程驍丁

(中國(guó)民航技術(shù)裝備有限責(zé)任公司, 北京 100027)

多機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)(multi-airport system, MAS)指某一區(qū)域內(nèi)存在兩個(gè)及以上彼此靠近且同時(shí)運(yùn)行的商業(yè)機(jī)場(chǎng),并由同一終端空域管制單位提供服務(wù)的系統(tǒng)。多機(jī)場(chǎng)終端區(qū)內(nèi)密集的機(jī)場(chǎng)分布導(dǎo)致其運(yùn)行關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)。受當(dāng)前空中交通管理(air traffic management, ATM)模式和航空器導(dǎo)航設(shè)備性能限制,各機(jī)場(chǎng)的進(jìn)離場(chǎng)時(shí)隙配置尚未得到統(tǒng)一有效的管理,且各機(jī)場(chǎng)的進(jìn)離場(chǎng)航空器需使用終端區(qū)空域公共進(jìn)出口點(diǎn)和進(jìn)離場(chǎng)航段,因此區(qū)域內(nèi)關(guān)鍵位置的運(yùn)行態(tài)勢(shì)繁忙且復(fù)雜,成為限制終端區(qū)容量和運(yùn)行效率的重要瓶頸。

針對(duì)此問(wèn)題,學(xué)者們的研究方向集中于終端區(qū)空域結(jié)構(gòu)-進(jìn)離場(chǎng)航線設(shè)計(jì)、交通流分析、運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估與容量預(yù)測(cè)等。由于進(jìn)場(chǎng)航空器在運(yùn)行過(guò)程中機(jī)動(dòng)性較大,且具有更高的隨機(jī)性和時(shí)變性,因此普遍將進(jìn)場(chǎng)航空器作為主要調(diào)整對(duì)象。在空域結(jié)構(gòu)分析方面,Murca等[1-2]選擇全球范圍內(nèi)數(shù)個(gè)多機(jī)場(chǎng)系統(tǒng),根據(jù)航空器歷史航跡數(shù)據(jù),利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法評(píng)估各MAS在空域結(jié)構(gòu)、容量和運(yùn)行效率等方面的差異,以此為復(fù)雜空域的容量規(guī)劃提供決策支持。在交通流分析方面,劉繼新等[3]提出了基于密度峰值的終端區(qū)航跡聚類與異常識(shí)別方法。孫淑光等[4]提出了基于高程異常補(bǔ)償?shù)娘w機(jī)終端區(qū)組合導(dǎo)航高度優(yōu)化方法。Carmona等[5]基于復(fù)雜系統(tǒng)的思想,通過(guò)比較標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)離場(chǎng)航線與航空器實(shí)際運(yùn)行軌跡之間的差異,分析終端區(qū)空域的運(yùn)行效能和延誤原因。在運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估與容量預(yù)測(cè)方面,Wang等[6]基于實(shí)時(shí)氣象信息、機(jī)場(chǎng)跑道運(yùn)行配置和歷史航跡數(shù)據(jù),提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的深度學(xué)習(xí)框架,用于預(yù)測(cè)MAS中各機(jī)場(chǎng)的機(jī)場(chǎng)接受率,以此支持終端區(qū)內(nèi)的交通流管理。張金鵬等[7]基于航跡分類方法研究了終端區(qū)交通流非線性特征。

上述學(xué)者的研究對(duì)象多為當(dāng)前技術(shù)和運(yùn)行規(guī)則下的終端區(qū)空域。隨著空中交通管制理念和通信、導(dǎo)航、監(jiān)視技術(shù)的不斷發(fā)展,尤其以終端區(qū)連續(xù)下降運(yùn)行(continuous descending operation, CDO)為代表的進(jìn)場(chǎng)航空器自主運(yùn)行模式的提出與逐步應(yīng)用,為解決相關(guān)問(wèn)題提供了新的思路。

以自由航路空域(free route airspace, FRA)和基于航跡運(yùn)行(trajectory based operation, TBO)為背景的航空器自主運(yùn)行模式和機(jī)載分布式ATM系統(tǒng)不斷投入使用,使得航空器對(duì)所在空域的運(yùn)行態(tài)勢(shì)感知能力大大增強(qiáng)[8]。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system, GNSS)和地基(導(dǎo)航)增強(qiáng)系統(tǒng)(ground-based augmentation system, GBAS)為航空器執(zhí)行CDO模式提供了導(dǎo)航支持[9],執(zhí)行CDO模式的進(jìn)場(chǎng)航空器將不必依賴地面導(dǎo)航臺(tái)指引并遵循固定航路運(yùn)行。其進(jìn)場(chǎng)程序?qū)⑴c當(dāng)前運(yùn)行模式有較大差異,當(dāng)前的終端區(qū)劃分和運(yùn)行規(guī)則較為剛性,不利于充分發(fā)揮CDO模式的靈活性[10]。

在此技術(shù)背景下,學(xué)者們開(kāi)展了大量研究。Toratani等[11]提出一種由飛行控制系統(tǒng)與地面管制員協(xié)商控制的固定梯度角下降(fixed flight-path angle, Fixed-FPA)技術(shù)。Saez等[12]提出一種“長(zhǎng)號(hào)(Trombone)形狀”的區(qū)域?qū)Ш竭M(jìn)近程序。楊磊等[10]設(shè)計(jì)了一種點(diǎn)融合(point merge, PM)理念引導(dǎo)的倒皇冠形進(jìn)場(chǎng)空域結(jié)構(gòu),并規(guī)范了該空域內(nèi)航空器運(yùn)行程序。向征等[13]提出了基于多目標(biāo)融合及改進(jìn)遺傳算法的終端區(qū)進(jìn)場(chǎng)協(xié)同排序方法。上述學(xué)者有關(guān)CDO模式的研究對(duì)象多為單一機(jī)場(chǎng)。針對(duì)多機(jī)場(chǎng)終端區(qū)CDO模式的研究相對(duì)較少,多機(jī)場(chǎng)終端區(qū)CDO模式運(yùn)行的研究仍處于發(fā)展階段。

