航路单双向运行理论容量对比研究

王莉莉，曹　玉，黎新华

（1.中国民航大学空中交通管理学院，天津　300300；2.民航西南空管局飞行服务中心，成都　610000）

航路单双向运行理论容量对比研究

王莉莉1，曹玉1，黎新华2

（1.中国民航大学空中交通管理学院，天津300300；2.民航西南空管局飞行服务中心，成都610000）

民航运输需求的增长，需要空域容量的保障。2013年随着“京昆单向循环大容量通道”的实施，单向航路的研究成为了一个热点，其中一个很具争议性的问题就是单向航路对于容量的提升是否有显著效果。本研究从航路容量定义出发，考虑安全间隔、交叉点的影响、终端区的影响，建立了航路运行容量模型。采用实际数值，对比计算了“京昆大容量通道”单向运行与混合运行容量值，并对结果进行比较分析，为目前正在实施的航路网规划调整提供了理论依据。

航路规划；航路运行容量；单向航路；京昆大容量通道

航路容量分为航路最大容量和航路运行容量。航路最大容量是指在指定航路范围内，给定时间段内能够服务的最大航空器数量，即在延误趋于无穷大时的运行容量，反映了极限服务水平。航路运行容量也称实际容量，是指在指定航路空域范围内，在可接受的航班延误水平下，给定时间段内能够服务的最大航空器数量。单向运行航路[1]主要是指航空器在一条航路上只沿一个方向飞行，高度层上下方只有同向航空器的运行方式的航路。

2013年12月12日起，中国“京昆单向循环大容量通道”正式投入使用。“京昆单向循环大容量通道”是一条骨干航路，这条航路贯穿北京、西安、成都、重庆、贵阳、昆明等重要繁忙机场，是连接中国西南、西北与华北、东北地区的航路主动脉。随着“京昆单向循环大容量通道”的实施，单向航路的研究成为了热点，单向航路能降低安全风险已得到共识，但单向航路运行后是否降低了容量是一个热点争议问题，本文将主要针对该问题进行研究。

对航路容量的研究主要有：Gene和Marner在1970年首次将针对跑道的容量概念扩充到终端区以及航路上，初步探讨航路的流量管理和容量评估问题，但其没有给出容量的计算方法[2]。国内这方面的研究：南京航空航天大学的胡明华教授和张志龙、杜竣等在1999—2000年对终端区容量模型进行了研究，讨论了影响空管系统容量的诸因素，建立了航路交叉点的容量估计模型；蒋兵、胡明华考虑航路高度层配置对航路容量的影响与备用高度层使用对整条航路容量的影响建立了航路容量模型；余静、刘洪考虑了航路长度、空域活动、天气状况建立了航路容量模型；张兆宁、王霞考虑到军事活动因素影响下的航路容量模型；赵丹考虑到位置误差、不同机型引起变化建立航路容量模型。

本文从航路容量定义出发，考虑单向运行与混合运行下的实际空管环境的运行特点，从一个全新的角度建立航路运行容量模型，其中重点考虑安全间隔、交叉点影响、终端区影响这三个因素。本文最后采用实际数值，对比计算了“京昆大容量通道”单向运行与混合运行容量值，并对结果进行比较分析，为目前正在实施的航路网规划调整提供了理论依据。

1　影响航路运行容量的因素分析

对航路运行容量的主要影响因素有以下几方面：

1）空管的间隔规定

在中国，因为流量、设备等差异，各地的管制单位依据实际情况制定了不同的空管规则和管制方法，一般高度间隔是统一的，对于水平间隔的要求各地不同。管制规定里只规定，雷达管制下区域里航空器间的间隔不能少于10 km。但实际运行时，考虑要给穿越本高度的飞机预留空间，每个单位的空域复杂度和导航设备覆盖情况不同，所以每个单位又规定有不同的实际运行控制间隔。

2）航路的可用高度层

航路的可用高度层受地形地貌、导航设施覆盖、特殊区域限制高度、管制员工作负荷等影响。

3）空域结构的复杂性

航路上交叉点的个数，该点处交叉航路的条数，该航路交叉点的繁忙程度、连接终端区位置、终端区对航路影响的大小等都对容量有很大的影响。

4）管制员的工作负荷

空管有关规定对管制员同时指挥的飞机数目有严格的规定，这也就是对于管制员的工作量有限制，进而也就影响到了系统的容量。

5）气象条件

气象条件对空域容量有很大的影响。当某条航路有雷雨时，飞经该航路所有飞机都必须绕行，相当于改变了航路结构，因而也影响了容量。

6）空管保障系统的可靠性

依据空管有关规定，如果部分空管保障设施不能正常工作，相关的管制规定应做相应调整，如雷达失效时改用程序管制方式，就必须拉大管制间隔，这样对空域容量将会造成极大的影响。

