終端區(qū)點(diǎn)融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究與分析

洪銘，彭雪麗，張泠昕

(中國民航飛行學(xué)院，四川廣漢，618300)

0 引言

根據(jù)民航局發(fā)布的《2019年民航行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，2019年全國民航運(yùn)輸機(jī)場完成起降架次1166.05萬架次，比上年增長5.2%，呈現(xiàn)逐年增長狀態(tài)。中國有3個機(jī)場進(jìn)入世界最繁忙的機(jī)場前十名，分別是北京首都國際機(jī)場、香港國際機(jī)場與上海浦東國際機(jī)場。持續(xù)的經(jīng)濟(jì)增長是造成空中交通需求增長的主要因素。隨著交通需求的增長，機(jī)場終端區(qū)資源緊張、交通擁堵和延誤愈發(fā)嚴(yán)重。由于終端區(qū)空域擴(kuò)張難以實(shí)現(xiàn)，如何改善飛機(jī)進(jìn)出場結(jié)構(gòu)、提高過站處理能力就顯得尤為重要。

先到先服務(wù)（First Come First Service, FCFS）和雷達(dá)引導(dǎo)的方法是現(xiàn)今管理到達(dá)飛機(jī)流量的常用方法。 這個方法對于安排到達(dá)飛機(jī)的降落順序具有良好的公平性，而且在高密度下，也利于管制員掌握并處理交通狀況，但它通常會導(dǎo)致嚴(yán)重的延誤。隨著通信、導(dǎo)航和監(jiān)視（Communication,Navigation and Surveillance, CNS）中新興技術(shù)的應(yīng)用，點(diǎn)融合系統(tǒng)概念的提出與實(shí)踐應(yīng)運(yùn)而生，該系統(tǒng)能更加有序和高效地管理到達(dá)飛機(jī)以及提高繁忙機(jī)場吞吐量。

2006年，歐控實(shí)驗(yàn)中心開發(fā)出一種系統(tǒng)化的進(jìn)場流量排序方法，即點(diǎn)融合（Point Merge）[1]。2011年，點(diǎn)融合程序在挪威OSLO機(jī)場開始實(shí)施[2]。隨后，都柏林（2012）、巴黎ACC（2013）、吉隆坡（2014）、萊比錫（2015）、倫敦城市和比金山（2016）等機(jī)場陸續(xù)開始啟用該程序。點(diǎn)融合系統(tǒng)作為世界領(lǐng)先的新航行技術(shù)于2019年12月在上海浦東、虹橋國際機(jī)場正式實(shí)施。這是中國首次實(shí)踐“點(diǎn)融合”、“航線外等待”等程序。

點(diǎn)融合系統(tǒng)(Point Merge System, PMS )的運(yùn)行理念首次提出后，2015年，Man Liang等進(jìn)行了基于點(diǎn)融合系統(tǒng)的航班自主到達(dá)排序系統(tǒng)的開發(fā)，首次提出多層點(diǎn)融合系統(tǒng)（Muti-layer Point Merge System, ML-PMS）[3-4]；2019年，劉冰等采用了一種點(diǎn)融合程序與傳統(tǒng)程序結(jié)合的方法[5]，對上海浦東國際機(jī)場的點(diǎn)融合進(jìn)場程序進(jìn)行優(yōu)化。

為更好適應(yīng)終端區(qū)空域限制、航線結(jié)構(gòu)和終端區(qū)飛機(jī)流量等條件，國內(nèi)外學(xué)者對經(jīng)典點(diǎn)融合系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，下文將著重從結(jié)構(gòu)的角度來分析點(diǎn)融合系統(tǒng)，為后續(xù)的實(shí)踐提出改進(jìn)方案。

1 經(jīng)典點(diǎn)融合系統(tǒng)

1.1 經(jīng)典點(diǎn)融合系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與原理

如圖1所示，點(diǎn)融合系統(tǒng)基于一個特定的區(qū)域?qū)Ш剑≧NAV）路線結(jié)構(gòu)，主要由融合點(diǎn)（Merge Point）與排序?。⊿equencing Leg）組成[6]。融合點(diǎn)是終端區(qū)內(nèi)的一個物理坐標(biāo)點(diǎn)，該點(diǎn)負(fù)責(zé)將進(jìn)場過程中的多個交通流進(jìn)行整合；排序弧是預(yù)定義的飛行支路，用來增加航空器行程，消耗必要時間，排序弧的長度反映了所需的延遲吸收能力。排序弧一般分為內(nèi)外兩條，內(nèi)排序弧高于外排序弧。在內(nèi)外排序弧上有若干小段，每段排序弧距離融合點(diǎn)的位置近似相等。點(diǎn)融合系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)如表1所示。

