基于历史轨迹数据的空中交通管制员工作负荷评估方法技术

本发明专利技术公开了一种基于历史轨迹数据的空中交通管制员工作负荷评估方法，包括以下步骤：历史飞行轨迹的获取与处理；遍历轨迹集合中各个航空器的历史飞行轨迹，对轨迹进行线性拟合；推算可能产生的管制指令、协调信息和管制监控航空器架次；计算总的工作时间即工作负荷，完成空中交通管制员工作负荷评估。本发明专利技术从航空器历史轨迹入手，通过分析历史航迹中航空器航行诸元变化的趋势，推算管制指令类型，并根据管制指令次数、发布时机、实际飞行流量分布及变化，量化管制员管制指挥工作业务量，评估单位时间内管制员工作负荷。

Air Traffic Controller Workload Assessment Method Based on Historical Trajectory Data

【技术实现步骤摘要】
基于历史轨迹数据的空中交通管制员工作负荷评估方法
本专利技术涉及一种空中交通管制员工作负荷评估方法，尤其涉及一种基于历史轨迹数据的空中交通管制员工作负荷评估方法。
技术介绍
空中交通管制员是空中交通管理直接参与者，通过通信、导航及监视设备掌握和预测管制空域内的交通态势，以对空中交通运行实施实时、科学的管制指挥，确保空域内交通安全、有序和高效运行。随着飞行流量递增，管制员工作负荷也随之上涨甚至使管制员处于超负荷工作状态，导致工作效率骤降，威胁航空安全。根据统计数据表明，近年以来，由空中交通管制原因所造成的空中交通事故征候呈逐年上升趋势。2016年10月11日，由于监控不到位，管制员错发指令导致虹桥机场发生A类跑道侵入事件，为空中交通运行安全敲响警钟。因此面向管制员技能水平、管制员工作强度量化的相关研究成为近年来民航工作的重点。目前，管制员工作负荷相关数据方式的差异性可将评定方法分为三大类：主观评定法、客观评定法、相关指标评定法。主观评定法主要运用心理学以设计、制作问卷，对空中交通管制员工作负荷的主观评定进行引导，以问卷调查的方式结合使用李特式量表(常用5点式或7点式)予以实施，主要包括：空中交通负荷输入技术(Airtrafficworkloadinputtechnique,ATWIT)；主观工作负荷评估技术(SubjectiveWorkloadAnalysisTechnique,SWAT)；NASA的工作负荷指数(TaskLoadIndex,TLX)；库柏-哈柏修正法(ModifiedCooper-HarperRatings,MCH)。客观评定法主要在于使用一些可以量化的客观参数表征空中交通管制员一段时间内的工作负荷，最为主要的可量化客观参数即为时耗，通过对管制员执行某项管制指挥任务(如：填写进程单、发布管制许可、协调等)的时耗进行独立重复统计，使用时耗大小反映空中交通管制员工作负荷，该类方法使用的是客观数据，客观性显著，现存较为成熟的方法包括：英国运筹与分析理事会的预测管制员工作负荷法(ThemethoddevelopedbyCAA’sdirectorateofoperationalresearchandanalysis,DORATASK)；波_布分析法(MesserschmittMBB)。(3)相关指标评定法，使用特定指标测评管制员工作负荷的方法，如工作表现指标评估法以及生理、心理指标评估法等。由于管制员对空指挥工作和协调工作等是通过无线电陆空通话向航空器驾驶员发布管制指令的方式完成。因此目前第二类客观评定法被广泛使用。即将单位时间内管制员的陆空无线电通话时间总量作为管制员负荷的表征指标。因此我国空管系统将管制工作负荷定义为单位时间管制工作量，通常以单位小时内的管制工作时间进行衡量。由此中国国内相关研究多以DORATASK技术为基础，将管制工作分类，采集并分析管制通话录音，计时量化通话中的指令及协调信息发布时间，并累加统计得到管制工作符合。