機(jī)場選址階段不同場址凈空條件的量化對比

種小雷， 雷繼超， 張世迪， 胡江海

(1.空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院， 西安 710038； 2.中國人民解放軍95538部隊(duì)， 成都 611430)

機(jī)場選址是一個(gè)涉及政治、軍事、社會、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、地理環(huán)境、交通和旅游事業(yè)等多因素的復(fù)雜系統(tǒng)工程。按照選址工作流程，要經(jīng)過場址初選、預(yù)選、定點(diǎn)三個(gè)階段多方案的比選，才能最終確定出最適宜建設(shè)機(jī)場的位置[1]。在場址方案比選過程中，不同場址之間凈空條件的差異是對場址優(yōu)劣判定的一個(gè)關(guān)鍵因素，對場址起著決定性作用[2]。長期以來，在選址階段不同場址方案進(jìn)行凈空條件對比時(shí)主要有兩種方法，一是通過評定出凈空區(qū)障礙物的數(shù)量、分布范圍等特征定性對比場址之間凈空條件的差異；二是依據(jù)飛行程序和飛機(jī)性能分析結(jié)果確定出凈空區(qū)土方量進(jìn)行凈空條件優(yōu)劣判定[3]。第一種方法缺少定量描述，第二種方法僅是對障礙物處理量進(jìn)行計(jì)算，沒有考慮障礙物存在對周邊區(qū)域的影響?；诖?，針對凈空區(qū)內(nèi)存在障礙物對凈空條件的影響程度、影響范圍進(jìn)行分析，擬為選址階段不同場址比選過程中凈空條件的優(yōu)劣判定提供一種精確的量化方法。

1 障礙物自身屬性對機(jī)場凈空影響程度的量化方法

機(jī)場凈空區(qū)由升降帶、端凈空和側(cè)凈空組成，其中端凈空和側(cè)凈空分別由不同的障礙物限制面組成[4]，如圖1所示。凈空區(qū)內(nèi)障礙物對飛行安全的影響與障礙物在凈空區(qū)中的位置、超高程度及其自身物理屬性密切相關(guān)[5-6]。將障礙物空間屬性(在凈空區(qū)中的位置)、超高屬性(超高程度)及其物理屬性定義為障礙物自身屬性。

圖1 機(jī)場凈空組成示意圖(二級機(jī)場)Fig.1 Schematic diagram of airport of clearance for secondary airfield (secondary airport)

1.1 障礙物自身屬性對凈空條件影響的量化表示

1.1.1 障礙物在空間屬性的量化表示

障礙物的空間屬性，即障礙物在凈空區(qū)中的位置。障礙物位置不同，其對飛行安全的影響不同。距跑道端(端凈空區(qū)內(nèi))和跑道中心線(側(cè)凈空區(qū)內(nèi))垂直距離越近，對飛行安全影響越大，對凈空條件的破壞程度越大[7-10]。針對此特點(diǎn)，采用障礙物距離跑道中線的垂直距離作為障礙物在凈空區(qū)內(nèi)位置的量化評價(jià)指標(biāo)，并采用歸一化方法轉(zhuǎn)化為0～1的數(shù)值，歸一化公式如式(1)、式(2)所示。

對于越大越優(yōu)型指標(biāo)，規(guī)范化式為

(1)

對于越小越優(yōu)型指標(biāo)，規(guī)范化式為

(2)

式中：x為障礙物距跑道中線的直線距離；xmin、xmax分別為場址內(nèi)各障礙物距跑道中線垂直距離的最小值和最大值；x*為障礙物在凈空區(qū)域位置的歸一化數(shù)值。

1.1.2 障礙物物理屬性的量化表示

障礙物的物理屬性指障礙物的物理特征，如樹木、建筑物等不同類型的障礙物表現(xiàn)出來的易折性、韌性等對飛行安全產(chǎn)生不同影響的物理性質(zhì)。為量化障礙物物理屬性對凈空條件的影響，調(diào)研了多個(gè)機(jī)場凈空評價(jià)的實(shí)際情況和多名從事機(jī)場凈空管理的技術(shù)人員，在此基礎(chǔ)上查閱了外國相關(guān)的資料，在分析各障礙物在機(jī)場同一位置對機(jī)場凈空影響的基礎(chǔ)上，以0.2、0.4、0.6、0.8、1.0具體數(shù)值量化，劃分方法如表1所示，障礙物物理屬性越危險(xiǎn)，相應(yīng)量化數(shù)值越大。