綜上所述,在當(dāng)前運(yùn)行模式下,終端區(qū)內(nèi)交通流時(shí)空分布不均,空域結(jié)構(gòu)和航線設(shè)計(jì)無(wú)法完全滿足航空運(yùn)輸需求,已成為限制空域容量和航空器運(yùn)行效率的關(guān)鍵因素。隨著CDO模式不斷實(shí)行,進(jìn)場(chǎng)航空器的運(yùn)行管理將更為靈活。為了提高多機(jī)場(chǎng)終端區(qū)的航空器進(jìn)場(chǎng)效率,提高終端區(qū)容量,基于前人研究,設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于多機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)的終端區(qū)環(huán)形進(jìn)場(chǎng)航線,將各機(jī)場(chǎng)的進(jìn)場(chǎng)航空器納入統(tǒng)一管理中,并包容從各方向進(jìn)入終端區(qū)的進(jìn)場(chǎng)航空器,對(duì)其進(jìn)行時(shí)空疏解以避免聚集;以環(huán)形進(jìn)場(chǎng)航線為基礎(chǔ),為不同運(yùn)行態(tài)勢(shì)下進(jìn)入終端區(qū)的航空器設(shè)計(jì)相應(yīng)的運(yùn)行程序;建立航空器進(jìn)場(chǎng)順序優(yōu)化模型,以提高空域內(nèi)進(jìn)場(chǎng)航空器運(yùn)行效率;使用實(shí)際扇區(qū)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和航空器運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真模擬,并與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。

1 終端區(qū)環(huán)形進(jìn)場(chǎng)航線設(shè)計(jì)

基于目前普遍應(yīng)用的終端區(qū)空域結(jié)構(gòu)和進(jìn)離場(chǎng)航線設(shè)計(jì),結(jié)合終端區(qū)內(nèi)各機(jī)場(chǎng)的空間分布,設(shè)計(jì)一種基于航空器自主運(yùn)行和連續(xù)下降運(yùn)行模式的終端區(qū)環(huán)形進(jìn)場(chǎng)航線,如圖1所示。

圖1 終端區(qū)環(huán)形進(jìn)場(chǎng)航線運(yùn)行模擬示意圖Fig.1 Schematic diagram of loop approach route in terminal area

如圖1所示,環(huán)形進(jìn)場(chǎng)航線由橢圓矩形進(jìn)場(chǎng)等待航線和圓形進(jìn)場(chǎng)準(zhǔn)備航線組成,各航線的劃設(shè)位置、長(zhǎng)度、間隔等由該終端區(qū)的實(shí)際運(yùn)行條件決定,并滿足航空器管制規(guī)則要求。圓形進(jìn)場(chǎng)準(zhǔn)備航線僅設(shè)置一層,其位置與對(duì)應(yīng)的機(jī)場(chǎng)位置直接相關(guān),圓心位于機(jī)場(chǎng)基準(zhǔn)點(diǎn);橢圓矩形等待航線將包容終端區(qū)內(nèi)各機(jī)場(chǎng)的圓形準(zhǔn)備航線,并可根據(jù)不同終端區(qū)的空域構(gòu)型和障礙物分布等因素設(shè)置不同層數(shù)。執(zhí)行連續(xù)下降運(yùn)行模式的各進(jìn)場(chǎng)航空器在進(jìn)入終端區(qū)后,將根據(jù)當(dāng)前終端區(qū)的空域運(yùn)行態(tài)勢(shì)和機(jī)場(chǎng)繁忙程度,沿橢圓矩形等待航線繞飛,并按順序逐層下降高度,由外層進(jìn)入內(nèi)層,最終進(jìn)入圓形進(jìn)場(chǎng)準(zhǔn)備航線,調(diào)整幾何構(gòu)型完成進(jìn)場(chǎng)準(zhǔn)備工作后降落。

1.1 圓形進(jìn)場(chǎng)準(zhǔn)備航線

圓形進(jìn)場(chǎng)準(zhǔn)備航線以機(jī)場(chǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)為圓心,根據(jù)其空域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、障礙物分布、飛行性能要求等設(shè)定航線半徑和高度。即將進(jìn)場(chǎng)的航空器在該航線上保持足夠水平間隔、沿逆時(shí)針?lè)较蛞来卫@飛,調(diào)整飛機(jī)構(gòu)型并完成降落準(zhǔn)備工作,根據(jù)管制員及機(jī)載分布式ATM系統(tǒng)指令適時(shí)飛向最后進(jìn)近定位點(diǎn)(final approach fix, FAF)并完成降落。由于執(zhí)行連續(xù)下降運(yùn)行模式的航空器具備一定的自主運(yùn)行能力,不必受到固定進(jìn)場(chǎng)航線的嚴(yán)格約束,其接收降落許可后,由圓形準(zhǔn)備航線上任意位置直飛FAF點(diǎn)即可。因此環(huán)形航線中的航空器無(wú)需對(duì)其空間順序進(jìn)行嚴(yán)格編排。某架航空器離開(kāi)圓形航線后,最內(nèi)層等待航線運(yùn)行的航空器亦可按其進(jìn)入的時(shí)間順序依次填補(bǔ)空位,在空間中不必重新排序,降低了管制員工作負(fù)荷和航空器沖突風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 橢圓矩形等待航線

單一的橢圓矩形等待航線由兩條直線邊和兩個(gè)半圓形轉(zhuǎn)彎邊組成,直線長(zhǎng)度和半圓形半徑由當(dāng)前終端區(qū)空域結(jié)構(gòu)和預(yù)期容量等決定。等待航線可由外至內(nèi)、由高至低設(shè)置多條,以此稀釋整理進(jìn)場(chǎng)航空器。低層航線在高層航線的內(nèi)側(cè)下方,垂直和水平間隔根據(jù)空域結(jié)構(gòu)和運(yùn)行間隔標(biāo)準(zhǔn)確定。

