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        管制扇區(qū)增開方案分析驗(yàn)證

        2019-10-17 08:40:46王毅鵬李歡
        常州工學(xué)院學(xué)報 2019年3期
        關(guān)鍵詞:航路扇區(qū)航空器

        王毅鵬,李歡

        (中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院,天津300300)

        0 引言

        近年來,隨著人們對高速便捷出行方式需求的增長和我國對民航發(fā)展的大力支持,空中交通流量驟增,管制難度增加。因?yàn)樯葏^(qū)飛行量的增長不均衡,管制空域內(nèi)復(fù)雜天氣、軍航活動分布不均,所以各扇區(qū)增設(shè)需求程度不同,一般分階段進(jìn)行扇區(qū)增設(shè)增開。管制扇區(qū)的增開增設(shè),將對各扇區(qū)產(chǎn)生不同的影響,因此需要科學(xué)的分析驗(yàn)證方法。

        目前對空域扇區(qū)運(yùn)行狀態(tài)以及扇區(qū)的增開增設(shè),中外學(xué)者提出了諸多概念和分析指標(biāo)。2011年,朱承元等[1]利用SIMMOD軟件對珠三角空域機(jī)場進(jìn)行仿真研究,找出了珠三角地區(qū)飛行流量限制的關(guān)鍵因素。2012年,Horio B等[2]利用空域沖突仿真軟件對空域運(yùn)行風(fēng)險進(jìn)行了分析。2014年,王超等[3]結(jié)合計(jì)算幾何和模擬退火算法對空域扇區(qū)優(yōu)化問題進(jìn)行了研究。

        綜上所述,對于空域規(guī)劃與扇區(qū)增開,目前國內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在空域系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)的研究和軟件仿真分析上,研究指標(biāo)和問題較為單一。而相關(guān)管制部門一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷扇區(qū)的增開問題,缺乏理論與經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合。本文作者與一線管制員及專家討論確定扇區(qū)增設(shè)備選方案,并運(yùn)用TAAM(全空域與機(jī)場建模)仿真軟件,進(jìn)行多次仿真分析驗(yàn)證,綜合給出扇區(qū)增開目標(biāo)方案。

        1 管制扇區(qū)增開方案分析驗(yàn)證步驟

        1.1 備選方案的提出

        扇區(qū)增開方案的確定,需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治龊鸵痪€工作經(jīng)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合。首先根據(jù)扇區(qū)劃設(shè)方法,組織召開專家會議,并結(jié)合扇區(qū)運(yùn)行特點(diǎn),提出若干扇區(qū)增開備選方案。航路結(jié)構(gòu)、天氣因素、遠(yuǎn)期規(guī)劃、通信導(dǎo)航、軍方活動,是專家考慮的主要方面。

        1.2 空域扇區(qū)建模

        TAAM(全空域與機(jī)場建模)軟件是一個從門到門的快速仿真工具,幾乎可以對整個空中交通管理過程進(jìn)行仿真[4]。建立現(xiàn)有空域基準(zhǔn)模型及備選方案仿真模型,可以針對不同優(yōu)化方案進(jìn)行仿真分析。

        第一,建立現(xiàn)有空域基準(zhǔn)模型。根據(jù)相關(guān)資料,完成建模的數(shù)據(jù)輸入,主要包括:機(jī)場(airports)、位置點(diǎn)(waypoints)、航路(routes)、航空器性能特性、時刻表(schedule)等。然后構(gòu)建仿真環(huán)境,包括物理環(huán)境(機(jī)場布局、空域扇區(qū)劃分、SID/STAR設(shè)計(jì))和運(yùn)行環(huán)境(機(jī)位分配與滑行道使用、進(jìn)離場排序、流量管理與空域規(guī)則、機(jī)場運(yùn)行規(guī)則)。

