避讓危險(xiǎn)天氣 減少航班延誤

張宇

摘 要：空中交通管理系統(tǒng)中，造成航班延誤或取消的主要原因是由惡劣天氣引起的?？沼蛑械谋茏尯铰吩O(shè)計(jì)問題和安全航路的設(shè)計(jì)問題對(duì)研究避讓惡劣天氣有很重要的意義。

關(guān)鍵詞：空管安全；危險(xiǎn)天氣；安全航路

空中交通管理系統(tǒng)中，造成航班延誤或取消的主要原因是由惡劣天氣引起的。常見的影響飛行的惡劣天氣有強(qiáng)對(duì)流天氣、低空風(fēng)切變和低能見度天氣等等。文章主要介紹轉(zhuǎn)換空域中的避讓航路設(shè)計(jì)問題和安全航路的設(shè)計(jì)問題。

1 轉(zhuǎn)換空域中的避讓航路問題

1.1 簡(jiǎn)介

在轉(zhuǎn)換空域（在給定機(jī)場(chǎng)大約200海里的范圍內(nèi)）中，結(jié)合天氣狀況避讓航路的問題。該問題的研究可以滿足目前空域容量最大化的需求。未來(lái)的國(guó)家空域系統(tǒng)（NAS）也需要機(jī)場(chǎng)能夠有較大的容量，而危險(xiǎn)天氣狀況的避讓也許是主要重要限制因素之一。重點(diǎn)是對(duì)到達(dá)交通流天氣的航路避讓和這些航路交叉點(diǎn)的設(shè)計(jì)。實(shí)際地天氣航路避讓是與三種類型的結(jié)論方法相比較的，即：標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)場(chǎng)航路的變化、結(jié)合多交叉航路的幾何最優(yōu)化解決方案、自由飛行。這些解決方案表明了，針對(duì)目前的NAS來(lái)說，提高容量能力是可行的，但是要受到相關(guān)理論、空域基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和天氣的惡劣性而制約。

1.2 避讓危險(xiǎn)天氣的方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)場(chǎng)航路的變化

標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)場(chǎng)航路變化的方法提供了一條備選航路。這條備選航路是以標(biāo)準(zhǔn)航路為基準(zhǔn)，通過橫側(cè)平移航路點(diǎn)而得到的。

1.2.2 結(jié)合多交叉航路的設(shè)計(jì)（FBRP）

結(jié)合多交叉航路的設(shè)計(jì)原則是：在機(jī)場(chǎng)200海里的范圍內(nèi)，找到一條、兩條或三條不相交的避讓航路，這些航路從航行起始點(diǎn)一直到目標(biāo)機(jī)場(chǎng)。為了滿足空中交通管制的間隔要求，當(dāng)三條航路上都有航空器時(shí)，它們的到場(chǎng)時(shí)間要滿足間隔標(biāo)準(zhǔn)。這時(shí)管制員要通過控制航空器的速度或把間隔控制到10公里來(lái)保證不違反間隔標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.3 自由飛行

自由飛行原則可以用于沒有沖突的航空器避讓危險(xiǎn)天氣。當(dāng)航空器到達(dá)機(jī)場(chǎng)200海里范圍時(shí)，航路向目標(biāo)機(jī)場(chǎng)方向按照最優(yōu)化原則延伸。每架航空器的最佳航路設(shè)計(jì)時(shí)不考慮與其他航空器之間的沖突。

自由飛行原則運(yùn)用了時(shí)間搜索原則，假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)航路上有危險(xiǎn)天氣而必須避讓，從起始點(diǎn)開始尋找一條時(shí)間最短的避讓航路。因?yàn)椴豢紤]與其它航空器之間的沖突，在設(shè)計(jì)航路時(shí)每架行空器都可以任意設(shè)計(jì)，這樣從某種程度上，提高了飛行效率。

2 安全航路的設(shè)計(jì)問題

提高國(guó)家空域容量的一個(gè)方法就是在危險(xiǎn)天氣狀況條件下，提高現(xiàn)有航路的能力使之與該天氣狀況相適應(yīng)。本章中運(yùn)用結(jié)合多交叉航路（FBRP），可以在特定空域范圍內(nèi)，如：扇區(qū)或者是在機(jī)場(chǎng)附近的過渡空域內(nèi)，保證航空器的較大流量狀態(tài)。FBRP也允許在孤寂的航路上有大量的限制因素，這其中包括：在危險(xiǎn)變化的天氣條件下的避讓、轉(zhuǎn)彎、曲率限制以及水平間隔標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 航路的設(shè)計(jì)

為了解決航路設(shè)計(jì)問題，航路的設(shè)計(jì)要逐個(gè)完成。每條航路包括自己的航路點(diǎn)、目的機(jī)場(chǎng)和航線。航路設(shè)計(jì)由兩步來(lái)完成，第一步：用格子法尋找一條最短的航路。第二步：修正已找到的航路，把航路簡(jiǎn)單化。

