楊 鵬 ，孫俊清 ，靳慧斌

(1.天津理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津300191；2.天津市智能計(jì)算及軟件新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300191；3.中國(guó)民航大學(xué)，天津300300)

終端區(qū)是航空器從航路飛行到進(jìn)離場(chǎng)階段的飛行過(guò)渡區(qū)，區(qū)域內(nèi)包含一個(gè)或多個(gè)機(jī)場(chǎng)。一般包括機(jī)場(chǎng)跑道系統(tǒng)、定位點(diǎn)、高度層、航路以及航路交叉點(diǎn)等元素。近年來(lái)，空中交通運(yùn)量增加，終端區(qū)系統(tǒng)的作業(yè)壓力也隨之增加，在有限的空間資源條件下，修建新機(jī)場(chǎng)開(kāi)辟新航路并不是有效的減壓措施。應(yīng)用仿真對(duì)終端區(qū)交通管理方案進(jìn)行模擬、評(píng)價(jià)，盡可能挖掘現(xiàn)有系統(tǒng)潛力是一種行之有效的方法。

本文嘗試對(duì)終端區(qū)航空器起降邏輯建立建模仿真，發(fā)揮信息技術(shù)優(yōu)勢(shì)，細(xì)化航空器在終端區(qū)的飛行邏輯，增強(qiáng)終端區(qū)規(guī)劃和決策的科學(xué)性。

1 終端區(qū)系統(tǒng)邏輯描述

終端區(qū)空域系統(tǒng)是整個(gè)空管系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)。在這個(gè)子系統(tǒng)中，航空器要從走廊口進(jìn)入終端區(qū)，經(jīng)特定航路融入進(jìn)場(chǎng)航線飛行，最后通過(guò)不同的進(jìn)近路線飛向跑道降落[1-2]。終端區(qū)走廊口的位置、各走廊口的流量比例、進(jìn)離場(chǎng)航路及其相對(duì)位置關(guān)系對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行影響巨大；航路交叉點(diǎn)數(shù)量眾多及其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜；航空器的平飛、上升、下降頻繁，沖突顯著，航班之間要保證安全間隔，還要保證航班都有條不紊地降落，所以，民航系統(tǒng)一致認(rèn)為終端區(qū)是空管系統(tǒng)最為復(fù)雜的一個(gè)子系統(tǒng)[3]。

2 終端區(qū)仿真模型設(shè)計(jì)

作為一款市場(chǎng)占有率最高的通用仿真工具，Arena通過(guò)使用層次化的建模體系以保證靈活地進(jìn)行各個(gè)水平上的仿真建模，廣泛地應(yīng)用于制造業(yè)、物流及供應(yīng)鏈、服務(wù)、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真，也應(yīng)用于各個(gè)層面不同情況的仿真，包括日常生產(chǎn)作業(yè)、各類資源的配置、業(yè)務(wù)過(guò)程的規(guī)劃、系統(tǒng)性能和計(jì)劃結(jié)果的評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)等[4-5]。本文采用Arena作為仿真平臺(tái)建立了終端區(qū)模型。

本文建立的仿真模型對(duì)航空器飛行過(guò)程進(jìn)行了以下假設(shè)：(1)終端區(qū)中除了盤(pán)旋節(jié)點(diǎn)和分叉節(jié)點(diǎn)之外，還存在穿越點(diǎn)，航空器只能在穿越節(jié)點(diǎn)進(jìn)行高度層穿越；(2)航空器按照FCFS規(guī)則，起降過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)航空器超越現(xiàn)象；(3)航空器不會(huì)在盤(pán)旋節(jié)點(diǎn)和交叉節(jié)點(diǎn)進(jìn)行穿越；(4)對(duì)降落航空器而言，仿真邏輯僅涉及其進(jìn)入終端區(qū)到離開(kāi)跑道的過(guò)程，而對(duì)起飛航空器而言，仿真邏輯僅涉及其鎖定跑道到離開(kāi)終端區(qū)的過(guò)程。

2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 實(shí)體設(shè)計(jì)

