基于點(diǎn)融合技術(shù)的機(jī)場終端區(qū)運(yùn)行效率

夏正洪, 黃龍楊, 王劍輝

(中國民用航空飛行學(xué)院空中交通管理學(xué)院, 廣漢 618307)

隨著民航航班架次的持續(xù)增長，終端管制區(qū)航班延誤、飛行沖突日趨嚴(yán)重，管制運(yùn)行面臨巨大壓力。特別是在繁忙空域，管制員常采用雷達(dá)引導(dǎo)的方式為航空器提供方向指引。雷達(dá)引導(dǎo)雖然靈活高效，但卻存在管制員工作負(fù)荷大、無線電通信頻道擁堵、航空器安全間隔難把握等問題；特別是當(dāng)流量超出扇區(qū)最大容量時(shí)，將會(huì)引起大面積的擁堵和延誤，嚴(yán)重影響航空器的運(yùn)行效率和安全。因此，如何安全、高效、有序地調(diào)度進(jìn)場航空器，提升繁忙終端區(qū)空域容量是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

點(diǎn)融合(point merge, PM)是一種系統(tǒng)化的進(jìn)場航班排序方法，可有效應(yīng)對大流量情況下的不同方向進(jìn)場航班的沖突調(diào)配和排序問題，目前已成功應(yīng)用于挪威奧斯陸、愛爾蘭都柏林、韓國首爾、馬來西亞吉隆坡、東京羽田、上海浦東等20多個(gè)大型國際樞紐機(jī)場[1]。國外點(diǎn)融合技術(shù)研究路線為“理論研究—程序設(shè)計(jì)—管制模擬驗(yàn)證—飛行模擬驗(yàn)證—實(shí)施”，主要成果可分為4類：①不同跑道構(gòu)型下的融合點(diǎn)程序設(shè)計(jì)方案[1-3]；②基于點(diǎn)融合技術(shù)的進(jìn)港航班排序及空域容量評估[4-6]；③基于點(diǎn)融合程序的飛行安全和效率評估[7-8]；④點(diǎn)融合技術(shù)與連續(xù)下降運(yùn)行(continuous descent operations, CDO)程序的結(jié)合應(yīng)用[9-10]。而中國點(diǎn)融合程序相關(guān)研究還處于起步階段，僅有部分學(xué)者研究了點(diǎn)融合技術(shù)的概念和基本結(jié)構(gòu)[11-12]，從理論上評估了點(diǎn)融合程序的靜態(tài)容量以及程序?qū)嵤┑慕仫L(fēng)險(xiǎn)[13-14]，探討了該技術(shù)應(yīng)用到中國民航的可行性。目前，民航中南和華東空管局也在積極推動(dòng)PM技術(shù)在典型繁忙空域的應(yīng)用，但尚缺乏從管制運(yùn)行角度對點(diǎn)融合技術(shù)應(yīng)用的深入剖析，特別是基于雷達(dá)管制模擬機(jī)對點(diǎn)融合程序的驗(yàn)證研究。

鑒于以上分析，基于對國內(nèi)外點(diǎn)融合技術(shù)的典型應(yīng)用調(diào)研，細(xì)化點(diǎn)融合程序的使用方法及管制工作過程。選取中國西南某機(jī)場終端區(qū)空域?yàn)槔O(shè)計(jì)了點(diǎn)融合程序并基于管制模擬機(jī)對其可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，討論了點(diǎn)融合技術(shù)對于管制工作負(fù)荷降低、空域容量增加以及飛行安全和效率提升方面的作用，以期為點(diǎn)融合技術(shù)在國內(nèi)的廣泛應(yīng)用及落地提供理論支持和技術(shù)準(zhǔn)備。