進(jìn)入等待航線的航空器將沿逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)行,并依據(jù)進(jìn)入時(shí)間和目的地機(jī)場(chǎng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)等因素,按序待內(nèi)層航線出現(xiàn)空位后逐級(jí)下降遞補(bǔ),直至進(jìn)入圓形準(zhǔn)備航線后降落。同一等待航線的航空器將以相同的速度沿逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)行,并保持水平間隔。不同層等待航線的容量和運(yùn)行速度不同,受航線長(zhǎng)度和航空器進(jìn)場(chǎng)運(yùn)行趨勢(shì)限制,內(nèi)層航線容量更小,航速更低。

1.3 終端區(qū)環(huán)形進(jìn)場(chǎng)運(yùn)行特點(diǎn)

(1)終端區(qū)內(nèi)各機(jī)場(chǎng)的進(jìn)場(chǎng)航空器將由同一管制單位指揮,并共享同一組橢圓矩形等待航線,以此整合各機(jī)場(chǎng)各方向的進(jìn)場(chǎng)交通流;各機(jī)場(chǎng)的圓形準(zhǔn)備航線獨(dú)立運(yùn)行,航線間保持一定的間隔以避免航空器發(fā)生沖突。

(2)同一環(huán)形航線中的航空器將以同速同方向水平運(yùn)行并保持間隔,以此確保運(yùn)行安全。

(3)內(nèi)側(cè)下層航線運(yùn)行的航空器進(jìn)場(chǎng)順序優(yōu)先于外側(cè)上層航線,同一航線的航空器進(jìn)場(chǎng)順序與其優(yōu)先級(jí)、進(jìn)入航線時(shí)間、目的地機(jī)場(chǎng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)等有關(guān)。與其在同層航線中運(yùn)行的空間位置無(wú)關(guān),各層航線均不執(zhí)行嚴(yán)格的航空器空間位置排序。

(4)若終端區(qū)內(nèi)各機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行態(tài)勢(shì)、進(jìn)場(chǎng)航空器數(shù)量有較大差異,則各層等待航線將預(yù)留一定的空位,以備不繁忙機(jī)場(chǎng)的進(jìn)場(chǎng)航空器可穿越等待航線直接進(jìn)場(chǎng),減少等待時(shí)間。該空位也可供高優(yōu)先級(jí)或出現(xiàn)緊急情況的航空器穿行,以備其快速進(jìn)場(chǎng)。

(5)圓形準(zhǔn)備航線的圓心是機(jī)場(chǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)而非某個(gè)航路點(diǎn),原因在于執(zhí)行自主運(yùn)行模式的航空器在GBAS支持下將無(wú)需地面航路點(diǎn)進(jìn)行方向指引;且機(jī)場(chǎng)跑道的運(yùn)行方向受氣象因素影響,若調(diào)整運(yùn)行方向,則進(jìn)場(chǎng)航線途徑的航路點(diǎn)也將會(huì)變化。以機(jī)場(chǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)為圓心可保證航線位置穩(wěn)定,便于航空器機(jī)載分布式ATM系統(tǒng)導(dǎo)航。

(6)該模式下各機(jī)場(chǎng)的離場(chǎng)航空器將執(zhí)行自主運(yùn)行下的連續(xù)爬升運(yùn)行(continuous climbing operation, CCO)模式,同樣無(wú)需地面導(dǎo)航臺(tái)指引,可直飛終端區(qū)邊界;且各層環(huán)形航線間有充足的水平及垂直間隔,離場(chǎng)航空器可經(jīng)由該間隔穿越環(huán)形航線并爬升。因此本文模型及運(yùn)行程序?qū)⒉辉倏紤]離場(chǎng)航空器影響。

2 終端區(qū)環(huán)形進(jìn)場(chǎng)流程設(shè)計(jì)

終端區(qū)環(huán)形進(jìn)場(chǎng)運(yùn)行模式將根據(jù)空域運(yùn)行態(tài)勢(shì)和繁忙程度等劃分為多種情況,具體如下。

2.1 直飛FAF點(diǎn)進(jìn)場(chǎng)

該流程適用于空域運(yùn)行態(tài)勢(shì)極佳的時(shí)段,即終端區(qū)內(nèi)航空器很少,且目的地機(jī)場(chǎng)不存在其他航空器等待進(jìn)場(chǎng)。則其進(jìn)入終端區(qū)后不必經(jīng)由等待航線和準(zhǔn)備航線,可在GBAS支持下由機(jī)載分布式ATM系統(tǒng)輔助飛行員完成路徑規(guī)劃,應(yīng)用連續(xù)下降運(yùn)行模式直飛FAF點(diǎn),并在途中適時(shí)降低航空器高度及速度,調(diào)整幾何構(gòu)型并完成降落準(zhǔn)備工作。

2.2 圓形準(zhǔn)備航線等待

若空域運(yùn)行狀態(tài)較好,存在少量航空器排隊(duì)進(jìn)場(chǎng),且圓形準(zhǔn)備航線尚未排滿,則該航空器進(jìn)入終端區(qū)后不必經(jīng)由各層等待航線,可直接進(jìn)入準(zhǔn)備航線中的空位,并與航線上現(xiàn)有的航空器保持水平間隔。其進(jìn)入準(zhǔn)備航線的位置僅與航線中的空位位置相關(guān),與降落順序無(wú)關(guān)。降落順序?qū)⒕C合考慮各航空器進(jìn)入航線時(shí)間、優(yōu)先級(jí)和降落間隔標(biāo)準(zhǔn)等,由地基集中式ATM系統(tǒng)輔助管制員發(fā)布降落許可,并由機(jī)載分布式ATM系統(tǒng)輔助飛行員完成路徑規(guī)劃,直飛FAF點(diǎn)準(zhǔn)備降落。

