王澤坤，吳明功，溫祥西，聶黨民，蔣旭瑞

(1.空軍工程大學(xué) 空管領(lǐng)航學(xué)院，西安 710051)(2.空軍工程大學(xué) 國(guó)家空管防相撞技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710051)

0 引 言

低空空域資源的開發(fā)與利用，是通用航空發(fā)展的保障基礎(chǔ)。我國(guó)“十三五”期間及未來(lái)一段時(shí)期是全面建成小康社會(huì)、實(shí)現(xiàn)基本現(xiàn)代化的關(guān)鍵時(shí)期，也是實(shí)現(xiàn)由民航大國(guó)向民航強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的重要時(shí)期。對(duì)低空空域資源可用性進(jìn)行評(píng)價(jià)，其目的是在滿足現(xiàn)有空域用戶資源需求的前提下，調(diào)查低空空域可利用資源的分布情況，為確定通用機(jī)場(chǎng)建設(shè)和低空空域的管理規(guī)劃提供決策依據(jù)。

國(guó)外空域研究發(fā)展較早，不論是在管理規(guī)劃還是在理論研究方面，都比較靠前。D.K.Schmidt[1]從管制工作負(fù)荷角度分析扇區(qū)容量；A.L.David等[2]對(duì)以往容量評(píng)估方法進(jìn)行總結(jié)分析，在此基礎(chǔ)上提出了機(jī)場(chǎng)容量模型；K.D.Bilimoria等[3]通過(guò)模擬空域環(huán)境，設(shè)置航空器架次，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真評(píng)估空中交通容量；C.Wanke等[4]選擇分鐘高峰流量作為評(píng)價(jià)空域利用率的指標(biāo)，提出了初步預(yù)測(cè)空域容量的模型；針對(duì)多扇區(qū)的大范圍空域，M.Bloem等[5]采用扇區(qū)小時(shí)流量來(lái)計(jì)算空域利用率。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)也對(duì)空域資源開展了積極研究。王萍等[6]全面考慮空域管理和空域用戶需求，建立了基于灰色關(guān)聯(lián)度的空域利用率模型；李印鳳等[7]提出了機(jī)場(chǎng)終端區(qū)利用率評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；劉丹[8]從指標(biāo)的典型性及可獲得性出發(fā)，建立了空域使用效能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。但上述方法均是基于特定空域資源建立模型，具有較強(qiáng)的針對(duì)性，難以直接應(yīng)用于低空空域資源評(píng)價(jià)。

隨著低空空域活動(dòng)的不斷增加，要求低空空域放開的呼聲越來(lái)越高，針對(duì)我國(guó)低空空域資源可用性的研究也逐漸展開。劉曉紅等[9]從運(yùn)行層面上分析了我國(guó)低空現(xiàn)狀以及主要影響因素；閆少華等[10]、楊勇等[11]對(duì)我國(guó)低空空域的界定和通用航空活動(dòng)特點(diǎn)作了詳細(xì)介紹；在此基礎(chǔ)上，張波等[12]提出了包含軍事訓(xùn)練飛行等影響因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；孫千銳等[13]結(jié)合低空運(yùn)行特點(diǎn)，建立了低空空域運(yùn)行安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。但上述研究對(duì)低空空域資源的分析并未全面考慮軍/民航的影響，不能完全反映低空運(yùn)行的整體特點(diǎn)，分析結(jié)果也與實(shí)際情況有一定的出入。

本文在孫瑜[14]對(duì)江蘇省低空空域可用資源現(xiàn)狀進(jìn)行初步分析的基礎(chǔ)上，以江蘇省為例，全面考慮對(duì)低空空域運(yùn)行可能造成影響的因素，包括航路航線、民航終端區(qū)、進(jìn)近空域以及危險(xiǎn)區(qū)、限制區(qū)、軍航飛行管制邊界、機(jī)場(chǎng)等對(duì)低空空域的影響，得到可用低空空域資源范圍；并采用回歸分析的方法，結(jié)合低空空域用戶需求，建立低空空域資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)計(jì)算和采集到的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到空域資源的利用情況；最后通過(guò)實(shí)例，驗(yàn)證該模型的可行性，以期為低空空域資源的研究分析提供參考。

1 回歸分析

1.1 多元線性回歸理論

在實(shí)際問(wèn)題中，如果一個(gè)變量同時(shí)受到多個(gè)獨(dú)立變量的影響，且總體呈線性關(guān)系，由此引入多元線性回歸模型[15]。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

y=C0+C1X1+…+CmXm+e

(1)

式中：m為解釋變量的數(shù)目；Ci(i=1,2,…,m)為回歸系數(shù)；e為隨機(jī)誤差項(xiàng)，其均值E(e)=0,方差D(e)=σ2。