圖1 點(diǎn)融合系統(tǒng)組成

表1 點(diǎn)融合系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

1.2 經(jīng)典點(diǎn)融合系統(tǒng)幾何構(gòu)型

從傳統(tǒng)的進(jìn)場方式到經(jīng)典點(diǎn)融合系統(tǒng)的演變，形成了點(diǎn)融合系統(tǒng)最基礎(chǔ)的幾何構(gòu)型。分別為完全分離，部分重疊和全長重疊[6-7]。在圖2中，從左至右分別為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)、完全分離結(jié)構(gòu)、部分重疊結(jié)構(gòu)和全長重疊結(jié)構(gòu)。圖中陰影區(qū)域代表容量，程序長度間接代表效率。顯而易見，傳統(tǒng)與完全分離結(jié)構(gòu)具有較高的運(yùn)行效率，但系統(tǒng)容量相對較少，而部分重疊和完全重疊的點(diǎn)融合系統(tǒng)的容量較大，但由于其排序弧長度增加，相互干擾增大，運(yùn)行效率無可避免地降低。

圖2 點(diǎn)融合系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)演變過程

排序弧全長重疊、部分重疊、完全分離這三種幾何構(gòu)型，為保證安全，排序弧之間需滿足不小于雷達(dá)間隔的橫向間隔，在垂直剖面上，內(nèi)外排序弧之間需滿足以下間隔標(biāo)準(zhǔn)[7]。如圖3所示。

圖3 三種構(gòu)型垂直間隔限制

2 點(diǎn)融合系統(tǒng)衍生結(jié)構(gòu)

除了前面所述的三種基礎(chǔ)點(diǎn)融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之外，為了更好地適應(yīng)機(jī)場終端區(qū)空域限制、飛機(jī)進(jìn)場的方向與流量等因素，在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中逐步出現(xiàn)了改進(jìn)的結(jié)構(gòu)，下文我將從結(jié)構(gòu)的角度提出點(diǎn)融合系統(tǒng)的改進(jìn)方式，解決點(diǎn)融合系統(tǒng)在實(shí)踐應(yīng)用中存在的問題，既保留點(diǎn)融合系統(tǒng)的優(yōu)勢又能適應(yīng)實(shí)際需求。

2.1 N層點(diǎn)融合系統(tǒng)

N層點(diǎn)融合系統(tǒng)是對經(jīng)典點(diǎn)融合系統(tǒng)排序弧層次的改變。從結(jié)構(gòu)角度分析，多層點(diǎn)融合系統(tǒng)增加了排序弧的層次以容納更多的飛機(jī)。從實(shí)踐運(yùn)用的角度分析，它可以理解為兩種實(shí)現(xiàn)方式。

（1）由內(nèi)外（N=2）排序弧變?yōu)镹層排序弧

在經(jīng)典點(diǎn)融合系統(tǒng)中，內(nèi)外排序弧考慮多個進(jìn)場方向需求。在滿足橫向間隔與垂直間隔的前提下，N的取值可以為1,2,3…，當(dāng)N=1時，為單層點(diǎn)融合系統(tǒng)，也是一種結(jié)構(gòu)化等待進(jìn)場程序，可以有效針對進(jìn)場方向單一、但流量密集的終端區(qū)；當(dāng)N>=2時，可以在一定程度上將更多的進(jìn)場飛機(jī)納入管理范疇，當(dāng)然N的取值不能無限大，它受制于空域、點(diǎn)融合系統(tǒng)包絡(luò)面積、下降高度等。

（2）重型、中型、輕型機(jī)分層

重型、中型、輕型飛機(jī)的尾流間隔不同，在不分層混合飛行的情形下有效尾流間隔會增加，造成系統(tǒng)容量減少，且不利于管制員把控飛機(jī)之間距離，情景意識降低。對此，可以將民航運(yùn)輸?shù)某Ｓ脵C(jī)型在點(diǎn)融合系統(tǒng)排序弧中進(jìn)行分層飛行。其平面和高度示意結(jié)構(gòu)以及間隔標(biāo)準(zhǔn)如圖 4所示。

圖4 多層點(diǎn)融合系統(tǒng)平面與高度結(jié)構(gòu)示意圖

由于民航運(yùn)輸飛機(jī)少有輕型機(jī)，所以將不予考慮。對于同一來向的重型機(jī)和中型機(jī)，在進(jìn)入點(diǎn)融合系統(tǒng)時，分層進(jìn)入內(nèi)?。ㄍ饣。┑母叨葘親2（H4）與H1（H3），沿所在排序弧高度層飛行，等待管制員直飛融合點(diǎn)指令。程序運(yùn)行步驟如圖5所示。

