兰州区域扇区运行状态仿真分析

刘苑，李欢

(中国民航大学空中交通管理学院，天津300300)

0 引言

随着飞行流量的不断增加，扇区的运行状况日趋复杂，如何对空域运行状态进行准确分析成为国内外学者的研究方向。2012年，Horio B、Decicco A等人[1]利用空域冲突仿真软件分析了不同流量下的空域运行风险。2014年，赵嶷飞、吕立萱等人[2]定义了流容比因子，以15 min为研究区间，对扇区运行状态进行了评估。2015年，郑乐[3]利用自主开发的仿真系统，从宏观和微观角度分析了全国1天航班的运行风险[3]。目前国内外对于空域运行状态的研究尚处于起步阶段，主要是采用基于仿真和历史数据的方法对某一单独指标进行分析，没有建立多角度的综合评估方法。

民航甘肃空管分局所辖兰州管制区空域面积达150万km2，是我国第二大民航管制空域。兰州管制区在民航飞行中具有十分重要的地位，是我国中东部进出新疆地区以及东亚、西亚、欧洲、北美的必经之路。本文以兰州区域扇区为研究对象，使用TAAM(全空域与机场建模工具)仿真软件，从扇区流量、扇区潜在冲突以及扇区工作负荷等多个指标对兰州区域扇区运行状态进行综合分析，并根据分析结果提出建议。

1 TAAM仿真建模

1.1 TAAM软件简介

TAAM软件是杰普逊公司开发的快速仿真工具，能够模拟空中交通管理的全过程，并能够提供详细的仿真运行数据[4]。

TAAM的建模过程可以分为静态模型建立和动态模型设计两部分，下面对TAAM的建模过程进行简要介绍。

1)静态模型建立

TAAM静态模型建立过程主要包括录入机场跑道信息和航路点信息，编制机场进离场程序，划定扇区的水平边界和垂直边界，输入航路信息，制订航班计划等。

2)动态模型设计

TAAM动态模型设计过程主要包括管制间隔的设定、冲突解决方案的选择和扇区移交规则的写入等。仿真过程中可以实时观察空域的运行动态，发现运行中存在的问题并及时修正。

1.2 兰州区域扇区TAAM模型

目前，兰州区域管制区共有7个扇区。各扇区的垂直范围见表1。

表1 区域扇区垂直范围

根据航路点坐标、航路航线结构、扇区的水平和垂直范围等信息，进行空域静态模型的搭建。以兰州管制区某天雷达数据作为基础，制订航班计划，将航班计划数据导入TAAM，完成静态模型的搭建。之后对TAAM模型进行仿真运行。为解决仿真运行过程中航空器的冲突，使模型更接近实际的管制过程，采用冲突探测和自动冲突解脱相结合的模式规避运行冲突。根据兰州空域内扇区移交协议对航空器的速度、高度进行限制，并将兰州区域扇区的管制间隔设置为16 n mile。通过多次仿真运行，对TAAM模型进行修正，提高模型的可靠性，使其逐渐逼近现实运行场景。

2 空域运行状态分析

使用TAAM仿真软件对兰州空域扇区建模后，以兰州管制区总飞行架次1 750架次为基准，对空域模型进行仿真运行，获取反映空域运行状态的指标数据。本文对扇区流量、扇区潜在冲突、扇区工作负荷3个指标进行研究，分析空域的运行状态。

2.1 扇区流量

扇区流量是指一定时间内进入扇区的航空器数量。扇区流量的大小反映的是扇区的繁忙程度。对扇区流量进行分析，可以掌握空域中交通流的分布情况。从TAAM仿真数据中统计出兰州区域各扇区流量分布情况，如图1所示。

图1 各扇区流量

从图1可以看出，兰州区域7个扇区流量分布不均衡，有的扇区间流量相差接近1倍。为提高整个空域的运行效率，可以考虑对扇区划设作出调整，逐步实现扇区流量均匀分布。

2.2 扇区潜在冲突

在TAAM仿真软件中，当两架航空器的间隔低于最小间隔规定时，则会被定义为潜在冲突。扇区中的潜在冲突数反映了扇区运行的安全状况。潜在冲突数越多，扇区运行的安全风险越高。从潜在冲突数量、潜在冲突等级、潜在冲突类型3个角度对兰州区域扇区中潜在冲突进行分析。