此外，也有部分学者采用利用飞行架次、进出港航班量等飞行流量统计信息，结合空域结构，构造回归模型预测或推算管制员工作负荷。管制工作负荷评估是航空人因领域的热点问题，其评估结构能用于评价管制员工作强度，还可用于空域容量评估、航路布局优化以及管制员培训和管理的强化等方面。主观评定法需要管制员从自身疲劳度、工作强度和心理压力等方面评价负荷等级，有可能由于监控不到位意识不到飞行冲突，导致自我评价与实际情况不符。同时，该方法实施时会在管制员工作时打断工作流程，实时获取评价数据，某种程度上会干扰管制员监控与思考，增加了工作难度，导致管制负荷增加。相关指标评定法需要基于丰富的运行经验制定工作指标评定表，而生理、心理指标评估法要求装设完备、先进的生理、心理测试仪器，因此，该类方法推广难度系数较高。客观法相关研究及应用较多，但目前研究成果存在以下缺点：要量化管制指令时间，需要现场采集的管制员陆空通话，对管制话音计时统计。目前这部分工作主要通过人工收听通话，区分飞行员发话与管制员指令，并对管制指令计时，该过程需要耗费大量人力与时间。由于管制通话专业性强，一个管制员对多个飞行员发布指令、飞行情报，因此只有了解管制业务的人员才能分析通话内容，区分指令、飞行情报与飞行员请求等不同信息。由于信号干扰等原因，大部分通话录音存在噪声干扰，因此人工识别有一定困难，效率不高。根据DORATASK方法，管制员工作分为看得见与看不见两种，目前方法及方案多对看得见的，例如指令发布、进程单操作等看得见工作进行统计，而管制员监控态势、冲突预判等看不见的工作难以统计工作量。管制员会与航空器驾驶员一次通话中包含多个不同指令信息。目前工作负荷计算方法计算发指令的总时间，并未详细区分不同类型指令对管制员工作负荷影响。由于大流量空域内雷达引导较多，航空器按照管制员临时安排的路线飞行，严格按照程序飞行的比例较小，由于忽略了实际飞行轨迹与计划航迹的差异，利用飞行流量和空域结构推算管制工作负荷的方法会导致较大误差。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于历史轨迹数据的空中交通管制员工作负荷评估方法。本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的：一种基于历史轨迹数据的空中交通管制员工作负荷评估方法，包括以下步骤：步骤1：历史飞行轨迹的获取与处理：选择关注的管制空域及时间范围，获取该时间段内该空域的运行数据，获取航空器的历史飞行轨迹；将历史飞行轨迹中关键字段进行对比，按照时间顺序产生不同航空器的历史飞行轨迹，形成轨迹集合；按照各历史飞行轨迹的运行方向和高度、速度变化，判断该航班为起飞或者降落航班；同时对每个航班在空域内的飞行距离、飞行时间进行统计；步骤2：遍历轨迹集合中各个航空器的历史飞行轨迹，对轨迹进行线性拟合，分析轨迹中的速度、高度、航向随时间变化的趋势，得到高度、速度、航向突然产生变化的时刻及位置，同时对航空器首次出现时刻位置、最后出现时刻位置、进港航空器到达起始进近定位点并到达起始进近进近高度的时刻进行记录；步骤3：利用步骤2的记录数据，推算可能产生的管制指令、协调信息和管制监控航空器架次；步骤4：根据步骤3得到的推算结果计算总的工作时间即工作负荷，完成空中交通管制员工作负荷评估。