遠(yuǎn)程塔臺(tái)中心模塊的部署與優(yōu)化

董川DONG Chuan；武丁杰WU Ding-jie；劉穎LIU Ying

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院空中交通管理學(xué)院，廣漢618307）

0 引言

小型機(jī)場(chǎng)對(duì)于確保國(guó)家交通的平等連接與可達(dá)性至關(guān)重要，尤其對(duì)于新疆這類人口稀少的大片地區(qū)來(lái)說(shuō)更是如此，人口密度與航空服務(wù)需求直接相關(guān)，因此一些小型機(jī)場(chǎng)難以盈利。為了保持小型機(jī)場(chǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，航空業(yè)需要找到一種成本效益更高的解決方案。如今，大多數(shù)設(shè)有航空交通服務(wù)的機(jī)場(chǎng)都由位于機(jī)場(chǎng)內(nèi)的塔臺(tái)管制。機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)內(nèi)的航空交通管制員負(fù)責(zé)為在機(jī)場(chǎng)機(jī)動(dòng)區(qū)內(nèi)的所有交通和在機(jī)場(chǎng)起落航線上以及正在進(jìn)入或脫離機(jī)場(chǎng)起落航線飛行的所有航空器提供管制服務(wù)，包括空中交通管制服務(wù)、飛行情報(bào)服務(wù)以及告警服務(wù)。航空器在機(jī)場(chǎng)管制區(qū)內(nèi)的起飛和降落、飛行以及在滑行道上的運(yùn)動(dòng)都屬于塔臺(tái)管制服務(wù)的范圍。管制員監(jiān)視的主要手段是視覺(jué)觀察與語(yǔ)音通話。在塔臺(tái)管制中，一次或二次監(jiān)視雷達(dá)（PSR/SSR）和地面活動(dòng)雷達(dá)（SMR）作為監(jiān)視手段。遠(yuǎn)程塔臺(tái)的概念，旨在用攝像機(jī)和傳感器取代本地塔臺(tái)，同時(shí)提供相同的服務(wù)。

21 世紀(jì)，遠(yuǎn)程塔臺(tái)的運(yùn)行概念以及技術(shù)要求在歐盟發(fā)起的歐洲單一天空空中交通管理（Single European Sky ATM Research，SESAR）項(xiàng)目中提出[1]。隨后研究人員對(duì)遠(yuǎn)程塔臺(tái)中心（RTC）的概念進(jìn)行了各方面研究。M?hlenbrink等人[2]和Papenfuss 等人[3]考慮了新型遠(yuǎn)程管制環(huán)境中的可用性方面。Wittbrodt 等人[4]強(qiáng)調(diào)了無(wú)線電通信在遠(yuǎn)程機(jī)場(chǎng)交通管制中心中的作用。在遠(yuǎn)程塔臺(tái)中心的安全評(píng)估中，Meyer 等人[5]提出了功能風(fēng)險(xiǎn)分析，并指出為模型獲取可靠的概率值的問(wèn)題。Oehme 和Schulz-Rueckert[6]提出了一種基于傳感器的機(jī)場(chǎng)管制解決方案，消除了對(duì)能見(jiàn)度條件和塔臺(tái)位置的依賴。隨后M?hlenbrink 等人[7]考慮了遠(yuǎn)程塔臺(tái)中心工作組織的各個(gè)方面。作者假設(shè)了從一個(gè)中心控制兩個(gè)機(jī)場(chǎng)的幾種方法。通過(guò)模擬，他們研究了監(jiān)視行為如何影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)和行為策略，并就新型工作場(chǎng)所的設(shè)計(jì)提出了一些想法。Andersson 等人[8]首次考慮將機(jī)場(chǎng)交通分配給遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊，并估計(jì)了為瑞典所有29 個(gè)運(yùn)行中的機(jī)場(chǎng)提供服務(wù)所需遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊（RTM）數(shù)量。國(guó)內(nèi)對(duì)于遠(yuǎn)程塔臺(tái)的研究起步較晚。張建平等人[9]探討了歐洲遠(yuǎn)程塔臺(tái)運(yùn)行概念及技術(shù)要求以及對(duì)于我國(guó)遠(yuǎn)程塔臺(tái)未來(lái)發(fā)展的啟示。徐國(guó)標(biāo)等人[10]分析了遠(yuǎn)程塔臺(tái)相關(guān)技術(shù)，提出了在我國(guó)應(yīng)用的前與展望，并探討了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)在塔臺(tái)交通管理中的應(yīng)用。