1 點(diǎn)融合程序結(jié)構(gòu)和運(yùn)行過程

點(diǎn)融合程序利用圓弧上任意一點(diǎn)到圓心的距離相等的基本原理，設(shè)計(jì)一種具有近似弧形的內(nèi)、外排序邊的飛行程序，并基于精密區(qū)域?qū)Ш?prece-ssion area navigation, P-RNAV)技術(shù)對進(jìn)場航空器的航跡進(jìn)行優(yōu)化，簡化雷達(dá)管制條件下的雷達(dá)引導(dǎo)工作量，從而提升管制運(yùn)行效率和安全性。點(diǎn)融合程序的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含融合點(diǎn)、進(jìn)入點(diǎn)、脫離點(diǎn)、定位點(diǎn)、內(nèi)排序邊、外排序邊和等間隔的距離標(biāo)記線等。兩條排序邊平行，進(jìn)場交通流方向相反；同一排序邊到融合點(diǎn)的距離相等，航空器之間可通過速度調(diào)整控制其水平間隔，而不同的排序邊之間通過設(shè)置垂直間隔來保障航空器的飛行安全。參考等間隔的距離標(biāo)記線可非常直觀確定前后2架航空器之間的縱向間隔，管制員通過給航空器發(fā)布“直飛”指令的時(shí)機(jī)來控制其在排序弧上的飛行距離和時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)飛行間隔的精準(zhǔn)控制，以達(dá)到加快空中交通流量的目的。

圖1 點(diǎn)融合程序的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 The basic structure of point merge procedure

點(diǎn)融合程序?qū)嵤┬枰邆?個(gè)基本條件：

(1)必須在雷達(dá)管制條件下進(jìn)行，能實(shí)時(shí)監(jiān)控飛行態(tài)勢，掌握飛機(jī)高度、速度、航向、位置等重要飛行參數(shù)。

(2)執(zhí)行PM程序的航空器的飛行管理系統(tǒng)(flight management system, FMS)必須具備橫向引導(dǎo)(lateral navigation, LNAV)功能。

(3)該空域設(shè)計(jì)并公布了相應(yīng)的PM程序，且假定程序的實(shí)施不受天氣和軍方活動(dòng)的影響。

(4)保障RNAV運(yùn)行所需關(guān)鍵VOR、DME等導(dǎo)航設(shè)備處于正常工作狀態(tài)。

(5)管制員和飛行員經(jīng)過系統(tǒng)培訓(xùn)并能熟練使用PM程序。

點(diǎn)融合程序的使用方法可歸納為預(yù)排序、排序、保持次序3個(gè)階段。在預(yù)排序階段，管制員須根據(jù)即將進(jìn)入點(diǎn)融合系統(tǒng)排序邊的飛機(jī)位置確定大致順序，并且檢查進(jìn)入點(diǎn)融合系統(tǒng)的飛機(jī)飛行參數(shù)，包括高度、速度以及間隔是否符合條件，如果不滿足條件則發(fā)布相應(yīng)的管制指令，飛行員則須完成相關(guān)操作。在排序階段，飛行員操縱飛機(jī)在點(diǎn)融合系統(tǒng)中沿內(nèi)/外排序邊水平勻速飛行，管制員應(yīng)密切監(jiān)視其飛行態(tài)勢，并參考距離標(biāo)記線確定飛機(jī)之間的縱向間隔；一旦前后兩機(jī)滿足規(guī)定的間隔配備標(biāo)準(zhǔn)，可立即發(fā)布“直飛”指令，飛行員則操縱飛機(jī)轉(zhuǎn)彎直飛融合點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對進(jìn)場航班流的排序。在保持次序階段，管制員通過速度調(diào)整指令來保持或調(diào)整飛機(jī)之間的縱向間隔，同時(shí)發(fā)布高度下降指令或加入連續(xù)下降運(yùn)行程序，飛行員則響應(yīng)高度和速度調(diào)整指令，確保航空器以確定的序列和指定的高度通過融合點(diǎn)。

