一種基于聚類分析的扇區(qū)運(yùn)行性能綜合檢測方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航空領(lǐng)域，尤指一種空中交通管制扇區(qū)運(yùn)行性能綜合檢測方法及系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 伴隨著航空運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，為了保證各類飛行活動(dòng)的安全和有序，空中交通管制 服務(wù)應(yīng)運(yùn)而生并不斷得到發(fā)展完善，至20世紀(jì)80年代趨于成熟?，F(xiàn)代空中交通管制服務(wù) 的主要內(nèi)容是：空中交通管制員（簡稱為"管制員"，下同）依托現(xiàn)代通信、導(dǎo)航、監(jiān)視技術(shù)， 對所轄航空器實(shí)施管理和控制，協(xié)調(diào)和指導(dǎo)其運(yùn)動(dòng)路徑和模式，以防止空中航空器與航空 器相撞及在機(jī)場機(jī)動(dòng)區(qū)內(nèi)航空器與障礙物相撞，維護(hù)和加快空中交通的有序流動(dòng)?？罩薪?通管制扇區(qū)（簡稱為"管制扇區(qū)"，下同）是空中交通管制（簡稱為"管制"，下同）的基本 空間單元。一般情況下，為航空器提供空中交通管制服務(wù)的空域被劃設(shè)為若干管制扇區(qū)，每 個(gè)管制扇區(qū)對應(yīng)一個(gè)管制員工作席位。管制扇區(qū)運(yùn)行性能是管制扇區(qū)內(nèi)航空器運(yùn)行態(tài)勢的 技術(shù)性指標(biāo)提煉，既反映管制員對所轄管制扇區(qū)提供管制服務(wù)的質(zhì)量和水準(zhǔn)，又反映特定 管制空域使用效能。因此，對管制扇區(qū)運(yùn)行性能的有效檢測是調(diào)整管制運(yùn)行策略、優(yōu)化管制 空域結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)和前提。
[0003] 比如，公開號為CN104332073A的專利文獻(xiàn)在2015-02-04公開了一種智能空中交 通管制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)接收接口模塊、數(shù)據(jù)處理中心、應(yīng)急超控模塊、電子飛行計(jì)劃顯示模 塊、航班監(jiān)控顯示模塊和航班控制指令發(fā)送模塊。通過接收飛機(jī)準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)飛行信息，數(shù)據(jù) 處理中心即可展開飛行計(jì)劃的精確計(jì)算，并優(yōu)化整個(gè)飛行隊(duì)列，如縮短飛機(jī)間距，合理調(diào)配 對應(yīng)跑道的起降順序，實(shí)時(shí)更改著陸角，曲線進(jìn)近等，有效提高整個(gè)飛行隊(duì)列的效率，加強(qiáng) 安全性。最終，整個(gè)飛行計(jì)劃將顯示在管制員的監(jiān)控顯示器上。航空管制員可以隨時(shí)通過 顯示器觀察飛行隊(duì)列起飛著陸的優(yōu)先順序，并通過更改飛機(jī)起飛/著陸航跡，航速等參數(shù)， 調(diào)整隊(duì)列順序。從而提尚機(jī)場通勤率，提尚管制員的工作效率。
[0004] 但即便如此，目前針對空中交通管制扇區(qū)運(yùn)行性能的研究較少，大部分研究主要 體現(xiàn)在以下幾個(gè)孤立方面：（1)空中交通流密度，分為戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)兩層面，其中前者主要 體現(xiàn)為空域復(fù)雜性指標(biāo)，后者主要體現(xiàn)為管制單元空中交通擁擠程度判定。目前，空中交 通流密度指標(biāo)在應(yīng)用上仍以管制單元的航空器架次統(tǒng)計(jì)作為主要呈現(xiàn)。（2)管制運(yùn)行安 全性能，包括定量和定性兩方面。定量方面，國際民航組織（ICAO)依據(jù)碰撞風(fēng)險(xiǎn)分析制定 的總的安全目標(biāo)等級（TLS)是1.5X10-8次致命飛行事故/飛行小時(shí)，而我國民航空管系 統(tǒng)根據(jù)危險(xiǎn)接近風(fēng)險(xiǎn)分析將事故征候萬架次率作為關(guān)鍵安全指標(biāo)。定性方面，ICAO推薦 采用威脅差錯(cuò)管理（Threat and Error Management，TEM)或日常運(yùn)行安全監(jiān)測（Normal Operations Safety Survey，N0SS)方法，實(shí)施定性的管制運(yùn)行安全性能評價(jià)。國內(nèi)學(xué)者圍 繞人、機(jī)、環(huán)、管理等4類因素分別建立了安全風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系，并開展了指標(biāo)權(quán)重分析。 (3)管制運(yùn)行效率性能，主要圍繞航班延誤指標(biāo)方面。目前，國外航班延誤統(tǒng)計(jì)指標(biāo)涉及延 誤架次率及延誤時(shí)間。我國民航欠缺航班延誤時(shí)間的細(xì)化統(tǒng)計(jì)，在航班延誤原因界定、統(tǒng)計(jì) 指標(biāo)設(shè)計(jì)、統(tǒng)計(jì)方法及流程等方面亟待改善。（4)管制員工作負(fù)荷，是管制扇區(qū)容量評估的 重要考量。國外學(xué)者從生理/行為特征、主觀測評、工作細(xì)分的角度，分別提出了電擊皮膚 的反應(yīng)、心率、心電圖、血壓、體液等生理指標(biāo)，設(shè)備操作次數(shù)、陸空通話時(shí)間記錄等行為指 標(biāo)；ATWIT技術(shù)、NASA - TLX量表、SWAT量表和MCH法等主觀測評技術(shù)；DORATASK、MBB法、 RAMS法等衡量管制員工作時(shí)間的方法。國內(nèi)學(xué)者發(fā)展了主觀測評方法，提出了基于可拓學(xué) 的管制員工作負(fù)荷評價(jià)模型。
