基于交叉航路影響的航路容量模型研究

許　揚(yáng)，許　俐，趙　征

(南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，南京 211106)

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基于交叉航路影響的航路容量模型研究

許揚(yáng)，許俐，趙征

(南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，南京 211106)

航路容量的影響因素復(fù)雜、交錯，現(xiàn)有航路容量模型為了簡化復(fù)雜度，考慮的影響因素比較單一，和實(shí)際情況距離較遠(yuǎn)，實(shí)用性較低.在分析現(xiàn)有航路容量模型并總結(jié)其特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研究主航路與交叉航路交通流的相互關(guān)系，分析各交通流對航路容量的影響機(jī)理，建立考慮交叉航路影響的航路容量模型；通過A593航路進(jìn)行實(shí)例計(jì)算，對該模型進(jìn)行了應(yīng)用性分析.

航路容量建模；交叉航路影響；靜態(tài)容量；動態(tài)容量

近年來我國航空運(yùn)輸業(yè)發(fā)展迅猛，空中交通流量急劇增加，空域愈發(fā)擁擠，航班延誤愈發(fā)嚴(yán)重.航路作為空中交通流的承載體，其容量直接影響到航路上各個節(jié)點(diǎn)的可用資源，準(zhǔn)確評估航路容量能夠直接指導(dǎo)實(shí)際運(yùn)行中的流量管理，影響空中交通管理實(shí)施的成果，而建立航路容量模型是進(jìn)行航路容量評估的基礎(chǔ).在科學(xué)論證的基礎(chǔ)上，評估航路容量、確定航路的運(yùn)載能力，最大程度發(fā)揮空域資源的效率，是改進(jìn)航路使用的一個關(guān)鍵技術(shù).

國內(nèi)外對航路容量相關(guān)的研究起步較晚，20世紀(jì)70年代初，Gener和Marner等學(xué)者首次將跑道的容量概念延伸至航路.2007年，J·DWelch等學(xué)者提出基于管制員工作負(fù)荷的宏觀航路容量評估模型[1].2009年，AlexanderKlein對航路空域的方向性要求、容量以及排隊(duì)延誤等方面的航路運(yùn)行特性進(jìn)行了研究[2].國內(nèi)學(xué)者也展開了各種研究，2007年，余靜將航路容量劃分為航路起始點(diǎn)的過點(diǎn)容量和航路本身的固定容量兩部分[3].2010年，張進(jìn)評估了交叉航路空域的時隙可用性[4].2012年，王曉晨提出了考慮隨機(jī)因素的多航段航路容量方法[5].2015年，潘衛(wèi)軍在航路容量評估模型中考慮了航空器高度層穿越的影響[6].2015年，李善梅研究了基于灰色聚類的交叉航路識別方法[7].本文在已有模型的基礎(chǔ)上建立了考慮交叉航路影響的航路容量模型.

1　航路容量定義

本文的航路指兩個節(jié)點(diǎn)(導(dǎo)航臺)之間的空中航行路線，航路可能經(jīng)過中間節(jié)點(diǎn)，也可能和其他航路交叉，航路流量管理以管制扇區(qū)劃分.航路容量是指單位時段航路可以服務(wù)的航空器最大架次數(shù)[8]，可分為理論容量、實(shí)際容量和運(yùn)行容量.理論容量是指在單位時間段里，充分滿足需求的條件下，航路最多可以服務(wù)的航空器架次[9].實(shí)際容量是指在可接受延誤水平下，單位時間段內(nèi)航路可以服務(wù)的航空器最大架次.運(yùn)行容量是指在實(shí)際容量的基礎(chǔ)上，考慮管制員工作負(fù)荷等實(shí)際因素的影響，單位時段內(nèi)航路能服務(wù)的航空器最大架次.

根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，航路理論容量模型如下：

C=N/T (1)

其中：C為航路最大容量，N為服務(wù)的最大航空器架次，T為服務(wù)的總時間

考慮航路自身長度因素，改進(jìn)航路容量模型，將航路容量分為動態(tài)容量Cd和Cs靜態(tài)容量兩個部分.選擇航路入口為參考點(diǎn)，動態(tài)容量是單位時間段內(nèi)，保持最小安全間隔，進(jìn)入航路的航空器架次.靜態(tài)容量為航路自身長度可以容納的、滿足最低安全間隔的航空器架次.動態(tài)容量Cd、靜態(tài)容量Cs和航路容量C如式(2)、(3)、(4).