2020 年5月，我國(guó)首個(gè)運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)遠(yuǎn)程塔臺(tái)在新疆成功試運(yùn)行，標(biāo)志著我國(guó)在遠(yuǎn)程塔臺(tái)技術(shù)上取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。隨著我國(guó)遠(yuǎn)程塔臺(tái)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)遠(yuǎn)程塔臺(tái)的運(yùn)行模式及方法提出了更高要求。本文將建立遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊與多個(gè)機(jī)場(chǎng)流量的關(guān)系，將機(jī)場(chǎng)流量合理分配到每個(gè)遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊，從而保證機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全并提高機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率。

1 當(dāng)前空中交通管理系統(tǒng)

現(xiàn)行系統(tǒng)的要點(diǎn)是機(jī)場(chǎng)的物理塔臺(tái)及位于塔內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)管制員。機(jī)場(chǎng)管制可從機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)上看到及監(jiān)察機(jī)場(chǎng)的機(jī)動(dòng)區(qū)域，以確保機(jī)場(chǎng)內(nèi)外的交通安全及有序運(yùn)行。塔臺(tái)管制員負(fù)責(zé)放行、地面管制、機(jī)場(chǎng)進(jìn)出交通管理和飛行數(shù)據(jù)處理。在某些情況下，機(jī)場(chǎng)管制服務(wù)也提供進(jìn)近管制。同時(shí)，機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)必須滿足一些要求，才能管制飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)及其附近區(qū)域運(yùn)行的飛機(jī)[11]：

①塔臺(tái)必須允許管制員目測(cè)他/她所管制的機(jī)場(chǎng)部分及其附近區(qū)域。

②塔臺(tái)必須配備設(shè)備，為管制員提供與飛機(jī)快速可靠的通信。此外，要求規(guī)定，管制員必須能夠區(qū)分在相同或不同的跑道和/或滑行道上運(yùn)行的飛機(jī)和車輛。塔需要足夠高，以允許控制器遵守前面提到的要求。

塔臺(tái)管制員使用許多手段和系統(tǒng)來(lái)提供空中交通服務(wù)。其中一些是可選的，如地面活動(dòng)雷達(dá)，但最重要和最有區(qū)別性的是窗外視圖。用于提供空中交通服務(wù)的其他系統(tǒng)和工具包括空-地通信（如無(wú)線電）、飛行計(jì)劃和空中交通服務(wù)信息處理系統(tǒng)、燈光控制系統(tǒng)（如跑道/滑行道燈）、雙筒望遠(yuǎn)鏡、信號(hào)光槍等。

2 遠(yuǎn)程塔臺(tái)概念

遠(yuǎn)程塔臺(tái)技術(shù)，是指為偏遠(yuǎn)地區(qū)的低流量中小型機(jī)場(chǎng)提供的遠(yuǎn)程管制服務(wù)的一種技術(shù)，為單個(gè)或多個(gè)小型機(jī)場(chǎng)從一個(gè)遙遠(yuǎn)的位置由一個(gè)單獨(dú)的管制員提供空中交通管制服務(wù)，不過(guò)遠(yuǎn)程塔臺(tái)技術(shù)也可以作為大型機(jī)場(chǎng)的應(yīng)急系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

如圖1 所示，遠(yuǎn)程塔臺(tái)中心（RTC）內(nèi)可以安裝獨(dú)立的管制席位。在圖1 所示的遠(yuǎn)程塔臺(tái)中心內(nèi)，還有兩個(gè)額外的管制席位：一個(gè)負(fù)責(zé)管制的主任席和一個(gè)進(jìn)近管制席位。進(jìn)近管制服務(wù)可以由遠(yuǎn)程塔臺(tái)管制模塊提供，因此在較大的遠(yuǎn)程塔臺(tái)中心，可以合理地將主任席和進(jìn)近管制席位安裝在不同的位置。

圖1 RTC 示意圖

為了加快機(jī)場(chǎng)之間的有效過(guò)渡盡，遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊需要有一個(gè)統(tǒng)一的布局。如今，不同的塔臺(tái)之間的布局或人機(jī)界面是不同的。而遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊內(nèi)的統(tǒng)一人機(jī)界面布局將無(wú)需更改管制員工作位置，或要求管制員在特定機(jī)場(chǎng)取得特定人機(jī)界面的許可證。

