机场管制模拟练习复杂度量化评价研究

钟涵

（中国民航大学空中交通管理学院管制运行与技术系 天津市 300300）

1 机场管制实践教学现状分析

机场管制模拟仿真系统主要用于民航院校对空中交通管理（空管）专业学生进行机场管制教学和管制单位培训塔台管制员，依托其开展的实践训练是培养空管学生具备机场管制意识和技能的有效手段。模拟练习作为教学方案设计和教学内容组织的实现载体，其编制水平和质量将对最终的教学效果产生决定性影响。

空管模拟仿真系统能够覆盖航班运行全过程，有助于学生协同意识及系统思维能力的培养和提高。然而，随着行业的快速发展，岗位一线对空管人员的素质要求日益提高。面对行业高素质工程应用型人才的迫切需求，目前机场管制实践教学的发展水平相对滞后，模拟练习的编制采用基于教学经验的人工编制方法，存在问题主要体现在以下4方面：

（1）训练科目陈旧，未跟上新技术、新运行程序的发展；

（2）编制耗时耗力，更新周期长，无法与岗位能力需求形成同步；

（3）形式单一，因材施教没有得到很好的体现；

（4）编制标准不统一，存在较大的主观个体化差异 。

以上问题制约了机场管制实践教学质量和效果的提高，也束缚了教师成长和课程的建设发展。因此，实践课程教员组之间要加强协作，严格统一训练标准。对于有典型冲突类型和冲突点的训练题，提出优化的管制调配原则、方案和注意事项，作为统一的教学标准[1]。

对于空中交通的复杂度评价，欧美国家提出研究多维度的空中交通复杂性评估指标,用于反映空域及交通的实际状态特征，为交通管制提供更为科学的依据[2]。然而，关于模拟练习的复杂度评价，目前国内各民航院校主要依据管制教员的经验来进行判定，尚未形成统一的标准，为此，本文将针对模拟练习的控制变量及其对复杂度的影响进行系统分析，采用复杂性建模方法探索对模拟练习的量化评价。

2 机场管制模拟仿真系统架构与功能

机场管制模拟仿真系统能够为培训塔台管制员模拟出覆盖飞行起降和进近过程的管制环境，具备较好的直观性和逼真性。该系统包括数据库服务器、数据准备与分析终端、系统运行控制终端、模拟飞行员操控终端、塔台视景模拟终端和保障信息模拟终端，系统结构如图1所示。

其中系统运行控制终端包括系统运行控制软件，飞行运行仿真计算软件和模拟内话服务器端软件；数据准备与分析终端包括训练计划编辑软件和空管特征数据统计分析软件；模拟飞行员操控终端包括模拟内话客户端软件和航空器操纵软件；受训人员席位中的塔台视景模拟终端包括视景模型库与视景生成管理软件，保障信息模拟终端包括模拟内话客户端软件，雷达显示与处理软件，气象自动观测终端软件，场面监视软件以及飞行计划处理与显示软件。本文所设计的量化评价功能服务于数据准备与分析终端，旨在协助管制教员在使用训练计划编辑软件编制模拟练习后，通过预演并使用量化评价功能对复杂度进行评价，以对比其主观复杂度预期，同时减少训练题目编制过程中的个体差异。

图1：机场管制模拟仿真系统结构图

3 模拟练习控制变量及其对复杂度的影响

3.1 模拟练习控制变量

机场管制模拟练习的目标是尽可能真实再现机场管制的工作场景，管制教员通常需要根据教学目标结合自己的教学经验及管制运行实际，在模拟仿真系统上设置诸如航班号，机型，预计起降时间，目的地机场，航班激活时间和出现位置等控制变量，通过对其调配以构建相应的运行场景来实现教学效果。

3.2 模拟练习复杂度影响因素分析

机场管制模拟练习的复杂度主要存在两大影响因素，一是冲突强度，二是工作负荷。即一个模拟练习若是体现出冲突强度高，工作负荷重，则表明其复杂度高，反之则表示复杂度低。

3.2.1 冲突强度

塔台管制员的主要职责是为飞行员提供有关气象，飞行活动等情报，防止航空器之间、航空器和地面车辆、人员之间、航空器和障碍物之间相撞。因此，冲突强度对于复杂度的影响因素体现在：

（1）航空器或车辆活动的混合程度；

（2）滑行路线交叉数量；

（3）尾流间隔约束；

（4）放行间隔约束；

（5）航线网络或机场交通的影响程度；

（6）复杂航空器排序的数量（专机，抢险救灾等）。

3.2.2 工作负荷

管制员的工作负荷是由于航空器的活动对其形成了客观的任务要求，其为满足该需求承受身体上和精神上的压力，并通过时间消耗来缓解承受的压力和完成客观任务的要求，该时间消耗就是其工作负荷的大小。工作负荷过低或者过高对管制工作都是不利的，机场管制中会影响管制员负荷的因素主要包括：