圖5 機(jī)型分層PMS運(yùn)行步驟示意圖

N層點(diǎn)融合系統(tǒng)的目的是進(jìn)一步緩解交通擁堵，使進(jìn)場飛機(jī)更高效、有序與安全地降落。對于N層點(diǎn)融合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，必須考慮排序弧的高度層是否可用且合理。在機(jī)場終端區(qū)，能用于設(shè)計(jì)多層排序弧的高度空間有限，如果設(shè)計(jì)高度層過低，那么飛機(jī)需要消耗更多的燃油才能保證其在排序弧上的飛行，不利于燃油政策，同時噪聲增加，不利于環(huán)保；如果設(shè)計(jì)過高，處于最高層的飛機(jī)，不易有效下降到融合點(diǎn)，影響航班排序效果。N層點(diǎn)融合系統(tǒng)可以適應(yīng)不同終端區(qū)的飛機(jī)流量，增加系統(tǒng)容量，但相應(yīng)會需要更多的空域資源。N層點(diǎn)融合結(jié)構(gòu)更適合空域有限，進(jìn)場繁忙的機(jī)場。

2.2 點(diǎn)融合系統(tǒng)與傳統(tǒng)程序的結(jié)合

（1）點(diǎn)融合系統(tǒng)與等待程序結(jié)合

在經(jīng)典點(diǎn)融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，有時系統(tǒng)進(jìn)入點(diǎn)為飛機(jī)流量匯聚點(diǎn)，易產(chǎn)生沖突問題，因此需要在系統(tǒng)進(jìn)入點(diǎn)拉開飛機(jī)間隔，以避免沖突。此時可以采取將點(diǎn)融合系統(tǒng)與傳統(tǒng)等待程序結(jié)合的方式，保證進(jìn)入點(diǎn)融合系統(tǒng)的前、后機(jī)具有足夠時間或空間間隔。程序結(jié)構(gòu)示例如圖6所示。

圖6 點(diǎn)融合系統(tǒng)與等待程序結(jié)合

（2）點(diǎn)融合系統(tǒng)與S程序結(jié)合

點(diǎn)融合系統(tǒng)與S程序結(jié)合的結(jié)構(gòu)方式既可以沿用點(diǎn)融合系統(tǒng)的優(yōu)勢，又可以解決進(jìn)場飛機(jī)因航線結(jié)構(gòu)與空域限制而產(chǎn)生的下降率過大問題。它是在排序弧外側(cè)設(shè)置類似S型的傳統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)，以增加飛機(jī)的飛行距離，保證足夠的下降空間。對于S型的間隔設(shè)計(jì)，橫向間隔未給出具體標(biāo)準(zhǔn)，為了安全考慮，一般為2倍雷達(dá)間隔。平面示意圖如圖7所示。

圖7 點(diǎn)融合系統(tǒng)與S型程序的結(jié)合

S弧上的飛機(jī)可以在下降后進(jìn)入外排序弧，也可以在內(nèi)外排序弧均不存在飛機(jī)或高度沖突的情況下，在S弧上合適位置轉(zhuǎn)向直飛融合點(diǎn)，減少繞飛距離。程序運(yùn)行步驟如圖8所示。

圖8 結(jié)合S程序的點(diǎn)融合系統(tǒng)運(yùn)行步驟示意圖

點(diǎn)融合系統(tǒng)與S程序結(jié)合的思路是增加飛行路徑一消失高度，同時也可以分散點(diǎn)融合系統(tǒng)的進(jìn)入點(diǎn)，避免關(guān)鍵點(diǎn)的瓶頸問題。S弧程序既是用于下降的補(bǔ)充程序，也是點(diǎn)融合系統(tǒng)排序弧的一種特殊形式。這種結(jié)構(gòu)比較適合的終端區(qū)情形：1）某一方向的進(jìn)場飛機(jī)流量密集，占比大；2）從航路結(jié)構(gòu)下降進(jìn)入到外排序弧時，由于高度差較大，下降率過大，不利于飛行安全。

3 結(jié)論與展望

經(jīng)典點(diǎn)融合系統(tǒng)（排序弧全長重疊、部分重疊、完全分離）是常用的結(jié)構(gòu)形式。為了在不同機(jī)場終端區(qū)進(jìn)行更好的應(yīng)用，在國內(nèi)外學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，提出了點(diǎn)融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，一是N層點(diǎn)融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它可以適應(yīng)不同飛機(jī)流量密度的機(jī)場。當(dāng)N=1時，適合進(jìn)場方向單一、流量密度較大的終端區(qū)，當(dāng)N>1時，對于空域有限、進(jìn)場繁忙的機(jī)場，能夠有效改善進(jìn)場處理能力；二是點(diǎn)融合系統(tǒng)與傳統(tǒng)程序的結(jié)合，為存在系統(tǒng)進(jìn)入點(diǎn)沖突和下降率過大問題的終端區(qū)提出改進(jìn)思路。

本文主要站在進(jìn)場管理問題的角度上來分析點(diǎn)融合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，忽略了離場飛機(jī)所需空間和離場飛機(jī)對進(jìn)場點(diǎn)融合結(jié)構(gòu)的交叉影響?，F(xiàn)在，研究熱點(diǎn)多為到達(dá)管理系統(tǒng)（AMAN）與離場管理系統(tǒng)（DMAN）的集成問題[10]，考慮到離場飛機(jī)帶來的影響，點(diǎn)融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會存在怎樣的發(fā)展將會是后續(xù)會考慮的問題。