Arena是基于實(shí)體的仿真工具，通過(guò)為實(shí)體設(shè)置屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄和仿真邏輯控制。在模型中設(shè)置了兩類實(shí)體——降落航空器實(shí)體和起飛航空器實(shí)體，其中降落航空器實(shí)體用于降落航空器的控制，起飛航空器實(shí)體用于起飛航空器的控制。實(shí)體的屬性可以分為兩類，一類是控制屬性，用于對(duì)實(shí)體仿真邏輯進(jìn)行控制，如Port、Inhover；另一類屬于統(tǒng)計(jì)屬性，用于記錄仿真過(guò)程中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如 Intime、Loadtime。

2.1.2 航道網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

模型中應(yīng)用節(jié)點(diǎn)（Intersection）定義走廊口、穿越點(diǎn)和盤(pán)旋點(diǎn)等關(guān)鍵位置，通過(guò)邊（Link）將這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)連接，最后將這些節(jié)點(diǎn)和邊組合成網(wǎng)絡(luò)。降落航空器和起飛航空器分別使用各自網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)間存在重疊部分，但并不完全一致。

需要注意的是，由于跑道利用率是非常重要的一個(gè)性能指標(biāo)，而 Arena對(duì)資源（Resource）提供了非常強(qiáng)大的狀態(tài)統(tǒng)計(jì)功能，因此模型中用實(shí)體對(duì)跑道的占用模擬了航空器在跑道的滑行過(guò)程。

2.1.3 集合設(shè)計(jì)

Arena中允許應(yīng)用集合方式將模型中存在聯(lián)系的同類（甚至異類）元素組合在一起。模型中主要的數(shù)據(jù)集合如表1所示。

表1 模型中部分?jǐn)?shù)據(jù)集合

當(dāng)航空器在航道網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)時(shí)，航空器根據(jù)其所處節(jié)點(diǎn)所屬的集合來(lái)判斷其當(dāng)前位置的類別，并引發(fā)相應(yīng)的邏輯操作。例如航空器發(fā)現(xiàn)其所屬的是盤(pán)旋節(jié)點(diǎn)則會(huì)判斷是否需要盤(pán)旋；如果是穿越節(jié)點(diǎn)，則判斷是否滿足穿越條件。

2.2 模型邏輯設(shè)計(jì)

模型的邏輯設(shè)計(jì)包括降落航空器作業(yè)邏輯設(shè)計(jì)和起飛航空器作業(yè)邏輯設(shè)計(jì)兩部分，本文給出降落航空器作業(yè)邏輯的主要內(nèi)容：

(1)航空器到達(dá)走廊口，判斷是否滿足準(zhǔn)入規(guī)則，如果滿足則進(jìn)入終端區(qū)轉(zhuǎn)(2)，否則在廊口等待；

(2)沿航道飛行，到達(dá)下一節(jié)點(diǎn)，如果屬于穿越節(jié)點(diǎn)則轉(zhuǎn)(3)，如果屬于盤(pán)旋節(jié)點(diǎn)則轉(zhuǎn)(4)，如果屬于進(jìn)近點(diǎn)則轉(zhuǎn)(6)，否則轉(zhuǎn)(2)；

(3)判斷當(dāng)前高度層的下層是否滿足穿越條件，如果滿足則向下穿越，否則判斷當(dāng)前高度層前方是否有起飛航空器距當(dāng)前位置達(dá)到安全距離，如果達(dá)到則向下強(qiáng)行穿越，否則轉(zhuǎn)(2)；

(4)判斷盤(pán)旋點(diǎn)的等候隊(duì)列長(zhǎng)度是否等于0，并且判斷距離航道前方航空器是否滿足安全距離，如果滿足以上兩項(xiàng)要求則轉(zhuǎn)(2)，否則進(jìn)入盤(pán)旋點(diǎn)轉(zhuǎn)(5)；

(5)判斷當(dāng)前是否處于等待隊(duì)列的首位，且航道前方航空器是否滿足安全距離，如果滿足則從盤(pán)旋點(diǎn)移出轉(zhuǎn)(2)，否則轉(zhuǎn)(5)；

(6)判斷跑道是否滿足著陸條件，如果滿足則鎖定跑道，著陸，否則復(fù)飛，轉(zhuǎn)(2)。

以上列出的只是邏輯主體部分，邏輯細(xì)節(jié)（如穿越條件等）不再詳述。

2.3 模型輸出設(shè)計(jì)