從技術(shù)上講，一個(gè)模塊可以同時(shí)對(duì)無(wú)限多個(gè)機(jī)場(chǎng)進(jìn)行可視化重現(xiàn)。但根據(jù)目前為止的理論研究，一個(gè)遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊可以同時(shí)處理最多三個(gè)機(jī)場(chǎng)[12]。模塊中提供給管制員的的窗外視圖是使用攝像機(jī)和傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)際視圖的再現(xiàn)。根據(jù)遠(yuǎn)程塔臺(tái)中心離機(jī)場(chǎng)的距離，數(shù)據(jù)和視頻傳輸會(huì)有一些延遲，但這個(gè)延遲通常不超過(guò)1 秒[13]。每一個(gè)機(jī)場(chǎng)都安裝有攝像頭，如果其中一個(gè)或多個(gè)攝像頭顯示了虛假的圖像或顯示了無(wú)圖，窗外視圖監(jiān)視將失效。此時(shí)如果機(jī)場(chǎng)沒(méi)有其他監(jiān)察設(shè)備，有關(guān)服務(wù)會(huì)大幅減少甚至終止。這與在普通機(jī)場(chǎng)其他類型的設(shè)備故障或當(dāng)目視飛行規(guī)則不能使用時(shí)沒(méi)有區(qū)別，機(jī)場(chǎng)將采用應(yīng)急計(jì)劃解決問(wèn)題。

遠(yuǎn)程塔臺(tái)中心的最大優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)營(yíng)成本低，遠(yuǎn)程空中交通服務(wù)設(shè)施的維護(hù)成本降低，能夠長(zhǎng)期運(yùn)行，并降低人員配備和培訓(xùn)/再培訓(xùn)成本。遠(yuǎn)程塔臺(tái)中心的實(shí)現(xiàn)還將大大降低對(duì)機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)和基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)要求，從而進(jìn)一步節(jié)省成本。

3 遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊分配問(wèn)題

遠(yuǎn)程塔臺(tái)分配問(wèn)題是將機(jī)場(chǎng)分配給遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊，使提供遠(yuǎn)程空中交通服務(wù)所需的模塊數(shù)量最小化。該問(wèn)題需要考慮機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行情況，同時(shí)根據(jù)給定的約束條件找到最佳組合。

3.1 假設(shè)和約束

出于本文的目的，遠(yuǎn)程塔臺(tái)的概念及其所有組件都被認(rèn)為是可用并且可實(shí)現(xiàn)。整個(gè)遠(yuǎn)程塔臺(tái)系統(tǒng)被認(rèn)為是正常運(yùn)轉(zhuǎn)且不會(huì)出現(xiàn)技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)僅根據(jù)機(jī)場(chǎng)交通密度來(lái)決定給哪些機(jī)場(chǎng)提供遠(yuǎn)程管制服務(wù)。

并且為了保證遠(yuǎn)程塔臺(tái)中心人員操作的安全和效率，有以下約束：

①分配給一個(gè)遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊的最大機(jī)場(chǎng)數(shù)量的默認(rèn)值設(shè)置為兩個(gè)。由專家及一線遠(yuǎn)程塔臺(tái)管制員得知，當(dāng)超過(guò)三個(gè)機(jī)場(chǎng)被分配到一個(gè)模塊時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)視覺(jué)呈現(xiàn)和視圖之間切換的問(wèn)題。但是，從理論上講一個(gè)遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊可以控制更多的機(jī)場(chǎng)。

②每小時(shí)可分配給一個(gè)遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊的最大移動(dòng)數(shù)設(shè)置為11。該假設(shè)為一個(gè)模塊中的一個(gè)管制員可以處理的移動(dòng)總數(shù)設(shè)置了一個(gè)上限，該模塊代表了遠(yuǎn)程塔臺(tái)管制員的可管理工作負(fù)載。這個(gè)約束是初步的，進(jìn)一步的研究將根據(jù)管制員工作量的真實(shí)情況來(lái)約束。

③我們的目標(biāo)是檢測(cè)和避免潛在的沖突情況。因此我們把一個(gè)沖突看作是在一個(gè)模塊中5 分鐘內(nèi)安排的三次以上的運(yùn)動(dòng)。

④在此模型中，我們假設(shè)在考慮的機(jī)場(chǎng)中除了預(yù)定的航班計(jì)劃外沒(méi)有其他的移動(dòng)。

⑤我們研究遠(yuǎn)程塔臺(tái)管制中心中單個(gè)管制員的工作，僅考慮遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊中管制員理想化工作狀態(tài)，不考慮其他可能會(huì)占用管制員注意力的事件。

在實(shí)際運(yùn)行中輸入的數(shù)據(jù)會(huì)與約束2 相沖突，為了建模的目的我們將沖突的移動(dòng)數(shù)優(yōu)化為11。

