終端區(qū)空域結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法探討

文/戚文娟，中國民用航空華北地區(qū)空中交通管理局空管中心

終端區(qū)空域結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法探討

文/戚文娟，中國民用航空華北地區(qū)空中交通管理局空管中心

在我國空中交通流量日益遞增的態(tài)勢之下，顯現(xiàn)出空域結(jié)構(gòu)不合理而導(dǎo)致的空中交通擁堵的現(xiàn)象和問題，由此也引發(fā)了人們的極大關(guān)注。終端區(qū)空域是空中交通極為密集的區(qū)域和場所，必須加以科學(xué)合理的優(yōu)化，使之成為飛行安全的保障性前提，要探索適宜于我國終端區(qū)空域的航路規(guī)劃，采用系統(tǒng)化的方法優(yōu)化終端區(qū)空域結(jié)構(gòu)，較好地提高空域容量，實現(xiàn)空域資源的最大化利用，進(jìn)而提升整個空域的空中交通服務(wù)功能。

終端區(qū)；空域結(jié)構(gòu)；優(yōu)化；方法

近來年，我國的民航事業(yè)得到快速而持續(xù)的發(fā)展，航空運輸量顯現(xiàn)出快速增長的態(tài)勢，這就顯現(xiàn)出航空運輸量增長與航空運輸流量分布不均衡的矛盾和問題，再加上我國空域結(jié)構(gòu)存在較大的不合理性，也使空域容量難以滿足空中交通的現(xiàn)實需求，呈現(xiàn)出空中交通擁堵的現(xiàn)象，直接導(dǎo)致空中管制員的工作負(fù)荷加大，給航空飛行帶來了極大的安全隱患。為此，要探索系統(tǒng)的終端區(qū)空域結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法，更好地確保我國空中交通的通暢和安全。

1 終端區(qū)空域結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究現(xiàn)狀分析

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對于終端區(qū)空域的規(guī)劃研究較多，在終端區(qū)流量優(yōu)化管理、終端區(qū)空域扇區(qū)規(guī)劃等方面獲得了不小的進(jìn)步，然而從整體上來看，終端區(qū)空域結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法尚未系統(tǒng)化，為此，應(yīng)當(dāng)選取適宜的終端區(qū)空域結(jié)構(gòu)優(yōu)化預(yù)測方法，更好地獲悉準(zhǔn)確的流量預(yù)測結(jié)果，并以此作為終端區(qū)空域結(jié)構(gòu)優(yōu)化的前提。

1．1 流量預(yù)測研究現(xiàn)狀

目前對于交通流量的預(yù)測有多種，如：移動平均法、指數(shù)平滑法、回歸分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法等。其中：移動平均法主要是利用分段逐點推移的方式，實現(xiàn)對時間序列數(shù)據(jù)的處理，探尋其中變化的規(guī)律性，并建構(gòu)和完善預(yù)測模型。指數(shù)平滑預(yù)測法則是基于移動平均預(yù)測法而衍生的預(yù)測方法?；貧w分析法是以交通流量的歷史數(shù)據(jù)為前提和依據(jù)，建構(gòu)回歸模型，運用數(shù)學(xué)計算方法，實現(xiàn)對交通流量的合理預(yù)測。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法則是利用其優(yōu)越的曲線擬合能力、學(xué)習(xí)能力和抗干擾能力，進(jìn)行流量的預(yù)測，然而其缺陷在于對數(shù)據(jù)的精度要求過高，限制了這種預(yù)測方法的應(yīng)用。

1．2 空域航路規(guī)劃研究現(xiàn)狀

在研究空域航路規(guī)劃的研究中，要以容量評估為前提和基礎(chǔ)，在進(jìn)行容量評估的研究中，出現(xiàn)了不同的方法，即：（1）建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，探討終端區(qū)及航路的容量評估問題，然而，這種方法無法給出容量的具體計算方法，難以建立一個能夠精準(zhǔn)描述管制區(qū)域的數(shù)學(xué)模型。（2）針對管制區(qū)管制員的工作負(fù)荷量來評估終端區(qū)的容量，然而，這種方法無法評判除了管制員之外其他因素的影響，使其應(yīng)用受到較大的限制。（3）仿真空域航路的方法。這種方法要依靠先進(jìn)的計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在充分考慮各種影響因素的前提下，仿真空域航路的飛行狀態(tài)，進(jìn)而對仿真結(jié)果進(jìn)行分析、統(tǒng)計和計算，從而準(zhǔn)確地獲悉終端區(qū)的容量。

1．3 空域扇區(qū)劃分研究現(xiàn)狀

這是指空域規(guī)劃部門將管制空域劃分為不同的扇區(qū)，各個扇區(qū)對應(yīng)一個管制席位，以實現(xiàn)對空中交通的指揮、協(xié)調(diào)和管制，進(jìn)而較好地確保飛行安全，提高空域容量和利用率。目前的研究重點主要集中在數(shù)學(xué)模型的選擇方面，如：圖論、遺傳算法、計算幾何、約束的規(guī)劃方法等。