        第二,建立不同扇區(qū)增開備選方案的仿真模型。通過對航路、時刻表等一系列數(shù)據(jù)的調(diào)整,根據(jù)未來的預(yù)期計(jì)劃,設(shè)置流量管理、空域規(guī)則等動態(tài)環(huán)境,加入航空器性能隨機(jī)因素、機(jī)場天氣模型,可以對未來空域和管制運(yùn)行有較為真實(shí)的仿真復(fù)現(xiàn)。

        1.3 空域扇區(qū)方案仿真分析

        對現(xiàn)有空域基準(zhǔn)模型及備選方案仿真模型進(jìn)行多次仿真運(yùn)行,通過Reporter工具,對TAAM仿真軟件的關(guān)鍵分析指標(biāo)進(jìn)行提取。通過方案間的對比,可以知道不同扇區(qū)增開備選方案對運(yùn)行的改善作用。本文結(jié)合TAAM仿真平臺特點(diǎn)與空域用戶的需求,從扇區(qū)流量、管制負(fù)荷、潛在沖突量、航路匯聚點(diǎn)分布4個方面進(jìn)行分析。

        1.3.1 扇區(qū)流量

        扇區(qū)流量是指單位時間內(nèi)進(jìn)入某一扇區(qū)的航空器的總數(shù)量。扇區(qū)流量是表征扇區(qū)運(yùn)行狀況的重要指標(biāo)。同等運(yùn)行條件下,隨著扇區(qū)流量的增加,管制難度也相應(yīng)增加。

        1.3.2 管制負(fù)荷

        管制負(fù)荷是指管制員監(jiān)視航空器的飛行動態(tài)、扇區(qū)間的移交以及為保障飛行安全進(jìn)行的各種管制行為。TAAM仿真軟件中,管制負(fù)荷由計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并以當(dāng)量架次為單位進(jìn)行表征。根據(jù)負(fù)荷產(chǎn)生的原因,將管制負(fù)荷分為基本負(fù)荷WLM、沖突負(fù)荷WLCF、協(xié)調(diào)負(fù)荷WLC、改高度負(fù)荷WLLC、改高度層負(fù)荷WLFL5類。管制負(fù)荷計(jì)算公式如下:

        WT=WLM+WLCF+WLC+WLLC+WLFL

        (1)

        這5類負(fù)荷需要根據(jù)其動作的復(fù)雜性分別設(shè)置調(diào)整因子[5]。

        1.3.3 潛在沖突量

        潛在沖突量是指在特定的時空范圍內(nèi),扇區(qū)中航空器發(fā)生潛在飛行沖突的次數(shù)[6]。在仿真軟件中,根據(jù)當(dāng)前狀況的模擬管制,航空器可能在某時刻會發(fā)生時空上的匯聚,將不滿足航空器間的最小間隔標(biāo)準(zhǔn)。因此,潛在沖突量判別的關(guān)鍵是對航空器未來狀態(tài)的判別。

        (2)

        若sij,min

        若sij,min≥s*, 則fi,j=0。

        式中:x表示潛在沖突量;fi,j表示航空器i和j潛在沖突的判別函數(shù);si,j,min表示航空器i和j之間的最小間隔;s*表示間隔規(guī)定。當(dāng)si,j,min

        1.3.4 航路匯聚點(diǎn)分布

        航路匯聚點(diǎn)是指在航路網(wǎng)絡(luò)中,2條以上的航段由于飛行流量匯聚而形成的航路定位點(diǎn)[7]。航路匯聚點(diǎn)處涉及的管制協(xié)調(diào)較多,分散管制員精力,因此,航路匯聚點(diǎn)的合理布局是提高扇區(qū)運(yùn)行效率、均衡不同扇區(qū)管制壓力的重要保障。

