王莉莉，吳 越，吳桐水

（中國民航大學a.空中交通管理學院；b.經(jīng)濟與管理學院，天津 300300）

近年來，中國的航空運輸保持著高速發(fā)展的勢頭。2005年，中國的航空運輸總周轉(zhuǎn)量已經(jīng)排名世界第二，此后以每年超過兩位數(shù)的速度持續(xù)增長。2011年，民航業(yè)完成運輸總周轉(zhuǎn)量577.44億噸公里，比上年增長7.2%；完成旅客運輸量29 317萬人次，增長9.5%[1]。要滿足民航業(yè)務的快速增長，需要建立相應的航路網(wǎng)絡與之相匹配。而中國現(xiàn)行航路網(wǎng)絡是在五、六十年代的航路結(jié)構(gòu)上逐步形成，其航路建設和運行管理相對滯后，一定程度上阻礙了航空事業(yè)發(fā)展。面對航路網(wǎng)絡的現(xiàn)狀以及國家交通一體化戰(zhàn)略的規(guī)劃實施，迫切需要民航工作者對航路網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)進行調(diào)整與優(yōu)化以適應中國交通事業(yè)的發(fā)展，從而能夠更好的為國家的經(jīng)濟發(fā)展、地區(qū)間的交流以及人民群眾的便利出行服務。

國內(nèi)外對于航路網(wǎng)絡也都進行了一定的研究。國外雖然提出了一些針對網(wǎng)絡路徑、容量及動態(tài)優(yōu)化方面的研究[2-4]，但是缺少整體網(wǎng)絡布局方案的研究；國內(nèi)對于中國中樞網(wǎng)絡規(guī)劃提出了構(gòu)想[5-7]，不過缺少對樞紐間連接方式的優(yōu)化方案。文獻[8]提出了中國航路航線網(wǎng)規(guī)劃的參考意見與原則，但沒有給出具體的優(yōu)化方案。

本文面向中國骨干航路網(wǎng)絡的優(yōu)化問題，對樞紐機場間的航路連接方式從國境點航路、城市間流量、航路間角度、航路匯聚點的設置以及禁區(qū)的影響5方面對中國骨干航路網(wǎng)絡進行調(diào)整優(yōu)化，最終提出了一個針對空中交通現(xiàn)狀的全國骨干航路網(wǎng)絡建議方案。

1 樞紐選擇

由于中國機場眾多，在設計網(wǎng)絡時需要篩選出重要機場作為骨干航路網(wǎng)絡的節(jié)點。在節(jié)點選擇上，根據(jù)文獻[9]的內(nèi)容，選擇北京、上海、廣州、昆明、西安等5個城市作為樞紐。因為烏魯木齊地理位置獨特，輻射范圍廣闊，并且是中國西北方向出境的重要點，所以應將烏魯木齊機場作為中國民航骨干網(wǎng)絡的組成節(jié)點。同時在中國東北方面同樣需要一個樞紐節(jié)點，通過旅客吞吐量的對比選擇沈陽機場作為中國民航骨干網(wǎng)絡的組成節(jié)點。

綜上所述，選取北京、廣州、上海、昆明、西安、烏魯木齊和沈陽7個城市的機場作為中國航路航線網(wǎng)絡的一級樞紐節(jié)點。

樞紐節(jié)點及國境點的分布以及直連后的航路網(wǎng)絡情況如圖1所示。

圖1 重要節(jié)點直連航路網(wǎng)絡Fig.1 Hub nodes directly connected network

2 網(wǎng)絡調(diào)整

鑒于中國空域資源特點，將機場及國境點間直接連接會造成網(wǎng)絡過密、航路間交叉沖突以及禁區(qū)的沖突，并且存在很多小流量航路，故需要對網(wǎng)絡進行進一步的優(yōu)化與調(diào)整。