Cs=L/(D+ΔD)

(2)

Cd=VT/(D+ΔD)

(3)

C=Cs+Cd=L/(D+ΔD)+VT/(D+ΔD)

(4)

其中：L為航路的長度，V為航空器的平均速度，T為服務(wù)的單位時間.

2　考慮交叉航路影響的航路容量模型

根據(jù)航空資料匯編(AIP)公布的我國1 012條航路數(shù)據(jù)，繪制出我國航線網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示.正如地面交通網(wǎng)絡(luò)一般，航路形成了一個錯綜復(fù)雜的航路網(wǎng)絡(luò).本文將所研究的航路為主航路，與主航路相交的航路稱為交叉航路，主航路與交叉航路的匯聚點(diǎn)稱為交叉點(diǎn).交叉點(diǎn)可能存在于某條航路的中間部分也可能存在于該航路的起點(diǎn)或者終點(diǎn)，某條航路可能與其他航路存在一個或者多個交叉點(diǎn).交叉航路在交叉點(diǎn)的交通流會影響主航路航空器的運(yùn)行間隔，導(dǎo)致航路的運(yùn)行狀況更加復(fù)雜，影響整條航路的容量，交叉點(diǎn)可能是航路容量的瓶頸，因此研究交叉航路對航路容量的影響不可或缺.

圖1　我國航路網(wǎng)絡(luò)圖

設(shè)主航路共有N個交叉點(diǎn)，K個高度層，為簡化模型假設(shè)每個高度層的情況都相同.在同一高度層，以交叉點(diǎn)為對象將主航路劃分為N個航段，研究交叉航路對主航段的影響.如圖2所示，每個航段共有三個關(guān)鍵點(diǎn)A、B和C，其中A點(diǎn)稱為該航段交通流的入口點(diǎn)，該點(diǎn)的交通流從前一航段流入；B點(diǎn)稱為交叉點(diǎn)，該點(diǎn)是主航路和交叉航路交通流的交叉點(diǎn)；C點(diǎn)稱為該航段交通流的出口點(diǎn)，該點(diǎn)的交通流流入下一航段.

圖2　主航路與交叉航路示意圖

(5)

(6)

(7)

(8)

故由N條航段組成航路預(yù)留的間隔為G，其公式如下所示：

(9)

(10)

(11)

(12)

綜上所述，每個高度層上航路情況相同，故得到有K個高度層的考慮交叉航路影響的航路容量C′如(13)所示：

(13)

3　實(shí)例分析

3.1航路結(jié)構(gòu)分析

為驗(yàn)證上文所構(gòu)建航路容量模型的正確性和科學(xué)性，將該模型應(yīng)用于我國A593京滬航路的部分航段.本文使用A593從VMB點(diǎn)至SADLI點(diǎn)的部分航段進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證.該航路經(jīng)過上海區(qū)域05扇區(qū)、上海區(qū)域03扇區(qū)，共經(jīng)過八個導(dǎo)航點(diǎn)，由北向南依次為：VMB、PK、PUD、IPRAG、DUMET、AKARA、LAMEN、SADLI，各導(dǎo)航點(diǎn)之間的長度依次為119、45、64、33、70、49、98km，航路結(jié)構(gòu)如圖3所示.剔除部分航路的邊界點(diǎn)，VMB和SADLI，由剩余的六個導(dǎo)航點(diǎn)將這部分航路分成六個航段，該航段總長為261km.

圖3　實(shí)例驗(yàn)證的航路結(jié)構(gòu)示意圖

3.2交叉航路影響下的航路容量

表1　南向運(yùn)行時各交叉點(diǎn)的交通流架次數(shù)分布(單位：架次/h)

表2　北向運(yùn)行時各交叉點(diǎn)的交通流架次數(shù)分布(單位：架次/h)

表3　南北向運(yùn)行交叉點(diǎn)處預(yù)留的間隔Gn(單位：km)

由公式(9)可得，該航段南向運(yùn)行預(yù)留的間隔為24.85km，北向運(yùn)行預(yù)留的間隔為59.85km，將該結(jié)果帶入公式(10)、(11)、(12)，可以計(jì)算出該航段在南北向運(yùn)行時單高度層的容量值，如表4所示.

