航路單雙向運行理論容量對比研究

王莉莉，曹　玉，黎新華

（1.中國民航大學空中交通管理學院，天津　300300；2.民航西南空管局飛行服務(wù)中心，成都　610000）

航路單雙向運行理論容量對比研究

王莉莉1，曹玉1，黎新華2

（1.中國民航大學空中交通管理學院，天津300300；2.民航西南空管局飛行服務(wù)中心，成都610000）

民航運輸需求的增長，需要空域容量的保障。2013年隨著“京昆單向循環(huán)大容量通道”的實施，單向航路的研究成為了一個熱點，其中一個很具爭議性的問題就是單向航路對于容量的提升是否有顯著效果。本研究從航路容量定義出發(fā)，考慮安全間隔、交叉點的影響、終端區(qū)的影響，建立了航路運行容量模型。采用實際數(shù)值，對比計算了“京昆大容量通道”單向運行與混合運行容量值，并對結(jié)果進行比較分析，為目前正在實施的航路網(wǎng)規(guī)劃調(diào)整提供了理論依據(jù)。

航路規(guī)劃；航路運行容量；單向航路；京昆大容量通道

航路容量分為航路最大容量和航路運行容量。航路最大容量是指在指定航路范圍內(nèi)，給定時間段內(nèi)能夠服務(wù)的最大航空器數(shù)量，即在延誤趨于無窮大時的運行容量，反映了極限服務(wù)水平。航路運行容量也稱實際容量，是指在指定航路空域范圍內(nèi)，在可接受的航班延誤水平下，給定時間段內(nèi)能夠服務(wù)的最大航空器數(shù)量。單向運行航路[1]主要是指航空器在一條航路上只沿一個方向飛行，高度層上下方只有同向航空器的運行方式的航路。

2013年12月12日起，中國“京昆單向循環(huán)大容量通道”正式投入使用?！熬├蜗蜓h(huán)大容量通道”是一條骨干航路，這條航路貫穿北京、西安、成都、重慶、貴陽、昆明等重要繁忙機場，是連接中國西南、西北與華北、東北地區(qū)的航路主動脈。隨著“京昆單向循環(huán)大容量通道”的實施，單向航路的研究成為了熱點，單向航路能降低安全風險已得到共識，但單向航路運行后是否降低了容量是一個熱點爭議問題，本文將主要針對該問題進行研究。

對航路容量的研究主要有：Gene和Marner在1970年首次將針對跑道的容量概念擴充到終端區(qū)以及航路上，初步探討航路的流量管理和容量評估問題，但其沒有給出容量的計算方法[2]。國內(nèi)這方面的研究：南京航空航天大學的胡明華教授和張志龍、杜竣等在1999—2000年對終端區(qū)容量模型進行了研究，討論了影響空管系統(tǒng)容量的諸因素，建立了航路交叉點的容量估計模型；蔣兵、胡明華考慮航路高度層配置對航路容量的影響與備用高度層使用對整條航路容量的影響建立了航路容量模型；余靜、劉洪考慮了航路長度、空域活動、天氣狀況建立了航路容量模型；張兆寧、王霞考慮到軍事活動因素影響下的航路容量模型；趙丹考慮到位置誤差、不同機型引起變化建立航路容量模型。

本文從航路容量定義出發(fā)，考慮單向運行與混合運行下的實際空管環(huán)境的運行特點，從一個全新的角度建立航路運行容量模型，其中重點考慮安全間隔、交叉點影響、終端區(qū)影響這三個因素。本文最后采用實際數(shù)值，對比計算了“京昆大容量通道”單向運行與混合運行容量值，并對結(jié)果進行比較分析，為目前正在實施的航路網(wǎng)規(guī)劃調(diào)整提供了理論依據(jù)。

1　影響航路運行容量的因素分析

對航路運行容量的主要影響因素有以下幾方面：

1）空管的間隔規(guī)定

在中國，因為流量、設(shè)備等差異，各地的管制單位依據(jù)實際情況制定了不同的空管規(guī)則和管制方法，一般高度間隔是統(tǒng)一的，對于水平間隔的要求各地不同。管制規(guī)定里只規(guī)定，雷達管制下區(qū)域里航空器間的間隔不能少于10 km。但實際運行時，考慮要給穿越本高度的飛機預(yù)留空間，每個單位的空域復(fù)雜度和導(dǎo)航設(shè)備覆蓋情況不同，所以每個單位又規(guī)定有不同的實際運行控制間隔。

2）航路的可用高度層

航路的可用高度層受地形地貌、導(dǎo)航設(shè)施覆蓋、特殊區(qū)域限制高度、管制員工作負荷等影響。

3）空域結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性

航路上交叉點的個數(shù)，該點處交叉航路的條數(shù)，該航路交叉點的繁忙程度、連接終端區(qū)位置、終端區(qū)對航路影響的大小等都對容量有很大的影響。

4）管制員的工作負荷

空管有關(guān)規(guī)定對管制員同時指揮的飛機數(shù)目有嚴格的規(guī)定，這也就是對于管制員的工作量有限制，進而也就影響到了系統(tǒng)的容量。

