基于AIRTOP的成都終端區(qū)扇區(qū)建模仿真研究

辛 超　張 軍

基于AIRTOP的成都終端區(qū)扇區(qū)建模仿真研究

辛 超張 軍

本文首先提出了終端區(qū)運(yùn)行模式特點(diǎn)以及對(duì)終端區(qū)扇區(qū)建模的必要性，然后對(duì)比說(shuō)明了所用建模仿真平臺(tái)AirTOp的建模優(yōu)勢(shì)，并以成都終端區(qū)系統(tǒng)進(jìn)行空域建模。建模過(guò)程需要考慮具體成都終端區(qū)的系統(tǒng)復(fù)雜度，也需要全面考慮影響仿真過(guò)程的實(shí)際約束情況，并利用仿真平臺(tái)的規(guī)則庫(kù)對(duì)成都終端區(qū)運(yùn)行模式進(jìn)行建模仿真。最后以實(shí)際運(yùn)行模式下的仿真結(jié)果，分析得出影響終端區(qū)扇區(qū)運(yùn)行的主要因素并評(píng)估各因素的影響程度。

多機(jī)場(chǎng)終端區(qū)空域已經(jīng)成為目前空中交通的最繁忙空域，在此空域中航班流量大，空域運(yùn)行情況復(fù)雜，是空域擁堵、航班延誤和飛行事故頻發(fā)區(qū)域。為更好地維護(hù)空中交通秩序、保障飛行安全，以適應(yīng)航空運(yùn)輸高速發(fā)展需求，需要研究科學(xué)高效的多機(jī)場(chǎng)終端區(qū)進(jìn)離場(chǎng)航班的運(yùn)行模式。要對(duì)繁忙終端區(qū)的運(yùn)行模式進(jìn)行科學(xué)的研究，首先需要合理的終端區(qū)空域運(yùn)行模型，通過(guò)對(duì)終端區(qū)空域運(yùn)行模型的分析不僅能對(duì)空域扇區(qū)或空域結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，使得空域容量得到充分的提高；還能通過(guò)增加臨時(shí)航線網(wǎng)絡(luò)，或增加合理航路點(diǎn)，以驗(yàn)證理論研究是否能進(jìn)一步對(duì)航路優(yōu)化。對(duì)多機(jī)場(chǎng)終端區(qū)的運(yùn)行模式研究最終的目標(biāo)是提高終端區(qū)的運(yùn)行效率，提升終端區(qū)容量，對(duì)進(jìn)離場(chǎng)航班協(xié)同運(yùn)行提供合理的解決方案。

首先對(duì)AirTOp（Air Traffic OptimiZation）仿真系統(tǒng)的原理進(jìn)行簡(jiǎn)介并與其他建模方法和工具進(jìn)行對(duì)比說(shuō)明仿真平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，在對(duì)成都終端區(qū)建模過(guò)程中分析了終端區(qū)建模的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)研究。其次，考慮多約束限制條件下模擬實(shí)際空域的運(yùn)行情況，通過(guò)修正特定的參數(shù)來(lái)反映運(yùn)行模式的差別以保證模型能夠反映真實(shí)終端區(qū)扇區(qū)特性。最后，通過(guò)不同運(yùn)行情況所對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果與進(jìn)行分析，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的真實(shí)和合理性。

評(píng)估方法

終端區(qū)運(yùn)行評(píng)估方法主要有以下四類：一是利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算終端區(qū)運(yùn)行品質(zhì)的方法，由于現(xiàn)在的終端區(qū)空域結(jié)構(gòu)較為獨(dú)特且復(fù)雜性越來(lái)越高，很難僅僅通過(guò)一個(gè)數(shù)學(xué)模型就能準(zhǔn)確描述復(fù)雜的終端區(qū)；二是通過(guò)統(tǒng)計(jì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)估的方法，這種方法以數(shù)據(jù)的完整性和相關(guān)度為基準(zhǔn)往往可以獲得一個(gè)較為合理的數(shù)據(jù)區(qū)間，但是缺點(diǎn)是不能對(duì)特殊情況和周期較長(zhǎng)的遠(yuǎn)期規(guī)劃做合理的評(píng)估；三是利用實(shí)際的管制員操作管制模擬機(jī)進(jìn)行管制員操作負(fù)荷的方法進(jìn)行終端區(qū)運(yùn)行評(píng)估，雖然此種方法能夠直接評(píng)估出實(shí)際操作的運(yùn)行結(jié)果，但是僅僅考慮人的因素使得結(jié)果較為單一，且這個(gè)測(cè)評(píng)需要消耗較多的人力物力才能有較為平均的測(cè)評(píng)結(jié)果；四就是本文所用到的方法：基于計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)進(jìn)行建模研究評(píng)估的方法，軟件建模方法能夠充分考慮終端區(qū)系統(tǒng)自身的復(fù)雜度并且能夠針對(duì)性的對(duì)模型某些因素進(jìn)行定性定量的分析，對(duì)評(píng)估對(duì)象的整體運(yùn)行過(guò)程有高度的還原仿真效果。國(guó)外已經(jīng)較早的涉及這一方法并且開(kāi)發(fā)了幾款較為通用的仿真平臺(tái)，目前較為流行的且應(yīng)用廣泛的有： TAAM、SIMMOD、RAMS以及本文所用到的AirTOp。

