高 偉，黃朝偉

（中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理研究基地，天津 300300）

終端區(qū)系統(tǒng)是情況最復(fù)雜的一個(gè)空管子系統(tǒng)[1-2]，往往是影響機(jī)場(chǎng)吞吐量的瓶頸。國(guó)內(nèi)外對(duì)終端區(qū)實(shí)際容量的確定進(jìn)行了大量研究[1-2]，但是終端區(qū)理論模型過(guò)于理想化，得出的結(jié)果難以應(yīng)用到實(shí)際工作中。本文采用SIMMOD PLUS仿真工具，結(jié)合當(dāng)?shù)亓髁靠刂撇呗砸约肮苤茊T工作負(fù)荷情況，對(duì)重慶機(jī)場(chǎng)終端區(qū)進(jìn)行仿真模擬，評(píng)估重慶機(jī)場(chǎng)終端區(qū)的容量大小。

影響終端區(qū)容量的因素大致可分為兩類：一類是終端區(qū)的運(yùn)行環(huán)境，如進(jìn)離場(chǎng)程序、空域限制、扇區(qū)劃分、航路航線布局、天氣情況、通訊系統(tǒng)類型及分布、管制規(guī)則、管制員人力資源情況等；一類是交通流的影響，如機(jī)隊(duì)的機(jī)型組合、進(jìn)離場(chǎng)比例、走廊口流量分布和進(jìn)離航班排序等。

對(duì)終端區(qū)容量大小的評(píng)價(jià)主要通過(guò)在該區(qū)域內(nèi)保證安全和一定延誤水平情況下航班架次的數(shù)目進(jìn)行判斷。目前，主要以單一的小時(shí)保障架次作為運(yùn)行單位保障能力的容量指標(biāo)，但實(shí)際上單個(gè)小時(shí)產(chǎn)生的延誤會(huì)順延影響到下一個(gè)小時(shí)的飛行架次，因此，改用日保障架次作為容量評(píng)估輔助指標(biāo)更為合理。受轄內(nèi)機(jī)場(chǎng)和終端區(qū)的影響和制約，終端區(qū)日容量定義為：在可接受的延誤條件下，一天內(nèi)終端區(qū)所能保障的最大運(yùn)行架次。若終端區(qū)運(yùn)行架次達(dá)到或接近飽和容量時(shí)，可視為終端區(qū)已經(jīng)飽和運(yùn)行。各部門在實(shí)際操作時(shí)不能超過(guò)這個(gè)界限，否則造成航班延誤陡增，并可能會(huì)產(chǎn)生安全隱患等負(fù)面影響[3－4]。

1 評(píng)估方法

通常評(píng)估終端區(qū)容量的方法有數(shù)學(xué)建模和計(jì)算機(jī)模擬兩種型式。但考慮終端區(qū)空域結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及航班在這個(gè)區(qū)域內(nèi)飛行的隨機(jī)性，一般很難用數(shù)學(xué)模型來(lái)精確描述這個(gè)系統(tǒng)。所以通常用計(jì)算機(jī)模擬的方法來(lái)對(duì)整個(gè)終端區(qū)系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是利用軟件對(duì)評(píng)估對(duì)象的整體運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行模擬，通過(guò)設(shè)置和改變特定的參數(shù)來(lái)反映交通流以及管制策略的差異，對(duì)不同運(yùn)行架次下的分析延誤情況進(jìn)行分析，確定系統(tǒng)實(shí)際容量大小。目前得到廣泛使用的仿真軟件有SIMMOD和TAAM[5]。

本文使用SIMMOD PLUS軟件仿真模擬終端區(qū)運(yùn)行的情況，分兩步對(duì)終端區(qū)容量進(jìn)行評(píng)估。第1步確定當(dāng)前終端區(qū)容量的大小。在可接受延誤條件下，計(jì)算出一天內(nèi)終端區(qū)所能保障的最大航班總數(shù)，再統(tǒng)計(jì)各小時(shí)段內(nèi)終端區(qū)提供的航班服務(wù)架次，確定終端區(qū)最大小時(shí)容量，把最大小時(shí)容量和管制員工作負(fù)荷情況進(jìn)行對(duì)比，判斷評(píng)估結(jié)果是否合理，如果滿足要求則給出終端區(qū)容量的大??；若不滿足，利用SIMMOD的分時(shí)段克隆功能減少高峰時(shí)段的航班數(shù)量，重新計(jì)算直至滿足要求，確定評(píng)估結(jié)果。第2步通過(guò)對(duì)飽和運(yùn)行條件下的終端區(qū)模型中各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行延誤分析，找出限制終端區(qū)運(yùn)行的“瓶頸”，并給出優(yōu)化方案，達(dá)到提升終端區(qū)容量的目的[6]。

