計(jì)算機(jī)仿真在機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

陳芊

中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)集團(tuán)公司規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100101

機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)是航空運(yùn)輸系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。近年來(lái)隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和航空業(yè)的快速發(fā)展，很多機(jī)場(chǎng)現(xiàn)有設(shè)施已幾近飽和，面臨新建和改擴(kuò)建任務(wù)。機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越大，飛行區(qū)構(gòu)型也日趨復(fù)雜和多樣化，給機(jī)場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)與管理增加了新的難度，傳統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方式已經(jīng)難以滿足機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)、評(píng)估、優(yōu)化的要求，無(wú)法適應(yīng)機(jī)場(chǎng)建設(shè)快速發(fā)展的需要。

在機(jī)場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，需要對(duì)飛行區(qū)系統(tǒng)資源進(jìn)行合理配置和布局，既要能夠滿足未來(lái)航空業(yè)務(wù)量的發(fā)展需要，保障機(jī)場(chǎng)安全高效運(yùn)行，又能保障提供高水平的服務(wù)質(zhì)量。計(jì)算機(jī)仿真分析是提高機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)管理水平的重要途徑，通過(guò)建立機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)及其子系統(tǒng)的仿真模型，可以預(yù)先驗(yàn)證新建、擴(kuò)建、改建機(jī)場(chǎng)的方案可行性，對(duì)代表機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)運(yùn)行效率的重要指標(biāo)進(jìn)行模擬分析和系統(tǒng)研究，從而推斷飛行區(qū)系統(tǒng)的總體性能，幫助機(jī)場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)和管理決策部門做出科學(xué)的判斷和分析。

1 、飛行區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)

飛行區(qū)系統(tǒng)主要包括跑道、滑行道和站坪機(jī)位三大主要功能設(shè)施，其規(guī)劃設(shè)計(jì)根據(jù)當(dāng)?shù)氐匦?、氣候條件和航空需求，對(duì)跑道數(shù)量、方位和幾何構(gòu)型、滑行道結(jié)構(gòu)、機(jī)坪區(qū)布局和門位數(shù)量等進(jìn)行整體布局和總體規(guī)劃。飛行區(qū)的幾何構(gòu)型在許多重要方面影響著機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行，飛行區(qū)的規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)能保證一定的運(yùn)行效率、靈活性以及未來(lái)發(fā)展的潛力[1]。新建或擴(kuò)建機(jī)場(chǎng)，制定的設(shè)計(jì)方案是否滿足機(jī)場(chǎng)安全、高效的運(yùn)行需求，需要經(jīng)過(guò)程序復(fù)雜而縝密的科學(xué)論證，傳統(tǒng)論證過(guò)程和結(jié)果不直觀，效果不理想。由于機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜性以及受各種不確定因素的影響，機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)者無(wú)法確切把握機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)規(guī)律以及機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)的交通特性[2]，難以根據(jù)預(yù)測(cè)的航空需求做出合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)，很難把握各個(gè)方案的實(shí)際性能，無(wú)法對(duì)不同規(guī)劃方案進(jìn)行簡(jiǎn)捷、省時(shí)的對(duì)比。

2 、計(jì)算機(jī)仿真

計(jì)算機(jī)仿真[3]是以計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)的軟件為工具，以真實(shí)系統(tǒng)或預(yù)設(shè)系統(tǒng)的仿真模型為依據(jù)，通過(guò)對(duì)仿真試驗(yàn)過(guò)程的觀察和統(tǒng)計(jì)，得到被仿真系統(tǒng)的仿真輸出信息和基本特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和變化規(guī)律的綜合評(píng)估與預(yù)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)的改善或優(yōu)化。計(jì)算機(jī)仿真在研究機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)這類復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以最大程度地對(duì)各種復(fù)雜瑣屑的細(xì)節(jié)進(jìn)行模擬，降低與實(shí)際系統(tǒng)的差別，因而可以得到更為真實(shí)的結(jié)果；它在應(yīng)用上具有安全性和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，特別是對(duì)于投資大又有相當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)的項(xiàng)目，可以用極小的投資換取風(fēng)險(xiǎn)的大幅度降低。近些年來(lái)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)快速發(fā)展，由于它綜合集成了計(jì)算機(jī)、圖形圖像、多媒體、軟件工程、信息處理等多個(gè)高科技領(lǐng)域的知識(shí)，已經(jīng)成為研究大規(guī)模、復(fù)雜系統(tǒng)不可或缺的評(píng)價(jià)手段和有力工具。