2.1 國境點航路調(diào)整

在樞紐節(jié)點的初步連接中，部分國境點與城市節(jié)點的直連造成了航路穿越別國領(lǐng)空。并且存在一些航路流量太小、距離太遠，單獨建設航路對于空域資源利用率不高，同時造成空域航路間的沖突。因此，需對與國境點相關(guān)航路進行調(diào)整。調(diào)整措施：將國境點SARIN與其它城市節(jié)點的連接匯集至烏魯木齊機場，國境點SIMLI與除北京外的節(jié)點匯集至沈陽機場，國境點INTIK只與北京連接，國境點LINSO的匯集點定在昆明機場，國境點MAGOG與廣州和上海連接，國境點AGAVO與烏魯木齊機場的連接取消，國境點LAMEN與烏魯木齊機場、沈陽機場的連接取消。調(diào)整后的航路航線網(wǎng)絡布局如圖2所示。

圖2 國境點航路調(diào)整后航路航線網(wǎng)絡Fig.2 Air route network based on adjustment of border points

2.2 基于流量調(diào)整

在國境點調(diào)整的基礎上，按航段間流量精簡小流量航路，進一步調(diào)整骨干航路網(wǎng)絡。2010年的主要航段及航段間旅客人數(shù)[10]如表1所示。

表1 主要航段數(shù)據(jù)Tab.1 Data of major flight segments

由表1可以發(fā)現(xiàn)烏魯木齊與其它機場間的流量小，但是烏魯木齊覆蓋了廣闊的地區(qū)，并連接了中國西北方向的出境點，地理位置和政治地位十分重要。因此，暫不考慮其流量因素，在后續(xù)布局中通過設置航路匯聚點加入該節(jié)點。

而昆明—沈陽航段流量太小，沒有主要的直通航段而需要通過中轉(zhuǎn)連通，因此可以刪除昆明—沈陽的直接航線。剩下的航段根據(jù)旅客人數(shù)降序做出折線圖，如圖3所示。

圖3 航段間旅客人數(shù)降序圖Fig.3 Descending figure of passengers’number in flight segments

依據(jù)最大航段北京—上海旅客人數(shù)的10%保留航段，即航段旅客數(shù)不滿747 335人將考慮在骨干航路網(wǎng)絡中刪除該航段。依此標準將刪去西安—昆明、廣州—沈陽、西安—沈陽的航段。考慮到西安—昆明航段是連接西南、西北地區(qū)的主要航段，并且與最大旅客航段旅客數(shù)的10%相差不大，故應予保留。綜上所述，調(diào)整后的航路網(wǎng)絡如圖4所示。

圖4 流量調(diào)整后航路結(jié)構(gòu)Fig.4 Air route network after flow adjustment

2.3 基于角度調(diào)整

如果兩條航路彼此非常接近，那么作為骨干航路網(wǎng)絡，設立這樣兩條相近航路同時存在的意義不大，并且互相接近的航路會造成相互干擾，影響航空器的安全高效運行。因此在這里添加航路間的夾角限制進行進一步的網(wǎng)絡優(yōu)化調(diào)整。

各條航路之間的夾角可以用余弦定理計算。通過3個節(jié)點的經(jīng)緯度求出它們彼此之間的距離，這樣就可以給出這兩條高速路之間的夾角θ，有

按照中國現(xiàn)有的空中規(guī)則與空中交通服務手冊[11]中的規(guī)定，航空器使用導航設備匯集或者分散飛行，航空器間的航跡夾角不得小于15°。參考規(guī)定可設置15°作為航路調(diào)整的判定值，通過夾角的限制，去除相隔比較近的線路。

在根據(jù)角度選擇航路的同時也應考慮距離的增加，如果在合并航路后到達預計節(jié)點距離比原航路增加20%以上則應考慮保留原航路。

經(jīng)過計算可去除北京至昆明的直接航路、北京至國境點LAMEN的直接航路、昆明至國境點LAMEN的直接航路、廣州至國境點LAMEN的直接航路、廣州至國境點AGAVO的直接航路、西安至國境點LAMEN的直接航路、昆明至國境點AGAVO的直接航路。角度調(diào)整后的骨干航路網(wǎng)如圖5所示。

