李純柱

（中國民用航空華北地區(qū)空中交通管理局天津分局，天津 300300）

影響飛行安全和導致民航運行事故的因素較多。目前，考慮飛行安全的重要性，國內(nèi)外學者已從人的因素、航空器機載設(shè)備因素及地面通訊導航設(shè)備因素等方面進行相關(guān)研究，但不良天氣對民航安全運行造成的影響一直未能解決。遭遇非常規(guī)天氣時，航空器在航路上飛行有可能導致航班延誤，甚至發(fā)生航空安全事件，為保障航空器飛行的安全和效率，必須及時對航空器進行改航飛行。

國外，針對改航問題的研究主要集中在規(guī)劃航班改航路徑、非常規(guī)天氣即將影響的區(qū)域、航班改航后的放行時間3 個方向。文獻[1]分析了極端天氣的具體案例，并給出航空器在航路飛行階段相應的安全評估策略。文獻[2-3]基于網(wǎng)格、自由飛行的改航規(guī)劃，利用雷達回波并根據(jù)非常規(guī)天氣影響的范圍，制作網(wǎng)絡(luò)圖等方法，給出相應的管制策略。經(jīng)過多次改進，這些方法在使用時具有空域分配合理、搜索范圍可變、改航路徑簡單等諸多特點，但在航路結(jié)構(gòu)及不同環(huán)境下航空器改航路線的多變隨機性等方面考慮不夠充分，很可能由于天氣變化導致改航規(guī)劃計算量增加。

國內(nèi)，高政[4]針對動態(tài)飛行空域的實時改航，提出了基于橢圓邊界的改航路徑規(guī)劃方法。徐肖豪等[5]設(shè)計出動態(tài)天氣下的航線規(guī)劃工具，能夠連續(xù)自動地分析空域內(nèi)的飛行情況并進行航線修正，進而有效規(guī)避惡劣天氣。萬莉莉等[6]將地面等待和空中等待與改航策略相結(jié)合建立多目標優(yōu)化模型。楊雙雙[7]通過對多目標模型分析得到最優(yōu)的改航策略，對不利氣象對飛行的影響進行簡要分析，并建立了各種飛行受限制區(qū)域模型。王莉莉等[8]提出基于橢圓的改進威脅概率模型，通過分析得出最佳改航路徑并確定最小改航時間。王飛等[9]采用人工勢場理論對航空器進行靜態(tài)航路規(guī)劃研究。張兆寧等[10]針對多機改航問題建立了改進人工勢場的多機動態(tài)改航模型。趙召娜等[11]采用刪格法建立環(huán)境模型及改進蟻群算法的改航模型。張兆寧等[12]針對終端危險區(qū)的特點，提出基于多重Morphin算法的終端區(qū)三位實時改航方法。呂宗平等[13]運用形態(tài)學方法，從雷暴圖中分析空中限制區(qū)，考慮改航的可能性及便捷性，保證航空器繞開限制區(qū)后得到最短航程。

近年來對航班改航問題的研究多是基于數(shù)學模型并運用不同數(shù)學算法推算出改航方案，主要以理論數(shù)據(jù)分析為主，在理想狀態(tài)下經(jīng)過嚴密計算得到的結(jié)論與多變的實際運行情況結(jié)合不夠緊密。因此，研究根據(jù)非常規(guī)天氣的單體云體實際形狀及運行方向，并結(jié)合航空器的計劃航線和航路結(jié)構(gòu)，通過推算得出操作性強、便于運行實施的改航方案。

1 改航策略研究

各類非常規(guī)天氣中，經(jīng)常遇到雷暴、臺風、大雨，風切變，顛簸等情況。數(shù)據(jù)表明，航空器在空中風速大于11 m/s 的條件下飛行時，飛行員的操控難度明顯增加，若同時在雷雨或降水中飛行，其操控將更加困難。在實際運行中，雷雨和大風及風切變常常同時出現(xiàn)，有時還伴有閃電和冰雹。因此，對飛行員來說，面對非常規(guī)天氣提前做好正確的改航路線尤為重要。