為了使回歸模型具有良好的解釋能力，建立多元線性回歸模型之前，首先要對(duì)自變量進(jìn)行選擇，并注意以下四點(diǎn)：

①自變量與因變量之間具有明確的線性關(guān)系；

②自變量之間相互獨(dú)立，即各變量不存在影響關(guān)系；

③誤差應(yīng)服從正態(tài)分布且期望為0；

④自變量應(yīng)保證能采集到完整的樣本數(shù)據(jù)。

1.2 回歸分析流程

作為數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型，回歸分析有嚴(yán)格的適用條件，在分析的過(guò)程中要不斷對(duì)模型進(jìn)行判斷，具體流程如圖1所示。

回歸分析的具體步驟如下：

(1) 整理原始數(shù)據(jù)，制作散點(diǎn)圖，觀察自變量與因變量之間的關(guān)系，確定線性關(guān)系。

(2) 進(jìn)行多元線性回歸分析。通過(guò)對(duì)擬合優(yōu)度(R檢驗(yàn))、方程總體線性顯著性(F檢驗(yàn))、自變量顯著性(t檢驗(yàn))三類檢驗(yàn)，最終判定指標(biāo)的選取是否正確以及方程的線性關(guān)系是否顯著。

圖1 多元線性回歸分析流程

2 低空空域資源可用性指標(biāo)體系

2.1 影響因素確定

低空空域資源可用性影響因素是空域資源評(píng)價(jià)指標(biāo)的來(lái)源，其反映了空域資源的特征，并在很大程度上決定了指標(biāo)體系的科學(xué)性和完善性，因此需要多角度、全方位地分析其影響因素。

根據(jù)低空空域資源的特殊性，在對(duì)某戰(zhàn)區(qū)空軍航管處、民航運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)以及多個(gè)通用機(jī)場(chǎng)調(diào)研后，結(jié)合通用機(jī)場(chǎng)選址所需考慮的相關(guān)問(wèn)題和低空空域使用和審批流程，按照指標(biāo)選取的完整性、可操作性、系統(tǒng)性原則，最終分析得出以下七種主要影響因素：①危險(xiǎn)區(qū)靶場(chǎng)；②軍航穿云航線；③軍用機(jī)場(chǎng)鄰接區(qū)；④民用機(jī)場(chǎng)本場(chǎng)空域；⑤軍航飛行管制區(qū)/分區(qū)邊界；⑥民航機(jī)場(chǎng)進(jìn)近空域；⑦航路航線。

2.2 關(guān)鍵指標(biāo)的確定

低空空域資源可用性受到多方面的影響[16]，而指標(biāo)集選取并不是越多越好，由于存在相互影響，甚至?xí)邪P(guān)系，評(píng)價(jià)結(jié)果反而與實(shí)際相差甚遠(yuǎn)，因此根據(jù)對(duì)指標(biāo)集的簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn)：

(1) 對(duì)目標(biāo)信息反映較少的指標(biāo)應(yīng)當(dāng)刪除；

(2) 指標(biāo)集之間應(yīng)該相互獨(dú)立。

對(duì)上述指標(biāo)集進(jìn)行簡(jiǎn)化，并經(jīng)過(guò)多次數(shù)據(jù)分析，采取不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)以及不同的分析方法，綜合比較，最后得出一組能全面反映低空空域資源可用性實(shí)際情況，并且相互獨(dú)立的評(píng)價(jià)指標(biāo)集。按照其影響程度的大小分為以下五類評(píng)價(jià)指標(biāo)。

第Ⅰ類指標(biāo)：通用航空機(jī)場(chǎng)本場(chǎng)空域中危險(xiǎn)區(qū)、穿云航線區(qū)所占面積比例；

第Ⅱ類指標(biāo)：通用航空機(jī)場(chǎng)本場(chǎng)空域中軍航鄰接區(qū)所占面積比例；

第Ⅲ類指標(biāo)：通用航空機(jī)場(chǎng)本場(chǎng)空域中民航雷達(dá)空域所占面積比例；

第Ⅳ類指標(biāo)：通用航空機(jī)場(chǎng)本場(chǎng)空域中管制邊界、進(jìn)近管制空域所占面積比例；

第Ⅴ類指標(biāo)：通用航空機(jī)場(chǎng)中心與周圍軍航穿云航線區(qū)邊界和危險(xiǎn)區(qū)邊界的最短距離，取最小值(若通用航空機(jī)場(chǎng)中心位于此類空域內(nèi)，距離計(jì)為0)。