3 、常見(jiàn)仿真模型

當(dāng)前機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)仿真評(píng)估相關(guān)研究走過(guò)了一個(gè)研究對(duì)象從少到多，研究方法從數(shù)學(xué)分析到計(jì)算機(jī)仿真，影響因素從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過(guò)程。目前應(yīng)用最為廣泛的機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)仿真模型主要是SIMMOD和TAAM[4,5,6]，它們都屬于微觀、動(dòng)態(tài)、綜合型的全面機(jī)場(chǎng)仿真軟件，可以模擬飛機(jī)在空域和機(jī)場(chǎng)各個(gè)部分上的運(yùn)行。表1對(duì)兩大主流機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行了簡(jiǎn)單比較。

表1 SIMMOD和TAAM仿真模型比較

4 、設(shè)計(jì)方案仿真分析

仿真建模主要輸入數(shù)據(jù)包含以下幾方面信息：機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)布局、跑道使用模式、滑行流向及速度、空域結(jié)構(gòu)、空管規(guī)則、地面運(yùn)行規(guī)則、機(jī)位上下客服務(wù)時(shí)間、航班時(shí)刻表等。為更好掌握和了解機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)未來(lái)運(yùn)行狀況，結(jié)合機(jī)場(chǎng)航班歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和航空業(yè)務(wù)量預(yù)測(cè)值，采用多套航班時(shí)刻表仿真分析不同航班需求量下飛行區(qū)系統(tǒng)運(yùn)行情況。在模型中載入不同的航班時(shí)刻表，多次運(yùn)行仿真模型并對(duì)仿真輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)化分析與統(tǒng)計(jì)，分析不同航班需求量下的機(jī)場(chǎng)地面運(yùn)行情況及延誤水平，找出潛在問(wèn)題或運(yùn)行瓶頸，為方案評(píng)估及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)建議。

4.1 容量和延誤

對(duì)機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)而言，容量和延誤是衡量機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率的兩個(gè)最重要的指標(biāo)。在不考慮延誤水平且航班起降存在連續(xù)需求情況下，機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)可以服務(wù)的最大飛機(jī)起降架次，稱為機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)的最大容量或極限容量。實(shí)際運(yùn)行容量是指在單位時(shí)間內(nèi)（通常為1小時(shí)），對(duì)應(yīng)某一航班延誤水平，機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)所能服務(wù)的飛機(jī)起降架次。機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行容量與延誤水平直接相關(guān)。通過(guò)仿真模擬得到未來(lái)不同航班需求量下飛行區(qū)系統(tǒng)的高峰小時(shí)運(yùn)行架次如圖1所示，可見(jiàn)隨著日航班量的增加離港高峰、進(jìn)港高峰以及高峰小時(shí)運(yùn)行架次均有所增加，航班量增加10%后，機(jī)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行容量上升空間有限，高峰小時(shí)起降架次基本保持穩(wěn)定。圖2顯示了仿真模擬中得到的離港航班平均地面延誤時(shí)間及延誤增長(zhǎng)趨勢(shì)，離港航班延誤增幅大于航班量的增幅，從中可得某可接受延誤水平下對(duì)應(yīng)的實(shí)際運(yùn)行容量。

圖1 進(jìn)離港高峰起降架次

圖2 離港地面平均延誤趨勢(shì)