2 終端區(qū)空域航路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法探討

在空中交通量日益激增的態(tài)勢下，要為飛行提供相對固定的飛行線路，包括飛行方向、飛行高度、飛行寬度等，并使之在地面通信導(dǎo)航設(shè)施的指揮和協(xié)調(diào)之下，實現(xiàn)安全的飛行。為了保證飛行航路的安全，要避免各機場之間、航線與空域之間的飛行沖突，要合理劃分不同的航空器進(jìn)出機場的空中走廊，以提升飛行空間的利用率和安全性。終端區(qū)空域航路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容包括：等待區(qū)、進(jìn)出走廊口、進(jìn)場航線、起始航段、中間進(jìn)近航段、最后進(jìn)近航段、復(fù)飛般段、標(biāo)準(zhǔn)離場航線、塔臺管制區(qū)、機場內(nèi)跑道等。

2．1 終端區(qū)空域的優(yōu)化設(shè)計

對終端區(qū)空域航路規(guī)劃的設(shè)計原則主要應(yīng)當(dāng)包括以下方面：（1）飛行情況相對復(fù)雜的機場附近進(jìn)場與離場的航線，要設(shè)立終端或進(jìn)近管制區(qū)，確保安全高效的空中交通管制效果。（2）終端管制區(qū)要提供超過兩個機場的進(jìn)場及離場飛行管制服務(wù)；而進(jìn)近管制區(qū)則提供一個機場的進(jìn)場及離場飛行管制服務(wù)。（3）要實現(xiàn)對飛行起飛及必要的等待空域的管制服務(wù)，使起始進(jìn)近航段與終端管制區(qū)相協(xié)調(diào)一致。（4）終端管制區(qū)要與通信、導(dǎo)航、監(jiān)視、氣象設(shè)施等相一致和適應(yīng)，能夠為區(qū)域內(nèi)所有飛行航空器提供管制服務(wù)。（5）終端區(qū)管制設(shè)計要與飛行程序設(shè)計相銜接和一致。（6）終端區(qū)的邊界設(shè)定不能劃設(shè)在航路及航線的側(cè)向緩沖區(qū)內(nèi)、航路與航線飛行與進(jìn)離場飛行之間、航路短距離穿越終端管制區(qū)、飛行航空器爬升或下降的航路處等。（7）要充分考慮區(qū)域內(nèi)的空中交通流量、管制員工作負(fù)荷、地空通信繁忙情況，實現(xiàn)對管制扇區(qū)的合理劃分。

2．2 終端區(qū)航路的優(yōu)化設(shè)計

（1）標(biāo)準(zhǔn)儀表離場（SID）和標(biāo)準(zhǔn)終端進(jìn)場（STAR）的優(yōu)化設(shè)計。要采用不同的航路和等待方式，使空中交通相隔離，避免相互之間的干擾和沖突；要有足夠的超地形余度，并與通信聯(lián)絡(luò)程序相兼容，能夠在減噪程序的設(shè)置之下提供最短的實用飛行航跡；可以適應(yīng)不同類型飛行在管制空域的不間斷爬升和下降操作。同時，還要使一個機場的標(biāo)準(zhǔn)儀表離場和標(biāo)準(zhǔn)終端進(jìn)場的設(shè)計比例最少。

（2）航路交叉點/進(jìn)離沖突點的優(yōu)化設(shè)計。在航路設(shè)計之初，要盡量減少進(jìn)離場和航路飛行航空器之間的沖突，可以采用起飛和著陸的設(shè)計航路飛行方式。當(dāng)沖突無法避免時，要使空域能夠具有更大的爬升和下降空間，通過高度的合理控制分隔飛行航空器在同一空域內(nèi)的飛行。另外，還要注意要保持航路交叉點的分散狀態(tài)，避免航路過于集中。并且要盡量規(guī)避軍事活動空域，減少空中管制員的工作負(fù)荷，確保飛行安全。

（3）其他優(yōu)化設(shè)計。要使各條航路有足夠的超障礙余度，并使相互之間的縱橫向距離有一定的安全間隔；還要盡量限制航路的噪聲污染，使航路能夠保持正常的雙向通信聯(lián)絡(luò)。同時，還要考慮地基導(dǎo)航臺的布局結(jié)構(gòu)、軍航飛行時空域限制區(qū)的位置及結(jié)構(gòu)等。

（4）既有航路網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計。要全面熟悉和了解既有航路的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，如：導(dǎo)航臺分布、航路定位點、航路數(shù)量及其走向、軍用空域的分布及使用狀況等。并在現(xiàn)有空域結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對終端區(qū)容量的限制、航線負(fù)荷的分析，可以通過側(cè)向分離、縱向分離、垂直分離的方式，增加空域容量，實現(xiàn)航線分離狀態(tài)下的安全飛行。另外，還可以基于對終端區(qū)航路流量的預(yù)測，臨時增加航路、開設(shè)新的走廊、添加飛行等待區(qū)域，更好地實現(xiàn)對既有航路網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化和調(diào)整。