在計(jì)算各影響因素所占面積比時(shí)，會(huì)出現(xiàn)同一塊空域受到不止一類指標(biāo)的影響，本文作出如下簡(jiǎn)化：當(dāng)多種指標(biāo)影響同一片空域，即出現(xiàn)指標(biāo)疊加時(shí)，只考慮影響較大的指標(biāo)因素，最終各指標(biāo)的面積比之和必然不大于1。

2.3 低空資源可用性評(píng)價(jià)方法

為了使指標(biāo)對(duì)低空空域資源的影響量化，結(jié)合通用機(jī)場(chǎng)半徑5 km的本場(chǎng)空域范圍，考慮各指標(biāo)對(duì)所評(píng)價(jià)低空空域資源的影響情況時(shí)，將空域內(nèi)各影響指標(biāo)所占空域比值作為其對(duì)該空域的影響值。由于各指標(biāo)對(duì)低空空域資源的影響程度并不相同，采用回歸分析的方法求得上述指標(biāo)權(quán)重。

根據(jù)已選定的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立回歸賦權(quán)方程：

(2)

式中：AA為該低空空域資源可用性值；C為常數(shù)項(xiàng)；Wi為第i類指標(biāo)權(quán)重；ACi為第i類空域面積占比；L為該低空空域與重點(diǎn)空域(危險(xiǎn)區(qū)等)距離；Wl為距離指標(biāo)權(quán)重；ε為誤差項(xiàng)。

對(duì)于低空空域資源使用情況，將低空空域資源根據(jù)其被占用情況劃分為10個(gè)等級(jí)，1，2，3，…，10分別代表空域資源可用性程度。邀請(qǐng)空域資源與規(guī)劃方面相關(guān)專家，分別對(duì)所選取的各片低空空域打分，計(jì)算得出平均值，計(jì)為該空域的空域資源可用性等級(jí)，并從中選取多個(gè)空域進(jìn)行多元線性回歸分析，根據(jù)回歸結(jié)果，得出各指標(biāo)權(quán)重。

3 實(shí)例分析

3.1 江蘇省低空空域使用基本概況

經(jīng)調(diào)查，影響江蘇省低空空域的有14個(gè)軍用機(jī)場(chǎng)，24個(gè)民用機(jī)場(chǎng)。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，軍航機(jī)場(chǎng)鄰接區(qū)與民航機(jī)場(chǎng)雷達(dá)空域都有嚴(yán)格的范圍界定。江蘇省內(nèi)各民航機(jī)場(chǎng)本場(chǎng)空域面積如圖2和表1所示，民用機(jī)場(chǎng)空域總面積為12 941.322 9 km2。

圖2 江蘇省空域使用情況

民用機(jī)場(chǎng)(共11個(gè)通航機(jī)場(chǎng))本場(chǎng)空域面積/km2南京祿口機(jī)場(chǎng)1 950.877 8徐州觀音機(jī)場(chǎng)812.746 1連云港白塔埠1 200…………新沂849.380 4

軍航將江蘇省空域劃分為管制分區(qū)和機(jī)場(chǎng)管制區(qū)。軍航訓(xùn)飛活動(dòng)通常是在部隊(duì)所屬的飛行管制分區(qū)或機(jī)場(chǎng)飛行管制區(qū)內(nèi)實(shí)施，訓(xùn)練期間將限制所在管制區(qū)及邊界臨近空域范圍內(nèi)除民航定期航班之外的所有飛行活動(dòng)。

根據(jù)《中國(guó)民航班機(jī)航線匯編》，在圖2中畫出江蘇省域的民航干線航路[17]，并標(biāo)注出危險(xiǎn)區(qū)、限制區(qū)以及邊界。

3.2 江蘇省低空空域資源回歸分析

綜合上述空域資源使用情況，危險(xiǎn)區(qū)、靶場(chǎng)、軍航鄰接區(qū)、民航雷達(dá)空域(通航本場(chǎng)空域)、管制界線這五類空域?qū)Φ涂湛沼蛸Y源的使用影響最大，不建議計(jì)入低空空域資源，因此將上述空域除外，可以繪制江蘇省低空空域資源分布圖，如圖3所示，各部分可用空域面積如表2所示。結(jié)合通用航空機(jī)場(chǎng)建設(shè)，為充分利用低空空域資源提供有力的技術(shù)支持。

圖3 江蘇省低空空域資源分布

模塊面積/km2模塊面積/km21714101 06121 7571156…………933918618

從表2可以看出：各部分可用空域面積總和為41 455 km2。

江蘇省通用機(jī)場(chǎng)布局規(guī)劃如圖4所示，依據(jù)各機(jī)場(chǎng)的場(chǎng)址，對(duì)每一個(gè)通航機(jī)場(chǎng)的低空空域資源可用性進(jìn)行“專家打分”，最終得到各通航機(jī)場(chǎng)的低空空域資源可用性值。

