空中交通管制员工作负荷的队列模型分析方法.doc

空中交通管制员工作负荷的队列模型分析方法空中交通管制/ATC空【l】交通管制员工作负荷硇队列模型分析方+FormationModelAnalysisMethodfortheWorkload0fAirTrafficControllers一,前言空中交通管制(ATC)系统主要负责航空器在空中的安全迅速的运动,系统的核心是空中交通管制员.管制员的行为(能力)决定了整个系统运行的有效性和安全性,以及相应惩罚损失,如航班延误.总之,对于现在和未来将要发展的ATC系统的分析评估,总是包含管制员行为的分析和评估.在美国和欧洲等民航运输发达国家,为了提高系统性能,各类管而,目前对管制工作负荷对管制员行为的影响的理解,与未来管制辅助设备的概念定义,设计和评估存在着差异.此外,在新系统的早期建设阶段,预测其性能和影响管制见,必须要有相关的分析工具.与发达国家相比,国内民航运输流量水平还有差距,部分地区的空中交通管制间隔标准仍然采用程序管制或雷达监控下的程序管制,年来国内使用的管制员辅助设备有了长足发展,东部地区北京,上海,广州三地区域管制中心的管制民航上海区域管制中心李丹阳自动化系统已经达到国际先进水平,其他部分地区也正在积极改造旧设备,辅助设备的能力足够保证力决定了管制扇区容量,管制员的行为对于空中交通安全和顺畅有着至关重要的影响.事实上由于管制员个人原因所导致的行为偏差是不可预期的,没有一定规律可循,很难进行理论研究.另一方面,工作负荷对管制员行为的影响是有规律可循的,若我们能够掌握其中的规律,对提高管制工作质量,改善管理以及改进管制规章制度将有十分重要的意义.以前国外科研人员所采用的定量分析方法,建立在分析陆空通信统计的基础上,以及平均管制决定须要把主要ATC任务发生频率和主要任务解决时间,包括通信时间,集中到个目录中主要是大量事件发生的经验频率,这些事件需要管程重要的贡献在于,建立了系统基本的"行为产生者"(如交通和航路结构)与工作负荷数量标准之间的关系.本文目的是从一个更基本的视负荷标准不仅对管制员工作环境的变化更为敏感,而且在建立的系统中考虑了最大工作负荷量的更多基本限制.二,背景图1表示管制员工作组成,包括各种负荷.在ATC系统中,这些动态负荷包括需要执行的任务,例如冲突发现和解决,控制权限移交性质或特点包括任务的发生频率,务可能也可能不需要利用管制员全部的精力,感觉和动作,但是完成每一个任务肯定包括信息传递和思图1管制员的基本ATC负荷AirTra~eManagement/2007(12】21专业蕴索空中交通管制/ATC维活动.图1中描述的任务产生于或受影响于空域环境(交通或气候),硬件和软件环境(设备和程序)及可以改变任务发生的频率,任务的难度或者任务的性质,还可以改变工作负荷的种类.在研究人为因素的文献中,管制员负荷强度的数量标准称为压力,一系列的压力包括:?单位时间处理的航班数量;?扇区平均某时刻的飞机数量;?管制员通话的总时间;?一个时间段内通话的信息量;?通话时间占总时间的比例(频道负荷);?一个时间段内完成的ATC任务数量.三,工作负荷与管制行为的关系工作压力越大,则意味着管制员的工作负荷越大.管制员承受压力时的反应称为应变,经历应变的数量是管制员处处理压力的容量不同,所以在相同压力水平下承受的应变数量也不同.同样,管制员"处理压力"的容量会随着应变产生的疲劳而降低.最终,管制员的能力是否能够成功和及时地完成这些任务,依赖于其应变和疲劳水平.除此以外,管制员能力还依赖于其他因素,例如工作能力,经验和激励水平,激励水平范围可以从睡意到高度兴影响,因为长时间的低工作压力水平可能导致低兴奋水平或厌倦,而长时间的高工作压力水平可能造成疲劳而降低兴奋水平.总之,压力数量级与管制员的能力之间存在着图2人在工作压力下承受能力图2表示了这种趋势,曲线形状和术语表示了对身体承受能力的力限制(容量)以下很低的水平,可知他的应变相应很小.然而,在越高的压力水平下,应变增加越线中的比例极限点以上发生屈服.于是管制员工作负荷容量问题就转变为寻找确实的压力原因和确定最大能承受压力的极限,例如屈服点.类似于结构设计,给定已知的智能能力,训练成熟度和兴奋程度(即,物质特性),理论上是,当选择的压力因素低于正常压力水平,则管制员在这些压力下的行为是正常的和安全的.四,压力的数量描述在选择压力描述或压力因素时,明显地我们倾向于那些对所有的工作负荷特性都很敏感的因素.如图1中显示,工作负荷受到很多因素的影响,包括空域(交通,天气)环境,设备和程序,以及其他人为因素.此外,例如交通负荷或单位时间内处理的航班量是一个压力因素,但是,它不是很敏感,它不能描述由于不同设备,自动化程度和使用程序造成的工作负荷差异.换句话说,尽管管制的航空器数相同,由于自动化设备承受的工作压力不同,所以管制员的工作负荷不相同.另一方面,通信时间比例(通信频道占用率)作为压力因素更加敏感,因为对于交通流量水平的变化更加敏感,同时对于设备,程序而,语音频道占用率在现在的ATC准有一个显着的特点就是它很容易测量和表示.