模型輸出環(huán)節(jié)需要將模型中較為關(guān)鍵的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄統(tǒng)計(jì)，為后期的性能分析和決策制定提供支持。本次建模較為關(guān)注的績(jī)效指標(biāo)包括跑道使用情況、航空器的降落延遲和航道飛行安全性。其中前兩項(xiàng)的統(tǒng)計(jì)較為簡(jiǎn)單，通過(guò)設(shè)置跑道資源狀態(tài)集合以及為控制實(shí)體設(shè)置統(tǒng)計(jì)屬性即可獲得，而第3項(xiàng)的實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)專用的監(jiān)控邏輯。

航道飛行安全性具體通過(guò)兩項(xiàng)指標(biāo)來(lái)反映：強(qiáng)行穿越次數(shù)和航道網(wǎng)絡(luò)中航空器之間的最短距離(包括降落航空器之間的最小距離、起飛航空器之間的最小距離、起降航空器之間的最小距離)。

下面給出降落航空器之間的最小距離的實(shí)現(xiàn)邏輯：

(1)搜索并記錄全部降落航空器在航道網(wǎng)絡(luò)的位置，經(jīng)后臺(tái)計(jì)算選擇距離最小的兩個(gè)降落航空器，并監(jiān)控兩者距離。

(2)當(dāng)系統(tǒng)中有新的降落航空器進(jìn)入走廊口，或者系統(tǒng)中有降落航空器實(shí)現(xiàn)了著陸，則重新轉(zhuǎn)(1)，選擇新的距離最小的兩個(gè)降落航空器，監(jiān)控距離。

3 仿真效果展示

本文建立的航道網(wǎng)絡(luò)是按照我國(guó)北方某機(jī)場(chǎng)的終端區(qū)設(shè)計(jì)的。為了驗(yàn)證仿真模型的有效性，應(yīng)用該機(jī)場(chǎng)2009年10月15日的航空器起降記錄數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了測(cè)試，仿真效果如圖1所示。由于造成該機(jī)場(chǎng)起飛航班延誤的主要原因是北京區(qū)的調(diào)流控，因此本次模型僅選擇降落航班平均延遲時(shí)間和最大延遲時(shí)間兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行校驗(yàn)。仿真結(jié)果如圖2所示，將仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了T檢驗(yàn)，結(jié)果表明模型置信度為95%，可以用于后續(xù)的評(píng)估預(yù)測(cè)分析。

圖1 仿真效果截圖

圖2 仿真結(jié)果

考慮到當(dāng)前航空客流與日俱增的趨勢(shì)，本文還模擬了到達(dá)航空器總流量平均增加5%、10%和15%的情況。隨著到達(dá)航空器流量的增加，現(xiàn)有終端區(qū)空側(cè)負(fù)荷也隨之增加，系統(tǒng)運(yùn)行績(jī)效隨之迅速惡化，當(dāng)日度到達(dá)航空器總量增加15%時(shí)，航班的平均延遲達(dá)到38.2%。除了系統(tǒng)效率指標(biāo)的惡化外，終端區(qū)的強(qiáng)行穿越次數(shù)還上升了71.8%，具有較高的安全隱患?？梢钥闯?，為了應(yīng)對(duì)未來(lái)的航空客流壓力，該機(jī)場(chǎng)有必要對(duì)終端區(qū)進(jìn)行規(guī)劃調(diào)整。

終端區(qū)系統(tǒng)的仿真模擬是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，它涉及到空管科學(xué)、安全科學(xué)、人工智能、計(jì)算機(jī)仿真等相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)。由于時(shí)間有限，且不同終端區(qū)的管制方法各具特性，本文僅僅對(duì)北方某機(jī)場(chǎng)終端區(qū)空側(cè)進(jìn)行了仿真建模。在后續(xù)的研究中還要根據(jù)各機(jī)場(chǎng)終端區(qū)的實(shí)際情況，在充分了解管制員的調(diào)度方式和指揮習(xí)慣的前提下開(kāi)發(fā)出更豐富、完備的仿真模型。

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