王莉莉，曹　玉，黎新華

（1.中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院，天津　300300；2.民航西南空管局飛行服務(wù)中心，成都　610000）

航路單雙向運(yùn)行理論容量對(duì)比研究

王莉莉1，曹玉1，黎新華2

（1.中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院，天津300300；2.民航西南空管局飛行服務(wù)中心，成都610000）

民航運(yùn)輸需求的增長，需要空域容量的保障。2013年隨著“京昆單向循環(huán)大容量通道”的實(shí)施，單向航路的研究成為了一個(gè)熱點(diǎn)，其中一個(gè)很具爭議性的問題就是單向航路對(duì)于容量的提升是否有顯著效果。本研究從航路容量定義出發(fā)，考慮安全間隔、交叉點(diǎn)的影響、終端區(qū)的影響，建立了航路運(yùn)行容量模型。采用實(shí)際數(shù)值，對(duì)比計(jì)算了“京昆大容量通道”單向運(yùn)行與混合運(yùn)行容量值，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較分析，為目前正在實(shí)施的航路網(wǎng)規(guī)劃調(diào)整提供了理論依據(jù)。

航路規(guī)劃；航路運(yùn)行容量；單向航路；京昆大容量通道

航路容量分為航路最大容量和航路運(yùn)行容量。航路最大容量是指在指定航路范圍內(nèi)，給定時(shí)間段內(nèi)能夠服務(wù)的最大航空器數(shù)量，即在延誤趨于無窮大時(shí)的運(yùn)行容量，反映了極限服務(wù)水平。航路運(yùn)行容量也稱實(shí)際容量，是指在指定航路空域范圍內(nèi)，在可接受的航班延誤水平下，給定時(shí)間段內(nèi)能夠服務(wù)的最大航空器數(shù)量。單向運(yùn)行航路[1]主要是指航空器在一條航路上只沿一個(gè)方向飛行，高度層上下方只有同向航空器的運(yùn)行方式的航路。

2013年12月12日起，中國“京昆單向循環(huán)大容量通道”正式投入使用?！熬├蜗蜓h(huán)大容量通道”是一條骨干航路，這條航路貫穿北京、西安、成都、重慶、貴陽、昆明等重要繁忙機(jī)場，是連接中國西南、西北與華北、東北地區(qū)的航路主動(dòng)脈。隨著“京昆單向循環(huán)大容量通道”的實(shí)施，單向航路的研究成為了熱點(diǎn)，單向航路能降低安全風(fēng)險(xiǎn)已得到共識(shí)，但單向航路運(yùn)行后是否降低了容量是一個(gè)熱點(diǎn)爭議問題，本文將主要針對(duì)該問題進(jìn)行研究。

對(duì)航路容量的研究主要有：Gene和Marner在1970年首次將針對(duì)跑道的容量概念擴(kuò)充到終端區(qū)以及航路上，初步探討航路的流量管理和容量評(píng)估問題，但其沒有給出容量的計(jì)算方法[2]。國內(nèi)這方面的研究：南京航空航天大學(xué)的胡明華教授和張志龍、杜竣等在1999—2000年對(duì)終端區(qū)容量模型進(jìn)行了研究，討論了影響空管系統(tǒng)容量的諸因素，建立了航路交叉點(diǎn)的容量估計(jì)模型；蔣兵、胡明華考慮航路高度層配置對(duì)航路容量的影響與備用高度層使用對(duì)整條航路容量的影響建立了航路容量模型；余靜、劉洪考慮了航路長度、空域活動(dòng)、天氣狀況建立了航路容量模型；張兆寧、王霞考慮到軍事活動(dòng)因素影響下的航路容量模型；趙丹考慮到位置誤差、不同機(jī)型引起變化建立航路容量模型。

本文從航路容量定義出發(fā)，考慮單向運(yùn)行與混合運(yùn)行下的實(shí)際空管環(huán)境的運(yùn)行特點(diǎn)，從一個(gè)全新的角度建立航路運(yùn)行容量模型，其中重點(diǎn)考慮安全間隔、交叉點(diǎn)影響、終端區(qū)影響這三個(gè)因素。本文最后采用實(shí)際數(shù)值，對(duì)比計(jì)算了“京昆大容量通道”單向運(yùn)行與混合運(yùn)行容量值，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較分析，為目前正在實(shí)施的航路網(wǎng)規(guī)劃調(diào)整提供了理論依據(jù)。

