王莉莉，賈鏵霏，位 放

(中國民航大學(xué) 空中交通管理學(xué)院，天津 300300)

飛行受限區(qū)對(duì)扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量的影響

王莉莉，賈鏵霏，位 放

(中國民航大學(xué) 空中交通管理學(xué)院，天津 300300)

為了合理利用空域資源，提高空中交通運(yùn)行效率與安全，對(duì)空域扇區(qū)的動(dòng)態(tài)容量進(jìn)行了研究。根據(jù)空域的三維結(jié)構(gòu)對(duì)飛行受限區(qū)進(jìn)行定義，并以飛行受限區(qū)對(duì)扇區(qū)結(jié)構(gòu)的覆蓋情況為基礎(chǔ)，建立了飛行受限區(qū)對(duì)扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量影響模型。以西安02號(hào)扇區(qū)空域結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果表明：改航點(diǎn)到航路距離越遠(yuǎn)，扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量越小；管制員經(jīng)驗(yàn)越少，扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量越?。桓暮胶蟮暮娇掌鏖g隔越大，扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量越小。

飛行受限區(qū)；扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量；損失容量

0 引言

隨著中國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，民航運(yùn)輸需求量也在不斷增長，流量與容量的矛盾不斷加劇，航班正常率呈現(xiàn)負(fù)增長趨勢。根據(jù)相關(guān)部門調(diào)查顯示，天氣、軍事活動(dòng)等情況已成為導(dǎo)致航班延誤的重要原因。因此，研究特殊空域狀況對(duì)扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量的影響，對(duì)提高空中交通運(yùn)行效率、增加航班正常率和保障飛行安全有重要的意義。

雖然早在20世紀(jì)40年代，就有學(xué)者對(duì)空域扇區(qū)容量進(jìn)行了研究，但大多是對(duì)靜態(tài)扇區(qū)容量的研究。近年來，國內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)對(duì)動(dòng)態(tài)空域扇區(qū)容量進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1-3]提出了基于空中交通流量管理分析惡劣天氣對(duì)空域扇區(qū)的影響，利用最大流-最小割的預(yù)測方法分析交通流的損失,計(jì)算扇區(qū)容量。文獻(xiàn)[4]將空域扇區(qū)等效為平面六邊形，研究了扇區(qū)內(nèi)的沖突和容量的變化。文獻(xiàn)[5]分析了動(dòng)態(tài)密度的概念，對(duì)動(dòng)態(tài)空域扇區(qū)容量進(jìn)行了評(píng)估。文獻(xiàn)[6]分析了扇區(qū)的動(dòng)態(tài)復(fù)雜性因素，計(jì)算了管制員的工作負(fù)荷，為研究扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量奠定了基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[7]通過研究交通流模式，提出了一種扇區(qū)運(yùn)行容量的計(jì)算方法。文獻(xiàn)[8]根據(jù)交通需求研究了分階段調(diào)整扇區(qū)容量的策略。文獻(xiàn)[9]系統(tǒng)地研究了影響空域容量的因素與評(píng)估方法。文獻(xiàn)[10]研究了危險(xiǎn)天氣對(duì)終端區(qū)動(dòng)態(tài)容量的影響。文獻(xiàn)[11]研究了扇區(qū)主觀容量的評(píng)估模型及相關(guān)算法，并建立了區(qū)域空中交通仿真模型，完善了區(qū)域容量評(píng)估系統(tǒng)。文獻(xiàn)[12]利用馬爾科夫理論，預(yù)測飛行安全動(dòng)態(tài)的變化趨勢。

綜合分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，可以看出：對(duì)動(dòng)態(tài)扇區(qū)容量的研究起步較晚，現(xiàn)有研究大多是針對(duì)靜態(tài)容量來進(jìn)行扇區(qū)容量評(píng)估的，并且大多是從平面角度進(jìn)行分析的，缺少對(duì)三維高度層的研究。因此，本文在定義了三維飛行受限區(qū)的基礎(chǔ)上，結(jié)合飛行受限區(qū)覆蓋扇區(qū)的不同情況，建立了基于飛行受限區(qū)的扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量計(jì)算模型，并選取典型扇區(qū)進(jìn)行了評(píng)估驗(yàn)證。

1 飛行受限區(qū)

以扇區(qū)內(nèi)重要航路點(diǎn)、報(bào)告點(diǎn)和導(dǎo)航點(diǎn)為基準(zhǔn)，利用加權(quán)Voronoi圖分割法確定扇區(qū)基本單元[13]，生成元集合S={s1,s2,…，sn}。選取全國81個(gè)重要航段作為研究對(duì)象，統(tǒng)計(jì)某日08：00—22：00不同航段使用的高度層。選取流量在10架次以上的高度層為繁忙高度層，即高度為7.2～11.9 km作為本文構(gòu)建飛行受限區(qū)所用的高度層，則高度層集合為H={h1,h2,…,h16}。因此，定義扇區(qū)內(nèi)三維塊為V={vS,H}，其中：vS,H為第hi高度上的第si個(gè)單元塊，對(duì)應(yīng)流量得到權(quán)值集合W={wS,H}，wS,H為vS,H單元塊對(duì)應(yīng)的流量。

由于出現(xiàn)惡劣天氣或軍航活動(dòng)等情況，一部分空域不可以被使用，本文定義該部分區(qū)域?yàn)轱w行受限區(qū)(flight forbidden area，F(xiàn)FA)，即FFA=∑V·W。文獻(xiàn)[14]詳細(xì)闡述了飛行受限區(qū)覆蓋扇區(qū)的4種情況，即：受限區(qū)未影響任何航路(記為FFA1)、受限區(qū)未覆蓋航路但垂直距離小于安全間隔(記為FFA2)、受限區(qū)覆蓋單條航路(記為FFA3)、受限區(qū)覆蓋交叉點(diǎn)(記為FFA4)。