[0005] 例如，公開號為CN104636890A的專利文獻(xiàn)在2015-05-20公開了一種空中交通管 制員工作負(fù)荷測量方法，包括：步驟A :確定管制負(fù)荷測量指標(biāo)，該管制負(fù)荷測量指標(biāo)包括 眼動(dòng)指標(biāo)和語音指標(biāo)；步驟B :實(shí)時(shí)記錄各眼動(dòng)指標(biāo)對應(yīng)的眼動(dòng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，以及各語音指標(biāo) 對應(yīng)的語音指標(biāo)數(shù)據(jù)；步驟C :對記錄的眼動(dòng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析，計(jì)算出眼動(dòng)指標(biāo)數(shù)據(jù) 的眼動(dòng)綜合因子；步驟D :以眼動(dòng)綜合因子和語音指標(biāo)為輸入因素，管制綜合指標(biāo)值為輸出 因素，建立管制負(fù)荷回歸模型。該方法能夠?qū)崟r(shí)、無干擾的測量管制員的綜合指標(biāo)，實(shí)用性 強(qiáng)。
[0006] 但該方法參考的數(shù)據(jù)比較局限，指標(biāo)維度單一，不夠全面、綜合，該測量方法僅利 用局限的數(shù)據(jù)片面的對管制員工作負(fù)荷進(jìn)行了測量，存在一定的局限性，預(yù)測可靠度不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供一種可以提高扇區(qū)性能的檢測結(jié)果的可靠性的空中交通管制扇區(qū)運(yùn) 行性能檢測方法和系統(tǒng)。
[0008] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：
[0009] 一種扇區(qū)運(yùn)行性能綜合檢測方法，包括步驟：
[0010] 步驟1 :輸入歷史扇區(qū)運(yùn)行性能指標(biāo)數(shù)據(jù)，包括扇區(qū)通行性檢測指標(biāo)、扇區(qū)復(fù)雜性 檢測指標(biāo)、扇區(qū)安全性檢測指標(biāo)、扇區(qū)經(jīng)濟(jì)性檢測指標(biāo)和管制員工作負(fù)荷檢測指標(biāo)；
[0011] 步驟2 :基于聚類分析模型處理歷史扇區(qū)運(yùn)行性能指標(biāo)數(shù)據(jù)，建立扇區(qū)運(yùn)行性能 檔案；
[0012] 步驟3 :輸入當(dāng)前扇區(qū)運(yùn)行性能指標(biāo)數(shù)據(jù)，對照扇區(qū)運(yùn)行性能檔案尋找最大相似 類，以此判斷扇區(qū)運(yùn)行性能等級，并計(jì)算得到最小相似度；
[0013] 步驟4 :根據(jù)最小相似度確定是否觸發(fā)扇區(qū)異常運(yùn)行響應(yīng)告警。
[0014] 進(jìn)一步的，所述步驟1中的所述扇區(qū)通行性檢測指標(biāo)為扇區(qū)流量、扇區(qū)航行里程、 扇區(qū)航行時(shí)間和扇區(qū)交通流密度；
[0015] 所述扇區(qū)復(fù)雜性檢測指標(biāo)為扇區(qū)航空器爬升次數(shù)、扇區(qū)航空器下降次數(shù)、扇區(qū)航 空器改速次數(shù)、扇區(qū)航空器改航次數(shù)；
[0016] 所述扇區(qū)安全性檢測指標(biāo)為扇區(qū)短期沖突告警頻率和扇區(qū)最低安全高度告警頻 率；
[0017] 所述扇區(qū)經(jīng)濟(jì)性檢測指標(biāo)為扇區(qū)飽和度、扇區(qū)排隊(duì)長度、扇區(qū)航空器延誤架次率、 扇區(qū)航空器延誤時(shí)間、扇區(qū)航空器平均延誤時(shí)間；
[0018] 所述管制員工作負(fù)荷檢測指標(biāo)為陸空通話信道占用率、陸空通話次數(shù)。
[0019] 進(jìn)一步的，在所述步驟1與步驟2之間還包括對歷史扇區(qū)運(yùn)行性能指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行 無量綱化處理，具體過程如下：
[0020] 令第i個(gè)樣本的第j項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)際值為Xli ,，yu為無量綱化處理后的指標(biāo)值，《 為第j項(xiàng)指標(biāo)的均值，S]為第j項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差，則對于正向指標(biāo)，