圖2所示為基于點(diǎn)融合程序的4架飛機(jī)進(jìn)場排序過程。在圖2(a)中，根據(jù)空域飛行態(tài)勢對進(jìn)入點(diǎn)融合系統(tǒng)的4架飛機(jī)進(jìn)行預(yù)排序，其結(jié)果為紅、橙、綠、藍(lán)。在圖2(b)中，根據(jù)紅色飛機(jī)與前機(jī)間隔，滿足間隔標(biāo)準(zhǔn)時(shí)立即向其發(fā)布“直飛”指令。在圖2(c)中，當(dāng)橙色與紅色飛機(jī)滿足縱向間隔標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，管制員可向橙色飛機(jī)發(fā)布“直飛”指令。在圖2(d)中，當(dāng)綠色飛機(jī)與橙色飛機(jī)滿足縱向間隔標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，綠色飛機(jī)可從內(nèi)排序邊右轉(zhuǎn)直飛融合點(diǎn)。在圖2(e)中，當(dāng)藍(lán)色飛機(jī)與綠色飛機(jī)滿足間隔標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，藍(lán)色飛機(jī)可從外排序邊左轉(zhuǎn)直飛融合點(diǎn)。在圖2(f)中，4架飛機(jī)按既定的順序(紅、橙、綠、藍(lán))依次飛過融合點(diǎn)，管制員可通過速度調(diào)整優(yōu)化航空器的間隔。

圖2 基于點(diǎn)融合程序的4架飛機(jī)進(jìn)場排序過程Fig.2 The approach sequencing process of four aircrafts based on point merge procedure

可見，點(diǎn)融合程序正常運(yùn)行時(shí)遵循“先到先服務(wù)”原則，航空器利用自身的飛行管理系統(tǒng)中的橫向引導(dǎo)功能在排序邊上自由飛行，省去了大量的飛行操作負(fù)荷；管制員則省去了大量的航向指令，僅需要參考距離標(biāo)記線確定飛機(jī)間的縱向間隔，一旦兩機(jī)間隔滿足(12～15 km)要求，即可指揮后機(jī)直飛融合點(diǎn)，即通過制訂標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行程序(standard operating procedure, SOP)的方式大大簡化了管制員的管制工作過程，管制指令的減少必然會(huì)減輕管制員工作負(fù)荷，并且可有效減緩無線電通信頻道的擁擠程度。特殊情況下，也可對特情航空器或特殊任務(wù)航班實(shí)施雷達(dá)引導(dǎo)脫離排序邊而轉(zhuǎn)向融合點(diǎn)，以達(dá)到優(yōu)先服務(wù)或特情處置的目的，但仍需要注意與相鄰排序邊航空器的飛行沖突?？傊?，“直飛”指令是點(diǎn)融合程序運(yùn)行的關(guān)鍵，它建立了航空器間的初始間隔以及通過融合點(diǎn)的次序，能形成更清楚、更直觀的航路結(jié)構(gòu)，使得不同方向的進(jìn)場交通流更加安全有序。

2 點(diǎn)融合程序設(shè)計(jì)及管制模擬機(jī)驗(yàn)證

2.1 空域運(yùn)行現(xiàn)狀

終端區(qū)進(jìn)場航班擁擠程序和管制員工作負(fù)荷隨飛行流量的增加而快速增長，迫切需要新的技術(shù)手段解決由此產(chǎn)生的航班延誤和沖突解脫問題。因此，以西南某機(jī)場的終端區(qū)(圖3)為例，研究點(diǎn)融合技術(shù)能否有效解決大流量情況下的進(jìn)場航班排序問題，從而提升空域運(yùn)行效率和安全性。該終端區(qū)由DOREX, VENON, N1, N2, APP1, ZYG, FJC, LESHAN, EM, YAAN, GX等定位點(diǎn)構(gòu)成，4條標(biāo)準(zhǔn)儀表離場路線(standard instrument departure, SID)如圖3中綠色線條所示(以02號跑道為基準(zhǔn)，順時(shí)針方向依次定義為SID1，SID2，SID3，SID4)，4條標(biāo)準(zhǔn)儀表進(jìn)場路線(standard instrument arrival, STAR)如圖3中橙色線條所示(以02號跑道為機(jī)場，順時(shí)針方向依次定義為STAR1，STAR2，STAR3，STAR4)。該終端區(qū)內(nèi)有5個(gè)軍用機(jī)場，西側(cè)和南側(cè)可用空域有限，因該區(qū)域內(nèi)主要盛行西南風(fēng)，主要采用02號跑道方向起降，可用五邊長度僅30 km。