表1：复杂度影响因素量化评价标准表

表2：准则层判断矩阵

表3：平均随机一致性指标RI

（1）同时管制航空器数量；

（2）管制范围大小；

（3）协调次数；

（4）天气对运行影响程度；

（5）流量控制等限制。

3.3 基于控制变量的复杂度量化分析

通过对复杂度影响因素的分析，为实现既定复杂度的模拟练习，需将其影响因素内化为控制变量的变化。因此，对控制变量的变化进行量化是复杂度量化评价的基础。后续的量化分析结果均来自来专家问卷调查以及实践教学中的学习和反馈情况。如表1所示。

4 模拟练习复杂度评价模型

运用层次分析法可得到每个评价指标对上一层指标的影响，根据以上的复杂度影响因素的分析，可以建立如下指标集：C={C1,C2,C3,C4}，其中C1={C11,C12,C13}，C2={C21,C22,C23}，C3={C31, C32,C33,C34,C35}，C4={C41,C42}。练习复杂度C包括航空器数量C1，间隔C2，滑行冲突C3和非常规情况C4四个一级指标。二级指标中与航空器数量对应的为航空器总数C11，进离港航空器比例C12和同时出现的航空器的数量C13；与间隔对应的为连续起飞的尾流间隔C21，放行间隔C22和交叉数量C23；与滑行冲突对应的为滑行路线冲突C31，相邻停机位推出C32，平均滑行时间C33，滑行路线经过盲区C34和滑行限制C35；与非常规情况对应的为低能见度C41以及航空器特情C42。表2显示了据此构建的准则层判断矩阵。

通过n个要素分别进行两两比较，得到相对重要度矩阵A

于是，有

当A 为一致性矩阵时，n 是A 的特征值，W 是A 的特征向量，，

（1）构造判断矩阵。

（2）按列归一化。

（3）按行求和。

（4）归一化。

（5）计算一致性指标CI

（6）一致性检验。

查找平均随机一致性指标RI， 1至9阶判断矩阵RI值，如表3所示。

（7）计算一致性比例CR

查表的RI=0.9,CR=CI/RI=0.076<0.1，所以矩阵具有可接受的一致性。同理可计算C1i,C2i,C3i,C4i4个判断矩阵得出如表4权重值。

5 实例验证

根据专家调查问卷结果，练习复杂分为四个等级，得分在（0，3.0）区间为简单，在[3.0,5.0）区间为一般，在[5.0,7.5）区间的为难，在[7,5,10.0]区间的为较难。接下来将以“中航大”机场模拟练习为验证实例，选择三个练习样本用本文设计的方法来进行复杂度评估。

5.1 练习样本描述

01号练习较为基础，4个进港，4个出港共8个航班。02号练习航空器总数为14，8个离港，6个进港，同时管制的飞机最多达到6架，3组航空器需要配备放行间隔，离港航空器有重型和中型，滑行道使用有限制，滑行路线有16次交叉，平均滑行时间为139.5秒，进港的6个航班均需要穿过机坪盲区。03号练习航空器总数为26，其中15个离港，11个进港，同时管制的航空器达到了7架以上，3组航班需要配备放行间隔，离港航空器中有A380、重型和中型航空器，离港航空器所需平均起飞时间为37.2秒，滑行路线交叉次数超过了14次，平均滑行时间为173.3秒，13个航班需穿过盲区，2架航空器存在滑行限制。三个样本均无低能见度运行和航空器特情。

5.2 复杂度评价结果

按照本文设计的方法逐一对每个指标评分，经过计算可得出三个样本练习的复杂度如表5所示。

5.3 评价结果对比

表6可见，本次量化评价结果的复杂度等级与课程组教员预期的教学目标一致性较好，客观反映了不同复杂度练习之间的差异。因此，该方法能够有效地为模拟练习编制的复杂度进行评价。

6 研究结论

本文通过对机场管制模拟练习复杂度的影响因素分析，构建了其复杂度量化评价模型，实现了模拟练习编制标准的统一。通过“中航大”机场模拟练习实例评价验证，结果与课程组教员主观复杂度预期相一致，验证表明，该方法对于控制模拟练习的复杂度十分有效，解决传统模拟练习编制耗时耗力、更新周期长的问题，有效减少了题目编制过程中的个体差异，易于进行教学效果和教学质量的监控。将对交通运输其他行业的实践课程建设提供示范和参考。

表4：各指标对应的权重值表

表5：样本练习复杂度评价表

表6：验证练习复杂度评价结果汇总表