表1 障礙物物理特性量化指標(biāo)

可采用式(2)對障礙物物理屬性進(jìn)行歸一化，此時(shí)x為障礙物物理特性量化數(shù)值；xmin、xmax分別為場址內(nèi)各障礙物物理特性量化數(shù)值的最小值和最大值；x*為障礙物物理特性的歸一化數(shù)值。

1.1.3 障礙物超高屬性的量化

障礙物超高屬性是障礙物超過限制高度的狀況，但鑒于長高部分物體形狀各異、大小不同，采用坡度、橫截面、超高高度指標(biāo)量化障礙物超高屬性，其原理如圖2所示。

圖2 障礙物超高區(qū)域示意圖Fig.2 Sketch map of obstacle superelevation area

圖2中，障礙物超高高度是確定超高屬性對機(jī)場凈空條件影響的最直觀指標(biāo)[11]；坡度是表示地表面在該點(diǎn)傾斜程度；投影面積是指超高區(qū)域在凈空限制面上的投影。這3個(gè)指標(biāo)的評價(jià)值也可以采用式(2)進(jìn)行歸一化處理。

1.2 障礙物自身屬性之間權(quán)重的確定方法

分析可知，障礙物自身屬性可以從障礙物超高高度、坡度和投影面積這3個(gè)方面，采用5個(gè)指標(biāo)來進(jìn)行量化，這5個(gè)指標(biāo)對凈空條件影響的程度不盡相同，即這5個(gè)因素存在權(quán)重問題。采用環(huán)比評分賦權(quán)法求解障礙物各因素權(quán)重，該方法為相鄰兩因素間進(jìn)行比較，所得結(jié)果不會產(chǎn)生矛盾性，因此不需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。得到障礙物各因素權(quán)重集為W={w1,w2,w3,w4,w5}，具體數(shù)值為{0.210 7，0.188 0， 0.220 5， 0.159 6， 0.241 6}。

1.3 障礙物對凈空條件影響程度量化模型

障礙物對凈空條件的影響是障礙物超高高度、坡度和投影面積屬性的綜合體現(xiàn)，因此從上述3個(gè)方面5個(gè)指標(biāo)的分析出發(fā)，提出建立障礙物影響度的概念，函數(shù)表達(dá)公式如式(3)所示：

(3)

障礙物影響度定義為：綜合障礙物自身屬性后量化表達(dá)的障礙物對凈空條件的影響。障礙物影響度越大，說明障礙物對凈空條件的破壞越嚴(yán)重，反之，則說明其對凈空條件的影響不大。

2 障礙物在凈空區(qū)內(nèi)影響范圍的確定方法

凈空區(qū)內(nèi)的障礙物對凈空條件的影響不僅是其自身所占據(jù)的空間，在自身空間之外，還存在潛在的影響范圍。在傳統(tǒng)的機(jī)場選址階段凈空條件對比過程中，對于凈空區(qū)內(nèi)障礙物的分析，只關(guān)注障礙物自身的空間，而忽略了其潛在的影響范圍。為此，主要研究這種潛在的影響范圍的量化方法。

2.1 障礙物影響范圍確定的基本原則

《軍用機(jī)場凈空規(guī)定》中規(guī)定的障礙物遮蔽是指如果一個(gè)物體相對于永久性障礙物的位置不會在實(shí)質(zhì)上增加對飛行的危險(xiǎn)，不應(yīng)視為影響飛行的障礙物。升降帶及其兩側(cè)的過渡面范圍內(nèi)不適用遮蔽原則。即一個(gè)障礙物的存在對周邊是有屏蔽作用的，可按照此要求來確定障礙物的影響范圍。根據(jù)凈空區(qū)構(gòu)成特點(diǎn)，分成區(qū)域1和區(qū)域2，分別確定其影響范圍。