7）其他一些因素

如特情、重点保障飞行、空军训练、空军运输机飞行、军机转场飞行穿越民航航路等情况，这些都会对空域内的飞机流的运行造成影响，从而导致系统的容量降低。

2　航路运行容量模型

为对比单向航路与混合航路的运行容量，本模型的建立主要考虑目前实际运行时空管的管制间隔、航路的实际使用高度层、空域结构的复杂性。本文假设气象条件符合正常运行条件，管制员工作负荷在可接受负荷范围内，空管系统的可靠性较稳定。

2.1航路运行容量模型

从航路容量的概念定义可得：C=N/T；N等于航路长度和管制间隔之间的比值：N=L/X；考虑一段航路的时间可表示为：T=L/V；于是可得一个高度层上航路运行容量模型为：当有多个高度层时，假设有n个可用高度层，可得容量公式为

为了符合现实运行情况，模型具有实际意义，需考虑交叉点与其对系统的影响两方面，于是设交叉点的容量降低系数为γ、终端区容量影响系数为λ，最终得出航路运行容量模型为

其中：V为适用航路的飞机平均速度；X为管制员控制的最小安全间隔；C为航路容量；N为该段航路服务时间内的航空器架次；Ci为单个高度层航路容量；n为可用高度层数量；γ为交叉点的容量降低系数；λ为终端区容量影响系数。

2.2交叉点的影响

交叉点前后，飞机在各条航路上的飞行是各自独立的，但过交叉点之前必须对即将过交叉点的飞机进行排序，以保证在飞机过交叉点前后不会发生间隔小于规定的情况。

参考关于交叉点的影响研究[3]，结合图1可得出以下关系

其中：HD为插入间隔余度的实际最小安全间隔；v1为F1的速度；v2为F2的速度；D为离场放飞间隔或进场移交初始间隔；∂为1架航空器未过交叉点，1架航空器已过，两航空器所在航路夹角；β为两机都未过交叉点的所在航路夹角；X为管制员控制的最小安全间隔；AD为入口处的放飞间隔；C1为交叉点的容量；C2为无交叉点时的容量。

在本文中，假设插入间隔余度的实际最小安全间隔就是管制员控制的最小安全间隔，区域上运行的要过交叉点的2架航空器速度相等，于是得HD=X，v1=v2=v，上式简化为

于是，当增加一个交叉点时，容量降低的程度为

考虑∂∈[π/2，π），容量影响因子的拟合函数图如图2所示。

交叉点容量影响因子的均值为

图2　拟合函数图Fig.2　Fitting function diagram

混合运行时，由于同高度层上汇聚飞行，所以为了航空器汇聚后保障安全间隔，势必要控制航空器的速度和间隔，导致容量降低。考虑交叉点的容量降低系数γ与交叉点个数N3、交叉的平均航路个数N1、影响因子f以及交叉点的繁忙程度m有关，经过和一线运行单位讨论，交叉点的容量降低可量化表示为

γ带入航路运行模型中，进一步完善模型为

2.3终端区对系统容量的影响

具有实际意义的容量模型应该是能体现整个系统共同作用的容量模型。对于单向航路，当终端区的进离场航路和航线的方向匹配后，只要航路上有容量，离场的航空器就可以起飞，不会压制航班。但是对于混合航路，如果低高度层上有迎面飞来的飞机，距离本场的间隔在50 km内，即使本场离场的航班要去的航路高度层现在有容量，该航班依然不能起飞。因此会对容量有消减的作用。

终端区起飞容量因航路原因消减整个系统容量，终端区容量影响系数λ和终端区交口个数N2、低高度层的使用率ω、影响起飞的航班占整个方向离场需求航班量的平均百分率θ间的关系，可以量化表示为λ=1-N2ωθ。

考虑对系统的容量影响，得出最终的航路运行容量模型为

2.4航路运行容量模型

综合考虑普通航段、交叉点影响和终端区的影响，建立航路运行容量模型为

3　单向航路、混合航路运行容量模型计算实例

本文采用西北空管局区调的实际运行数据，调研时间段为2014年5月18日至2014年5月24日，通过数据整合处理，本文采用以下数据：平均速度取889 km/h；交叉点的繁忙程度m为0.93；低高度层的使用率为10%，影响起飞的航班占整个方向离场需求航班量的平均百分率为55.1%。