3.2 建立模型

模型利用混合整數(shù)規(guī)劃（MIP）方法建立，輸入數(shù)據(jù)為新疆阿克蘇機(jī)場(chǎng)、庫(kù)爾勒機(jī)場(chǎng)、且末機(jī)場(chǎng)等五個(gè)小型機(jī)場(chǎng)一天的機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)，包括機(jī)場(chǎng)的開(kāi)放時(shí)間以及計(jì)劃到達(dá)和離開(kāi)的航班等。我們用某段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的移動(dòng)次數(shù)來(lái)量化交通總量。在考慮實(shí)際管制約束條件下，輸出將機(jī)場(chǎng)流量以最優(yōu)方式分配給遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊。同時(shí)通過(guò)用各時(shí)段內(nèi)航班移動(dòng)次數(shù)來(lái)量化總交通量。

3.3 符號(hào)

A=機(jī)場(chǎng)集合；

Amovj，k=K 時(shí)段在機(jī)場(chǎng)j 的移動(dòng)次數(shù)；

dl，m，k=k 時(shí)段模塊m 與模塊l 工作負(fù)荷之間的差異；

MA=每個(gè)遠(yuǎn)程塔式模塊最大機(jī)場(chǎng)數(shù)量；

Mmov=每時(shí)段每個(gè)遠(yuǎn)程塔式模塊最大移動(dòng)次數(shù)；

movi，j，k=k 時(shí)段在機(jī)場(chǎng)j 上遠(yuǎn)程塔模塊i 處理的移動(dòng)次數(shù)；

Oj，k=如果在k 時(shí)段機(jī)場(chǎng)j 開(kāi)放，則等于1，否則為0；

P=時(shí)段集合；

p=時(shí)段數(shù)量；

periodi，j，k=如果在k 時(shí)段將機(jī)場(chǎng)j 分配給遠(yuǎn)程塔式模塊i，則為1，否則為0；

R=遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊集合；

ADij=如果機(jī)場(chǎng)j 分配給RTMi則為1，否則為0；

RTMi，k=如果在k 時(shí)段使用遠(yuǎn)程塔式模塊i，則為1，否則為0；

switchi，j，k=如果periodi，j，k等于periodi，j，k+1，則為0，否則為1。

3.4 約束條件

對(duì)機(jī)場(chǎng)數(shù)量的限制和每個(gè)時(shí)段內(nèi)每個(gè)遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊的航班移動(dòng)數(shù)量限制如下約束所示：

其中式（1）和式（2）分別表示每個(gè)時(shí)間段內(nèi)每個(gè)模塊的移動(dòng)總數(shù)和每個(gè)時(shí)間段內(nèi)分配給每個(gè)遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊的機(jī)場(chǎng)數(shù)量的限制。式（3）和式（4）確保每個(gè)機(jī)場(chǎng)在任意時(shí)間只分配給一個(gè)遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊。式（5）和式（6）保證在所有時(shí)間內(nèi)處理所有飛行流量。式約束（7）保證覆蓋所有機(jī)場(chǎng)的所有開(kāi)放時(shí)間。

3.5 目標(biāo)函數(shù)

3.5.1 最多分配兩個(gè)機(jī)場(chǎng)給一個(gè)RTM

為了確保以最高的效率使用遠(yuǎn)程塔臺(tái)，減少使用的模塊數(shù)量，降低設(shè)備、維護(hù)和人力資源的成本。希望將給定的機(jī)場(chǎng)分配給盡可能少的遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊：

3.5.2 平衡各模塊之間的工作量

由于需要使各模塊之間的工作量等量分配，以平衡管制人員的調(diào)動(dòng)，保證盡可能公平地分配管制總工作量，引入變量dlmk作為工作負(fù)荷的差異。此變量忽略了管制員心理負(fù)荷等因素，僅使用飛行動(dòng)作來(lái)衡量管制員工作量。因此，引入以下不等式：

若使管制人員工作負(fù)荷差異最小，則有以下目標(biāo)函數(shù)：

3.5.3 最小化機(jī)場(chǎng)在RTM 間分配切換

上述模型允許機(jī)場(chǎng)在任何時(shí)段再分配到其他遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊，這樣的切換會(huì)導(dǎo)致管制員工作環(huán)境頻繁變化，從而產(chǎn)生額外的工作負(fù)荷。因此，在機(jī)場(chǎng)分配到遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊時(shí)要盡可能使再分配的次數(shù)最小化。為此，引入變量switchi，j，k，在第k 和k+1 期間，當(dāng)機(jī)場(chǎng)j 對(duì)模塊i 分配的值相同時(shí)為0，否則為1。另有變量si，j，k，其中si，j，k=periodi，j，k+1-periodi，j，k，并添加等式（11）和（12）來(lái)定義switchi，j，k：

