通過空域優(yōu)化實(shí)現(xiàn)大型運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)空域節(jié)約的方法研究

曹永樂

摘?要：面對(duì)空中交通流量的不斷增長引發(fā)的空中交通擁堵問題，我們常采用開辟新航線，增加跑道數(shù)量等方法解決。但是我們擁有的空域是有限的，并且通常由空軍占主體，大型運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)的吞吐量更大，因而情況更加嚴(yán)重。因此如何進(jìn)行合理規(guī)劃，通過對(duì)現(xiàn)有空域的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)空域節(jié)約，是十分重要的。我們通常進(jìn)行空域優(yōu)化的方法有終端區(qū)扇區(qū)的優(yōu)化、航線的結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，本文就對(duì)這些方法進(jìn)行研究，希望研究找出大型運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)空域節(jié)約的最優(yōu)方法。

關(guān)鍵詞：空域優(yōu)化;空域節(jié)約;PBN飛行程序;航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

1 緒論

進(jìn)入到新時(shí)代，我國民用航空也進(jìn)入到空前的發(fā)展。尤其是三大機(jī)場(chǎng)，其中首都機(jī)場(chǎng)旅客吞度量世界第二，浦東機(jī)場(chǎng)貨郵吞吐量世界第三，是名副其實(shí)的大型運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)。但是，繼續(xù)發(fā)展面臨的問題也呼之欲出：空中交通流量的不斷增加，新航路的開辟，使得空中交通堵塞問題日趨嚴(yán)重，另外由于我國空域的使用由空軍占主體，空域利用的不合理性使得矛盾更加尖銳，怎樣在有限的空域中實(shí)現(xiàn)滿足流量增長的需求，就需要在原有的空域規(guī)劃上進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)節(jié)約的思想。

所謂空域節(jié)約，就是在現(xiàn)有可用空域條件下，對(duì)大型運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)的復(fù)雜航路進(jìn)行空域優(yōu)化，從而滿足流量增長的需求，也通過空域的最優(yōu)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)資源的節(jié)約。

2 航線結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通常，影響區(qū)域流量的制約因素有：空域管理、軍航飛行、航路容量、地形和天氣等。航路容量直接限制了航班增長量，如何提高航路容量成為了主要問題。去年京津冀地區(qū)實(shí)現(xiàn)了空域優(yōu)化方案的實(shí)施，這次優(yōu)化的思路是“單項(xiàng)循環(huán)，航路分流”，也就是通過增加航線，讓以前雙向混行的飛機(jī)分道行駛，這樣，飛機(jī)間隔縮短，有利于提高準(zhǔn)點(diǎn)率。

2.1 利用PBN飛行程序的空域優(yōu)化

相對(duì)于傳統(tǒng)導(dǎo)航方式，基于性能的導(dǎo)航的實(shí)施與應(yīng)用具有很大的優(yōu)勢(shì)。實(shí)施PBN技術(shù)，可以確定明確的運(yùn)行要求，避免機(jī)載和地面設(shè)備的重復(fù)性安裝，從而也避免重復(fù)性的適航和運(yùn)行批準(zhǔn)。對(duì)空中交通管理部門來說，可以減少管制員的工作負(fù)荷，更好的保證飛行安全。

PBN與傳統(tǒng)導(dǎo)航相比則明顯不同，只要是在基站的信號(hào)覆蓋之下，航路點(diǎn)就可以靈活選擇。我們可以建立從航路點(diǎn)到航路點(diǎn)的航線結(jié)構(gòu)和平行航路，或是基于RNAV/RNP航路的平行偏置飛行，提高航路選擇的靈活性，減少航路擁擠，提高空域利用率和交通流量。

終端區(qū)空域資源有限，飛行密度大，并且有大量的飛機(jī)穿越高度層的情況。PBN程序結(jié)合相關(guān)的垂直引導(dǎo)，可以降低終端排序難度。通過PBN程序設(shè)計(jì)，可以在進(jìn)離場(chǎng)的某些必要的航路點(diǎn)上限定飛行器的高度、速度，根據(jù)不同航向劃定不同的平行進(jìn)離場(chǎng)程序，并且使之在正常運(yùn)行上有一定的時(shí)間間隔。在使用RNAV導(dǎo)航后，空中交通流量更加密集，這無論是對(duì)節(jié)約現(xiàn)有空域還是為增加航線，都提供了可能。

2.2 機(jī)場(chǎng)群航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

航線的規(guī)劃一般是航空公司根據(jù)自己的功能定位和航班需求制定的符合自己利益的航線，在我國現(xiàn)行的航空公司運(yùn)行的復(fù)雜情況下，航線的規(guī)劃缺乏整體性和有機(jī)性。因此，有人提出針對(duì)機(jī)場(chǎng)群的航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，在局域內(nèi)實(shí)現(xiàn)聯(lián)系的航線規(guī)劃。