圖3 西南某機(jī)場終端區(qū)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Terminal area structure of an airport in Southwest China

根據(jù)該終端區(qū)2019年典型高峰日高峰小時(shí)流量(表1)可知，最大容量50架次/h，其中離場26架次、進(jìn)場24架次，其中中型機(jī)占67%，重型機(jī)占33%。

表1 典型高峰日高峰小時(shí)進(jìn)場流量比例

可見，該終端區(qū)指揮的難點(diǎn)主要包括幾個(gè)方面：

(1)該空域所轄范圍較小，包含進(jìn)離場航路各4條，間隔調(diào)配的時(shí)間和空間有限。

(2)該空域內(nèi)航班流量較大，進(jìn)離場飛機(jī)易產(chǎn)生穿越高度、進(jìn)場航空器之間因雷達(dá)引導(dǎo)易產(chǎn)生的交叉匯聚沖突，且沖突調(diào)配難度較大。

(3)該空域內(nèi)有多個(gè)軍用機(jī)場，且軍航活動(dòng)頻繁，對飛機(jī)偏航限制要求比較嚴(yán)格，協(xié)調(diào)指揮工作量較大。

2.2 點(diǎn)融合程序設(shè)計(jì)方案

考慮到該終端區(qū)的空域結(jié)構(gòu)形式、限制區(qū)位置以及點(diǎn)融合的扇形結(jié)構(gòu)等因素，為保證進(jìn)港航班流安全、有序地在點(diǎn)融合程序中運(yùn)行，融合點(diǎn)位置只能放置右三邊(距離五邊建立盲降位置點(diǎn)10～15 km)；為避免過多的改變原有飛行程序，將融合點(diǎn)的位置設(shè)置在起始進(jìn)近定位點(diǎn)(initial approach fix, IAF)，從而可有效避免進(jìn)港航班流通過融合點(diǎn)后再次出現(xiàn)需要干預(yù)航班下降和調(diào)速的情況，點(diǎn)融合程序設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

圖4 西南某機(jī)場終端區(qū)點(diǎn)融合程序設(shè)計(jì)方案Fig.4 Design scheme of point merge procedure in terminal area of an airport in Southwest China

可見，從西邊和南邊進(jìn)港航班將經(jīng)由導(dǎo)航臺CZH和FJC進(jìn)外排序邊，其進(jìn)場程序較標(biāo)準(zhǔn)儀表進(jìn)場程序略有不同；而從東邊和北邊進(jìn)港航班流先后經(jīng)由導(dǎo)航臺WFX、BHS進(jìn)場后加入內(nèi)排序邊，融合點(diǎn)的位置選擇在右三邊的起始進(jìn)近定位點(diǎn)處?？紤]到外排序邊上的飛機(jī)飛向融合點(diǎn)時(shí)，必須從內(nèi)排序邊下方穿過才能與內(nèi)排序邊的飛機(jī)保持合理的垂直間隔要求。因此，點(diǎn)融合程序的外排序邊高度設(shè)計(jì)為2 100 m，內(nèi)排序邊高度設(shè)計(jì)為2 400 m，過融合點(diǎn)的高度設(shè)置為1 500 m。該點(diǎn)融合程序的匯聚角度為100°，內(nèi)外排序邊長度分別為40 km和50 km；到融合點(diǎn)的距離分別為30 km和40 km，距離參考線間隔標(biāo)準(zhǔn)為10 km。