        1.4 方案模擬機(jī)驗(yàn)證與專家評議

        為了更好地驗(yàn)證不同扇區(qū)增開方案的優(yōu)劣,選擇在雷達(dá)管制模擬機(jī)上驗(yàn)證不同扇區(qū)劃分方案的實(shí)際運(yùn)行情況,為最終方案的選擇提供運(yùn)行支持。一般采用未來大流量下的航班時刻表制訂模擬機(jī)計(jì)劃,中等水平的管制員進(jìn)行模擬管制,并邀請專家參與模擬機(jī)驗(yàn)證的全過程,根據(jù)不同方案的模擬機(jī)運(yùn)行情況填寫調(diào)查問卷進(jìn)行評價。

        2 蘭州進(jìn)近管制扇區(qū)增開方案分析

        2.1 備選方案的提出

        以蘭州進(jìn)近管制扇區(qū)為例,當(dāng)前蘭州進(jìn)近管制扇區(qū)共批復(fù)5個扇區(qū),其中進(jìn)近2扇和進(jìn)近3扇合并運(yùn)行,進(jìn)近4扇和進(jìn)近5扇合并運(yùn)行。蘭州進(jìn)近管制扇區(qū)負(fù)責(zé)蘭州、西寧兩大省會機(jī)場的進(jìn)離場沖突的調(diào)配和進(jìn)場航空器的排序工作。扇區(qū)內(nèi)有JTA、BESMI、XIXAN等多個航路匯聚點(diǎn),且在部分進(jìn)離場航路上并未實(shí)現(xiàn)進(jìn)離場程序分離。隨著扇區(qū)流量的快速增長,目前開設(shè)的3個進(jìn)近管制扇區(qū)的管制壓力持續(xù)增長,為保證航空安全,需要確定扇區(qū)增開方案,并對其進(jìn)行分析論證。

        通過與10余位管制專家的討論以及多名資深管制員的交流,結(jié)合扇區(qū)運(yùn)行特點(diǎn),確定2個增開備選方案:方案一,增開進(jìn)近3扇;方案二,增開進(jìn)近5扇。

        2.2 空域扇區(qū)建模

        根據(jù)蘭州進(jìn)近空域的航班運(yùn)行數(shù)據(jù),建立現(xiàn)有空域基準(zhǔn)模型。

        應(yīng)用TAAM仿真軟件,在基準(zhǔn)模型上分別按照2個方案完成扇區(qū)開合情況的調(diào)整。2種扇區(qū)增開方案的呈現(xiàn)較為直觀,如圖1所示。

        (a)方案一仿真示意圖

        (b)方案二仿真示意圖圖1 扇區(qū)增開方案TAAM仿真模型3D示意圖

        2.3 增開方案仿真分析

        根據(jù)“十三五”規(guī)劃的相關(guān)文件,蘭州中川國際機(jī)場、西寧曹家堡機(jī)場起降航班量年增長率為8%,目標(biāo)年2020年,高峰時期中川機(jī)場單日起降架次為410架次,曹家堡機(jī)場單日起降架次為280架次,區(qū)域總保障架次為1 950架次。

        在TAAM仿真模型中以2020年航班運(yùn)行預(yù)測量(1 950架次)進(jìn)行克隆增量,多次仿真模擬不同方案下的扇區(qū)運(yùn)行和管制情況,并在扇區(qū)流量、管制負(fù)荷、潛在沖突量、航路匯聚點(diǎn)分布等方面比較2個備選方案的優(yōu)劣,為扇區(qū)增開方案的分析提供數(shù)據(jù)支撐。

        2.3.1 TAAM仿真模型中的小時流量

        為了保障飛行安全,各扇區(qū)的小時流量需要以扇區(qū)容量評估的相應(yīng)指標(biāo)為限定值。根據(jù)2個方案的扇區(qū)構(gòu)型,分別在2個TAAM模型中多次仿真,取每次仿真結(jié)果的最大值和平均值,見表1。

        根據(jù)蘭州空中交通管制規(guī)定,方案一中進(jìn)近4扇小時流量偏大,并且與進(jìn)近2扇、進(jìn)近3扇相比,小時流量不夠均衡。方案二各扇區(qū)的小時流量能基本滿足未來航班量的需要,且較為均衡。