改航策略通常有兩種：垂直改航策略和水平改航策略。一般情況下飛行員會依據(jù)氣象雷達數(shù)據(jù)提出一種改航策略，管制員可根據(jù)實際運行情況提供具體改航方法或建議。下面將分析面對不同天氣條件下，應該如何制定改航策略，計算改航路線。

1.1 垂直改航策略

在非常規(guī)天氣中，如果孤立分散的積雨云體形成熱雷暴或地形雷暴，云頂?shù)母叨纫话愫芨?，只有?zhí)行改航的航空器升限性能滿足爬升高度要求且油料充足，并在其他各方面條件允許時，才可以從高于云頂至少1 500 m 的云上飛越。非常規(guī)天氣不斷發(fā)生變化，影響范圍的判斷結(jié)果并不是一成不變的，采取這種方法必須在改航前對天氣影響范圍、飛機性能等因素進行嚴密分析后才能選擇。

云下繞飛由于限制較多，一般在非常規(guī)天氣下改航時很少采用，除非云下未出現(xiàn)降水，能見度足夠好，航空器已臨近機場并準備著陸時，才有可能選擇云下繞飛。

1.2 水平改航策略

對于水平繞飛，結(jié)合天氣系統(tǒng)的影響范圍及運行趨勢，根據(jù)單體云體形狀及運行方向，分析在不同天氣情況下的6 種改航方法。不同的改航方案，將影響到航空器的改航角度、飛行距離、安全余度及改航后航空器間的水平間隔等航行要素，應依據(jù)實際情況而定。

圖1為需尋求改航的路線圖。隨機形狀的圖形表示需要繞飛躲避的區(qū)域，A 為改航起始點，B 為改航結(jié)束點?？紤]到航空器與非常規(guī)天氣系統(tǒng)之間保持的安全間隔，應沿天氣系統(tǒng)外圍畫出受限制保護區(qū)域。

圖1 考慮安全間隔的非常規(guī)天氣與航路Fig.1 Special weather and air route considering safe seperation

1）改航方法1

航空器從改航起始點A 飛至繞飛區(qū)域頂點b 或f，然后沿繞飛區(qū)域邊界飛行，結(jié)束于B 點，則得到距離較短的兩條路線：A—b—c—B、A—f—e—B，如圖2所示。如采用A—b—c—B 路線，定義繞飛區(qū)域頂點b 到原航路的垂直距離為G，垂直點到改航起始點的距離為L，則偏離原航路的角度應滿足tan φ=G/L（以下改航方法其改航角度的計算同理）。

圖2 改航方法1Fig.2 Rerouting strategy One

該方法適用于云體移動較慢、范圍較小、云體邊界強度較弱的情況，只需引導航空器直接飛向繞飛區(qū)域的頂點b 或f，路線規(guī)劃簡單，航空器飛行路徑較短。

2）改航方法2

航空器先直飛至與A 點最近的繞飛區(qū)頂點a 或g，有如下路線：A—a—b—c—B、A—g—f—e—B，如圖3所示，航空器沿繞飛區(qū)域邊界飛行。

該方法適用于云體移動范圍較大、移動較慢，飛行員對前方天氣發(fā)展不太確定的情況。其特點是操作簡單、不需要計算，引導航空器直接切入安全邊界即可，但沿邊界的飛行方法存在飛行路徑長且需要多次轉(zhuǎn)彎、航向改變頻繁等缺點。

圖3 改航方法2Fig.3 Rerouting strategy Two

3）改航方法3

從改航起始點A 和改航結(jié)束點B 出發(fā)，分別對繞飛區(qū)域作切線，這兩條切線兩兩相交，交于點R1、R2，圍成兩條繞飛路線，即：A—R1—B、A—R2—B，如圖4所示。

圖4 改航方法3Fig.4 Rerouting strategy Three

該方法適用于天氣系統(tǒng)范圍較小，其運行方向與計劃航路交叉或接近垂直時使用。由于改航路線只有一個轉(zhuǎn)彎點，便于飛行員操作，若選擇上風口的方向繞航，繞航路徑還能逐漸縮短，此方法在實際運行中使用較為方便。