目標(biāo)函數(shù)：

4 結(jié)果分析

4.1 最多分配兩個(gè)機(jī)場(chǎng)給一個(gè)RTM

圖2 機(jī)場(chǎng)數(shù)量上限為2 時(shí)每個(gè)RTM 的機(jī)場(chǎng)分配方案

圖3 三個(gè)運(yùn)行模塊之間工作量分配

由于一個(gè)管制員在遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊監(jiān)視多個(gè)機(jī)場(chǎng)時(shí)會(huì)有不同程度的的視覺(jué)切換和情景意識(shí)切換的問(wèn)題，導(dǎo)致管制員的工作負(fù)荷的增加，因此引入初始假設(shè)（約束1），最多將兩個(gè)機(jī)場(chǎng)同時(shí)分配給一個(gè)遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊，使MA=2，結(jié)合目標(biāo)函數(shù)（8），結(jié)果如圖2、圖3 所示。圖2 表格給出了機(jī)場(chǎng)中航班每小時(shí)移動(dòng)次數(shù)，藍(lán)色單元格對(duì)應(yīng)模塊1，綠色單元格對(duì)應(yīng)模塊2，黃色單元格對(duì)應(yīng)模塊3。圖3 也使用相同的顏色，表示每小時(shí)分配給三個(gè)模塊的總交通量。

4.2 平衡RTM 間工作負(fù)荷

由3.3.1 可知在同一時(shí)間段內(nèi)每個(gè)模塊處理的交通量并不均衡，但是在實(shí)際工作中管制員之間的工作應(yīng)當(dāng)盡可能的均衡分配以提高工作效率。因此利用目標(biāo)函數(shù)（10）與基本模型和附加約束（9）最小化不平衡分配，得到了如圖4 和圖5 所示的分配情況。從圖中我們可以看出各個(gè)模塊間的工作量分布較為均衡，在每個(gè)時(shí)段內(nèi)三個(gè)模塊的工作量相差很小。但是這種均衡的分配是以增加遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊的數(shù)量為代價(jià)，例如第15 小時(shí)內(nèi)模塊3 使用的次數(shù)增加為兩次，同時(shí)交通流在模塊間的分配的切換次數(shù)顯然增加。

圖4 工作量最均衡時(shí)機(jī)場(chǎng)分配到RTM 方案

圖5 三個(gè)運(yùn)行模塊之間工作量分配

4.3 最小化機(jī)場(chǎng)在RTM 間分配切換

在實(shí)際運(yùn)行中避免頻繁的切換遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊會(huì)帶來(lái)管制任務(wù)交接的安全問(wèn)題并造成復(fù)雜的交通問(wèn)題。因此由目標(biāo)函數(shù)（12）與附加約束（11）我們得到了圖6 和圖7 所示的切換次數(shù)最少的解決方案。但是通過(guò)這個(gè)結(jié)果我們可以看出每個(gè)機(jī)場(chǎng)全天都被分配到同一個(gè)模塊，而這樣的分配又使遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊間的工作負(fù)荷失去了平衡。所以在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)合理考慮各項(xiàng)目標(biāo)的權(quán)重綜合運(yùn)行。

圖6 在轉(zhuǎn)換次數(shù)最少時(shí)機(jī)場(chǎng)分配到RTM 方案

圖7 三個(gè)運(yùn)行模塊之間工作量分配

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)如何將多個(gè)機(jī)場(chǎng)以最佳方式分配到遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊進(jìn)行研究，總結(jié)了一種實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)與遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊合理分配的模型，并且根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況提出了反映安全運(yùn)行要求的幾個(gè)約束條件，以及三個(gè)優(yōu)化目標(biāo)：使用遠(yuǎn)程塔臺(tái)模塊運(yùn)行的數(shù)量最小、平衡模塊之間的負(fù)荷和最小化模塊切換次數(shù)。針對(duì)這三個(gè)目標(biāo)，以新疆五個(gè)小型機(jī)場(chǎng)為例模擬了遠(yuǎn)程塔臺(tái)運(yùn)行的三種方案并結(jié)合管制員工作量進(jìn)行分析，為今后我國(guó)遠(yuǎn)程塔臺(tái)技術(shù)的“一對(duì)多”“多對(duì)多”模式的發(fā)展提供理論支撐。