AirTOp是由比利時(shí)Airtopsoft公司開(kāi)發(fā)的快時(shí)仿真工具。該公司于2005年成立于布魯塞爾，專注于航空運(yùn)行仿真模擬AirTOp軟件開(kāi)發(fā)，包括：空中航路與空中交通流量管理，終端區(qū)空域（進(jìn)場(chǎng)、離場(chǎng)、進(jìn)近、起飛、降落等），機(jī)場(chǎng)地面（跑道、滑行道、停機(jī)坪、除冰坪等），機(jī)場(chǎng)服務(wù)車輛（油罐車、消防車、擺渡車等），以及航站樓旅客的運(yùn)行模擬。與市場(chǎng)上同類產(chǎn)品，如美國(guó)杰普遜公司出品的TAAM軟件相比，AirTOp操作界面更為友好，功能更加全面，尤其在空側(cè)與陸側(cè)的結(jié)合上，AirTOp在業(yè)界的認(rèn)可程度高。

終端區(qū)模型

終端區(qū)空域設(shè)置：首先對(duì)機(jī)場(chǎng)進(jìn)行定位屬性設(shè)置；再對(duì)航路點(diǎn)按照實(shí)際航圖進(jìn)行坐標(biāo)定位，將設(shè)置好的航路點(diǎn)按照一定的順序連接形成矢量的航路模型；對(duì)于機(jī)場(chǎng)內(nèi)部的滑行道和停機(jī)位以機(jī)場(chǎng)坐標(biāo)為參考進(jìn)行定義設(shè)置；將所有的相關(guān)空間資源建模定義完成后就需要對(duì)空間資源進(jìn)行地形數(shù)據(jù)的錄入以達(dá)到對(duì)終端區(qū)的高真實(shí)度建模。這一步完成后得到空域特性較為真實(shí)的模型如圖1、圖2所示。

圖1　空域建模設(shè)置

圖2　空域航路建模設(shè)置

圖3　航班信息編輯

航班信息設(shè)置：實(shí)際中每一個(gè)航班計(jì)劃都有獨(dú)有的航班號(hào)、航空公司信息、實(shí)時(shí)位置信息和航班時(shí)刻信息。AirTOp系統(tǒng)飛行器數(shù)據(jù)庫(kù)提供了相應(yīng)的的數(shù)據(jù)定義航空器特性，因此在建模過(guò)程中針對(duì)所需要的航班信息只需要對(duì)計(jì)劃定義相應(yīng)的飛機(jī)注冊(cè)號(hào)，航班性質(zhì)、航班時(shí)間、航路高度和航油等級(jí)，就會(huì)出現(xiàn)自定義的航班計(jì)劃信息；對(duì)于評(píng)估某機(jī)場(chǎng)的最大容量就需要對(duì)已定義好的航班計(jì)劃進(jìn)行合理的批量化復(fù)制，就可以在原有空域模型基礎(chǔ)上進(jìn)行空域容量的最大化評(píng)估，如圖3所示。