，對于逆 向指標(biāo)，先取其倒數(shù)或取負(fù)使其正向化，再使用上述公式對其進(jìn)行無量綱化處理。
[0021] 進(jìn)一步的，所述步驟2具體包括如下過程：
[0022] 步驟2. 1 :根據(jù)預(yù)設(shè)的聚類數(shù)目k對歷史扇區(qū)運(yùn)行性能指標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分類，形成 k個(gè)初始類，并確定每一初始類中心結(jié)點(diǎn)；
[0023] 步驟2. 2 :計(jì)算歷史扇區(qū)運(yùn)行性能指標(biāo)數(shù)據(jù)中的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)到k個(gè)初始類中心結(jié) 點(diǎn)之間的歐幾里德距離，并根據(jù)距離類中心結(jié)點(diǎn)最短的原則將所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分類形 成k個(gè)類；
[0024] 步驟2. 3 :依次計(jì)算各類變量的均值，并以均值作為新的k個(gè)類的類中心結(jié)點(diǎn)；
[0025] 步驟2. 4 :計(jì)算新確定的類中心結(jié)點(diǎn)距上一個(gè)類中心結(jié)點(diǎn)之間的偏移量，當(dāng)最大 偏移量大于設(shè)定值時(shí)，返回分類模塊，否則聚類結(jié)束得到k個(gè)類，從而得到扇區(qū)正常運(yùn)行性 能檔案。
[0026] 進(jìn)一步的，所述步驟3具體包括如下步驟：
[0027] 步驟3. 1 :實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸入與標(biāo)準(zhǔn)化：
[0028] 獲取當(dāng)前扇區(qū)運(yùn)行性能的上述17項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)r = Irj, j = 1，2, . . .，17}，tj為無 量綱化處理后的第j項(xiàng)指標(biāo)值，^為第j項(xiàng)指標(biāo)的均值，S]為第j項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差，則對于 正向指標(biāo)，
對于逆向指標(biāo)，先取其倒數(shù)或取負(fù)使其正向化，再使用上述公式對 其進(jìn)行無量綱化處理；
[0029] 其中均值和標(biāo)準(zhǔn)差從扇區(qū)運(yùn)行性能檔案中提??；
[0030] 步驟3. 2 :最大相似類尋找：
[0031] 計(jì)算檢測數(shù)據(jù)無量綱化指標(biāo)值t與扇區(qū)運(yùn)行性能檔案中各個(gè)類的類中心點(diǎn)(；的 相似度sim(t, Ck)，并求得與扇區(qū)運(yùn)行性能檔案中k個(gè)類中心點(diǎn)的最大相似度simm(t, Ck)及 其類Class (k)，其中sim(t, Ck)可記為：
[0033] 其中，t,為檢測數(shù)據(jù)無量綱化后第j項(xiàng)指標(biāo)值，c ki ]為第k個(gè)類中心點(diǎn)的第j項(xiàng)無 量綱化指標(biāo)值；
[0034] 當(dāng)前扇區(qū)運(yùn)行性能等級即以扇區(qū)運(yùn)行性能檔案中的最大相似類確定。
[0035] 步驟3. 3 :最小相似度計(jì)算：
[0036] 計(jì)算t與所屬Class (k)中各樣本無量綱化數(shù)據(jù)的相似度，得到最大相似類中的最 小相似度min Sim。
[0037] 進(jìn)一步的，步驟4 :若計(jì)算得到的min Sim與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，min Sim超過預(yù) 先設(shè)定的相似度閾值，則判斷扇區(qū)運(yùn)行性能情況異常，并進(jìn)行扇區(qū)異常運(yùn)行響應(yīng)告警。
[0038] 一種空中交通管制扇區(qū)運(yùn)行性能檢測系統(tǒng)，包括：
[0039] 扇區(qū)運(yùn)行性能檔案創(chuàng)建模塊，根據(jù)聚類分析后的歷史扇區(qū)運(yùn)行性能指標(biāo)數(shù)據(jù)創(chuàng)建 扇區(qū)運(yùn)彳丁性能檔案；
[0040] 檢測模塊：根據(jù)輸入的當(dāng)前扇區(qū)運(yùn)行性能指標(biāo)數(shù)據(jù)，對照扇區(qū)運(yùn)行性能檔案計(jì)算 得到最大相似類和最小相似度，并根據(jù)最小相似度判斷扇區(qū)運(yùn)行性能是否異常。
[0041] 進(jìn)一步的，所述扇區(qū)運(yùn)行性能檔案創(chuàng)建模塊包括聚類分析單元和創(chuàng)建單元，所述 聚類分析單元用于對輸入的，經(jīng)過無量綱化處理的歷史扇區(qū)運(yùn)行性能指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分 析處理，所述創(chuàng)建模塊用于根據(jù)聚類分析處理得到的結(jié)果創(chuàng)建扇區(qū)運(yùn)行性能檔案；
[0042] 所述檢測模塊包括相似度處理單