圖4 江蘇省通用機(jī)場(chǎng)布局規(guī)劃

為了使理論研究與實(shí)際相結(jié)合，以江蘇省遠(yuǎn)期規(guī)劃中的通用航空機(jī)場(chǎng)選址作為數(shù)據(jù)選取對(duì)象，分別得出各類評(píng)價(jià)指標(biāo)的取值；并邀請(qǐng)多名空域管理和規(guī)劃領(lǐng)域?qū)＜?，?duì)所選通航機(jī)場(chǎng)本場(chǎng)空域按照十分制的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打分。空域資源評(píng)價(jià)總樣本如表3所示。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和評(píng)分結(jié)果，使用數(shù)據(jù)分析工具對(duì)總體樣本進(jìn)行回歸分析，所得結(jié)果如圖5所示。

表3 空域資源評(píng)價(jià)總樣本

圖5 原始數(shù)據(jù)分析結(jié)果

該模型采用殘差95%的置信區(qū)間，圖5中的第一張表為R檢驗(yàn)表，第二張表為F檢驗(yàn)表，第三張表為t檢驗(yàn)表。

從R檢驗(yàn)表可以看出：MultipleR=0.94 246，即指標(biāo)集與低空空域資源之間高度正相關(guān)；RSquare=0.88 823，表明選取的指標(biāo)可以解釋低空空域資源可用性變差的88.82%；AdjustedRSquare=0.8 781，即選取的指標(biāo)集可以說(shuō)明低空空域資源可用性的87.81%。標(biāo)準(zhǔn)誤差越小，說(shuō)明擬合程度越好。

從F檢驗(yàn)表可以看出：SignificanceF(F顯著性統(tǒng)計(jì)量)遠(yuǎn)小于顯著性水平0.05，因此該模型總體回歸效果較好。

從t檢驗(yàn)表可以看出：E列為各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重的t統(tǒng)計(jì)量的P值，該列的E17～E22均遠(yuǎn)小于顯著性水平0.05，因此該方程中的指標(biāo)集與低空資源可用性相關(guān)，即這些指標(biāo)集的回歸系數(shù)顯著。

預(yù)測(cè)的偏差如表4所示，預(yù)測(cè)值與對(duì)應(yīng)殘差之間分布圖如圖6所示。

表4 預(yù)測(cè)偏差

圖6 預(yù)測(cè)值與對(duì)應(yīng)殘差之間分布圖

從圖6可以看出：除個(gè)別點(diǎn)外，該模型總體上滿足殘差的等方差性要求。整個(gè)分析結(jié)果表明對(duì)應(yīng)總體的模型較好地滿足了多元線性回歸模型的要求。

最終得到回歸方程為

y= 6.5688-5.468AC1-4.857AC2-

4.797AC3-3.701AC4+0.038L

(3)

從分析結(jié)果可以得出：危險(xiǎn)區(qū)和軍航穿云航線區(qū)對(duì)低空空域可用性影響最大，軍航鄰接區(qū)與民航雷達(dá)空域?qū)Φ涂湛沼蛸Y源的影響基本一致。

對(duì)比現(xiàn)有通航機(jī)場(chǎng)，將徐州楊廟通用機(jī)場(chǎng)各數(shù)據(jù)帶入式(3)，得到結(jié)果為7.2，而該空域內(nèi)無(wú)各類空域用戶活動(dòng)，且距離危險(xiǎn)區(qū)邊界17 km以上，運(yùn)行良好；將江陰華西通用機(jī)場(chǎng)各數(shù)據(jù)帶入式(3)，得到結(jié)果為0.98，整個(gè)空域位于軍航穿云航線下方，空域難于協(xié)調(diào)，運(yùn)行不便。各通航機(jī)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況與預(yù)測(cè)結(jié)果基本相符，證明了方法的實(shí)用性和有效性。

4 結(jié) 論

本文采用回歸分析方法，有效地對(duì)低空空域資源進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1) 原始數(shù)據(jù)易于獲取，運(yùn)算方法簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)。運(yùn)用大量數(shù)據(jù)分析，結(jié)果真實(shí)可靠。

(2) 引入空域用戶需求，選取五類評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)低空空域比較全面、準(zhǔn)確地作出評(píng)價(jià)。

(3) 評(píng)價(jià)結(jié)果給出低空空域資源可用性值，可以對(duì)范圍內(nèi)低空空域使用情況作出清晰判斷，為低空空域使用和通航機(jī)場(chǎng)的建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。