1　影響航路運(yùn)行容量的因素分析

對(duì)航路運(yùn)行容量的主要影響因素有以下幾方面：

1）空管的間隔規(guī)定

在中國，因?yàn)榱髁?、設(shè)備等差異，各地的管制單位依據(jù)實(shí)際情況制定了不同的空管規(guī)則和管制方法，一般高度間隔是統(tǒng)一的，對(duì)于水平間隔的要求各地不同。管制規(guī)定里只規(guī)定，雷達(dá)管制下區(qū)域里航空器間的間隔不能少于10 km。但實(shí)際運(yùn)行時(shí)，考慮要給穿越本高度的飛機(jī)預(yù)留空間，每個(gè)單位的空域復(fù)雜度和導(dǎo)航設(shè)備覆蓋情況不同，所以每個(gè)單位又規(guī)定有不同的實(shí)際運(yùn)行控制間隔。

2）航路的可用高度層

航路的可用高度層受地形地貌、導(dǎo)航設(shè)施覆蓋、特殊區(qū)域限制高度、管制員工作負(fù)荷等影響。

3）空域結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性

航路上交叉點(diǎn)的個(gè)數(shù)，該點(diǎn)處交叉航路的條數(shù)，該航路交叉點(diǎn)的繁忙程度、連接終端區(qū)位置、終端區(qū)對(duì)航路影響的大小等都對(duì)容量有很大的影響。

4）管制員的工作負(fù)荷

空管有關(guān)規(guī)定對(duì)管制員同時(shí)指揮的飛機(jī)數(shù)目有嚴(yán)格的規(guī)定，這也就是對(duì)于管制員的工作量有限制，進(jìn)而也就影響到了系統(tǒng)的容量。

5）氣象條件

氣象條件對(duì)空域容量有很大的影響。當(dāng)某條航路有雷雨時(shí)，飛經(jīng)該航路所有飛機(jī)都必須繞行，相當(dāng)于改變了航路結(jié)構(gòu)，因而也影響了容量。

6）空管保障系統(tǒng)的可靠性

依據(jù)空管有關(guān)規(guī)定，如果部分空管保障設(shè)施不能正常工作，相關(guān)的管制規(guī)定應(yīng)做相應(yīng)調(diào)整，如雷達(dá)失效時(shí)改用程序管制方式，就必須拉大管制間隔，這樣對(duì)空域容量將會(huì)造成極大的影響。

7）其他一些因素

如特情、重點(diǎn)保障飛行、空軍訓(xùn)練、空軍運(yùn)輸機(jī)飛行、軍機(jī)轉(zhuǎn)場飛行穿越民航航路等情況，這些都會(huì)對(duì)空域內(nèi)的飛機(jī)流的運(yùn)行造成影響，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的容量降低。

2　航路運(yùn)行容量模型

為對(duì)比單向航路與混合航路的運(yùn)行容量，本模型的建立主要考慮目前實(shí)際運(yùn)行時(shí)空管的管制間隔、航路的實(shí)際使用高度層、空域結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。本文假設(shè)氣象條件符合正常運(yùn)行條件，管制員工作負(fù)荷在可接受負(fù)荷范圍內(nèi)，空管系統(tǒng)的可靠性較穩(wěn)定。

2.1航路運(yùn)行容量模型

從航路容量的概念定義可得：C=N/T；N等于航路長度和管制間隔之間的比值：N=L/X；考慮一段航路的時(shí)間可表示為：T=L/V；于是可得一個(gè)高度層上航路運(yùn)行容量模型為：當(dāng)有多個(gè)高度層時(shí)，假設(shè)有n個(gè)可用高度層，可得容量公式為

為了符合現(xiàn)實(shí)運(yùn)行情況，模型具有實(shí)際意義，需考慮交叉點(diǎn)與其對(duì)系統(tǒng)的影響兩方面，于是設(shè)交叉點(diǎn)的容量降低系數(shù)為γ、終端區(qū)容量影響系數(shù)為λ，最終得出航路運(yùn)行容量模型為

其中：V為適用航路的飛機(jī)平均速度；X為管制員控制的最小安全間隔；C為航路容量；N為該段航路服務(wù)時(shí)間內(nèi)的航空器架次；Ci為單個(gè)高度層航路容量；n為可用高度層數(shù)量；γ為交叉點(diǎn)的容量降低系數(shù)；λ為終端區(qū)容量影響系數(shù)。

2.2交叉點(diǎn)的影響

交叉點(diǎn)前后，飛機(jī)在各條航路上的飛行是各自獨(dú)立的，但過交叉點(diǎn)之前必須對(duì)即將過交叉點(diǎn)的飛機(jī)進(jìn)行排序，以保證在飛機(jī)過交叉點(diǎn)前后不會(huì)發(fā)生間隔小于規(guī)定的情況。