作为优选，所述步骤1中，所述运行数据是来自空管自动化设备或空管记录仪中的监视数据，包括但不限于二次航管雷达数据、ADS-B数据即广播式自动相关监视数据、融合后的系统航迹数据；所述形成轨迹集合的方法是：按行读取运行数据的每一条记录，查询容器中是否存在以该呼号为唯一标识的航空器对象，如果没有则新建航空器对象并加入容器，否则读取该条记录中与航空器起降相关的时间、位置、速度、使用跑道信息到航迹点对象中，并将航迹点数据加入航空器对象的航迹链表，最后在容器中得到以时间排序并且以呼号为标识的航空器对象序列，形成航空器航迹集合；所述判断该航班的起降类型包括以下步骤：(1)同时满足下述三个条件被判断为离港航班即起飞航班：航空器第一个航迹点在机场跑道中心点2km范围内，且高度低于1000m；航空器最后一个航迹点高度、速度大于第一个航迹点高度、速度；航空器航迹点个数大于50个；(2)同时满足下述三个条件被判断为进港航班即降落航班：航空器最后一个航本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于历史轨迹数据的空中交通管制员工作负荷评估方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：历史飞行轨迹的获取与处理：选择关注的管制空域及时间范围，获取该时间段内该空域的运行数据，获取航空器的历史飞行轨迹；将历史飞行轨迹中关键字段进行对比，按照时间顺序产生不同航空器的历史飞行轨迹，形成轨迹集合；按照各历史飞行轨迹的运行方向和高度、速度变化，判断该航班为起飞或者降落航班；同时对每个航班在空域内的飞行距离、飞行时间进行统计；步骤2：遍历轨迹集合中各个航空器的历史飞行轨迹，对轨迹进行线性拟合，分析轨迹中的速度、高度、航向随时间变化的趋势，得到高度、速度、航向突然产生变化的时刻及位置，同时对航空器首次出现时刻位置、最后出现时刻位置、进港航空器到达起始进近定位点并到达起始进近进近高度的时刻进行记录；步骤3：利用步骤2的记录数据，推算可能产生的管制指令、协调信息和管制监控航空器架次；步骤4：根据步骤3得到的推算结果计算总的工作时间即工作负荷，完成空中交通管制员工作负荷评估。

【技术特征摘要】
1.一种基于历史轨迹数据的空中交通管制员工作负荷评估方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：历史飞行轨迹的获取与处理：选择关注的管制空域及时间范围，获取该时间段内该空域的运行数据，获取航空器的历史飞行轨迹；将历史飞行轨迹中关键字段进行对比，按照时间顺序产生不同航空器的历史飞行轨迹，形成轨迹集合；按照各历史飞行轨迹的运行方向和高度、速度变化，判断该航班为起飞或者降落航班；同时对每个航班在空域内的飞行距离、飞行时间进行统计；步骤2：遍历轨迹集合中各个航空器的历史飞行轨迹，对轨迹进行线性拟合，分析轨迹中的速度、高度、航向随时间变化的趋势，得到高度、速度、航向突然产生变化的时刻及位置，同时对航空器首次出现时刻位置、最后出现时刻位置、进港航空器到达起始进近定位点并到达起始进近进近高度的时刻进行记录；步骤3：利用步骤2的记录数据，推算可能产生的管制指令、协调信息和管制监控航空器架次；步骤4：根据步骤3得到的推算结果计算总的工作时间即工作负荷，完成空中交通管制员工作负荷评估。2.根据权利要求1所述的基于历史轨迹数据的空中交通管制员工作负荷评估方法，其特征在于：所述步骤1中，所述运行数据是来自空管自动化设备或空管记录仪中的监视数据，包括但不限于二次航管雷达数据、ADS-B数据即广播式自动相关监视数据、融合后的系统航迹数据；所述形成轨迹集合的方法是：按行读取运行数据的每一条记录，查询容器中是否存在以该呼号为唯一标识的航空器对象，如果没有则新建航空器对象并加入容器，否则读取该条记录中与航空器起降相关的时间、位置、速度、使用跑道信息到航迹点对象中，并将航迹点数据加入航空器对象的航迹链表，最后在容器中得到以时间排序并且以呼号为标识的航空器对象序列，形成航空器航迹集合；所述判断该航班的起降类型包括以下步骤：(1)同时满足下述三个条件被判断为离港航班即起飞航班：航空器第一个航迹点在机场跑道中心点2km范围内，且高度低于1000m；航空器最后一个航迹点高度、速度大于第一个航迹点高度、速度；航空器航迹点个数大于50个；(2)同时满足下述三个条件被判断为进港航班即降落航班：航空器最后一个航迹点在机场跑道中心点2km范围内，且高度低于1000m；航空器最后一个航迹点高度、速度小于第一个航迹点高度、速度；航空器航迹点个数大于50个；(3)若航空器航迹不满足上述两种条件，该航迹太短，或者数据异常无法判断，则从航迹集合中去除该航空器轨迹。