基于點(diǎn)融合程序的管制指揮方法：首次聯(lián)系時(shí)，跟機(jī)組確認(rèn)并發(fā)布點(diǎn)融合進(jìn)場程序及使用跑道；根據(jù)飛機(jī)的進(jìn)場次序以規(guī)定的高度、速度加入點(diǎn)融合程序的內(nèi)、外排序邊。飛行管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫可以對點(diǎn)融合程序各位置點(diǎn)進(jìn)行編碼，航空器則可采用基于性能的導(dǎo)航(performance based navigation, PBN)技術(shù)進(jìn)行自主飛行，管制員則無需進(jìn)行過多干預(yù)，當(dāng)前后2機(jī)滿足12～15 km的縱向間隔時(shí)可指揮后機(jī)脫離排序邊并直飛融合點(diǎn)。若標(biāo)準(zhǔn)儀表離場程序與點(diǎn)融合程序有交叉，可通過高度控制解決進(jìn)離場航空器穿越的飛行沖突。當(dāng)空域內(nèi)有惡劣天氣或軍方有活動(dòng)時(shí)，點(diǎn)融合程序不再適用，此時(shí)將恢復(fù)到現(xiàn)有的雷達(dá)管制方式引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)場。

2.3 點(diǎn)融合程序的管制模擬機(jī)驗(yàn)證

管制模擬機(jī)驗(yàn)證目標(biāo)是分析點(diǎn)融合程序設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于典型終端區(qū)的可行性，考核指標(biāo)包括：

(1)點(diǎn)融合程序?qū)嵤┖蠊苤茊T工作負(fù)荷的改善情況。

(2)通信頻道擁堵的緩解情況。

(3)終端區(qū)容量提升情況。

(4)進(jìn)港航班流的排序情況。

(5)飛行安全和進(jìn)場效率的提升情況。

基于該終端區(qū)2019年典型高峰日高峰小時(shí)流量分布特征，可設(shè)計(jì)半小時(shí)管制模擬機(jī)仿真場景，包括12架次進(jìn)港和13架離港航班。離港航班按標(biāo)準(zhǔn)儀表離場程序離場，進(jìn)港航班嚴(yán)格按照既定比例進(jìn)場后分別按點(diǎn)融合程序和現(xiàn)有程序指揮其落地。基于對一線進(jìn)近雷達(dá)管制工作調(diào)研可知，1架飛機(jī)的指揮流程將包括雷達(dá)識別、發(fā)布進(jìn)場條件、雷達(dá)引導(dǎo)、速度調(diào)整、高度調(diào)整、恢復(fù)自主領(lǐng)航(直飛)、建立盲降、協(xié)調(diào)移交等步驟。點(diǎn)融合程序充分利用了PBN靈活性的優(yōu)勢，引導(dǎo)飛機(jī)在排序邊上飛行，并在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)轉(zhuǎn)向融合點(diǎn)，從程序設(shè)計(jì)的角度簡化了雷達(dá)管制過程，減少管制員和飛行員之間的通話次數(shù)。通過對管制模擬機(jī)中相同進(jìn)場航班流采用點(diǎn)融合程序和現(xiàn)有程序的陸空通話數(shù)據(jù)的分析，得到的結(jié)果如圖5所示。

圖5 點(diǎn)融合程序與現(xiàn)行程序?qū)嵤┑墓苤浦噶顚Ρ菷ig.5 Comparison of control instructions between point merge procedure and current procedure

可見，點(diǎn)融合程序與現(xiàn)行程序的差別主要體現(xiàn)在雷達(dá)引導(dǎo)、高度和速度調(diào)整。其中，雷達(dá)引導(dǎo)指令次數(shù)大幅度減少、高度和速度改變指令次數(shù)小幅度減少，直飛指令發(fā)布次數(shù)基本持平。而在實(shí)際管制工作中，涉及重要飛行參數(shù)改變時(shí)，飛行員需要簡要復(fù)誦管制指令，即重要指令成功實(shí)施的平均時(shí)間等于管制員給出管制指令的平均時(shí)間和飛行員復(fù)誦指令的平均時(shí)間之和。表2記錄了該場景中重要管制指令實(shí)施的平均時(shí)間，與一線雷達(dá)管制工作基本無異。