3.1无限制时单向与混合航路运行容量

在无任何限制的理想条件下，本文选取一段航路。单向航路运行，计算容量时运行安全间隔取30 km，可用高度层取2，可得单向运行航路运行容量为

混合航路运行，计算容量时运行安全间隔取40 km，可用高度层取4，可得双向运行航路运行容量为

3.2交叉点、终端区影响下单向与混合航路运行容量

选取“京昆大容量通道”中北京—西安段，进行航路运行容量计算对比，如图3所示。

图3　京昆大容量通道示意图Fig.3　Jing-Kun large-capacity channel

单向航路运行时，按现在实际运行情况，计算容量时运行安全间隔取30 km，可用高度层为2，对于单向航路，由于过交叉点时可采用上升或下降一个高度层的方式，因此不会有冲突产生，交叉点的容量降低系数γ取1，终端区容量影响因子为1，计算容量为

航路连接西安、太原、北京三个终端区，所以终端区交口个数为3。根据图3可知，采用实际调研数据，交叉点个数N3为1，交叉的平均航路个数N2为3。则

λ=1-N2ωθ=1-3×10%×55.1%=0.835

航路混合运行，存在逆向航迹飞行，计算容量时运行安全间隔取40 km，可用高度层为4，交叉点的容量降低系数γ取0.79，终端区影响因子取0.835，计算容量为

对比结果分析，在航路无任何限制的理想情况下，混合航路的容量大于单向航路，因为混合航路可用高度层多于单向航路的可用高度层。在考虑交叉点、终端区的情况下，单向航路的容量小于混合航路，随着交叉点增多，容量影响越大。

4　结语

本文从航路容量定义和实际运行情况出发，考虑到安全间隔、交叉点的影响、终端区的影响，建立了航路运行容量模型。采用实际数值，分别计算了无任何限制条件下与“京昆大容量通道”单向和混合航路运行容量值，并对结果进行比较分析，对于一段无任何限制的航路，因为单向航路间隔较小，单向航路运行容量的值小于混合航路运行容量；对于有交叉点、终端区影响的航路，单向航路运行容量的值小于混合航路运行容量，可计算得出，随交叉点数量的增多，混合航路运行容量值逐渐减小，其效率降低，目前取单向航路间隔为30 km，实际上由于单向航路是顺向飞行，运行间隔还可更小，容量可进一步增加。

本文为目前正在实施的航路网规划调整提供了理论依据，文中涉及的部分参数与关系式是根据经验得到的，可进一步通过实际的模拟机运行来加以修正与完善。

[1]杨超.单向循环航路改造对空中立交桥的影响[J].中国民用航空，2013（12）：46-48.

[2]RATNER R S.A methodology for evaluating the capacity of air traffic control systems[G].FAA-RD-70-69，1970：1175.

[3]胡明华.空中交通流量管理理论与方法[M].北京：科学出版社，2010：75-90.

（责任编辑：杨媛媛）

Comparative research on one-way and mixed-way en route operating capacity

WANG Li-li1,CAO Yu1，LI Xin-hua2
（1.College of Air traffic Management，CAUC，Tianjin 300300，China；2.FlightService Center，Southwest Regional ATM Burean of CAAC，Chengdu 610000，China）

The growth in demand for civil aviation requires assurance of the airspace capacity.In 2013,with the implementation of‘Jing-Kun one-way circulation large-capacity channel’,the research of one-way route has become a hotspot,one of the controversial issues is whether the one-way route has a significant effect for enhancing the capacity.Starting from the definition of route capacity and considering the safe separation distance,impact of intersection and terminal area,an en route operating capacity model is built.Using actual values,the‘Jing-Kun largecapacity channel’one-way and mixed-way operation capacity values are calculated and compared.The study provides a theoretical base for the adjusting plan of en route network being implemented.

route planning；en route operating capacity；one-way route；Jing-Kun large-capacity channel

V355

：A

：1674－5590（2015）06－0001－04

2014-05-22；

：2014-09-24

国家自然科学基金项目（61179042）；中央高校基本科研业务费专项（ZXH2012L005）

王莉莉（1973—），女，陕西兴平人，教授，博士，研究方向为空域规划、空中交通管理.