基于灵活使用空域概念的扇区组合优化分析

王颖

摘 要 灵活使用空域是指通过规划空域，增加其使用空间，发挥空域最大价值，以满足未来空中交通发展需求。近年来我国民航事业发展迅速，原空域受到压缩，空间使用紧张。故需对空域落实动态管理，对现有航路结构规划，减少流量对航班效率的影响，针对空域配置对空域扇形划分，优化扇区组合。

关键词 空域;航班;扇区;组合;空间

基于灵活使用空域概念的扇区组合优化，按照动态空域配置划分空域，并对划分的扇区动态管理，优化流量各时段分布不均问题，可减少管制人员工作负担[1]。文章以Voronoi图对空域划分，以降低管制员工作的负担为最终目的，对空域组合优化，将优化结果整合，得到动态的扇区便捷，以此实现扇区动态管理。

1理论概述

国家经济迅速发展，空中交通事业也得到新发展。当下，空中交通量存在超出管制员能力范围的情况，需对空域管制扇区划分，优化扇区，落实扇区分时段开关，强化扇区配合，降低管制员负担，确保航空事业稳定发展[2]。

对空域扇区的规划，还需考虑到多方面因素：①空域结构，如航线分布、数量、限区、禁区、跑道、机场。②航空器类型，如其飞行方式、排量、交通流量。③通信及雷达设备先进度及分布情况。

扇区规划还有一定要求：①雷达管制区，扇区划分需在雷达覆盖范围，确保管制员可落实有效监控。②通信：扇区规划 应考虑对应范围设备覆盖能力。③要考虑特殊空域，如军方空域、放油区等，将特殊区域列入扇区工作负荷。

扇区规划可按照以下几种方法划分：①几何象限划分：以机场店、航路为中心，按照具体流量，在二维空间划分[3]。②按航线繁忙程度划分：以限制区、飞行交叉位置，划分不同扇区。③按高度划分：针对区域主要高度范围，选择高度界定值，以此确定扇区高度范围，高度边界可按照梯级确定。

2以Voronoi图划分空域

Voronoi图以一组邻点线段垂直平分线为边构成连续多边形。不同点以邻近原则切割平面。

对特点初始点集N，以不同方式分割，Voronoi图具有唯一性，一个确定的点集，有且仅有一个Voronoi图。Voronoi图中三角网边的垂直平分线构成集N的凸多边形外边，各个点为三角形定點。

对Voronoi图生成方法如下：

2.1 对偶生成

先生成三角网，对各三角形各边画垂直平分线，三个垂直平分线构成凸多边形定点。

2.2 增添法

按照已有n个点Voronoi图追添加剩余点1n+1，添加所有点后，得到新的Voronoi图。增添先寻找1n+1邻近点，连线。而后进行更新，作垂直平分线。

2.3 部件合成法

将整个点集划分为部分的，不同部分之间不存在交集，对各个部分划分Voronoi图，整合完毕。

3动态空域扇区优化的数学模型分析

3.1 扇区数量计算

管制员平均工作符合需在统计时间的80%，达到90%的工作负荷应在总工作时间2.5%以下。若空域流量较大，导致管制员自身工作负担增加，可设计增加扇区，划分好管制席位，确保管制员工作稳定，不增加扇区总工作负荷。

优化扇区需先考虑扇区数量，确保扇区总工作负荷不便。按照流量确定扇区数量。

其中，t为时间段，Ns为空域划分的扇区数量，W为管制员工作负荷。

3.2 空域扇区优化的数学模型

优化扇区可有效提高的空域容量，减少管制员工作负担的，因此，在具体的优化工作中需降低扇区数量，确保各个扇区负荷均衡。要确保各个扇区工作符合均衡，得到优化目标函数为

其中，Ns为扇区管制员负荷，wk为k个扇区管制员工作负荷。

3.3 辅助扇区划分

航空运输中，各个公司都希望在人们黄金出行期间安排尽量多的航班，这就导致航班流量受时段影响较大，高峰期间管制员自身工作负担较大。为解决此问题，可采取流控方式，加上增设扇区，解决此问题。单独的流控会导致航班出现大延误，导致航空公司流失客户。因此，需考虑增设辅助扇区。部分时段飞行流量较小，若设置较多扇区，会导致扇区资源浪费，因此，需对扇区合并。以某市为例，终端区划分为南北两区，一号和五号走廊位于北扇区，二号、三号和四号走廊在南扇区，五号走廊多为重要往返航班，但是其流量较小而一号走廊的航班流量较大。该市其扇区划分极为不均衡，北扇区较小，而某时段南扇区管制员实际工作负荷较大。

辅助扇区开放及合并：辅助扇区设计需考虑飞机数量、空域结构、军方活动及天气因素等。按照《空中交通管理规则》，则管制中，管制员指挥飞机超出20架需考虑开设辅助扇区，而部分时间管制员虽然指挥飞机较多，但其工作仍然轻松。但部分时段管制员虽然智慧的飞机数量较少，但是其工作较忙。涉及扇区进近协调、航空器高度改变、进港离港管制等，则管制员工作负担较大。因此，辅助扇区开放及合并需考虑多方面因素。

航空器进入某扇区前，管制员接收到相邻管制区移交指令，进入扇区，管制员对飞机进行雷达识别，后针对扇区交通形式及下一扇区要求，对航空器发出调高、调速及航线操作，记录信息。若管制员发布信息较多，则工作量大，需开放辅助扇区。

管制席位可设置双岗制，设置管制席和协调席，管制席对雷达识别后，预判断航空器存在的冲突，对航空器调配，监控航空器。

约束条件：扇区优化还需考虑到约束条件的设置，不仅考虑到管制员负荷及空域容量，优化应兼顾扇区自身及空域结构。

（1）便于扇区移交。航空器扇区之间切换，各个航路存在交叉或位于重要为支点，管制移交容易出现工作脱节，影响飞行安全，需解决册类冲突，才能移交扇区管制。

（2）扇区凸约束。某航路穿越扇区进入另一扇区，后又进入本扇区，就会导致管制移交工作频繁，徒增人员工作负担，扇区设计需考虑好其形状，确保其满足凸形要求。

参考文献

[1] 刘敏.试论空域复杂性因素下的扇区划分[J].科学技术创新，2019， （8）：49-50.

[2] 李欢，王毅鹏.基于空域复杂度的扇区动态通行能力研究[J].航空计算技术，2019，（4）：79-83.

[3] 丛玮，郑洪峰，朱睿.一种基于交通态势的扇区聚类分析方法[J].航空计算技术，2019，（4）：17-21.