2.3 橢圓矩形等待航線等待

若空域整體運(yùn)行較為繁忙,各機(jī)場(chǎng)的準(zhǔn)備航線均已排滿,且另有部分航空器在等待航線盤(pán)旋,則進(jìn)入終端區(qū)的航空器也需排隊(duì)等待。根據(jù)現(xiàn)有航空器的數(shù)量和位置飛至相應(yīng)的等待航線空位,并根據(jù)空域運(yùn)行態(tài)勢(shì)和目的地機(jī)場(chǎng)繁忙程度等,按順序逐級(jí)降低高度進(jìn)入內(nèi)層等待航線,直至進(jìn)入目的地機(jī)場(chǎng)的準(zhǔn)備航線并飛向FAF點(diǎn)準(zhǔn)備降落。

2.4 穿越等待航線進(jìn)場(chǎng)

若終端區(qū)內(nèi)各機(jī)場(chǎng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)不均,部分機(jī)場(chǎng)運(yùn)行繁忙,對(duì)應(yīng)的圓形準(zhǔn)備航線已排滿且有航空器在等待航線中繞飛;另一部分機(jī)場(chǎng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)較好,準(zhǔn)備航線中仍有空位。在此情況下進(jìn)入終端區(qū)的航空器將根據(jù)目的地機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行態(tài)勢(shì)不同進(jìn)行區(qū)別考慮。若目的地機(jī)場(chǎng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)繁忙,則航空器將進(jìn)入等待航線,按序逐級(jí)下降直至進(jìn)入準(zhǔn)備航線并降落;若目的地機(jī)場(chǎng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)良好,則該航空器將直飛并穿行等待航線中預(yù)留的空位,直接進(jìn)入目的地機(jī)場(chǎng)對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)備航線并降落。

在終端區(qū)環(huán)形航線運(yùn)行模式下,各機(jī)場(chǎng)五邊航線承擔(dān)的航空器等待作用將由等待航線和準(zhǔn)備航線代替完成,且由于機(jī)載通信導(dǎo)航技術(shù)可滿足其執(zhí)行自主運(yùn)行模式,不必對(duì)各航空器進(jìn)行空間位置意義的嚴(yán)格排序,因此各機(jī)場(chǎng)的五邊航線將被取消。

3 進(jìn)場(chǎng)順序優(yōu)化

在航空器進(jìn)近及著陸階段,考慮尾流間隔等因素,航空器型號(hào)及進(jìn)場(chǎng)順序?qū)τ陂g隔時(shí)間有較大影響;且進(jìn)場(chǎng)航空器數(shù)量在時(shí)間層面分布不均,繁忙時(shí)刻需對(duì)部分航空器執(zhí)行等待程序,以此確保滿足間隔要求。在現(xiàn)有運(yùn)行模式下,等待程序主要通過(guò)航空器在預(yù)設(shè)的等待航線中繞飛盤(pán)旋而實(shí)現(xiàn)。由于等待航線的位置和長(zhǎng)度相對(duì)固定,因此程序的設(shè)定和執(zhí)行較為固化,在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)進(jìn)一步浪費(fèi)空域資源,并增加航空器平均進(jìn)場(chǎng)時(shí)間。

基于自主運(yùn)行CDO模式和本文所述的環(huán)形進(jìn)場(chǎng)航線設(shè)計(jì),航空器可在任意位置進(jìn)離環(huán)形航線,且同層航線中各航空器的排列與其進(jìn)場(chǎng)順序無(wú)關(guān),因此ATC可通過(guò)該航線調(diào)整航空器進(jìn)場(chǎng)的時(shí)間順序,而不必改變航空器的空間順序,以此提升機(jī)場(chǎng)及空域的運(yùn)行效率。假設(shè)進(jìn)場(chǎng)航空器可在一定范圍內(nèi)調(diào)整其進(jìn)入終端區(qū)的時(shí)間,進(jìn)而調(diào)整其進(jìn)入各級(jí)環(huán)形航線的時(shí)間,以此緩解終端區(qū)內(nèi)進(jìn)場(chǎng)航空器時(shí)間分布不均的情況,并提升空域利用率和運(yùn)行效率。使用模擬退火算法(simulated annealing, SA),選擇合適的航空器,為之配置適當(dāng)?shù)臅r(shí)間調(diào)整量Δti以此達(dá)到進(jìn)場(chǎng)順序優(yōu)化的目的。目標(biāo)函數(shù)為無(wú)沖突前提下平均進(jìn)場(chǎng)時(shí)間最短。假設(shè)某終端區(qū)共設(shè)置m層環(huán)形航線,某實(shí)驗(yàn)時(shí)段內(nèi)共有n架航空器,則目標(biāo)函數(shù)為

z=Min (C+αT)

(1)

(2)

(3)

式中:C為該時(shí)段終端區(qū)內(nèi)發(fā)生航空器沖突的數(shù)量;T為航空器總進(jìn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)間;α為權(quán)重系數(shù),將其設(shè)定為一較小數(shù),對(duì)該目標(biāo)函數(shù)去最小值,當(dāng)且僅當(dāng)沖突數(shù)量為0時(shí),該目標(biāo)函數(shù)才可達(dá)到最優(yōu)。cij為0-1變量,標(biāo)示第i和j架航空器間是否發(fā)生沖突,若發(fā)生沖突則取值為1,反之為0;ti為航空器i的實(shí)際進(jìn)場(chǎng)時(shí)間;Δti為航空器i的時(shí)間調(diào)整量。

模擬退火(simulated annealing, SA)算法將優(yōu)化分配各航空器的時(shí)間調(diào)整量,并實(shí)現(xiàn)平均進(jìn)場(chǎng)時(shí)間最短的目標(biāo)。約束條件如下。

(1)航空器位置約束——唯一性&確定性約束。假設(shè)某終端區(qū)共有1組圓形進(jìn)場(chǎng)準(zhǔn)備航線和m條橢圓矩形等待航線,則有