1)潜在冲突数量

在6:00—23:00高峰时段，对兰州区域各扇区潜在冲突数量进行统计，各扇区的潜在冲突数量如图2所示。

图2 扇区潜在冲突数量

从图2可以看到，兰州区域各扇区潜在冲突数量相差较大。区域1扇和区域2扇潜在冲突数量明显多于其他扇区，空域运行安全风险较高。区域3扇和区域9扇潜在冲突数量较少，空域运行状况良好。

2)潜在冲突等级

在TAAM仿真软件中，根据发生潜在冲突时两航空器间隔大小，将潜在冲突分为不同级别，见表2，其中d代表最小安全间隔。

表2 潜在冲突等级

在06:00—23:00高峰时段，对兰州区域各扇区潜在冲突等级进行统计，其分布见表3。可以看出，区域1扇和区域2扇中等级0—等级2的潜在冲突数量超过本扇区潜在冲突总数的一半，扇区内冲突风险等级较高。其余各扇区的潜在冲突主要以等级3为主，扇区内冲突等级风险较低。

3)潜在冲突类型

在TAAM仿真软件中，根据发生潜在冲突时两航空器的位置关系，将潜在冲突分为3种类型，

表3 扇区潜在冲突等级分布 个

分别为交叉冲突、对头冲突、追赶冲突[5]。

在06:00—23:00高峰时段，对兰州区域各扇区潜在冲突类型进行统计，其分布见表4。可以看出，区域1扇和区域2扇3种类型冲突均较多，空域运行状态比较复杂。区域3扇交叉冲突较多，而其余各扇区则以追赶冲突为主。

表4 扇区潜在冲突类型分布 个

通过对各扇区潜在冲突数量、潜在冲突类型、潜在冲突等级进行分析，可以看出各扇区冲突分布不均匀，不同扇区安全运行风险相差较大，可以考虑对空域航路结构进行调整，逐步降低空域整体运行风险。

2.3 扇区工作负荷

扇区工作负荷可以准确表征管制员的工作压力，反映扇区的繁忙程度。在TAAM仿真软件中，根据负荷产生的原因，扇区工作负荷被分为监视负荷、冲突负荷、协调负荷、改高度负荷、改高度层负荷5种。TAAM仿真软件中扇区总负荷的统计公式为

WT=WLM+WLCF+WLC+WLLC+WLFL

式中：WLM为监视负荷；WLCF为冲突负荷；WLC为协调负荷；WLLC为改高度负荷；WLFL为改高度层负荷。各量单位均为当量架次[6]。

在06:00—23:00高峰时段，对兰州区域各扇区管制负荷进行统计，各扇区小时平均负荷分布见表5，各扇区高峰时段总负荷情况如图3。

表5 各扇区小时平均负荷分布 当量架次

从统计数据可以看出，兰州区域各扇区管制负荷组成以监视负荷为主，改高度负荷和改高度层负荷占比较小。而在区域1扇和区域2扇中，冲突负荷占比也较大，表明管制员为解决冲突承担的负荷也较多。

图3 各扇区高峰时段总负荷

从扇区总负荷数据中可以看出，各扇区工作负荷相差较大，扇区负荷分布不均衡，对空域的安全运行将产生不利影响。可以考虑以负荷均衡为目标，对扇区进行重新划分，以提高空域的运行效率和安全性。

3 结论

本文以兰州区域扇区作为研究对象，利用TAAM仿真软件对空域运行状态进行分析。构建了兰州区域扇区TAAM仿真模型，从扇区流量、扇区潜在冲突、扇区工作负荷3方面对兰州空域运行状况进行了分析。区域9扇流量少，冲突最少，且多为调配简单的追及冲突，扇区高峰时段负荷也较小，而区域2扇流量大、冲突最多，调配较难的交叉冲突和对头冲突占总冲突数的2/3，高峰时段总负荷也最多。本文找出了现行空域在运行过程中存在的突出问题，为空管部门进行空域结构调整和扇区划分提供数据支持和参考。