表4　南北向運(yùn)行時該航段的容量值(架次/h)

從航路容量評估結(jié)果來看，南北向運(yùn)行的單高度層航路容量相差1.66架次/h.南向運(yùn)行時，由于實(shí)例中的航段位于A593航路末端，在各交叉點(diǎn)飛出的航空器較多，而飛入航空器較少，故在交叉點(diǎn)入口流為飛入航空器預(yù)留的間隔較少，因此該航路南向運(yùn)行時航路容量稍大于同一航路北向運(yùn)行的航路容量.由于缺乏高度層的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)例僅計(jì)算了單高度層的航路容量.

4　結(jié)　論

本文綜合考慮了交叉航路上各交通流對航路容量的影響，建立了考慮因素較為全面的航路容量模型，并通過A593航路進(jìn)行實(shí)例計(jì)算.若將主航路和與主航路相交的各交叉航路作為一個航路系統(tǒng)對待，通過本文分析，可以認(rèn)為航路容量問題實(shí)際上是整個航路系統(tǒng)資源的分配問題，假設(shè)穿越流不存在：

合理的需求配置能夠優(yōu)化航路系統(tǒng)的使用效率，應(yīng)充分考慮航路起點(diǎn)、終點(diǎn)以及所經(jīng)各交叉點(diǎn)的需求，起點(diǎn)至終點(diǎn)的交通流越大，航路系統(tǒng)給交叉航路配置資源的能力就越差，整個航路系統(tǒng)的服務(wù)能力越低.

[1]WELCHJD,ANDREWSJW,MARTINBD, et al.Macroscopicworkloadmodelforestimatingenroutesectorcapacity[C]//Proceedingsofthe7thUSA/EuropeAirTrafficManagementR&DSeminar,ATM. 2007.

[2]KLEINA,COOKSL,WANKEC, et al.Methodologiesforestimatingtheimpactofsevereweatheronairspacecapacity[C]//26thIntern.CongressoftheAeronauticalSciences. 2008.

[3]余靜, 劉洪, 熊運(yùn)余, 等. 一種改進(jìn)的航路動態(tài)容量計(jì)算方法[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào) :自然科學(xué)版, 2007, 5: 016.

[4]張進(jìn), 胡明華, 張晨. 交叉航路空域的時隙可用性評估方法[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 45(6): 958-964.

[5]王曉晨, 杜新宇, 劉衛(wèi)香. 考慮隨機(jī)因素的多航段航路容量模型研究[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì), 2012, 33(9): 3598-3603.

[6]潘衛(wèi)軍, 況金宏, 王文博, 等. 程序管制下考慮高度層穿越的航路容量評估模型[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2015 (1): 320-324.

[7]李善梅, 徐肖豪, 王超, 等. 基于灰色聚類的交叉航路擁擠識別方法[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2015(1): 189-197.

[8]徐肖豪, 王平. 程序管制條件下航路容量仿真評估算法[J]. 中國民航大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 25: 14-16.

[9]趙丹, 戴福青. 一種改進(jìn)的航路容量模型[C]// 2010年航空器適航與空中交通管理學(xué)術(shù)年會論文集. 2010.

[10]董襄寧, 趙征, 張洪海. 空中交通管理基礎(chǔ)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2011.

Research of air route capacity model based on influence of cross route

XU Yang, XU Li, ZHAO Zheng

(School of Civil Aviation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Theinfluencefactorsaffectingtheen-routecapacityarecomplexandassociated.Inordertosimplifythecomplexity,consideredfactorsarerelativelysimple,theexistingmodelsarefarfromtheactualsituationandwithloweroperation.Afteranalyzedtheexistingen-routecapacitymodelsandsummarizedtheircharacteristics,thispaperstudiedtherelationshipoftrafficflowsbetweenmainrouteandcrossroute;analyzedtheinfluencemechanismofthetrafficflowtotheen-routecapacity;establishedanewen-routecapacitymodelconsideringtheinfluenceofcrossroute.AnempiricalanalysiswasmadewithdataofA593route.

airroutecapacitymodeling;influenceofcrossroute;staticcapacity;dynamiccapacity

2015-08-24.

許揚(yáng)(1990-)，男，碩士，研究方向：空中交通規(guī)劃與管理.

V35

A

1672-0946(2016)04-0498-05