圖5 角度調(diào)整后骨干航路網(wǎng)Fig.5 Air route network after angle adjustment

2.4 航路匯聚點設置

在完成以上調(diào)整后考慮烏魯木齊節(jié)點的加入。但是烏魯木齊機場節(jié)點與其它城市節(jié)點間流量較少，所以不在烏魯木齊與其它城市間設立直連航路，而在北京—西安—烏魯木齊區(qū)域設立匯聚點，通過航路匯聚點將烏魯木齊機場引入全國骨干網(wǎng)絡。在該區(qū)域的匯聚點設置中，考慮到烏魯木齊機場與其它機場相距較遠，同時蘭州機場在該區(qū)域發(fā)揮重要作用，故在設置區(qū)域航路匯聚點時考慮蘭州機場的影響。并且，在上?！獜V州—昆明—西安區(qū)域、北京—西安—上海—國境點AGAVO區(qū)域設立交叉航路匯聚點，方便航空器在繁忙網(wǎng)絡的運行。

匯聚點的選取依托于全國PBN導航技術(shù)的實施，即認為新的導航技術(shù)可以最大程度地消除地形對于匯聚點的影響。在匯聚點的選擇上根據(jù)幾何位置設置匯聚點，即選取到區(qū)域內(nèi)各樞紐機場距離和最小的點作為區(qū)域的航路匯聚點。目標表達式為

式中，d1、d2、d3、d4分別為匯聚點到區(qū)域樞紐機場的距離。根據(jù)幾何定理可以求得3個區(qū)域匯聚點在區(qū)域的位置。經(jīng)過計算，匯聚點的位置為：上?！獜V州—昆明—西安區(qū)域匯聚點坐標為北緯28°14′52.30″，東經(jīng)111°25′39.34″。北京—西安—上?！獓滁cAGAVO區(qū)域匯聚點坐標：北緯 36°28′9.18″，東經(jīng) 118°45′41.81″。北京—西安—烏魯木齊區(qū)域匯聚點為北緯36°49′48.00″，東經(jīng) 104°33′28.80″。根據(jù)幾何位置設置的 3個主要區(qū)域的匯聚點及航路網(wǎng)絡如圖6所示。

2.5 禁區(qū)的規(guī)避

圖6 幾何位置匯聚點及航路網(wǎng)絡連接Fig.6 Route crossing waypoint network based on geometric method

經(jīng)過上述調(diào)整后考慮禁區(qū)對飛行的影響。從文獻可知，中國的禁區(qū)分別位于北京及沈陽附近，加入禁區(qū)對目前設計的骨干航線網(wǎng)產(chǎn)生直接影響的只有北京到西安的航路。而依據(jù)中國有關(guān)規(guī)定[12]，航路至禁區(qū)要有10 km間隔，受到間隔影響的有北京到匯聚點3的航路、北京到廣州的航路以及沈陽到國境點SIMLI的航路。在航路設計時，可以考慮依據(jù)禁區(qū)的幾何形狀，保持10 km間隔對禁區(qū)繞行。

3 結(jié)語

本文針對中國民航業(yè)的高速發(fā)展與現(xiàn)行航路網(wǎng)絡間的不協(xié)調(diào)問題對中國骨干航路網(wǎng)規(guī)劃方法進行討論。在中國骨干航路網(wǎng)設計中，考慮國境點航路的限制、節(jié)點間的流量、航路間的限制、網(wǎng)絡的便利性及禁區(qū)限制等方面條件，提出了中國骨干航路網(wǎng)絡的一種規(guī)劃方案。

本文規(guī)劃思路基于星基導航，而不依賴于地面導航臺，故不考慮網(wǎng)絡覆蓋下地形地貌的限制。星基導航技術(shù)已趨于成熟，中國已經(jīng)出臺PBN部署方案，正在實施星基導航標準。在空域方面只考慮了禁區(qū)的限制，而沒有加入限制區(qū)與危險區(qū)。然而，在航線規(guī)劃中，如遇到限制區(qū)與危險區(qū)可以沿兩區(qū)邊沿規(guī)避，兩區(qū)對于骨干航路網(wǎng)絡的走向影響不大；并且空域的動態(tài)使用與分時共享是未來空域的發(fā)展方向，兩區(qū)對于民航航線的影響也將越來越小。綜上所述，設計的骨干航路網(wǎng)絡存在現(xiàn)實的意義。

本方案的規(guī)劃是一項探討性的工作，為決策提供了一種參考意見。在實際實施中還要依據(jù)實際條件進行調(diào)整，整個航路網(wǎng)絡的規(guī)劃還要進一步研究。

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