3.根据权利要求1所述的基于历史轨迹数据的空中交通管制员工作负荷评估方法，其特征在于：所述步骤2中，所述对轨迹进行线性拟合包括以下步骤：步骤(2.1)：遍历所有进近航班中的轨迹集合pi，将轨迹集合中各轨迹点按照pi(t)升序排序；步骤(2.2)：从pi的第一个pi,0元素开始，初始化第一条轨迹线段lfi,0，令lfi,0(ns)＝0，求两轨迹点连线的夹角anglei,j，令lfi,0(a)＝anglei,0；步骤(2.3)：设k为轨迹点遍历次数序号，λ为轨迹线段序号,令k＝1，λ＝0；步骤(2.4)：设lfi,λ的起点为ns，求点与pi,k的距离若转至下一步骤，若令k＝k+1，重复本步骤；步骤(2.5)：求从k至k+1的轨迹点连线的夹角anglei,k，若|anglei,k-lfi,λ(a)|＞θ轨迹出现拐点，若λ＝0，转至步骤(2.7)，若λ>0，转至步骤(2.6)，若|anglei,k-lfi,λ(a)|≤θ，轨迹继续延伸，将pi,k加入轨迹中，求线段的斜角转至步骤(2.9)；步骤(2.6)：判断当前路径与上一条路径的夹角，若转至步骤(2.7)；若转至步骤(2.8)；步骤(2.7)：当前路径结束，pi,k为线段lfi,λ的结束点lfi,λ(ne)＝k，求lfi,λ的其他元素值，令λ＝λ+1增加一条新的轨迹线段，lfi,λ(ns)＝k，以pi,k为开始点记录新的线段，转至步骤(2.9)；步骤(2.8)：当前路径与上一条路径可以合并，修改上一条路径的结束点fi,λ-1(ne)＝k，更新lfi,λ-1的其他元素值，令lfi,λ(ns)＝k，以pi,k为开始点记录新的线段，转至步骤(2.9)；步骤(2.9)：令k＝k+1，重复步骤(2.4)，直至k＝n，pi中点迹已经遍历完，记录最后一条路径，令lfi,λ(ne)＝n，lfi,λ(ns)＝n，求lfi,λ的其他元素值；步骤(2.10)：将lfi,0,lfi,1,...,lfi,λ写入集合LFi；步骤(2.11)：重复步骤(2.2)-(2.7)，直至遍历完F中所有航班，将LF0,LF1,...,LFn写入集合LF。4.根据权利要求1所述的基于历史轨迹数据的空中交通管制员工作负荷评估方法，其特征在于：所述步骤3中，所述管制指令包括雷达引导指令、高度指令、速度指令；所述雷达引导指令的推算方法包括以下步骤：步骤(3.1.1)：标准飞行程序转弯点拟合，包括以下步骤：步骤(3.1.1.1)：取F中航班fi的轨迹线段集合LFi，λ为轨迹线段序号，令λ＝0；步骤(3.1.1.2)：若λ≤num(LFi),设lfi,λ的起点为ns，若λ＞num(LFi)，设lfi,λ的终点为ns，遍历S中的各个元素，求pi,ns与S中的各个元素的距离，若转至步骤(3.1.1.3)，否则转至步骤(3.1.1.4)；步骤(3.1.1.3)：线段起点与标准飞行程序转弯点距离小于门限值的一半，用标准飞行程序转弯点修正历史飞行轨迹拐点，若令并更新sj的经纬度λ＝λ+1，转至步骤(3.1.1.2)；步骤(3.1.1.4)：创建一个标准飞行程序中路径点迹集合S，令s.long＝pi,ns.long；s.lat＝pi,ns.lat；F...

【专利技术属性】
技术研发人员：康瑞，周天琦，朱萍，郑潇雨，
申请(专利权)人：中国民用航空飞行学院，
类型：发明
国别省市：四川,51