5）氣象條件

氣象條件對空域容量有很大的影響。當某條航路有雷雨時，飛經(jīng)該航路所有飛機都必須繞行，相當于改變了航路結(jié)構(gòu)，因而也影響了容量。

6）空管保障系統(tǒng)的可靠性

依據(jù)空管有關(guān)規(guī)定，如果部分空管保障設(shè)施不能正常工作，相關(guān)的管制規(guī)定應(yīng)做相應(yīng)調(diào)整，如雷達失效時改用程序管制方式，就必須拉大管制間隔，這樣對空域容量將會造成極大的影響。

7）其他一些因素

如特情、重點保障飛行、空軍訓練、空軍運輸機飛行、軍機轉(zhuǎn)場飛行穿越民航航路等情況，這些都會對空域內(nèi)的飛機流的運行造成影響，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的容量降低。

2　航路運行容量模型

為對比單向航路與混合航路的運行容量，本模型的建立主要考慮目前實際運行時空管的管制間隔、航路的實際使用高度層、空域結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。本文假設(shè)氣象條件符合正常運行條件，管制員工作負荷在可接受負荷范圍內(nèi)，空管系統(tǒng)的可靠性較穩(wěn)定。

2.1航路運行容量模型

從航路容量的概念定義可得：C=N/T；N等于航路長度和管制間隔之間的比值：N=L/X；考慮一段航路的時間可表示為：T=L/V；于是可得一個高度層上航路運行容量模型為：當有多個高度層時，假設(shè)有n個可用高度層，可得容量公式為

為了符合現(xiàn)實運行情況，模型具有實際意義，需考慮交叉點與其對系統(tǒng)的影響兩方面，于是設(shè)交叉點的容量降低系數(shù)為γ、終端區(qū)容量影響系數(shù)為λ，最終得出航路運行容量模型為

其中：V為適用航路的飛機平均速度；X為管制員控制的最小安全間隔；C為航路容量；N為該段航路服務(wù)時間內(nèi)的航空器架次；Ci為單個高度層航路容量；n為可用高度層數(shù)量；γ為交叉點的容量降低系數(shù)；λ為終端區(qū)容量影響系數(shù)。

2.2交叉點的影響

交叉點前后，飛機在各條航路上的飛行是各自獨立的，但過交叉點之前必須對即將過交叉點的飛機進行排序，以保證在飛機過交叉點前后不會發(fā)生間隔小于規(guī)定的情況。

參考關(guān)于交叉點的影響研究[3]，結(jié)合圖1可得出以下關(guān)系

其中：HD為插入間隔余度的實際最小安全間隔；v1為F1的速度；v2為F2的速度；D為離場放飛間隔或進場移交初始間隔；?為1架航空器未過交叉點，1架航空器已過，兩航空器所在航路夾角；β為兩機都未過交叉點的所在航路夾角；X為管制員控制的最小安全間隔；AD為入口處的放飛間隔；C1為交叉點的容量；C2為無交叉點時的容量。

在本文中，假設(shè)插入間隔余度的實際最小安全間隔就是管制員控制的最小安全間隔，區(qū)域上運行的要過交叉點的2架航空器速度相等，于是得HD=X，v1=v2=v，上式簡化為

于是，當增加一個交叉點時，容量降低的程度為

考慮?∈[π/2，π），容量影響因子的擬合函數(shù)圖如圖2所示。

交叉點容量影響因子的均值為

圖2　擬合函數(shù)圖Fig.2　Fitting function diagram

混合運行時，由于同高度層上匯聚飛行，所以為了航空器匯聚后保障安全間隔，勢必要控制航空器的速度和間隔，導(dǎo)致容量降低?？紤]交叉點的容量降低系數(shù)γ與交叉點個數(shù)N3、交叉的平均航路個數(shù)N1、影響因子f以及交叉點的繁忙程度m有關(guān)，經(jīng)過和一線運行單位討論，交叉點的容量降低可量化表示為

γ帶入航路運行模型中，進一步完善模型為

2.3終端區(qū)對系統(tǒng)容量的影響

具有實際意義的容量模型應(yīng)該是能體現(xiàn)整個系統(tǒng)共同作用的容量模型。對于單向航路，當終端區(qū)的進離場航路和航線的方向匹配后，只要航路上有容量，離場的航空器就可以起飛，不會壓制航班。但是對于混合航路，如果低高度層上有迎面飛來的飛機，距離本場的間隔在50 km內(nèi)，即使本場離場的航班要去的航路高度層現(xiàn)在有容量，該航班依然不能起飛。因此會對容量有消減的作用。

終端區(qū)起飛容量因航路原因消減整個系統(tǒng)容量，終端區(qū)容量影響系數(shù)λ和終端區(qū)交口個數(shù)N2、低高度層的使用率ω、影響起飛的航班占整個方向離場需求航班量的平均百分率θ間的關(guān)系，可以量化表示為λ=1-N2ωθ。