4.2 地面運(yùn)行時(shí)間

飛機(jī)平均滑行時(shí)間/距離是反映飛機(jī)滑行便利條件的重要參數(shù)。在不考慮任何干擾和阻礙下情況，進(jìn)港或離港航班在機(jī)場(chǎng)地面的必要滑行時(shí)間通常受到飛行區(qū)地面設(shè)施整體布局的限制，該時(shí)間與航班量的多少無(wú)關(guān)，僅反映飛行區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的物理布局特性。實(shí)際上，航空器在飛行區(qū)內(nèi)的運(yùn)行還會(huì)與其他航空器間存在的運(yùn)行沖突和相互干擾，地面滑行實(shí)際用時(shí)則包含必要滑行時(shí)間和延誤時(shí)間。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)得到進(jìn)、離港航班的地面滑行時(shí)間如圖3所示。不同航班運(yùn)量下，進(jìn)、離港航班的必要滑行時(shí)間基本保持不變。離港航班地面滑行實(shí)際用時(shí)則隨著航班量的增加而增大，主要是由于地面延誤時(shí)間的增加造成的；進(jìn)港航班的地面延誤時(shí)間很小，因此進(jìn)港地面滑行實(shí)際用時(shí)變化不大。

圖3 進(jìn)、離港航班滑行時(shí)間統(tǒng)計(jì)

4.3 停機(jī)位使用

停機(jī)位是機(jī)場(chǎng)運(yùn)行的重要資源之一，是實(shí)現(xiàn)航班快速安全?？?、保證航班間有效銜接、提高整個(gè)機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)容量和服務(wù)效率的一個(gè)關(guān)鍵因素。停機(jī)位利用率和航班靠橋率，在一定程度上反映了機(jī)場(chǎng)航空運(yùn)輸保障能力和機(jī)位系統(tǒng)服務(wù)水平。停機(jī)位利用率，是指機(jī)位被航班占用的時(shí)間與總運(yùn)行時(shí)間的百分比；航班靠橋率，是指?？拷鼨C(jī)位的航班占航班總運(yùn)行架次的百分比。通過(guò)仿真模擬得到停機(jī)位利用率和航班靠橋率的統(tǒng)計(jì)情況如表2所示，可見(jiàn)不同航班需求量時(shí)航班靠橋率均達(dá)86%以上；近、遠(yuǎn)機(jī)位的利用率隨著航班量的增加均有所增大，當(dāng)航班量增加15%時(shí)靠橋率略有下降，此時(shí)遠(yuǎn)機(jī)位被大量占用。

表2 機(jī)位利用率和靠橋率統(tǒng)計(jì)

5 、結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)仿真是分析評(píng)價(jià)復(fù)雜系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)或設(shè)計(jì)優(yōu)化未來(lái)系統(tǒng)性能與功能的一種重要技術(shù)手段，已經(jīng)逐漸成為機(jī)場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的重要組成部分，改進(jìn)了傳統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法。在機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)建立計(jì)算機(jī)仿真模型，對(duì)機(jī)場(chǎng)主要規(guī)劃設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬試驗(yàn)，輸出仿真運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)，以便對(duì)設(shè)計(jì)方案及潛在問(wèn)題進(jìn)行分析和判斷，達(dá)到對(duì)已有方案進(jìn)行驗(yàn)證和對(duì)未來(lái)運(yùn)行狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)的目的，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)配置情況下的最優(yōu)狀況，滿足機(jī)場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的要求，適應(yīng)機(jī)場(chǎng)建設(shè)快速發(fā)展的需要。

[1]理查德·德·紐弗威爾，阿米第R.歐都尼.機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)：規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理 [M].中國(guó)民航出版社.2006

[2]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):1-4

[3]Law A M, Kelton W D . Simulation modeling and analysis [M]. McGraw Hill, Inc, 1991

[4]CACI Products Company, Inc. SIMMOD The Federal Aviation Administration Airport and Airspace Simulation Model: Information Brief[M]. US Department of Transportation, Federal Aviation Administration, Atlantic City, NJ. 1990

[5]Jasenka Rakas, Airport-Airspace Simulations[C].TRB 81st Annual Meeting Workshop, January 13,2002

[6]田勇，付建軍，王艷軍.機(jī)場(chǎng)地面容量評(píng)估研究 [J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，38(5)：619-622