(4)

(2)降落時(shí)間間隔約束。當(dāng)航空器離開(kāi)圓形進(jìn)場(chǎng)航線準(zhǔn)備降落時(shí),其與前架次航空器之間的間隔需滿足間隔標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)與機(jī)場(chǎng)的跑道運(yùn)行模式、航空器型號(hào)(輕、中或重型機(jī))有關(guān),在獨(dú)立進(jìn)近運(yùn)行模式下,間隔標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 航空器著陸時(shí)間間隔標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Standard of aircraft landing time interval

(5)

(3)環(huán)形進(jìn)場(chǎng)航線的進(jìn)入時(shí)刻約束。實(shí)驗(yàn)中,各進(jìn)場(chǎng)航空器進(jìn)入終端區(qū)的時(shí)刻和三維位置與實(shí)際運(yùn)行相同,并根據(jù)該航空器的運(yùn)行方向和速度確定其進(jìn)入環(huán)形航線的位置及時(shí)刻。通過(guò)對(duì)部分進(jìn)場(chǎng)航空器預(yù)設(shè)一定量的延誤,以此調(diào)整航空器進(jìn)場(chǎng)順序并降低平均進(jìn)場(chǎng)等待時(shí)間。首先為各航空器分配初設(shè)的延誤時(shí)間值,并由模擬退火優(yōu)化算法對(duì)于各航空器所分配的時(shí)間值進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,以此實(shí)現(xiàn)該主動(dòng)延誤范圍內(nèi)最優(yōu)的進(jìn)場(chǎng)順序。

(6)

4 仿真分析

為驗(yàn)證所述終端區(qū)環(huán)形進(jìn)場(chǎng)航線的可行性,并將其與當(dāng)前實(shí)際使用的進(jìn)場(chǎng)航線及等待策略進(jìn)行對(duì)比,選擇多機(jī)場(chǎng)共用的進(jìn)近管制扇區(qū)(ZSSSAP)作為仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境,對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化建模,應(yīng)用終端區(qū)環(huán)形進(jìn)場(chǎng)航線管制策略對(duì)某典型日的航班運(yùn)行計(jì)劃進(jìn)行仿真,并與當(dāng)日的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。

4.1 環(huán)形進(jìn)場(chǎng)航線設(shè)計(jì)

ZSSSAP扇區(qū)是上海浦東機(jī)場(chǎng)(ZSPD)和虹橋機(jī)場(chǎng)(ZSSS)共用的進(jìn)近管制扇區(qū),日常運(yùn)行較為繁忙。首先對(duì)ZSSSAP扇區(qū)進(jìn)行柵格化處理,使用水平間隔10 km,垂直間隔300 m的密鋪長(zhǎng)方體柵格對(duì)該空域進(jìn)行劃分。

根據(jù)前文所述的橢圓矩形等待航線和圓形準(zhǔn)備航線設(shè)計(jì),結(jié)合扇區(qū)空域特點(diǎn),浦東、虹橋機(jī)場(chǎng)地理位置及航空器性能約束等,設(shè)計(jì)ZSSSAP扇區(qū)的環(huán)形進(jìn)場(chǎng)航線共包含兩條橢圓矩形等待航線和兩條圓形準(zhǔn)備航線。其中兩條等待航線為同心設(shè)計(jì),水平間隔為20 km;兩條準(zhǔn)備航線分別位于浦東和虹橋機(jī)場(chǎng)上空,以機(jī)場(chǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)為圓心,水平半徑為20 km。環(huán)形進(jìn)場(chǎng)航線具體信息如表2所示。

表2 ZSSSAP扇區(qū)環(huán)形進(jìn)場(chǎng)航線設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Loop approach route design parameters of ZSSSAP sector

4.2 航空器進(jìn)場(chǎng)流程設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)假定航空器應(yīng)用地基增強(qiáng)系統(tǒng)支持的衛(wèi)星導(dǎo)航,并執(zhí)行自主運(yùn)行CDO模式進(jìn)場(chǎng),可充分感知并共享空域環(huán)境的運(yùn)行態(tài)勢(shì),不必受地面導(dǎo)航設(shè)備的分布和性能限制。由此,進(jìn)入ZSSSAP扇區(qū)并計(jì)劃在浦東機(jī)場(chǎng)或虹橋機(jī)場(chǎng)著陸的進(jìn)場(chǎng)航空器,其進(jìn)場(chǎng)流程將參照第2節(jié),具體流程如下。

進(jìn)入扇區(qū)的航空器將評(píng)估當(dāng)前時(shí)刻終端區(qū)的運(yùn)行態(tài)勢(shì),并識(shí)別內(nèi)外層等待航線和準(zhǔn)備航線上現(xiàn)有的航空器數(shù)量及其所在位置。根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行態(tài)勢(shì)決定其進(jìn)場(chǎng)流程:若沒(méi)有其他航空器等待降落,則直飛最后進(jìn)近定位點(diǎn),在途中調(diào)整航速、高度、機(jī)翼構(gòu)型,并完成降落檢查準(zhǔn)備;若已有航空器在盤(pán)旋等待,則參照進(jìn)入時(shí)間和優(yōu)先級(jí)等,加入準(zhǔn)備航線或等待航線執(zhí)行繞飛,按序逐級(jí)下降并進(jìn)場(chǎng);若兩機(jī)場(chǎng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)不均,則以運(yùn)行態(tài)勢(shì)較好(航空器等待數(shù)量較少)的機(jī)場(chǎng)為目的地的航空器將經(jīng)由環(huán)形航線中預(yù)留的空位間隙穿越航線并直飛最后進(jìn)近定位點(diǎn),另一機(jī)場(chǎng)的航空器將繼續(xù)按序等待進(jìn)場(chǎng)。

4.3 仿真實(shí)驗(yàn)

