基于AirTOp的機場終端區(qū)進離場航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

摘 要：機場終端區(qū)進離場航線網(wǎng)絡(luò)的合理設(shè)計是影響管制指揮安全和運行效率的重要指標(biāo)。目前機場終端區(qū)進離場航線設(shè)計基本是根據(jù)機場凈空狀況、導(dǎo)航設(shè)施布局、限制區(qū)等決定的。多數(shù)進離場航線設(shè)計只側(cè)重安全，而忽略對管制運行效率的提升，造成機場終端區(qū)航班容量不高。因此，針對以上問題，以提高終端區(qū)容量，減輕管制員指揮壓力，對終端區(qū)進離場航線網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化。文章先使用AirTOp軟件建立某機場終端區(qū)空域模型并導(dǎo)入機場三天航班數(shù)據(jù)進行仿真。然后根據(jù)仿真結(jié)果對終端區(qū)進離場航線進行優(yōu)化并仿真。最后，將優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比。經(jīng)過多次大量仿真實驗，在保證航線設(shè)計安全的前提下，機場終端區(qū)高峰小時架次提升了4架，且航空器沖突明顯降低。

關(guān)鍵詞：航線優(yōu)化;系統(tǒng)仿真;沖突;AirTOp

近年來，隨著民航交通運輸量快速增長，航班流量不斷增加，越來越多的機場終端區(qū)容量已經(jīng)達到瓶頸，航班沖突增加，早期的進離場航線規(guī)劃不合理愈加突出，限制了機場的進一步發(fā)展。當(dāng)前，飛行程序設(shè)計人員在設(shè)計機場終端區(qū)進離場航線時仍舊只按照ICAO在其8168文件《航行服務(wù)程序航空器運行》規(guī)定的限制條件如機場凈空狀況，導(dǎo)航設(shè)施布局，限制區(qū)等追求最大的“安全裕度”理念，而忽略了管制員解決航空器沖突，降低航空公司航班延誤成本以及提高機場的航班容量的需求，設(shè)計方案合理性缺乏科學(xué)驗證[1][2]。本文通過實地調(diào)研XX機場并獲得相關(guān)管制及航班數(shù)據(jù)，使用AirTOp軟件建立XX機場終端區(qū)空域模型，導(dǎo)入航班數(shù)據(jù)仿真驗證航班數(shù)據(jù)的真實性，通過對該機場終端區(qū)進離場航線優(yōu)化前后進行仿真并分析數(shù)據(jù)，為合理科學(xué)設(shè)計終端區(qū)進離場航線提供依據(jù)。

一、研究方法概述

本文通過逐步仿真模擬增加XX機場的日均航班量，預(yù)測XX機場運行期間航班對空域的影響?；鶞?zhǔn)模型場景中的航班計劃從機場獲得，起降XX機場的航班量是通過對XX機場三天航班計劃的出發(fā)地、目的地、機型和實際起降時刻分析，在基準(zhǔn)場景的基礎(chǔ)上按比例克隆航班，克隆航班的比例在達到若任意一個扇區(qū)的高峰值在70%的情況下低于管制協(xié)議中規(guī)定的最大值8架，則停止克隆，此時得到的高峰小時架次可認(rèn)為是機場的最大容量[3][4]。

解決飛行沖突是一個系統(tǒng)工程問題，需要考慮多種因素的影響。各個影響因素實時變化、相互作用，使得解決飛行沖突的決策過程具有較高的復(fù)雜度。AirTOp軟件仿真后產(chǎn)生大量航班沖突的數(shù)據(jù)，本文通過對產(chǎn)生沖突的區(qū)域及沖突種類進行分析研究，對現(xiàn)有進離場航線進行優(yōu)化，以規(guī)避化解沖突，降低管制員指揮的壓力和提升機場容量。

AirTOp是由比利時AirTOpsoft公司開發(fā)的快時仿真工具。該公司于2005年在布魯塞爾成立，專注于航空運行仿真模擬AirTOp軟件開發(fā)，包括終端區(qū)空域、空中航路、空中交通流量管理、機場地面、機場服務(wù)車輛等的模擬。

二、模型建立

1.建立機場空域模型

在AirTOp中建立機場終端區(qū)模型。首先在AirTOp中構(gòu)建機場模塊，將機場參數(shù)如ICAO編碼、地理位置、機場標(biāo)高和所在位置的磁差等輸入AIRPORT模塊，跑道參數(shù)如標(biāo)高，磁航向等輸入BaseRunway、Runway和SafetyZone等模塊，最后創(chuàng)建18L/36R，18R/36L四條跑道。由于本次仿真主要考慮進離場航線之間的相互影響，故仿真中將對機場跑道做一定的簡化，所建立的跑道及滑行道能夠滿足飛機的正常起落即可。然后建立空域模塊，向軟件中導(dǎo)入航路點經(jīng)緯度坐標(biāo)，使用《航行資料匯編》中的數(shù)據(jù)庫編碼表、進離場航圖和進近圖依次建立離場航段sidleg，離場航線sid，進場航段approachleg及機動區(qū)，航路routing并在WaypointRule中輸入航路點高度速度限制。最后建立扇區(qū)模塊，扇區(qū)參數(shù)如扇區(qū)邊界，高度等參數(shù)按Polygon、SectorBlock和ATCSector順序依次建立，最終創(chuàng)建扇區(qū)AP01，AP02和AP03。