考慮對系統(tǒng)的容量影響，得出最終的航路運行容量模型為

2.4航路運行容量模型

綜合考慮普通航段、交叉點影響和終端區(qū)的影響，建立航路運行容量模型為

3　單向航路、混合航路運行容量模型計算實例

本文采用西北空管局區(qū)調(diào)的實際運行數(shù)據(jù)，調(diào)研時間段為2014年5月18日至2014年5月24日，通過數(shù)據(jù)整合處理，本文采用以下數(shù)據(jù)：平均速度取889 km/h；交叉點的繁忙程度m為0.93；低高度層的使用率為10%，影響起飛的航班占整個方向離場需求航班量的平均百分率為55.1%。

3.1無限制時單向與混合航路運行容量

在無任何限制的理想條件下，本文選取一段航路。單向航路運行，計算容量時運行安全間隔取30 km，可用高度層取2，可得單向運行航路運行容量為

混合航路運行，計算容量時運行安全間隔取40 km，可用高度層取4，可得雙向運行航路運行容量為

3.2交叉點、終端區(qū)影響下單向與混合航路運行容量

選取“京昆大容量通道”中北京—西安段，進行航路運行容量計算對比，如圖3所示。

圖3　京昆大容量通道示意圖Fig.3　Jing-Kun large-capacity channel

單向航路運行時，按現(xiàn)在實際運行情況，計算容量時運行安全間隔取30 km，可用高度層為2，對于單向航路，由于過交叉點時可采用上升或下降一個高度層的方式，因此不會有沖突產(chǎn)生，交叉點的容量降低系數(shù)γ取1，終端區(qū)容量影響因子為1，計算容量為

航路連接西安、太原、北京三個終端區(qū)，所以終端區(qū)交口個數(shù)為3。根據(jù)圖3可知，采用實際調(diào)研數(shù)據(jù)，交叉點個數(shù)N3為1，交叉的平均航路個數(shù)N2為3。則

λ=1-N2ωθ=1-3×10%×55.1%=0.835

航路混合運行，存在逆向航跡飛行，計算容量時運行安全間隔取40 km，可用高度層為4，交叉點的容量降低系數(shù)γ取0.79，終端區(qū)影響因子取0.835，計算容量為

對比結(jié)果分析，在航路無任何限制的理想情況下，混合航路的容量大于單向航路，因為混合航路可用高度層多于單向航路的可用高度層。在考慮交叉點、終端區(qū)的情況下，單向航路的容量小于混合航路，隨著交叉點增多，容量影響越大。

4　結(jié)語

本文從航路容量定義和實際運行情況出發(fā)，考慮到安全間隔、交叉點的影響、終端區(qū)的影響，建立了航路運行容量模型。采用實際數(shù)值，分別計算了無任何限制條件下與“京昆大容量通道”單向和混合航路運行容量值，并對結(jié)果進行比較分析，對于一段無任何限制的航路，因為單向航路間隔較小，單向航路運行容量的值小于混合航路運行容量；對于有交叉點、終端區(qū)影響的航路，單向航路運行容量的值小于混合航路運行容量，可計算得出，隨交叉點數(shù)量的增多，混合航路運行容量值逐漸減小，其效率降低，目前取單向航路間隔為30 km，實際上由于單向航路是順向飛行，運行間隔還可更小，容量可進一步增加。

本文為目前正在實施的航路網(wǎng)規(guī)劃調(diào)整提供了理論依據(jù)，文中涉及的部分參數(shù)與關(guān)系式是根據(jù)經(jīng)驗得到的，可進一步通過實際的模擬機運行來加以修正與完善。

[1]楊超.單向循環(huán)航路改造對空中立交橋的影響[J].中國民用航空，2013（12）：46-48.

[2]RATNER R S.A methodology for evaluating the capacity of air traffic control systems[G].FAA-RD-70-69，1970：1175.

[3]胡明華.空中交通流量管理理論與方法[M].北京：科學出版社，2010：75-90.

（責任編輯：楊媛媛）

Comparative research on one-way and mixed-way en route operating capacity

WANG Li-li1,CAO Yu1，LI Xin-hua2
（1.College of Air traffic Management，CAUC，Tianjin 300300，China；2.FlightService Center，Southwest Regional ATM Burean of CAAC，Chengdu 610000，China）

The growth in demand for civil aviation requires assurance of the airspace capacity.In 2013,with the implementation of‘Jing-Kun one-way circulation large-capacity channel’,the research of one-way route has become a hotspot,one of the controversial issues is whether the one-way route has a significant effect for enhancing the capacity.Starting from the definition of route capacity and considering the safe separation distance,impact of intersection and terminal area,an en route operating capacity model is built.Using actual values,the‘Jing-Kun largecapacity channel’one-way and mixed-way operation capacity values are calculated and compared.The study provides a theoretical base for the adjusting plan of en route network being implemented.

route planning；en route operating capacity；one-way route；Jing-Kun large-capacity channel

V355

：A

：1674－5590（2015）06－0001－04

2014-05-22；

：2014-09-24

國家自然科學基金項目（61179042）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項（ZXH2012L005）

王莉莉（1973—），女，陜西興平人，教授，博士，研究方向為空域規(guī)劃、空中交通管理.