選取某典型日09:00—21:00在ZSSSAP扇區(qū)進(jìn)近并著陸的航空器作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,將總時(shí)間分段,各組實(shí)驗(yàn)時(shí)間為1 h。各航空器以實(shí)際運(yùn)行時(shí)間進(jìn)入終端區(qū),模擬所述的終端區(qū)環(huán)形進(jìn)場(chǎng)航線運(yùn)行模式,根據(jù)空域運(yùn)行態(tài)勢(shì),分別進(jìn)入等待航線或準(zhǔn)備航線,按序排隊(duì)進(jìn)場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)將基于該日12組時(shí)段的航空器初始運(yùn)行信息,分別模擬先到先服務(wù)(first come first service, FCFS)模式和航空器進(jìn)場(chǎng)順序優(yōu)化模式,假定不存在高優(yōu)先級(jí)航空器;計(jì)算各組航空器的平均進(jìn)場(chǎng)時(shí)間并度量空中交通運(yùn)行態(tài)勢(shì),將結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比;隨后使用蒙特卡洛模擬方法,選取實(shí)際運(yùn)行中較為繁忙的時(shí)段,在各時(shí)段內(nèi)再次生成一定數(shù)量的航空器加入運(yùn)行模擬中,以此探究所述運(yùn)行模式在該終端區(qū)的極限容量。

4.3.1 航空器平均進(jìn)場(chǎng)時(shí)間

空域內(nèi)航空器進(jìn)場(chǎng)時(shí)間長(zhǎng)短可以反映進(jìn)場(chǎng)航空器的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。由于各航空器進(jìn)入終端區(qū)的位置不同、在終端區(qū)內(nèi)運(yùn)行路徑長(zhǎng)度不同、進(jìn)入時(shí)刻的空域運(yùn)行態(tài)勢(shì)也不同,因此單獨(dú)比較某航空器在兩種運(yùn)行模式下的進(jìn)場(chǎng)時(shí)間沒(méi)有實(shí)際意義。分別計(jì)算各組實(shí)驗(yàn)中航空器在兩種運(yùn)行模式下的平均進(jìn)場(chǎng)時(shí)間,如表3所示。

表3 航空器平均進(jìn)場(chǎng)時(shí)間分時(shí)對(duì)比Table 3 Time-separation comparison of aircraft mean approach time

通過(guò)為所有航空器分配各自的時(shí)間調(diào)整量實(shí)現(xiàn)航空器進(jìn)場(chǎng)順序優(yōu)化,航空器進(jìn)場(chǎng)時(shí)間調(diào)整量分別為-3、0、3 min,其中0 min占比為50%,-3 min和3 min各占比25%;各時(shí)間調(diào)整量在初始狀態(tài)時(shí)將隨機(jī)分配給各航空器,使用SA算法優(yōu)化其分配方案,從而實(shí)現(xiàn)更短的平均進(jìn)場(chǎng)時(shí)間,模擬退火算法的參數(shù)設(shè)置如表4所示。算法優(yōu)化迭代結(jié)果如圖2所示。

表4 模擬退火算法(SA)基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置Table 4 Parameter setting of simulated annealing algorithm

圖2 某時(shí)段內(nèi)模擬退火算法優(yōu)化迭代結(jié)果Fig.2 The simulated annealing algorithm optimizes the iterative results in a certain period of time

對(duì)比終端區(qū)環(huán)形進(jìn)場(chǎng)運(yùn)行模式和實(shí)際運(yùn)行模式可知,所述運(yùn)行模式在進(jìn)場(chǎng)航空器瞬時(shí)峰值數(shù)量和平均進(jìn)場(chǎng)時(shí)間方面均較實(shí)際運(yùn)行模式有一定優(yōu)化,且經(jīng)由進(jìn)場(chǎng)順序調(diào)整后,航空器的平均進(jìn)場(chǎng)時(shí)間可得到進(jìn)一步降低。

兩運(yùn)行模式下航空器平均進(jìn)場(chǎng)時(shí)間的差異與空域繁忙程度相關(guān)。隨進(jìn)場(chǎng)航空器密度增加,兩種運(yùn)行模式的航空器瞬時(shí)峰值數(shù)量逐漸出現(xiàn)較大差異。在繁忙時(shí)段,終端區(qū)中航空器數(shù)量較多且不斷有航空器進(jìn)入,實(shí)際運(yùn)行模式下空域內(nèi)各航空器之間的運(yùn)行干擾不斷疊加,運(yùn)行態(tài)勢(shì)愈加繁忙,大量航空器需要盤(pán)旋等待或調(diào)整速度高度以避免沖突。因此隨航空器數(shù)量增加,執(zhí)行實(shí)際運(yùn)行模式的航空器平均進(jìn)場(chǎng)時(shí)間逐漸高于所述運(yùn)行模式。

上述實(shí)驗(yàn)表明,所述運(yùn)行模式可在運(yùn)行態(tài)勢(shì)繁忙情況下有效提升進(jìn)場(chǎng)航空器運(yùn)轉(zhuǎn)效率。所設(shè)計(jì)的運(yùn)行模式可將多機(jī)場(chǎng)終端區(qū)的進(jìn)場(chǎng)航空流納入統(tǒng)一指揮中,避免各機(jī)場(chǎng)的進(jìn)場(chǎng)航空流發(fā)生時(shí)空沖突;且由于航空器在GBAS支持下應(yīng)用CDO模式進(jìn)場(chǎng),不必依賴地面固定導(dǎo)航臺(tái)指引,使得整體航跡長(zhǎng)度較短。因此航空器進(jìn)場(chǎng)時(shí)間可得到一定縮減,繼而促使空域平穩(wěn)運(yùn)行。由于航空器進(jìn)場(chǎng)過(guò)程同樣受到終端區(qū)相鄰的其他扇區(qū)空域運(yùn)行狀態(tài)的影響,因此若可拓展所述運(yùn)行模式的覆蓋范圍,將相鄰扇區(qū)納入統(tǒng)一管理中,則航空器進(jìn)場(chǎng)時(shí)間的調(diào)整幅度也可得到拓展,繼而進(jìn)一步優(yōu)化航空器進(jìn)場(chǎng)順序,使得航空器平均進(jìn)場(chǎng)時(shí)間得到更大程度地縮短。