2.2 障礙物在區(qū)域1內(nèi)影響范圍的確定

區(qū)域1是指內(nèi)水平面、端凈空區(qū)、過渡面(內(nèi)水平面與端凈空連接部分)等區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)障礙物靠近跑道端(或跑道中線)和遠(yuǎn)離跑道端(或跑道中線)對凈空影響不同，確定范圍時(shí)分為兩個(gè)部分。

障礙物靠近跑道一端(或跑道中線一側(cè))：取最高點(diǎn)向下按10%坡度線與凈空限制面相交；障礙物遠(yuǎn)離跑道一端(或跑道中線一側(cè))：取最高點(diǎn)向右按15%坡度線與凈空限制面相交。通過數(shù)學(xué)方法求得最高點(diǎn)與10%坡度線與凈空限制面交點(diǎn)(15%坡度線與凈空限制面)的水平距離差值即為左影響范圍R′Z(右影響范圍為R′Y)。

端凈空區(qū)障礙物影響范圍如圖3所示，圖4為內(nèi)水平面障礙物影響范圍方法。

陰影區(qū)域表示障礙物圖3 端凈空區(qū)障礙物影響范圍Fig.3 End clearance area obstacle impact range

X表示障礙物超高影響范圍的基數(shù)，m；虛線部分表示障礙物與凈空限制面交點(diǎn)在錐形面上；實(shí)線部分表示障礙物與凈空限制面交點(diǎn)在內(nèi)水平面上；陰影區(qū)域表示障礙物圖4 內(nèi)水平面障礙物影響范圍Fig.4 Inner horizontal obstacle impact range

2.3 障礙物在區(qū)域2影響范圍確定方法

區(qū)域2是指外水平面、錐形面、過渡面(端凈空與外水平面、錐形面連接部分)等區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)不需考慮影響范圍不一致情況。

在該區(qū)域內(nèi)求出最高點(diǎn)與15%坡度線與凈空限制面的交點(diǎn)的水平距離差值即為影響范圍R，圖5、圖6分別為錐形面和外水平面內(nèi)障礙物影響范圍。

圖5 錐形面障礙物覆蓋半徑Fig.5 Conical surface obstacle radius

圖6 外水平面障礙物覆蓋半徑Fig.6 Outer horizontal obstacle covering radius

3 凈空條件的量化評價(jià)模型

3.1 基于障礙物自身屬性對影響范圍的修訂

按照障礙物遮蔽的原則，可以得出障礙物確定的影響范圍，但是這個(gè)范圍沒有考慮障礙物自身屬性的差異，也就是認(rèn)為只要超高高度一樣，影響范圍就是一樣的，這顯然是不科學(xué)的。筆者認(rèn)為應(yīng)在遮蔽范圍的基礎(chǔ)上綜合考慮障礙物自身屬性，即采用障礙物影響度來修訂障礙物影響范圍，修訂公式為

(4)

式(4)中：RZ為靠近跑道一側(cè)影響范圍；RY為遠(yuǎn)離跑道一側(cè)影響范圍。

3.2 障礙物影響范圍面積的統(tǒng)計(jì)

凈空區(qū)內(nèi)每一個(gè)障礙物都存在一個(gè)影響范圍，這個(gè)影響范圍均占據(jù)凈空區(qū)一定的面積，把所有障礙物影響面積累計(jì)起來，就可以得到障礙物對凈空條件的總體影響狀況。因此，首先要研究障礙物影響范圍面積的統(tǒng)計(jì)方法。

障礙物影響范圍主要有圖7所示的3種形式，其中障礙物1、5為內(nèi)水平面、端凈空區(qū)等區(qū)域障礙物形式，覆蓋區(qū)域左右半徑不等；障礙物2、3、4為外水平面、錐形面等區(qū)域障礙物形式，覆蓋區(qū)域左右半徑相等，實(shí)際評估中這些影響范圍是有重疊的。

