价值，算法通用性强，自动化程度高，既可用于预测，也能在运行中实时更新数据。也能在运行中实时更新数据。也能在运行中实时更新数据。


技术研发人员：王莉莉 赵云飞 于凯笛
受保护的技术使用者：中国民航大学
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/9/23