4.3.2 蒙特卡洛模擬仿真極限運(yùn)行情況

由上述實(shí)驗(yàn)可知,基于設(shè)計(jì)的終端區(qū)環(huán)形進(jìn)場(chǎng)航線運(yùn)行模式,并微調(diào)部分航空器的進(jìn)場(chǎng)順序后,終端區(qū)內(nèi)進(jìn)場(chǎng)航空器的瞬時(shí)峰值數(shù)量和平均進(jìn)場(chǎng)時(shí)間均較先到先服務(wù)模式得到一定縮減,亦較實(shí)際運(yùn)行模式得到更顯著優(yōu)化;即表示所述的進(jìn)場(chǎng)運(yùn)行模式可提高終端區(qū)內(nèi)進(jìn)場(chǎng)航空器運(yùn)行效率,由此提升終端區(qū)空域容量。

為量化繁忙情況下所述運(yùn)行模式對(duì)終端區(qū)進(jìn)場(chǎng)容量的提升程度,使用蒙特卡洛模擬方法,選擇進(jìn)場(chǎng)航空器數(shù)量較多的時(shí)段,在該時(shí)段既有航空器的基礎(chǔ)上,再次生成一定數(shù)量的進(jìn)場(chǎng)航空器及其基礎(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù),以此擴(kuò)充單位時(shí)間的航空器數(shù)量;并根據(jù)航空器進(jìn)場(chǎng)順序優(yōu)化方法,計(jì)算此情況下終端區(qū)進(jìn)場(chǎng)航空器的瞬時(shí)峰值數(shù)量和平均進(jìn)場(chǎng)時(shí)間。以實(shí)際運(yùn)行中上述指標(biāo)數(shù)據(jù)的平均值作為參照,將計(jì)算所得數(shù)據(jù)與之進(jìn)行對(duì)比,評(píng)估所述運(yùn)行模式對(duì)于終端區(qū)進(jìn)場(chǎng)容量的提升程度(即尋找模擬數(shù)據(jù)恰小于實(shí)際運(yùn)行峰值數(shù)據(jù)時(shí)的進(jìn)場(chǎng)航空器數(shù)量)。

選擇最繁忙(進(jìn)場(chǎng)航空器數(shù)量最多)的4個(gè)時(shí)段(11:00—12:00、16:00—17:00、17:00—18:00、19:00—20:00),為每個(gè)時(shí)段逐架次擴(kuò)充航空器數(shù)量,并在每組航空器數(shù)量的設(shè)定下進(jìn)行5 000次重復(fù)實(shí)驗(yàn),將重復(fù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的平均值作為該時(shí)段該航空器數(shù)量對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);各時(shí)段的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示,所取參照數(shù)據(jù)為實(shí)際運(yùn)行情況下該指標(biāo)的平均數(shù)據(jù),分別為進(jìn)場(chǎng)航空器瞬時(shí)峰值數(shù)量24.75架,平均進(jìn)場(chǎng)時(shí)間15.94 min。

表5 蒙特卡洛仿真模擬終端區(qū)極限容量Table 5 The terminal area limit capacity was calculated by Monte Carlo simulation

如表5所示,經(jīng)蒙特卡洛方法計(jì)算所得,基于本文所述的環(huán)形航線結(jié)構(gòu)和航空器進(jìn)場(chǎng)順序調(diào)整策略,該終端區(qū)的小時(shí)容量可達(dá)87.00架/時(shí),較實(shí)際運(yùn)行的極限狀態(tài)(83架/時(shí))提高了4.82%。表明在當(dāng)前的指標(biāo)限制情況下,所述方法可使ZSSSAP終端區(qū)的極限容量得到進(jìn)一步提高,即繁忙狀態(tài)時(shí)該終端區(qū)可在保證運(yùn)行安全的前提下容納更多的進(jìn)場(chǎng)航空器運(yùn)行。

4.3.3 空域運(yùn)行態(tài)勢(shì)

空域中各柵格的運(yùn)行態(tài)勢(shì)將以空中交通復(fù)雜度表示。對(duì)于各時(shí)間段,分別以1 min為單位離散成時(shí)間片,依照實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)中各航空器的航跡位置及其運(yùn)行趨勢(shì),計(jì)算該時(shí)間片內(nèi)空域各柵格受到的航空器復(fù)雜度影響,并將該時(shí)刻空域柵格復(fù)雜度的最大值設(shè)定為該時(shí)刻的空域整體復(fù)雜度;將柵格復(fù)雜度值大于整體復(fù)雜度值80%的柵格定義為高復(fù)雜度柵格[8]。對(duì)某時(shí)段內(nèi)各時(shí)間片的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均化處理。實(shí)際運(yùn)行情況下各時(shí)段的空域復(fù)雜度峰值、高復(fù)雜度柵格占比數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 空域運(yùn)行態(tài)勢(shì)分時(shí)對(duì)比Table 6 Time-separation comparison of airspace operation situation

若在所述運(yùn)行模式下,該扇區(qū)設(shè)置的內(nèi)外層等待航線和兩機(jī)場(chǎng)的準(zhǔn)備航線均被排滿,不存在航空器空位,且內(nèi)外層等待航線的航空器位置相對(duì)(兩層航線上的航空器橫或縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)相等),則此狀態(tài)即為所述運(yùn)行模式的極限運(yùn)行情況。計(jì)算極限運(yùn)行情況下各航空器對(duì)各柵格的復(fù)雜度,取其柵格復(fù)雜度最大值為該模式的空域復(fù)雜度峰值,數(shù)據(jù)如表所示。其中環(huán)形進(jìn)場(chǎng)航線的航空器分布、各航線所在高度的空中交通復(fù)雜度分布如圖3所示。