3 終端區(qū)扇區(qū)的優(yōu)化方法探討

終端區(qū)空域飛行流量的增加給管制員負(fù)荷及空域扇區(qū)的合理劃分提出了挑戰(zhàn)，要在優(yōu)化終端區(qū)空域航路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的前提下，對終端區(qū)空域扇區(qū)進(jìn)行合理的劃分研究，以更好地提升終端區(qū)空域資源的利用率，減輕管制人員的工作負(fù)荷，確保飛行的安全與有序。對于終端區(qū)空域扇區(qū)的合理劃分，主要可以從以下幾個方面考慮：

3．1 終端區(qū)空域扇區(qū)的邊界不能設(shè)立在航路的交通匯合處，這是由于當(dāng)航路的交通匯合點與終端區(qū)空域扇區(qū)的邊界相靠近時，則會使管制員必須在管制轉(zhuǎn)移或移交之前執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)動作，極易引發(fā)管制員的操作差錯。為此，要充分考慮這一點，避免管制員的執(zhí)行錯誤，要為管制員解決沖突提供足夠的時間，應(yīng)當(dāng)將終端區(qū)空域扇區(qū)的邊界設(shè)置在距離航路交叉點的10公里之上的位置。另外，終端區(qū)空域扇區(qū)的邊界還應(yīng)當(dāng)以主要航線作垂直平分線，以較好地實現(xiàn)管制員的交接，確保管制無誤和安全。

3．2 終端區(qū)空域扇區(qū)還應(yīng)當(dāng)關(guān)注到管制員對于管制的注意力的集中問題，要盡量減少雷達(dá)屏幕中的視頻圖像對于管制員的視覺干擾和影響。

3．3 在終端區(qū)空域扇區(qū)的合理劃分中，還要考慮扇區(qū)內(nèi)飛行航空器的飛行運行狀態(tài)，要適應(yīng)擴大飛行航空器飛行的進(jìn)場、離場的管制扇區(qū)，使之擁有較大的轉(zhuǎn)彎半徑，可以適宜于飛行航空器的最后進(jìn)近或盲降操作。

3．4 力求各個終端區(qū)空域扇區(qū)的管制工作指令單一、準(zhǔn)確而簡潔，要使管制員在同一個時間區(qū)域內(nèi)處理一種沖突或執(zhí)行單一的管制動作，要充分考慮管制員的思考習(xí)慣和動作操作習(xí)慣，更好地對進(jìn)場、離場的飛行航空器的管制服務(wù)。

3．5 對于終端區(qū)空域扇區(qū)內(nèi)的特殊管制區(qū)域，如：訓(xùn)練空域、限制空域等，也不能忽視，而要將其作為終端區(qū)空域扇區(qū)的管制內(nèi)容，并在這些特定空域的特殊運行出現(xiàn)時，將該扇區(qū)的工作內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)移。

3．6 其他考慮因素。在進(jìn)行終端區(qū)空域扇區(qū)的劃分中，還要綜合考慮航路結(jié)構(gòu)、等待航線、扇區(qū)內(nèi)機場及跑道的結(jié)構(gòu)、航路及等待空域的導(dǎo)航容差、管制方式、穿越航路及飛行高度、引導(dǎo)區(qū)域、雷達(dá)及無線電通信覆蓋范圍、軍方運行等。

綜上所述，終端區(qū)空域結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法是重大的研究課題，為了促進(jìn)我國民用航空的全面發(fā)展，要注重采用優(yōu)化的終端區(qū)空域結(jié)構(gòu)，使空域容量最大化，并全面、綜合性地考慮終端區(qū)空域結(jié)構(gòu)的影響因素，預(yù)測終端區(qū)航路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與交通流量是否相一致，終端區(qū)空域扇區(qū)結(jié)構(gòu)的合理劃分是否與管制員的工作負(fù)荷相協(xié)調(diào)，要運用科學(xué)的理論方法和先進(jìn)的計算機信息化技術(shù)，實現(xiàn)對終端區(qū)空域航路網(wǎng)絡(luò)布局的優(yōu)化，合理劃分終端區(qū)空域管制扇區(qū)，確保飛行安全。

[1]終端區(qū)運行效率評估方法及模型研究[D]． 王鵬鵬．南京航空航天大學(xué) 2016

[2]終端區(qū)設(shè)計與仿真工具開發(fā)[D]． 段緒林．南京航空航天大學(xué)2010

[3]廣州終端區(qū)進(jìn)離場航班排序系統(tǒng)研究[D]． 施賽鋒．南京航空航天大學(xué) 2011

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[5]多機場終端區(qū)空域劃設(shè)方法研究[D]． 王丹．中國民航大學(xué) 2016

[6]機場終端區(qū)空域數(shù)字化仿真研究[D]． 王鋼．中國民航大學(xué) 2013