        2.3.2 TAAM仿真模型中的管制負(fù)荷

        扇區(qū)的管制負(fù)荷一般應(yīng)控制在最大負(fù)荷的80%以下。根據(jù)蘭州進(jìn)近管制扇區(qū)的特點(diǎn),TAAM的管制負(fù)荷應(yīng)控制在75.6當(dāng)量架次以下,各扇區(qū)管制負(fù)荷情況見表2。

        表2 各扇區(qū)管制負(fù)荷 當(dāng)量架次

        由表2可以看出,2個備選方案對于合并扇區(qū)的負(fù)荷分散作用明顯。在原有扇區(qū)構(gòu)型下,進(jìn)近4扇的管制負(fù)荷明顯偏高,管制環(huán)境更為復(fù)雜,這一問題在方案一中沒有得到解決。方案二各扇區(qū)的管制負(fù)荷較為均衡,且均在最大負(fù)荷的80%以內(nèi),較好地解決了上述問題。

        2.3.3 TAAM仿真模型中的潛在沖突量

        潛在沖突量是TAAM仿真軟件關(guān)于扇區(qū)運(yùn)行情況的一個重要指標(biāo),潛在沖突量與扇區(qū)內(nèi)的航路結(jié)構(gòu)有關(guān),各扇區(qū)的潛在沖突量見表3。

        可以看出:方案一中,進(jìn)近2扇潛在沖突得到分散,而進(jìn)近4扇的潛在沖突量較多,最大值達(dá)到9次/h;方案二中,進(jìn)近2扇潛在沖突量雖然較方案一的多,但是整體較為均衡,且沒有出現(xiàn)較大的極值。

        表3 各扇區(qū)潛在沖突量 次/h

        2.3.4 TAAM仿真模型中的航路匯聚點(diǎn)分布

        航路匯聚點(diǎn)的分布直接影響管制員執(zhí)行管制任務(wù)的壓力,合理的匯聚點(diǎn)分布能夠有效分散管制負(fù)荷,保障扇區(qū)運(yùn)行安全。各扇區(qū)航路匯聚點(diǎn)的分布情況見表4。

        原進(jìn)近4扇面積較大,扇區(qū)內(nèi)航路匯聚點(diǎn)較多(15個),這是進(jìn)近4扇管制負(fù)荷較大的原因之一,這個問題在方案二中得到了較好的解決。

        表4 各扇區(qū)航路匯聚點(diǎn)分布 個

        2.4 模擬機(jī)驗(yàn)證

        為保證分析結(jié)果的合理性,對備選方案進(jìn)行模擬機(jī)驗(yàn)證。管制員與專家填寫了調(diào)查問卷,共回收調(diào)查問卷18份,其中17份支持方案二,并提出了有關(guān)建議。

        3 結(jié)語

        綜合TAAM仿真分析、管制模擬機(jī)驗(yàn)證及專家評議結(jié)果,方案二能夠比較好地解決扇區(qū)運(yùn)行存在的突出問題,驗(yàn)證結(jié)果支持增開進(jìn)近5扇。扇區(qū)增開方案的確定,需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治龊鸵痪€工作經(jīng)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合。本文通過TAAM仿真工具,實(shí)現(xiàn)了對專家會議提出的備選方案的建模仿真。構(gòu)建現(xiàn)有空域基準(zhǔn)模型及多個備選方案仿真模型,可以模擬各種場景下扇區(qū)管制運(yùn)行情況的變化,明確不同方案對未來的空域環(huán)境和管制運(yùn)行的影響,對依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行扇區(qū)增開的現(xiàn)狀有較好的改進(jìn)作用。本文所得的蘭州進(jìn)近管制扇區(qū)增開方案的分析論證得到管制部門的認(rèn)可,對管制扇區(qū)的增開規(guī)劃具有指導(dǎo)意義。

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