紅色菱形表示航空器位置分布;色階圖表示該空域位置的空中交通復(fù)雜度圖3 ZSSSAP終端區(qū)環(huán)形進(jìn)場(chǎng)模式極限運(yùn)行態(tài)勢(shì)Fig.3 Maximum operating situation of loop approach route for ZSSSAP sector

如表6所示,所述環(huán)形進(jìn)場(chǎng)航線運(yùn)行模式在其極限運(yùn)行情況下的空域復(fù)雜度峰值遠(yuǎn)低于當(dāng)前運(yùn)行模式在繁忙狀態(tài)下的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)(降幅61.29%),且高復(fù)雜度柵格的數(shù)量占比遠(yuǎn)高于終端區(qū)管制進(jìn)場(chǎng)運(yùn)行模式(增幅80.33%),表明在當(dāng)前運(yùn)行模式的繁忙狀態(tài)時(shí),空域運(yùn)行態(tài)勢(shì)分布不均:由于航空器聚集在某些關(guān)鍵航路點(diǎn)附近的柵格處,導(dǎo)致該柵格運(yùn)行態(tài)勢(shì)繁忙,復(fù)雜度相對(duì)較高;另一部分柵格空域遠(yuǎn)離現(xiàn)有的起降航線,使得其復(fù)雜度長(zhǎng)時(shí)間處于低位,柵格所在空域未得到有效利用。

所述運(yùn)行模式的柵格復(fù)雜度大小與環(huán)形航線規(guī)劃設(shè)計(jì)、航空器在航線上的分布直接相關(guān)。在極限運(yùn)行情況下,各層環(huán)形航線上的航空器分布較當(dāng)前運(yùn)行模式更為均勻,不存在過(guò)度聚集的區(qū)域,因此其復(fù)雜度峰值較當(dāng)前運(yùn)行模式更低;且航空器在終端區(qū)內(nèi)空間位置分散,分布區(qū)域較當(dāng)前運(yùn)行模式更廣,因此其高復(fù)雜度柵格占比較當(dāng)前運(yùn)行模式更高。終端區(qū)環(huán)形進(jìn)場(chǎng)航線運(yùn)行模式可使用環(huán)形航線將多架進(jìn)場(chǎng)航空器在空域內(nèi)均勻分布,且CDO運(yùn)行模式及GBAS支持的星基導(dǎo)航模式也使得航空器不必依賴固定航路點(diǎn)運(yùn)行,因此不存在航空器過(guò)于聚集的柵格,從而降低航空器沖突風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述,所設(shè)計(jì)的終端區(qū)環(huán)形進(jìn)場(chǎng)航線運(yùn)行模式可在保證運(yùn)行安全的前提下縮減繁忙時(shí)段航空器進(jìn)場(chǎng)時(shí)間并提高終端區(qū)空域利用率。以此促進(jìn)進(jìn)場(chǎng)航空器在區(qū)域內(nèi)安全高效運(yùn)行。基于此設(shè)計(jì)的ZSSSAP終端區(qū)橢圓矩形等待航線、圓形準(zhǔn)備航線可有效應(yīng)對(duì)浦東機(jī)場(chǎng)、虹橋機(jī)場(chǎng)日常運(yùn)行的進(jìn)場(chǎng)航班量規(guī)模。若兩機(jī)場(chǎng)的航班量繼續(xù)增加,可考慮調(diào)整ZSSSAP扇區(qū)的劃定范圍并增設(shè)新的等待航線,以容納繁忙時(shí)段更密集的進(jìn)場(chǎng)航空器。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)終端區(qū)空域結(jié)構(gòu)和運(yùn)行現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)了一種面向終端區(qū)連續(xù)下降運(yùn)行(CDO)的環(huán)形進(jìn)場(chǎng)航線,包括橢圓矩形等待航線和圓形準(zhǔn)備航線。

(2)根據(jù)終端區(qū)空域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和區(qū)域內(nèi)各機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行態(tài)勢(shì),為環(huán)形進(jìn)場(chǎng)航線設(shè)計(jì)多種相應(yīng)的運(yùn)行程序,并設(shè)計(jì)航空器進(jìn)場(chǎng)順序調(diào)整方法,以此降低航空器平均進(jìn)場(chǎng)時(shí)間。

(3)以ZSSSAP終端區(qū)為例,基于該終端區(qū)空域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)形進(jìn)場(chǎng)航線,并依據(jù)典型日實(shí)際運(yùn)行情況,分別使用先到先服務(wù)模式和進(jìn)場(chǎng)順序優(yōu)化模式進(jìn)行仿真模擬,將結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比;使用蒙特卡洛仿真方法模擬該空域的極限運(yùn)行情況,驗(yàn)證了本文所述的航線設(shè)計(jì)和進(jìn)場(chǎng)程序可在繁忙時(shí)段有效提升進(jìn)場(chǎng)航空器運(yùn)行效率及空域容量。

(4)所述的環(huán)形進(jìn)場(chǎng)航線模型默認(rèn)進(jìn)場(chǎng)航空器裝配的通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備滿足自主運(yùn)行下CDO模式,暫未考慮設(shè)備失效或執(zhí)行IFR模式的航空器運(yùn)行情況。后續(xù)可將環(huán)形進(jìn)場(chǎng)航線進(jìn)一步細(xì)化,規(guī)劃出備用航線以供特殊情況的航空器運(yùn)行使用;并以環(huán)形航線為基礎(chǔ),將航空器進(jìn)場(chǎng)時(shí)間、進(jìn)場(chǎng)航跡長(zhǎng)度、油耗、污染物排放等納入優(yōu)化目標(biāo),對(duì)航空器進(jìn)行進(jìn)場(chǎng)順序優(yōu)化和進(jìn)場(chǎng)路徑規(guī)劃。