4）改航方法4

分別在繞飛區(qū)域的四周作兩條垂直于航路的切線、兩條平行于航路的切線，得到如圖5所示的I、II兩種飛行路線。

圖5 改航方法4Fig.5 Rerouting strategy Four

該方法適用于天氣系統(tǒng)影響范圍不是很大，云體運行方向與計劃航路接近平行時使用。改航航空器無需按照繞飛區(qū)域的邊界飛行，轉(zhuǎn)彎點少，與云體間有充足的安全余度，飛行員及管制員可有效減少工作負荷，缺點是航空器飛行距離增加，影響經(jīng)濟效益。

5）改航方法5

圖6為沿繞飛區(qū)域外圍做作兩條切線。第1 條切線從A 點向繞飛區(qū)域作切線，第2 條切線是與計劃航路垂直的外圍切線。航空器先從改航起始點A 直飛兩條切線相交點，再飛往改航結(jié)束點B。

圖6 改航方法5Fig.6 Rerouting strategy Five

該方法適用于天氣系統(tǒng)影響范圍小，運行方向與計劃航路交叉或接近垂直時使用。其優(yōu)點是與方法四相比，一定程度上縮短了改航路徑，可以靈活掌握切回計劃航路的時機，且便于控制航空器間的水平間隔。

6）改航方法6

當天氣系統(tǒng)擋住某個計劃航路的航路轉(zhuǎn)彎點，直飛下一個或其他航路點能夠完全繞過天氣系統(tǒng)時，可以實施如下改航方法，即A 點直飛B 點，如圖7所示。

圖7 改航方法6Fig.7 Rerouting strategy Six

該方法適用于天氣系統(tǒng)影響范圍不大、運行緩慢的情況。其優(yōu)點是改航路線易于規(guī)劃、無轉(zhuǎn)彎點、距離短、飛行員易于接受，缺點是偏離航路過多，如航空器改航后需要飛入其他管制區(qū)，需提前與相關(guān)管制單位協(xié)調(diào)。此方法實際工作中運用較多。

上述6 種改航方案適用于不同的實際運行情況，管制員在選擇時應根據(jù)本區(qū)域航路結(jié)構(gòu)、空域結(jié)構(gòu)、扇區(qū)劃分及天氣情況的發(fā)展形勢等因素綜合考慮，選擇最適合的改航路線提供給飛行員，以便機組人員盡快確定最優(yōu)改航路線。

2 案例分析與驗證

2.1 強臺風“利奇馬”簡介

臺風“利奇馬”于北京時間2019年8月7日23時被中央氣象臺升級為超強臺風后，持續(xù)向北移動，并向中國沿海逐漸靠近，于8月10日1 時45 分在浙江溫嶺市沿海登陸，沿華東地區(qū)繼續(xù)北上。8月12日起進入渤海海域，開始影響天津進近管制區(qū)附近航路，如圖8所示。該臺風具有登陸強度強、陸上滯留長、風雨強度大、影響范圍廣、災害影響重等特點。

根據(jù)天津氣象中心對“利奇馬”雷達圖的分析報告，8月12日“利奇馬”中心南側(cè)有大片云團，海上的暖濕空氣不斷向北輸送，進一步為“利奇馬”提供能量。圖9為當日天津機場氣象臺提供的氣象雷達圖。

圖9雷達圖可看出，03 時35 分后臺風外圍螺旋云帶已開始影響天津附近航路，對流云團主要位于南側(cè)，由此可預測天津機場將被“利奇馬”大片云團控制，出現(xiàn)較長時間強陣雨。

2.2 改航策略

氣象部門通知，受臺風外圍云系影響，當日天津區(qū)域附近有大到暴雨，同時伴有5～7 級大風，渤海海面風力可達8～12 級。受“利奇馬”正面襲擊，天津機場持續(xù)降水6 h，最大風力達31 m/s。