2 管制員工作負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

利用管制員模擬機(jī)對(duì)重慶終端區(qū)分扇進(jìn)近模式進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)管制員自身感受進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，將管制員工作負(fù)荷情況分為4個(gè)等級(jí)，如表1所示。如果仿真的小時(shí)架次出現(xiàn)第4類情況，則對(duì)該時(shí)段的航班進(jìn)行克隆，直至所有時(shí)段統(tǒng)計(jì)都在前3類范圍內(nèi)。

表1 管制員負(fù)荷分類Tab.1 Classification of controller′s workload

3 仿真實(shí)例

由于機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)和終端區(qū)系統(tǒng)兩者相互制約、相互影響，所以文本利用SIMMOD PLUS仿真軟件對(duì)重慶機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)和終端區(qū)系統(tǒng)在進(jìn)近分扇運(yùn)行環(huán)境下進(jìn)行聯(lián)合仿真，并限制航空器必須嚴(yán)格按照進(jìn)離場(chǎng)航線飛行，每個(gè)扇區(qū)同時(shí)運(yùn)行的航空器不超過(guò)8架次。

3.1 終端區(qū)的保障架次分析

在接近飽和運(yùn)行時(shí)，終端區(qū)處于繁忙狀態(tài)，所以結(jié)合當(dāng)?shù)乜展懿块T的流量控制策略對(duì)進(jìn)場(chǎng)航班進(jìn)行流量控制。進(jìn)近流量控制主要采取控制進(jìn)場(chǎng)航班同一走廊口的縱向間隔，流量控制時(shí)采用同走廊40或50 km放行1架的策略。如圖1～圖2所示。

考慮管制員工作負(fù)荷和當(dāng)?shù)亓髁靠刂撇呗缘挠绊懖⒈ＷC各個(gè)航班嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)離場(chǎng)程序飛行的條件下，在可接受離場(chǎng)延誤為15 min、進(jìn)場(chǎng)延誤為10 min時(shí)，得到終端區(qū)容量為409架次（如圖3所示），高峰小時(shí)保障架次為43（如圖4所示）。

結(jié)合管制負(fù)荷分類，對(duì)小時(shí)架次統(tǒng)計(jì)表進(jìn)行分析（如圖4所示），發(fā)現(xiàn)整個(gè)仿真時(shí)間段內(nèi)，87.5%的時(shí)間管制員處于1類或2類負(fù)荷狀態(tài)，只有12.5%的時(shí)間處于3類負(fù)荷狀態(tài)，并且不存在4類負(fù)荷狀態(tài)（如表2所示）。這種小時(shí)負(fù)荷分布比較符合實(shí)際工作中繁忙工作日管制員的工作負(fù)荷情況。

表2 管制員工作負(fù)荷分布統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of controller′s workload distribution

3.2 瓶頸分析及模型優(yōu)化

在終端區(qū)飽和運(yùn)行前提下，對(duì)當(dāng)前終端區(qū)模型進(jìn)行瓶頸分析，并給出優(yōu)化方案。

3.2.1 進(jìn)場(chǎng)延誤分析

對(duì)各空域點(diǎn)的進(jìn)場(chǎng)延誤情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)生橋處產(chǎn)生的進(jìn)場(chǎng)延誤時(shí)間占總進(jìn)場(chǎng)延誤時(shí)間的41%，如圖5所示。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)雖然通過(guò)設(shè)置扇區(qū)使終端區(qū)內(nèi)進(jìn)離場(chǎng)交通流分離，但由于所有02號(hào)跑道的儀表進(jìn)場(chǎng)程序都以長(zhǎng)生橋作為IAF，即所有進(jìn)場(chǎng)航班都在長(zhǎng)生橋進(jìn)行匯聚，航班必須在這塊狹小的空間內(nèi)完成排序后才能依次進(jìn)近，致使長(zhǎng)生橋處產(chǎn)生較大進(jìn)場(chǎng)延誤。

優(yōu)化方案：優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)儀表進(jìn)場(chǎng)程序，綦江和長(zhǎng)生橋之間增設(shè)IAF，并在該點(diǎn)設(shè)置等待程序，如圖6所示。讓所有從綦江方向和部分從涪陵方向的進(jìn)場(chǎng)航班在新增設(shè)的IAF點(diǎn)等待進(jìn)近，減輕長(zhǎng)生橋處的進(jìn)場(chǎng)壓力，如圖7所示。