建立的基準(zhǔn)模型如圖1所示。

2.管制運行規(guī)則

AirTOp中，跑道運行方面采用18R/18L跑道作為起降跑道。在WakeTurbulenceSeparation中設(shè)置航空器尾流間隔，見下面的航空器尾流間隔表。根據(jù)實際管制要求，在RunwayDependency設(shè)置兩跑道間隔，設(shè)置起飛放行間隔和落地間隔。起飛放行間隔：前后落地間安插起飛的，目前參考間隔為15km，地速≤350km/h;連續(xù)起飛間隔為2分鐘。落地間隔：連續(xù)落地間隔10km和連續(xù)落地間安插起飛的間隔為15km。

3.航班計劃設(shè)置

以XX機場某年4月17-19日三天實際航班量為樣本導(dǎo)入軟件中，共導(dǎo)入進離場航班1380架次，航班包含了航班號、機型、航班時間、所屬航空公司等參數(shù)，在Aircraft中創(chuàng)建機型類型，在Airline中設(shè)定航空公司。考慮存在航空器過夜情況，本文采用4月18日航班樣本為主進行模擬仿真。運行AirTOp，使用AirTOpReporter得出各統(tǒng)計結(jié)果，計算高峰小時航班架次等。

建立的航班計劃如圖2所示。

三、仿真結(jié)果及優(yōu)化

通過對現(xiàn)行方案模擬仿真，當(dāng)克隆航班比例增加10%時，AP01扇區(qū)已經(jīng)達到8架，但是達到8架的時刻僅在00：36：47，03：24：31兩個時刻出現(xiàn)，所以航班比例在基準(zhǔn)場景基礎(chǔ)上增加20%，增加該比例后現(xiàn)行模型僅在AP01扇區(qū)03：20：08-03：25：27出現(xiàn)高于8架次的情況，此時認(rèn)為現(xiàn)行模型達到高峰小時架次。經(jīng)統(tǒng)計得知現(xiàn)行方案終端區(qū)高峰小時架次為38架，航空器沖突區(qū)域較廣，主要是向北、東和西方向運行沖突較多而且集中，沖突類型經(jīng)統(tǒng)計多為SameTrack，即水平方向不滿足間隔要求的多為同航跡，如圖3所示。由此可見由于進離場程序設(shè)計不合理導(dǎo)致終端區(qū)沖突較多且集中。

針對現(xiàn)行進離場航線擁擠，沖突較多且分布區(qū)域較廣的特點，本文在現(xiàn)行進離場航線的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化并構(gòu)建優(yōu)化后的XX機場空域模型。航線優(yōu)化方案為：向北運行新增兩條離場航線NEW_08和NEW_06;向西運行新增進場航線NEW_11和離場航線NEW_03;向南運行新增兩條離場航線NEW_01和NEW_07;向東運行新增兩條進場航線NEW_09和NEW_10，新增三條離場航線NEW_02、NEW_5和NEW_4，如圖4所示。

對優(yōu)化后的空域模型進行模擬仿真，當(dāng)克隆航班比例增加20%時，AP01扇區(qū)已經(jīng)達到8架航班，此時優(yōu)化方案終端區(qū)高峰小時航班架次為42架，優(yōu)化前后高峰小時航班架次對比如圖6所示。進離場航線優(yōu)化后，多數(shù)時段的飛機小時航班架次都有相應(yīng)程度的增加，高峰小時航班架次增加了4架，對機場容量提高起到明顯作用。優(yōu)化后航空器沖突區(qū)域明顯變小而且分散，如圖5所示，由此可以看出使用AirTOp軟件對XX機場的進離場航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整是有效合理的。由于XX機場剛開始運行雙跑道，所以當(dāng)前該機場只在東側(cè)進近，日后可以考慮增加西三邊，減少東側(cè)航空器擁擠和分散沖突區(qū)域。

四、結(jié)語

利用AirTOp仿真軟件對XX機場終端區(qū)進離場航線進行仿真，確定影響高峰小時架次和沖突熱點區(qū)域的進離場航線，在基準(zhǔn)模型上給出優(yōu)化方案，結(jié)果表明終端區(qū)容量明顯提高和沖突熱點區(qū)域明顯分散和減少。AirTOp軟件模擬仿真可以與機場實際運行相契合，真實的模擬航班在終端區(qū)的運行，對機場終端區(qū)進離場航線設(shè)計優(yōu)化起到了很好的輔助決策作用，同時也可以提高機場終端區(qū)管制運行效率及安全水平。

參考文獻：

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[2]高偉，黃朝偉.重慶機場終端區(qū)容量評估的仿真研究[J].中國民航大學(xué)學(xué)報，2010（5）：1-4.

[3]朱承元，衛(wèi)宏，刁琳.珠三角地區(qū)多機場系統(tǒng)航班時刻的仿真優(yōu)化[J].計算機工程與應(yīng)用，2013（4）：236-239.

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

作者簡介：范衛(wèi)平（1972—），北京人，工程師，本科，就職于民航華北空管局通信網(wǎng)絡(luò)中心。