2.1.1 初始航路的尋找

搜尋到的初始最短航路（開始點(diǎn)U，結(jié)束點(diǎn)V）要滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：與危險(xiǎn)天氣之間有足夠的間隔、與其他航路之間要滿足水平間隔標(biāo)準(zhǔn)和轉(zhuǎn)彎、曲率限制。

（1）搜尋的空域。最短航路的搜尋原則基于正方形格子的搜尋。格子可以是任何大小的，但是為了保證搜尋的質(zhì)量和運(yùn)行時(shí)間，格子的大小要適中。格子過大會(huì)降低搜尋的質(zhì)量，而過大會(huì)增加運(yùn)行時(shí)間。實(shí)踐中，格子的邊長(zhǎng)一般為6.25海里。因此，400*400的空域大概有64*64=4096個(gè)格子。

如圖1所示，以格子交點(diǎn)P為搜索點(diǎn)。K定義為幅度。當(dāng)K的取值一定時(shí)P點(diǎn)周圍有N（P）個(gè)點(diǎn)，搜索的原則是：已P點(diǎn)為中心，在各個(gè)方向上找一個(gè)最近的點(diǎn)與之連接。

圖1 ·K=1，2，3，4

（2）航路。搜索過程中，用時(shí)間標(biāo)注每條航路的航路點(diǎn)。每個(gè)航路點(diǎn)可以延伸到每一個(gè)有效的邊界。標(biāo)注表示從一條航路開始點(diǎn)到此點(diǎn)的最短時(shí)間。同一個(gè)點(diǎn)有可能被標(biāo)不同的時(shí)間，原因是它是多條航路的航路點(diǎn)。當(dāng)開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)之間的最短航路搜尋出來(lái)后，航路上的所有航路點(diǎn)就要用最短時(shí)間標(biāo)注。

（3）搜索角度。搜索角度直接影響搜索的速度，搜索角度越大（?。?，搜索范圍就會(huì)越廣（?。虼怂脮r(shí)間會(huì)大大增加（減?。５阉鹘嵌冗^小會(huì)漏掉最佳航路。因此最佳角度的選擇對(duì)整個(gè)搜索過程非常重要。

2.1.2 航路的修正

在搜索到的航路基礎(chǔ)上對(duì)航路進(jìn)行修正。對(duì)每個(gè)航路點(diǎn)在一個(gè)固定值內(nèi)進(jìn)行平移。再連接各個(gè)航路點(diǎn)，這樣就可以得到一系列新航路。再對(duì)航路進(jìn)行簡(jiǎn)單話處理，這樣得到的航路更適合于現(xiàn)行的空管系統(tǒng)?；蛟S新航路的長(zhǎng)度比原航路長(zhǎng)，但這個(gè)差值相對(duì)于整個(gè)航路來(lái)說可以忽略不計(jì)。

這些航路同樣要滿足以下要求：與危險(xiǎn)天氣之間有足夠的間隔、與其他航路之間要滿足水平間隔標(biāo)準(zhǔn)和轉(zhuǎn)彎、曲率限制。

2.2 航路特點(diǎn)

通過格子尋找法得到的最短航路有以下特點(diǎn)：（1）在危險(xiǎn)天氣邊緣飛行安全的保證。本方法通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在航路設(shè)計(jì)是用航空器與危險(xiǎn)天氣之間的距離來(lái)保證飛行的安全。（2）滿足航空器之間的間隔要求。在設(shè)計(jì)航路一開始就考慮到這個(gè)要求，航路是按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的。（3）有限的尋找點(diǎn)。尋找點(diǎn)過多會(huì)在很大程度上增加運(yùn)行時(shí)間，過少會(huì)影響航路的質(zhì)量。因此選擇合適的尋找點(diǎn)對(duì)航路設(shè)計(jì)有很大的幫作用。（4）適當(dāng)?shù)姆菿。K的值過大會(huì)增加點(diǎn)到點(diǎn)之間的連線，同時(shí)也會(huì)增加運(yùn)行時(shí)間。K的值過小會(huì)降低搜索的精確性。因此選擇適當(dāng)?shù)姆菿會(huì)在保證搜索精度的同時(shí)減小運(yùn)行時(shí)間。（5）合適的角度。角度越大，搜索范圍就越大，同時(shí)運(yùn)行時(shí)間隨之增大。

至此，安全航路的設(shè)計(jì)問題就解決了。首先把空域劃分為有限個(gè)格子的同時(shí)格子之間的交點(diǎn)數(shù)也定了，接選擇是適當(dāng)?shù)姆群秃线m的角度來(lái)搜尋一條最短的航路，最后所確定的航路進(jìn)行修正，這樣最佳航路就設(shè)計(jì)出來(lái)了。

文章從避讓航路設(shè)計(jì)問題和安全航路的設(shè)計(jì)問題兩種途徑對(duì)避讓惡劣天氣進(jìn)行了分析和探討，這兩種辦法對(duì)研究如何更有效、更經(jīng)濟(jì)的避讓惡劣天氣提供很好的切入點(diǎn)。