終端區(qū)運(yùn)行設(shè)置：AirTOp仿真平臺(tái)需要對(duì)仿真過(guò)程中的里程碑事件進(jìn)行控制策略，由于每個(gè)運(yùn)行策略都對(duì)每次的終端區(qū)運(yùn)行結(jié)果有著不同程度的影響。因此要對(duì)以下相關(guān)運(yùn)行設(shè)置進(jìn)行具體的定義并且根據(jù)需求針對(duì)特殊約束進(jìn)行不斷的修改以正確運(yùn)行。

a） 航空器的具體的滑行路徑必須根據(jù)不同的航空器類型以及停機(jī)位要求和航站樓分布進(jìn)行定義。

b）跑道起降策略設(shè)置：根據(jù)實(shí)際管制要求設(shè)置跑道起降策略，這對(duì)航班的進(jìn)離場(chǎng)排序的排序結(jié)果有著較大的影響。（如圖4為機(jī)場(chǎng)跑道的約束使用規(guī)則）

c）進(jìn)離場(chǎng)排序：兩航空器在設(shè)置的跑道運(yùn)行規(guī)則下在進(jìn)入終端區(qū)時(shí)即開(kāi)始預(yù)排序。在系統(tǒng)自動(dòng)排序依然有較大延誤時(shí)需要合理的設(shè)置等待程序。

d）沖突探測(cè)解脫：流量管理中需要設(shè)置合理的縱向間隔，如果流量過(guò)大從而產(chǎn)生小于間隔的沖突情況，就有必要設(shè)置沖突解脫的策略。

圖5　仿真運(yùn)行效果截圖

運(yùn)行仿真

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行仿真分析后可知，當(dāng)成都終端區(qū)按照以下方式運(yùn)行可以實(shí)現(xiàn)終端區(qū)運(yùn)行效率最高：

當(dāng)軍方?jīng)]有活動(dòng)且進(jìn)港飛機(jī)較少時(shí)，將會(huì)采用獨(dú)立平行離場(chǎng)。向北運(yùn)行時(shí)，前往ZYG、CZH方向的飛機(jī)，使用02L跑道離場(chǎng)，前往JTG方向的飛機(jī)，使用02R跑道離場(chǎng)；向南運(yùn)行時(shí)，前往CZH、JTG方向的飛機(jī)，使用20R跑道離場(chǎng)，前往ZYG方向的飛機(jī)使用20L跑道起飛。

使用02L/20R離場(chǎng)航空器通常自A滑行道進(jìn)入跑道。

使用20R號(hào)跑道進(jìn)近時(shí)，不能偏向五邊西側(cè)。

如圖5所示為AirTop平臺(tái)仿真運(yùn)行效果圖。

仿真分析過(guò)程中對(duì)多種運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)試后，可以得出終端區(qū)運(yùn)行過(guò)程中限制終端區(qū)容量的關(guān)鍵點(diǎn)：在機(jī)場(chǎng)區(qū)域由于滑行路徑不合理而在終端區(qū)空域中則是由于進(jìn)離場(chǎng)航路的交叉點(diǎn)較多不利于航班進(jìn)離場(chǎng)分離。因此，為提高終端區(qū)的運(yùn)行效率，除了對(duì)現(xiàn)有管制隊(duì)伍和管制規(guī)則的不斷完善外還需要對(duì)終端區(qū)的路徑進(jìn)行進(jìn)一步的合理規(guī)劃。

結(jié)語(yǔ)

AirTOp建模仿真平臺(tái)通過(guò)構(gòu)建真實(shí)度很高的成都終端區(qū)的運(yùn)行模型，對(duì)終端區(qū)的空域模型快速仿真模擬得出十分客觀的仿真結(jié)果，并對(duì)多模擬情景進(jìn)行自定義分析評(píng)估，由此可以得出不同單位所需的相關(guān)影響因素。本文仿真模型可以應(yīng)用于后續(xù)成都終端區(qū)空域容量評(píng)估和機(jī)場(chǎng)空域運(yùn)行方案評(píng)估，可以為決策部門(mén)提供豐富的模擬分析數(shù)據(jù)和運(yùn)行方案建議。

辛 超張 軍

中國(guó)民航飛行學(xué)院空中交通管理學(xué)院

辛超（1988-）男，山西臨汾人，中國(guó)民航飛行學(xué)院，碩士研究生，研究方向：空中交通運(yùn)輸管理規(guī)劃；張軍（1984-）男，四川成都人，中國(guó)民航局第二研究所，工程師，研究方向：空管自動(dòng)化。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.07.015

中國(guó)民用航空飛行學(xué)院研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（x2014-27）；四川省科技支撐計(jì)劃（2015GZ0005）