參考關(guān)于交叉點(diǎn)的影響研究[3]，結(jié)合圖1可得出以下關(guān)系

其中：HD為插入間隔余度的實(shí)際最小安全間隔；v1為F1的速度；v2為F2的速度；D為離場放飛間隔或進(jìn)場移交初始間隔；?為1架航空器未過交叉點(diǎn)，1架航空器已過，兩航空器所在航路夾角；β為兩機(jī)都未過交叉點(diǎn)的所在航路夾角；X為管制員控制的最小安全間隔；AD為入口處的放飛間隔；C1為交叉點(diǎn)的容量；C2為無交叉點(diǎn)時(shí)的容量。

在本文中，假設(shè)插入間隔余度的實(shí)際最小安全間隔就是管制員控制的最小安全間隔，區(qū)域上運(yùn)行的要過交叉點(diǎn)的2架航空器速度相等，于是得HD=X，v1=v2=v，上式簡化為

于是，當(dāng)增加一個(gè)交叉點(diǎn)時(shí)，容量降低的程度為

考慮?∈[π/2，π），容量影響因子的擬合函數(shù)圖如圖2所示。

交叉點(diǎn)容量影響因子的均值為

圖2　擬合函數(shù)圖Fig.2　Fitting function diagram

混合運(yùn)行時(shí)，由于同高度層上匯聚飛行，所以為了航空器匯聚后保障安全間隔，勢(shì)必要控制航空器的速度和間隔，導(dǎo)致容量降低?？紤]交叉點(diǎn)的容量降低系數(shù)γ與交叉點(diǎn)個(gè)數(shù)N3、交叉的平均航路個(gè)數(shù)N1、影響因子f以及交叉點(diǎn)的繁忙程度m有關(guān)，經(jīng)過和一線運(yùn)行單位討論，交叉點(diǎn)的容量降低可量化表示為

γ帶入航路運(yùn)行模型中，進(jìn)一步完善模型為

2.3終端區(qū)對(duì)系統(tǒng)容量的影響

具有實(shí)際意義的容量模型應(yīng)該是能體現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)共同作用的容量模型。對(duì)于單向航路，當(dāng)終端區(qū)的進(jìn)離場航路和航線的方向匹配后，只要航路上有容量，離場的航空器就可以起飛，不會(huì)壓制航班。但是對(duì)于混合航路，如果低高度層上有迎面飛來的飛機(jī)，距離本場的間隔在50 km內(nèi)，即使本場離場的航班要去的航路高度層現(xiàn)在有容量，該航班依然不能起飛。因此會(huì)對(duì)容量有消減的作用。

終端區(qū)起飛容量因航路原因消減整個(gè)系統(tǒng)容量，終端區(qū)容量影響系數(shù)λ和終端區(qū)交口個(gè)數(shù)N2、低高度層的使用率ω、影響起飛的航班占整個(gè)方向離場需求航班量的平均百分率θ間的關(guān)系，可以量化表示為λ=1-N2ωθ。

考慮對(duì)系統(tǒng)的容量影響，得出最終的航路運(yùn)行容量模型為

2.4航路運(yùn)行容量模型

綜合考慮普通航段、交叉點(diǎn)影響和終端區(qū)的影響，建立航路運(yùn)行容量模型為

3　單向航路、混合航路運(yùn)行容量模型計(jì)算實(shí)例

本文采用西北空管局區(qū)調(diào)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，調(diào)研時(shí)間段為2014年5月18日至2014年5月24日，通過數(shù)據(jù)整合處理，本文采用以下數(shù)據(jù)：平均速度取889 km/h；交叉點(diǎn)的繁忙程度m為0.93；低高度層的使用率為10%，影響起飛的航班占整個(gè)方向離場需求航班量的平均百分率為55.1%。

3.1無限制時(shí)單向與混合航路運(yùn)行容量

在無任何限制的理想條件下，本文選取一段航路。單向航路運(yùn)行，計(jì)算容量時(shí)運(yùn)行安全間隔取30 km，可用高度層取2，可得單向運(yùn)行航路運(yùn)行容量為

