管制扇區(qū)增開方案分析驗(yàn)證

王毅鵬，李歡

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

0 引言

近年來(lái)，隨著人們對(duì)高速便捷出行方式需求的增長(zhǎng)和我國(guó)對(duì)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(zhǎng)不均衡，管制空域內(nèi)復(fù)雜天氣、軍航活動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)珠三角空域機(jī)場(chǎng)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(duì)空域運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)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(duì)空域扇區(qū)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了研究。

綜上所述，對(duì)于空域規(guī)劃與扇區(qū)增開，目前國(guó)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(wèn)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(wèn)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(chǎng)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(huì)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(dòng)，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(chǎng)建模)軟件是一個(gè)從門到門的快速仿真工具，幾乎可以對(duì)整個(gè)空中交通管理過(guò)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(duì)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(chǎng)(airports)、位置點(diǎn)(waypoints)、航路(routes)、航空器性能特性、時(shí)刻表(schedule)等。然后構(gòu)建仿真環(huán)境，包括物理環(huán)境(機(jī)場(chǎng)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(chǎng)排序、流量管理與空域規(guī)則、機(jī)場(chǎng)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(guò)對(duì)航路、時(shí)刻表等一系列數(shù)據(jù)的調(diào)整，根據(jù)未來(lái)的預(yù)期計(jì)劃，設(shè)置流量管理、空域規(guī)則等動(dòng)態(tài)環(huán)境，加入航空器性能隨機(jī)因素、機(jī)場(chǎng)天氣模型，可以對(duì)未來(lái)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(duì)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(guò)Reporter工具，對(duì)TAAM仿真軟件的關(guān)鍵分析指標(biāo)進(jìn)行提取。通過(guò)方案間的對(duì)比，可以知道不同扇區(qū)增開備選方案對(duì)運(yùn)行的改善作用。本文結(jié)合TAAM仿真平臺(tái)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(gè)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)刻會(huì)發(fā)生時(shí)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(duì)航空器未來(lái)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(píng)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(lái)大流量下的航班時(shí)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(qǐng)專家參與模擬機(jī)驗(yàn)證的全過(guò)程，根據(jù)不同方案的模擬機(jī)運(yùn)行情況填寫調(diào)查問(wèn)卷進(jìn)行評(píng)價(jià)。

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(gè)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(huì)機(jī)場(chǎng)的進(jìn)離場(chǎng)沖突的調(diào)配和進(jìn)場(chǎng)航空器的排序工作。扇區(qū)內(nèi)有JTA、BESMI、XIXAN等多個(gè)航路匯聚點(diǎn)，且在部分進(jìn)離場(chǎng)航路上并未實(shí)現(xiàn)進(jìn)離場(chǎng)程序分離。隨著扇區(qū)流量的快速增長(zhǎng)，目前開設(shè)的3個(gè)進(jìn)近管制扇區(qū)的管制壓力持續(xù)增長(zhǎng)，為保證航空安全，需要確定扇區(qū)增開方案，并對(duì)其進(jìn)行分析論證。

通過(guò)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(gè)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(gè)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(guó)際機(jī)場(chǎng)、西寧曹家堡機(jī)場(chǎng)起降航班量年增長(zhǎng)率為8%，目標(biāo)年2020年，高峰時(shí)期中川機(jī)場(chǎng)單日起降架次為410架次，曹家堡機(jī)場(chǎng)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(cè)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(gè)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(shí)流量

為了保障飛行安全，各扇區(qū)的小時(shí)流量需要以扇區(qū)容量評(píng)估的相應(yīng)指標(biāo)為限定值。根據(jù)2個(gè)方案的扇區(qū)構(gòu)型，分別在2個(gè)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(jiàn)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(shí)流量偏大，并且與進(jìn)近2扇、進(jìn)近3扇相比，小時(shí)流量不夠均衡。方案二各扇區(qū)的小時(shí)流量能基本滿足未來(lái)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(jiàn)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(gè)備選方案對(duì)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(wèn)題在方案一中沒(méi)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(wèn)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(gè)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(jiàn)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(méi)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(jiàn)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(gè))，這是進(jìn)近4扇管制負(fù)荷較大的原因之一，這個(gè)問(wèn)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(gè)

2.4 模擬機(jī)驗(yàn)證

為保證分析結(jié)果的合理性，對(duì)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(wèn)卷，共回收調(diào)查問(wèn)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(yǔ)

綜合TAAM仿真分析、管制模擬機(jī)驗(yàn)證及專家評(píng)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(wèn)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(guò)TAAM仿真工具，實(shí)現(xiàn)了對(duì)專家會(huì)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(gè)備選方案仿真模型，可以模擬各種場(chǎng)景下扇區(qū)管制運(yùn)行情況的變化，明確不同方案對(duì)未來(lái)的空域環(huán)境和管制運(yùn)行的影響，對(duì)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(duì)管制扇區(qū)的增開規(guī)劃具有指導(dǎo)意義。