基于AIRTOP的成都终端区扇区建模仿真研究

2016-09-06辛超张军

中国科技信息 2016年7期

辛超　张军

辛超张军

本文首先提出了终端区运行模式特点以及对终端区扇区建模的必要性，然后对比说明了所用建模仿真平台AirTOp的建模优势，并以成都终端区系统进行空域建模。建模过程需要考虑具体成都终端区的系统复杂度，也需要全面考虑影响仿真过程的实际约束情况，并利用仿真平台的规则库对成都终端区运行模式进行建模仿真。最后以实际运行模式下的仿真结果，分析得出影响终端区扇区运行的主要因素并评估各因素的影响程度。

多机场终端区空域已经成为目前空中交通的最繁忙空域，在此空域中航班流量大，空域运行情况复杂，是空域拥堵、航班延误和飞行事故频发区域。为更好地维护空中交通秩序、保障飞行安全，以适应航空运输高速发展需求，需要研究科学高效的多机场终端区进离场航班的运行模式。要对繁忙终端区的运行模式进行科学的研究，首先需要合理的终端区空域运行模型，通过对终端区空域运行模型的分析不仅能对空域扇区或空域结构优化分析，使得空域容量得到充分的提高；还能通过增加临时航线网络，或增加合理航路点，以验证理论研究是否能进一步对航路优化。对多机场终端区的运行模式研究最终的目标是提高终端区的运行效率，提升终端区容量，对进离场航班协同运行提供合理的解决方案。

首先对AirTOp（Air Traffic OptimiZation）仿真系统的原理进行简介并与其他建模方法和工具进行对比说明仿真平台的优势，在对成都终端区建模过程中分析了终端区建模的难点和关键点研究。其次，考虑多约束限制条件下模拟实际空域的运行情况，通过修正特定的参数来反映运行模式的差别以保证模型能够反映真实终端区扇区特性。最后，通过不同运行情况所对应的仿真结果与进行分析，验证了仿真结果的真实和合理性。

评估方法

终端区运行评估方法主要有以下四类：一是利用数学模型计算终端区运行品质的方法，由于现在的终端区空域结构较为独特且复杂性越来越高，很难仅仅通过一个数学模型就能准确描述复杂的终端区；二是通过统计历史数据进行分析评估的方法，这种方法以数据的完整性和相关度为基准往往可以获得一个较为合理的数据区间，但是缺点是不能对特殊情况和周期较长的远期规划做合理的评估；三是利用实际的管制员操作管制模拟机进行管制员操作负荷的方法进行终端区运行评估，虽然此种方法能够直接评估出实际操作的运行结果，但是仅仅考虑人的因素使得结果较为单一，且这个测评需要消耗较多的人力物力才能有较为平均的测评结果；四就是本文所用到的方法：基于计算机仿真平台进行建模研究评估的方法，软件建模方法能够充分考虑终端区系统自身的复杂度并且能够针对性的对模型某些因素进行定性定量的分析，对评估对象的整体运行过程有高度的还原仿真效果。国外已经较早的涉及这一方法并且开发了几款较为通用的仿真平台，目前较为流行的且应用广泛的有： TAAM、SIMMOD、RAMS以及本文所用到的AirTOp。

AirTOp是由比利时Airtopsoft公司开发的快时仿真工具。该公司于2005年成立于布鲁塞尔，专注于航空运行仿真模拟AirTOp软件开发，包括：空中航路与空中交通流量管理，终端区空域（进场、离场、进近、起飞、降落等），机场地面（跑道、滑行道、停机坪、除冰坪等），机场服务车辆（油罐车、消防车、摆渡车等），以及航站楼旅客的运行模拟。与市场上同类产品，如美国杰普逊公司出品的TAAM软件相比，AirTOp操作界面更为友好，功能更加全面，尤其在空侧与陆侧的结合上，AirTOp在业界的认可程度高。

终端区模型

终端区空域设置：首先对机场进行定位属性设置；再对航路点按照实际航图进行坐标定位，将设置好的航路点按照一定的顺序连接形成矢量的航路模型；对于机场内部的滑行道和停机位以机场坐标为参考进行定义设置；将所有的相关空间资源建模定义完成后就需要对空间资源进行地形数据的录入以达到对终端区的高真实度建模。这一步完成后得到空域特性较为真实的模型如图1、图2所示。

图1　空域建模设置

图2　空域航路建模设置

图3　航班信息编辑

航班信息设置：实际中每一个航班计划都有独有的航班号、航空公司信息、实时位置信息和航班时刻信息。AirTOp系统飞行器数据库提供了相应的的数据定义航空器特性，因此在建模过程中针对所需要的航班信息只需要对计划定义相应的飞机注册号，航班性质、航班时间、航路高度和航油等级，就会出现自定义的航班计划信息；对于评估某机场的最大容量就需要对已定义好的航班计划进行合理的批量化复制，就可以在原有空域模型基础上进行空域容量的最大化评估，如图3所示。

终端区运行设置：AirTOp仿真平台需要对仿真过程中的里程碑事件进行控制策略，由于每个运行策略都对每次的终端区运行结果有着不同程度的影响。因此要对以下相关运行设置进行具体的定义并且根据需求针对特殊约束进行不断的修改以正确运行。

a）航空器的具体的滑行路径必须根据不同的航空器类型以及停机位要求和航站楼分布进行定义。

b）跑道起降策略设置：根据实际管制要求设置跑道起降策略，这对航班的进离场排序的排序结果有着较大的影响。（如图4为机场跑道的约束使用规则）

c）进离场排序：两航空器在设置的跑道运行规则下在进入终端区时即开始预排序。在系统自动排序依然有较大延误时需要合理的设置等待程序。

d）冲突探测解脱：流量管理中需要设置合理的纵向间隔，如果流量过大从而产生小于间隔的冲突情况，就有必要设置冲突解脱的策略。

图5　仿真运行效果截图

运行仿真

根据实际运行仿真分析后可知，当成都终端区按照以下方式运行可以实现终端区运行效率最高：

当军方没有活动且进港飞机较少时，将会采用独立平行离场。向北运行时，前往ZYG、CZH方向的飞机，使用02L跑道离场，前往JTG方向的飞机，使用02R跑道离场；向南运行时，前往CZH、JTG方向的飞机，使用20R跑道离场，前往ZYG方向的飞机使用20L跑道起飞。

使用02L/20R离场航空器通常自A滑行道进入跑道。

使用20R号跑道进近时，不能偏向五边西侧。

如图5所示为AirTop平台仿真运行效果图。

仿真分析过程中对多种运行方式进行调试后，可以得出终端区运行过程中限制终端区容量的关键点：在机场区域由于滑行路径不合理而在终端区空域中则是由于进离场航路的交叉点较多不利于航班进离场分离。因此，为提高终端区的运行效率，除了对现有管制队伍和管制规则的不断完善外还需要对终端区的路径进行进一步的合理规划。

结语

AirTOp建模仿真平台通过构建真实度很高的成都终端区的运行模型，对终端区的空域模型快速仿真模拟得出十分客观的仿真结果，并对多模拟情景进行自定义分析评估，由此可以得出不同单位所需的相关影响因素。本文仿真模型可以应用于后续成都终端区空域容量评估和机场空域运行方案评估，可以为决策部门提供丰富的模拟分析数据和运行方案建议。