優(yōu)化后空域點(diǎn)延誤分散，長(zhǎng)生橋的進(jìn)場(chǎng)壓力明顯較少。

3.2.2 離場(chǎng)延誤分析

對(duì)各節(jié)點(diǎn)的離場(chǎng)延誤進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)離場(chǎng)延誤主要集中在地面等待隊(duì)列處的航班延誤。而終端區(qū)對(duì)離場(chǎng)航班的影響主要表現(xiàn)在終端區(qū)空域限制對(duì)地面放行效率的影響。由于規(guī)定ZUCKAP01內(nèi)航空器同時(shí)飛行數(shù)量不得超過(guò)8架，致使地面放飛效率受空域容量制約較大，并且所有離場(chǎng)程序都是經(jīng)過(guò)統(tǒng)景場(chǎng)（OS）之后才分離，致使地面放飛必須實(shí)施較大間隔標(biāo)準(zhǔn)，降低了地面的運(yùn)行效率。

優(yōu)化法案：①在考慮安全條件下，使航空器快速爬升到走廊口移交高度，以較快速度飛離終端區(qū)，提高ZUCKAP01扇區(qū)的運(yùn)行效率。②修改離場(chǎng)程序（如圖8所示），使合流水（DS）方向的離場(chǎng)航班直飛合流水（DS）導(dǎo)航臺(tái)，保證起飛后與其他兩個(gè)方向的離場(chǎng)航班快速建立側(cè)向間隔，提升地面放飛效率。

3.3 優(yōu)化前后保障架次對(duì)比

采用以上優(yōu)化方案優(yōu)化后，終端區(qū)的容量為437架次，如圖9所示，比優(yōu)化前增加6.9%。

隨著終端區(qū)運(yùn)行效率提升的同時(shí)，3類負(fù)荷狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)間有所提高，但其并非連續(xù)出現(xiàn)，對(duì)管制員工作壓力增加有限，仍在合理范圍之內(nèi)，如表3所示。

本文只是單從分析終端區(qū)空域結(jié)構(gòu)的角度對(duì)其運(yùn)行效率進(jìn)行優(yōu)化。而事實(shí)上，機(jī)場(chǎng)對(duì)終端區(qū)的運(yùn)行效率也存在較大影響，如滑行道的使用、停機(jī)位的分配都會(huì)影響進(jìn)離場(chǎng)航班的延誤情況。如果要進(jìn)一步提升終端區(qū)的容量，則必須考慮機(jī)場(chǎng)對(duì)終端區(qū)的限制。通過(guò)采取一些措施來(lái)提升機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行效率，減小機(jī)場(chǎng)運(yùn)行對(duì)終端區(qū)的影響，提升終端區(qū)的運(yùn)行效率，這也是后續(xù)工作的主要研究方向。

表3 優(yōu)化后各小時(shí)負(fù)荷分布統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of controller′s workload distribution after optimization

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用SIMMOD PLUS仿真軟件對(duì)重慶機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)和終端區(qū)系統(tǒng)在進(jìn)近分扇運(yùn)行環(huán)境下進(jìn)行聯(lián)合仿真，并限制航空器必須嚴(yán)格按照進(jìn)離場(chǎng)航線飛行。綜合考慮流量控制和管制工作負(fù)荷的影響，對(duì)重慶機(jī)場(chǎng)終端區(qū)的容量做出評(píng)估，并在終端區(qū)飽和運(yùn)行的條件下，通過(guò)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)延誤情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，快速確定影響終端區(qū)運(yùn)行的“瓶頸”所在。結(jié)合限制“瓶頸”，對(duì)重慶機(jī)場(chǎng)終端區(qū)的空域結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，給出進(jìn)離場(chǎng)程序的優(yōu)化方案。在相同的仿真前提下，對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行仿真，結(jié)果表明確實(shí)達(dá)到增大終端區(qū)容量的目的。

考慮到機(jī)場(chǎng)和終端區(qū)相互影響與制約，在后續(xù)工作中將以提高機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行效率為切入點(diǎn)，進(jìn)一步提升終端區(qū)的運(yùn)行容量。

[1]蔣 兵，胡明華，田 勇，等.終端區(qū)空中交通容量評(píng)估的仿真方法[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2003，3（1）：97-100.

[2]LEE DAVID A，NELSON CAROLINE，SHAPIRO GERALD.The Aviation System Analysis Capability Airport Capacity and Delay Models，NASA-98-cr207659[R].Hampton，Virginia：Langley Research Center，1998.

[3]HELME M P，LINDSAY K，MASSIMINI S V.Optimization of Traffic Flow to Minimize Delay in the National Airspace System，Technical Report MP93W14[R].Washington D C：The MITRE Corporation，1993.

[4]KLEINMAN N L，HILL S D，ILENDA V A.Simulation Optimization of Air Traffic Delay Cost[C]//Proceedings of the 30th Conference on Winter Simulation.Washington D C，1998：1177-1182.

[5]倪桂明，楊東援.機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真研究的應(yīng)用與發(fā)展[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2002，14（1）：112-115.

[6]IGNACCOLO MATTEO.A simulation model for airport capacity and delay analysis[J].Transportation Planning and Technology，2003，26（2）：135-170.