混合航路運(yùn)行，計(jì)算容量時(shí)運(yùn)行安全間隔取40 km，可用高度層取4，可得雙向運(yùn)行航路運(yùn)行容量為

3.2交叉點(diǎn)、終端區(qū)影響下單向與混合航路運(yùn)行容量

選取“京昆大容量通道”中北京—西安段，進(jìn)行航路運(yùn)行容量計(jì)算對(duì)比，如圖3所示。

圖3　京昆大容量通道示意圖Fig.3　Jing-Kun large-capacity channel

單向航路運(yùn)行時(shí)，按現(xiàn)在實(shí)際運(yùn)行情況，計(jì)算容量時(shí)運(yùn)行安全間隔取30 km，可用高度層為2，對(duì)于單向航路，由于過交叉點(diǎn)時(shí)可采用上升或下降一個(gè)高度層的方式，因此不會(huì)有沖突產(chǎn)生，交叉點(diǎn)的容量降低系數(shù)γ取1，終端區(qū)容量影響因子為1，計(jì)算容量為

航路連接西安、太原、北京三個(gè)終端區(qū)，所以終端區(qū)交口個(gè)數(shù)為3。根據(jù)圖3可知，采用實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)，交叉點(diǎn)個(gè)數(shù)N3為1，交叉的平均航路個(gè)數(shù)N2為3。則

λ=1-N2ωθ=1-3×10%×55.1%=0.835

航路混合運(yùn)行，存在逆向航跡飛行，計(jì)算容量時(shí)運(yùn)行安全間隔取40 km，可用高度層為4，交叉點(diǎn)的容量降低系數(shù)γ取0.79，終端區(qū)影響因子取0.835，計(jì)算容量為

對(duì)比結(jié)果分析，在航路無任何限制的理想情況下，混合航路的容量大于單向航路，因?yàn)榛旌虾铰房捎酶叨葘佣嘤趩蜗蚝铰返目捎酶叨葘印Ｔ诳紤]交叉點(diǎn)、終端區(qū)的情況下，單向航路的容量小于混合航路，隨著交叉點(diǎn)增多，容量影響越大。

4　結(jié)語

本文從航路容量定義和實(shí)際運(yùn)行情況出發(fā)，考慮到安全間隔、交叉點(diǎn)的影響、終端區(qū)的影響，建立了航路運(yùn)行容量模型。采用實(shí)際數(shù)值，分別計(jì)算了無任何限制條件下與“京昆大容量通道”單向和混合航路運(yùn)行容量值，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較分析，對(duì)于一段無任何限制的航路，因?yàn)閱蜗蚝铰烽g隔較小，單向航路運(yùn)行容量的值小于混合航路運(yùn)行容量；對(duì)于有交叉點(diǎn)、終端區(qū)影響的航路，單向航路運(yùn)行容量的值小于混合航路運(yùn)行容量，可計(jì)算得出，隨交叉點(diǎn)數(shù)量的增多，混合航路運(yùn)行容量值逐漸減小，其效率降低，目前取單向航路間隔為30 km，實(shí)際上由于單向航路是順向飛行，運(yùn)行間隔還可更小，容量可進(jìn)一步增加。

本文為目前正在實(shí)施的航路網(wǎng)規(guī)劃調(diào)整提供了理論依據(jù)，文中涉及的部分參數(shù)與關(guān)系式是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得到的，可進(jìn)一步通過實(shí)際的模擬機(jī)運(yùn)行來加以修正與完善。

[1]楊超.單向循環(huán)航路改造對(duì)空中立交橋的影響[J].中國民用航空，2013（12）：46-48.

[2]RATNER R S.A methodology for evaluating the capacity of air traffic control systems[G].FAA-RD-70-69，1970：1175.

[3]胡明華.空中交通流量管理理論與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2010：75-90.

（責(zé)任編輯：楊媛媛）

Comparative research on one-way and mixed-way en route operating capacity

WANG Li-li1,CAO Yu1，LI Xin-hua2
（1.College of Air traffic Management，CAUC，Tianjin 300300，China；2.FlightService Center，Southwest Regional ATM Burean of CAAC，Chengdu 610000，China）

The growth in demand for civil aviation requires assurance of the airspace capacity.In 2013,with the implementation of‘Jing-Kun one-way circulation large-capacity channel’,the research of one-way route has become a hotspot,one of the controversial issues is whether the one-way route has a significant effect for enhancing the capacity.Starting from the definition of route capacity and considering the safe separation distance,impact of intersection and terminal area,an en route operating capacity model is built.Using actual values,the‘Jing-Kun largecapacity channel’one-way and mixed-way operation capacity values are calculated and compared.The study provides a theoretical base for the adjusting plan of en route network being implemented.

route planning；en route operating capacity；one-way route；Jing-Kun large-capacity channel

V355

：A

：1674－5590（2015）06－0001－04

2014-05-22；

：2014-09-24

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61179042）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（ZXH2012L005）

王莉莉（1973—），女，陜西興平人，教授，博士，研究方向?yàn)榭沼蛞?guī)劃、空中交通管理.