表2 雷達(dá)管制指令平均時(shí)間

因此，可得到該場景中采用點(diǎn)融合程序比現(xiàn)行程序可減少的管制員工作負(fù)荷417.71 s。

Δw=36×8.52+5×7.25+12×7.78-2×6.34=417.71 s

(1)

這就表明了點(diǎn)融合程序應(yīng)用后，管制員工作負(fù)荷和飛行員操作負(fù)荷都會(huì)降低，通信頻道擁堵的情況明顯緩解；管制員將有更多時(shí)間精力監(jiān)視飛行態(tài)勢，則該終端區(qū)容量、飛行安全和效率也會(huì)有一定程度的提升。

進(jìn)一步地，相同進(jìn)場航班流條件下采用點(diǎn)融合程序和現(xiàn)行程序的航空器到達(dá)起始進(jìn)近定位點(diǎn)或者融合點(diǎn)的進(jìn)近時(shí)刻如表3所示，并分析了兩種程序的進(jìn)場效率以及扇區(qū)容量提升情況。

表3 進(jìn)場航班流進(jìn)近時(shí)刻對比

可見，該場景下12架進(jìn)場航班采用點(diǎn)融合程序進(jìn)場排序需要27 min，平均間隔為2.45 min；而采用現(xiàn)行完成進(jìn)場排序需要32 min，平均間隔為2.91 min。說明大流量場景下，采用點(diǎn)融合程序后進(jìn)場航班縱向間隔更均勻，平均間隔縮短15.81%，表明飛行效率和安全有明顯提升；進(jìn)場航班流排序總時(shí)間縮短15.63%，表明空域容量也能進(jìn)一步提升。

綜上所述，點(diǎn)融合程序通過簡化雷達(dá)管制工作過程，以減少管制指令的方式降低管制員和飛行員的工作負(fù)荷，改善陸空通話頻道的擁擠現(xiàn)狀，有效提升空域運(yùn)行安全。同時(shí)，點(diǎn)融合程序還能有效地解決終端區(qū)大流量情況下的進(jìn)場航班流排序問題，使得航空器之間的飛行間隔更加均勻、有序，縮短航班進(jìn)場排序時(shí)間，從而可有效提升終端區(qū)的空域容量和運(yùn)行效率，緩解機(jī)場航班延誤等。

3 結(jié)論

(1)點(diǎn)融合技術(shù)基于排序邊上任意點(diǎn)至融合點(diǎn)距離相等的原理，充分利用了雷達(dá)管制實(shí)時(shí)監(jiān)視空域態(tài)和RNAV導(dǎo)航靈活性的優(yōu)勢，可解決大流量情況下不同方向進(jìn)場航班流的沖突調(diào)配和排序問題，是提升樞紐機(jī)場終端區(qū)空域容量的有效手段。

(2)點(diǎn)融合技術(shù)從程序設(shè)計(jì)的角度簡化了雷達(dá)管制工作過程，結(jié)合典型繁忙空域PM程序和傳統(tǒng)程序的模擬機(jī)驗(yàn)證結(jié)果可知，點(diǎn)融合程序中雷達(dá)引導(dǎo)指令將大幅度減少，且高度和速度改變指令有一定程度的減少。因此，該新技術(shù)的應(yīng)用可有效地降低管制員和飛行員的工作負(fù)荷，減緩?fù)ㄐ蓬l道的擁擠現(xiàn)狀，還能提升空域中的飛行安全和效率。

(3)點(diǎn)融合技術(shù)還提供了更規(guī)范的進(jìn)場序列視圖，后續(xù)研究將基于點(diǎn)融合技術(shù)應(yīng)用后進(jìn)場航班的飛行軌跡，驗(yàn)證新技術(shù)的應(yīng)用對航空器飛行距離、燃油以及污染排放的影響，相關(guān)成果將在下一篇論文中呈現(xiàn)。