航線規(guī)劃分點(diǎn)對(duì)點(diǎn)規(guī)劃法和中心輻射型規(guī)劃法。點(diǎn)-點(diǎn)式航線即在兩個(gè)通航點(diǎn)之間構(gòu)成直達(dá)航線，一個(gè)點(diǎn)為出發(fā)地，另一點(diǎn)為目的地。點(diǎn)-點(diǎn)型的航線規(guī)劃大部分都是直達(dá)目的地的航線，對(duì)于乘客而言，是其最為理想的航空運(yùn)輸方式;對(duì)航空公司而言，這種航班運(yùn)營易于安排，因?yàn)楹桨噙\(yùn)營間缺乏相互關(guān)聯(lián)，但這種關(guān)聯(lián)性的缺乏會(huì)造成從根本上抑制客座率，因此該方法無法滿足對(duì)航空運(yùn)輸市場(chǎng)潛在運(yùn)力的挖掘與開發(fā)，難以應(yīng)對(duì)當(dāng)前形勢(shì)下的運(yùn)輸需求。中心輻射型航線規(guī)劃在推動(dòng)航空公司航線安排、票價(jià)制定、時(shí)刻分布等方面有更多自由的空間，在大型運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)采用中心輻射型航線，也可使其與周邊較小城鎮(zhèn)實(shí)現(xiàn)銜接，緩解運(yùn)輸壓力。

利用決策樹算法來進(jìn)行機(jī)場(chǎng)群的航線優(yōu)化，可以綜合考慮航班準(zhǔn)點(diǎn)率、航空公司份額和功能定位。

然后根據(jù)高峰小時(shí)容量限制、機(jī)場(chǎng)航線輻射范圍、航班的唯一性和航空公司和航班時(shí)刻一致性分別給出約束條件，進(jìn)行決策樹的模型求解。選取樣本，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。計(jì)算航線評(píng)價(jià)值。構(gòu)造決策樹，分為決策樹的建立和決策樹的剪枝。計(jì)算各方案損益值。得出最優(yōu)方案。根據(jù)實(shí)例分析表明，優(yōu)化后的機(jī)場(chǎng)群總體效益提高了8.21%，優(yōu)化效果顯著。

2.3 小結(jié)

在個(gè)例大型運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)上采用PBN技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航，有效的節(jié)省了空域，使得在航線規(guī)劃上更加靈活更加自主，提高了空域利用率。在整體上，提出機(jī)場(chǎng)群航路網(wǎng)的規(guī)劃，通過優(yōu)化尋找出從中心城市出發(fā)，最優(yōu)的航路輻射網(wǎng)，體現(xiàn)整體性和聯(lián)系性，使得空域節(jié)約更加從全局出發(fā)，配合使用CDM協(xié)同決策，使得從空域規(guī)劃到空中交通服務(wù)都更加科學(xué)高效。

3 總結(jié)

空域一直是我國民航發(fā)展的限制要素，由于我國特殊的國情，空域資源主要由空軍掌握，民航和其他航空飛行可用空域很少。開放空域有限，大型運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)的流量日益增加，使得我們必須在空域節(jié)約上做出更多努力。

首先在空域規(guī)劃方面，合理的扇區(qū)規(guī)劃，不但可以降低管制人員的工作負(fù)荷，也可以使流量得到疏解，調(diào)整空域結(jié)構(gòu)從而解決空域使用與飛行需求之間的矛盾;另外，從機(jī)場(chǎng)群考慮，綜合規(guī)劃航路網(wǎng)絡(luò)，加強(qiáng)樞紐機(jī)場(chǎng)與周邊小機(jī)場(chǎng)的支線聯(lián)系;另外，從空域利用方面，如果能協(xié)調(diào)軍民航的運(yùn)作機(jī)制，實(shí)行動(dòng)態(tài)空域使用管理，提高空域使用的精細(xì)程度、靈活性和運(yùn)作效率，滿足多種用戶的飛行需求，同時(shí)綜合考慮國家安全因素、用戶需求和飛行管制能力，開放低空空域并科學(xué)管理和優(yōu)化低空空域，是現(xiàn)代交通的迫切需求，同時(shí)也能使通航得以發(fā)展，提高資源利用率;第三各方面，在飛行程序上由傳統(tǒng)飛行程序?qū)Ш街饾u過渡到PBN飛行程序，不僅可以提高導(dǎo)航的可靠性，減少地面導(dǎo)航設(shè)施的投資費(fèi)用，對(duì)于優(yōu)化航路，提高空域利用率也是一個(gè)非常重要的舉措。通過以上方法，對(duì)大型運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)的空域?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化，節(jié)約我們現(xiàn)有的空域，是應(yīng)對(duì)現(xiàn)在空域緊張的最好方法。