參考圖9，該風暴強降水天氣占據(jù)航路點VYK 以南，緩慢向東北方向移動，影響阻礙了部分天津進港航班的正常飛行。當時，A593、B215 兩航路有航班進港，均需要改航?？紤]到VYK 附近為航空器高密度運行空域，云層上方飛越航空器較多及可使用高度層的限制，無法實現(xiàn)垂直改航策略。因此，只能實施水平方向的改航策略。

首先，列出天津進近的3 條航路和熱帶風暴的影響范圍示意圖，如圖10 所示，該示意圖范圍已考慮了與雷雨應保持的安全間隔。

圖10 天津3 條進近航路和熱帶風暴影響位置示意圖Fig.10 Three approach airways affected by tropical storm in Tianjin

當日兩個進港航班與熱帶風暴影響范圍及3 條航路的相對位置，如圖11 所示。CES5325 航班飛行路線為JB—B215—VYK—CG 來津落地，另一航班CHH7206 則執(zhí)行BTO—A593—VYK—CG 來津落地路線，其中，B、C 分別為CHH7206 和CES5325 航班的改航起始點。

圖11 CHH7206 和CES5325 改航策略示意圖Fig.11 Diagram of rerouting strategy of CHH7206 and CES5325

根據(jù)氣象資料提供的熱帶風暴的影響范圍，對于CES5325 航班，考慮到左側(cè)為繁忙的首都終端管制扇區(qū)，強降水天氣逐漸北移，不宜左轉(zhuǎn)改航，應選擇右轉(zhuǎn)改航。CHH7206 航班采取與CES5325 航班同樣的改航方法也選擇右轉(zhuǎn)改航。為提高安全裕度，要注意錯開高度層，保持足夠垂直間隔，同時，考慮到兩機飛越風暴影響區(qū)后的降落排序和水平間隔，應選取不同改航結(jié)束點。

具體改航策略是：CES5325 航班改航方法采用前面論述的改航方法三，改航結(jié)束點選擇LADIX，從該機的改航起始點和LADIX 依次向影響區(qū)域作切線，兩條切線相交于A 點，改航后CES5325 航班將直飛A點，并在A 點轉(zhuǎn)彎后飛向LADIX（CES5325 的航向改變角度tan φ1=G1/L1，其中，G1為A 點至B215 的垂直距離，L1為A 點相應垂點至改航起始點C 的距離）；CHH7206 航班改航方法采用改航方法六，提前協(xié)調(diào)相關(guān)管制單位，得到同意后，指揮CHH7206 航班由改航起始點B 直飛CG 導航臺。兩機改航后落地順序明確，且獲得較大水平間隔，為后續(xù)調(diào)配提供了便利。

后續(xù)另有兩航班進港，當時強降水天氣已逐漸北移。CCA1417 航班的計劃飛行路線為JB—B215—VYK—CG來津落地，另一航班CSH9132 的計劃飛行路線為BTO—A593—VYK—CG，如圖12 所示。

圖12 CCA1417 和CSH9132 改航策略示意圖Fig.12 Diagram of rerouting strategy of CCA1417 and CSH9132

具體改航策略是：兩機均采用改航方法六的改航策略，提前協(xié)調(diào)相關(guān)管制單位得到同意后，由改航起始點直飛改航結(jié)束點，只不過CCA1417 航班選擇的改航結(jié)束點為LADIX。選擇這種點對點直飛，改航路線簡單，飛行員易于操作，工作負荷有效降低，提高了安全裕度。同時，此方案為兩航班歸航過程提供較充足的水平間隔，也便于管制員后續(xù)指揮。

3 結(jié)語

根據(jù)航空器計劃航路與非常規(guī)天氣的影響范圍及運行方向的相互關(guān)系，制作模擬圖形，并運用邏輯推算的方法，提出改航策略。重點分析了各種水平改航策略的使用方法及優(yōu)缺點，并結(jié)合實例驗證，結(jié)果表明，所提出的改航策略是有效的。如果在實際運用中，能夠?qū)⒔?jīng)過論證的改航公式輸入到管制自動化系統(tǒng)工具中，在航空器需要改航時，將繞航線路顯示在雷達視頻圖上作為參考，可提高管制員工作效率，降低管制工作負荷，提高航空安全水平。