2 受限區(qū)影響情況分析

受限區(qū)的覆蓋位置會(huì)對(duì)扇區(qū)容量造成不同程度的影響，本節(jié)基于上述受限區(qū)覆蓋扇區(qū)的4種情況，量化出不同受限區(qū)情況對(duì)扇區(qū)容量的影響模型。

2.1 FFA2和FFA3改航情況分析

所規(guī)劃的改航路線要保證LBO·cos (min{α,β})-r≥S，其中：S為中國民航局規(guī)定的航空器與受限區(qū)的安全間隔；LBO為B到O的距離；r為受限區(qū)半徑；α、β為如圖1和圖2所示的角度。

圖1 FFA2情況下的改航示意圖 圖2 FFA3情況下的改航示意圖

2.2 FFA4改航情況分析

圖4為FFA4情況下的改航示意圖。當(dāng)有受限區(qū)影響時(shí)，考慮到管制員的工作負(fù)荷以及安全性的問題，通常不會(huì)讓兩個(gè)方向的航空器同時(shí)繞飛。采取的方式是一架航空器繞飛，另一架航空器等待。

圖3 交叉點(diǎn)航空器示意圖 圖4 FFA4情況下的改航示意圖

3 動(dòng)態(tài)容量模型

通過以上對(duì)空域限制特點(diǎn)的分析以及對(duì)不同F(xiàn)FA覆蓋情況的討論，結(jié)合扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量的概念，即單位時(shí)間內(nèi)扇區(qū)可接受的飛機(jī)數(shù)量的變化區(qū)間值，提出基于惡劣天氣影響下的空域扇區(qū)評(píng)估模型及相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。建立數(shù)學(xué)模型如下：

其中：Cdynamic為扇區(qū)總的動(dòng)態(tài)容量值；Cstatic為未被影響區(qū)域的容量值；Ceffect為被覆蓋區(qū)域的總動(dòng)態(tài)容量值；Cmax為被覆蓋區(qū)域的靜態(tài)容量值；Closs為被損失的容量值；λi為第i種情況下由于管制員因素導(dǎo)致的容量損失因子(由管制員的水平?jīng)Q定)。

4 仿真分析

圖5 西安02號(hào)扇區(qū)空域結(jié)構(gòu)圖 圖6 惡劣天氣時(shí)覆蓋扇區(qū)結(jié)構(gòu)情況

取西安02號(hào)扇區(qū)2016年10月3日08:00—10:00數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖5為西安02號(hào)扇區(qū)的空域結(jié)構(gòu)示意圖(圖5中各點(diǎn)均為航路點(diǎn)名稱)。根據(jù)氣象雷達(dá)探測到的惡劣天氣，覆蓋扇區(qū)結(jié)構(gòu)情況如圖6所示(圖6中各點(diǎn)均為航路點(diǎn)名稱)。

從圖7和圖8中可以得出：當(dāng)發(fā)生惡劣天氣時(shí)，由于形成了飛行受限區(qū)對(duì)空域結(jié)構(gòu)的覆蓋情況，扇區(qū)的容量會(huì)相應(yīng)減少。已知改航點(diǎn)到航路距離受飛行受限區(qū)的位置與受限區(qū)半徑兩個(gè)因素決定。分析圖7可以得出：損失容量與LBD呈正相關(guān)。容量損失因子λ值越大，動(dòng)態(tài)容量越大。由于管制員工作水平的高低直接影響了λ的大小，所以管制員經(jīng)驗(yàn)越豐富、能力越強(qiáng)，損失容量越小。當(dāng)LBD取100 km，λ分別為 0.1、0.2、0.3和0.4時(shí)，與沒有FFA覆蓋的情況相比，對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)容量分別減少了5.7%、11.5%、17.3%和23.1%。

由圖8可得：改航后的航空器間隔對(duì)動(dòng)態(tài)容量的影響很大。扇區(qū)的容量損失隨著改航后的航空器間隔的增加而增大，但增大到一定范圍時(shí)趨于平穩(wěn)。因此，科學(xué)地縮短航空器間隔也是提高扇區(qū)動(dòng)態(tài)容量的一種手段。

5 結(jié)論

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[2]SONGL,WANKEC,GREENBAUMD.PredictingsectorcapacityforTFMdecisionsupport[C]//6thAIAAAviationTechnology,Integration,andOperationsConference.2006:35-48.

[3]SONGL,WANKEC,GREENBAUMD.PredictingsectorcapacityforTFM[C]//7thUSA/EuropeAirTrafficManagementResearchandDevelopmentSeminar.2007:2-9.

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[5]CHENK,ZHANGY.Sectordynamiccapacityassessmentbasedonimproveddynamicdensity[C]//MultimodalTransportationSystemsConvenient,Safe,Cost-Effective,EfficientConference.2012:1837-1844.

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[9] 趙征.空域容量評(píng)估與預(yù)測技術(shù)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2015.

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國家自然科學(xué)基金委員會(huì)與中國民用航空局聯(lián)合基金項(xiàng)目(U1633124);中國民航局科技創(chuàng)新引導(dǎo)基金項(xiàng)目(20150231);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)基金項(xiàng)目(Y15-16)

王莉莉(1973-),女,陜西興平人,教授,博士,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)榭罩薪煌ü芾?

2016-12-10

1672-6871(2017)04-0035-04

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.04.008

V355

A