圖7 障礙物影響范圍圖例Fig.7 Obstacle influence range legend

只需在場址方案中標(biāo)出各障礙物的影響范圍，基于最常見的設(shè)計(jì)軟件平臺，就可以統(tǒng)計(jì)出所有障礙物在凈空區(qū)中所占的總的面積[12]。

3.3 障礙物對凈空條件影響的量化指標(biāo)

為實(shí)現(xiàn)對凈空條件的量化表達(dá)，提出障礙物影響率α的概念，定義為凈空區(qū)內(nèi)所有障礙物影響范圍在凈空區(qū)平面上的投影面積之和與凈空區(qū)平面面積之比，計(jì)算公式為

(5)

式(5)中：α為障礙物影響率；t為凈空區(qū)障礙物標(biāo)號；n為凈空區(qū)障礙物總數(shù)；pt為第t個(gè)障礙物的影響范圍在凈空區(qū)平面上的投影面積；P為凈空區(qū)總區(qū)域面積。

障礙物影響率α實(shí)際意義在于對于場址凈空條件的定量描述，α考慮了障礙物制約凈空條件的具體因素，α越大，障礙物覆蓋范圍所占凈空區(qū)面積比例越大，場址的凈空條件越差；α越小，障礙物覆蓋范圍所占凈空區(qū)面積比例越小，場址的凈空條件越好。

4 不同場址凈空條件的量化對比

根據(jù)國防需要，擬在某地區(qū)建設(shè)二級機(jī)場。經(jīng)過前期踏勘，確定擬選場址2處。運(yùn)用上述方法，對兩個(gè)場址凈空條件的優(yōu)劣進(jìn)行對比。為簡化過程，只針對場址1列出相關(guān)數(shù)據(jù)，場址2的具體情況及計(jì)算過程不再詳細(xì)列出。

4.1 場址凈空條件基本情況

將場址1凈空區(qū)障礙物分布簡化為圖8。

A、B、C、D、E分別表示山體、高層樓房、電塔、樹木、建筑群在待選場址中的位置圖8 場址1凈空區(qū)障礙物分布Fig.8 Layout of obstacles in the clearance area of site 1

圖8中，障礙物自身屬性信息如表2所示。

4.2 障礙物對凈空影響度的量化計(jì)算

對表2中根據(jù)各障礙物的具體空間屬性，經(jīng)過歸一化處理，對各障礙物的因素進(jìn)行量化，得到各障礙物的影響度，如表3所示。

表2 障礙物具體位置及超高區(qū)域

表3 歸一化后障礙物影響度

4.3 障礙物影響范圍的計(jì)算

結(jié)合表3中障礙物影響度，根據(jù)障礙物遮蔽原則確定影響半徑，并采用障礙物影響度修訂各障礙物影響范圍后結(jié)果如表4所示。

4.4 場址凈空條件的量化對比

對于場址1障礙物總影響范圍pt=(446.6+353.21+25.35+1 560.8+41.59) m2=2 427.54 m2。

表4 障礙物影響半徑及影響范圍

凈空區(qū)總面積P=(43×26.2) km2=1 126.6 km2。由此可以計(jì)算得障礙物影響率為α=2 427.54×10-6/1 126.6=2.15×10-6。

采用上述方法，可以計(jì)算出場址2的障礙物影響率為4.03×10-6。場址1的障礙物影響率小于場址2，表明場址1的凈空條件優(yōu)于場址2。

5 結(jié)論

針對機(jī)場工程建設(shè)中選址階段方案評價(jià)中機(jī)場凈空條件的量化評定方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究。從障礙物對凈空條件影響的角度出發(fā)，在以障礙物自身屬性為特征分析其對凈空條件影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合凈空區(qū)障礙物遮蔽原則，分析障礙物在凈空區(qū)內(nèi)的影響范圍，提出了基于凈空區(qū)障礙物影響率的凈空區(qū)條件量化對比方法，可以實(shí)現(xiàn)不同場址之間凈空條件的量化對比，改變了傳統(tǒng)凈空條件定性描述與對比的方法，為選址階段凈空條件對比評價(jià)提供了一種新的思路與方法。