理想的压力是一种客观的负荷控制的,所以管制员可以自行调节作状态中,管制员可能会降低通话速度,此时,对于一定的交通量,此,所有用于通信的时间比实际需要的时间长.本文提出的压力基于定义无论在何种ATC环境,管制员都参与信息过程,需要接受和发布交通信息.简单的信息过程如图3所示.动态交通状况信息被用来与记忆里的信息综合进行估计确认交通情况.心理学中单通道理论认为,人22《空中交通管理》2007年第l2期空中交通管制/ATC信图3管制员信息过程于此理论可以知道,管制员在ATC任务完成过程中的信息过程,受到其"通道容量"限制,"通道容量"就是指管制员在单位时间段内对该概念进行了讨论,并列举了三种相关的限制.第一个限制是由于完成任务的难度和完成任务所需的时间长度之用于ATC任务的所有时间将产生疲费的所有时间可以认为是工作负荷的"数量".要注意的是通信时间只是用于每个ATC任务总时间的信息I/0过程的一个部分.第二个限制是由于管制员在大脑中构筑当前交通情况的映像和保持更新映像需要时间和精力(保持映像).管制员总是在大脑中设想当前动态的环境,包括交通情况,但是这种映像是一种静态的描述,所以需要管制员不断地进行更新,这种更新是基于管制员得到的最新的空中交通信息.也就是说,管制员通过非连续的升级和举例在记忆管制员需要完成其他的任务,他就方面,管制员的一切行为指令都是根据自己对环境的映像做出的决定,所以需要足够的时间用于管制员对映像进行更新.第三个限制是由于管制员完成任务所需要的时间与其可用于完成任务的总时间之间的矛盾关系造按照一种非正常或随机的概率发生的,类似于航班到达某区域的概率分布.此外,所有的任务都有其最大允许延误时间,即它们必须在确定的时间范围测未来的一段时间内的潜在冲突,而这些冲突必须在实际发生以前被解决,因而,任务的完成还要受到管制员预测容量的限制.所有这些因素引导我们采用服务系统排队模型来表示管制员所进行的空中交通信息过程的能力,模型中用户即是所需完成的ATC任务.在Carbone11的研究中,采用了一种相似的队列方法,研究飞行这种方法描述的队列是有限队列,因为仪表数目是有限的,Sender和Posner对该方法进行了讨论,并且推导出一个一般性的方法.通过排队论模型方法,对于任务执行时间和可用于执行任务的时间的考虑可以从经典的排队模型方法中得到,例如客户(待执行的任务)的延误,队列中客户(任务)的数量等.此外,前面所述工作负荷量和交通动态环境更新,自然合务员忙状态总时问或服务员可能忙样,潜在的交通环境信息的更新任务,管制员必须在一定的"空闲"时间内完成,或在某些时间内,管制员不需要处理其他的任务请求,可以更新大脑中对当前动态环境的映像.五,管制压力分析的队列模型管制员的信息过程队列模型如同其他的队列模型一样,具有如下特点:1.客户到达(ATC任务发生)服从一定的概率分布;定的概率分布;3.具有一定的服务规则(任务具有一定的优先级).(这些约束指出了图1中所示的管制员承受的工作压力的数学特征,以及对应信息过程队列模型中管制员负荷的特征).作为算法的初步研究,本文建立了一个可用于计算机模型,并且应用以前研究中得到的试验数据决定ATC任务到达和服务时间的随机变量的分布特征.(一)管制任务到达的分布概盎对于单一航空器扇区飞行中主要任务(除去冲突预测与冲突解决以及两个扇区之间冲突协调任务之外的ATC任务)发生的频率,是可以通过实验数据统计分析得到的.假设航空器在中低空扇区中飞行过程中主要任务发生的频率为a,单位是个任务/架次,而在高空扇这个数据与参考文献6中研究的冲突情况发生频率相结合,平均任务发生频率满足:入1.iNh+B1Nh和iQhNh+BhNh(2)此处入为任务发生频率,单位为个任务/小时.N为每小时扇区航空器流量架次.入和i分别表示中低空到达扇区和高空扇区的任务发生频空平均任务发生频率随机函数的特征系数.不幸的是,真实的任务发生频AirTrafficManagement/2007(12】23毫业摇索空中交通管制/ATG率不可能得到,航空器相遇时间不可确定,这就无法确定所有任务的发生随机分布,以及任务的允许延文中,任务的发生假设满足泊松分布,平均到达频率满足上述公式.(二)服务时间要确定排队模型的客户服务时间,必须确定完成每类ATC任务所需要的时间长度,而从实验数据中得到的唯一信息是管制员完成ATC任务的总时间.并且,完成任务的时间长度是不确定的,当管制员压力较轻时,完成每个任务的时间或总中,任务执行时间应该在管制员比务执行时间的分布趋向于Y分布,所以在初期研究中就可以假设每个管制任务的执行时间服从Y分布.对于冲突任务发生频率的处理全解决冲突状况的最小时间为冲突任务的执行时间,例如:穿越冲突任务执行时间为60s;而超越冲突任务解决时间是与其反应能力和工jW作技术水平有关的,通过统计分析只能得到冲突任务执行时间的最小时间,而其概率分布也没有一定的规律.在初期的研究中,可以假定任意任务完成时间都服从Y分布,但是其均值不同.有了管制任务发生频率函数和服务时间,根据队列模型我们能够计算出一定流量水平Nh下管制员的工作负荷系数,即每小时用来执行。