管制扇区增开方案分析验证
2019-10-17王毅鹏李欢
王毅鹏，李欢
(中国民航大学空中交通管理学院,天津300300)
0 引言
近年来，随着人们对高速便捷出行方式需求的增长和我国对民航发展的大力支持，空中交通流量骤增，管制难度增加。因为扇区飞行量的增长不均衡，管制空域内复杂天气、军航活动分布不均，所以各扇区增设需求程度不同，一般分阶段进行扇区增设增开。管制扇区的增开增设，将对各扇区产生不同的影响，因此需要科学的分析验证方法。
目前对空域扇区运行状态以及扇区的增开增设，中外学者提出了诸多概念和分析指标。2011年，朱承元等[1]利用SIMMOD软件对珠三角空域机场进行仿真研究，找出了珠三角地区飞行流量限制的关键因素。2012年，Horio B等[2]利用空域冲突仿真软件对空域运行风险进行了分析。2014年，王超等[3]结合计算几何和模拟退火算法对空域扇区优化问题进行了研究。
综上所述，对于空域规划与扇区增开，目前国内外相关研究主要集中在空域系统运行指标的研究和软件仿真分析上，研究指标和问题较为单一。而相关管制部门一般根据经验判断扇区的增开问题，缺乏理论与经验的结合。本文作者与一线管制员及专家讨论确定扇区增设备选方案，并运用TAAM(全空域与机场建模)仿真软件，进行多次仿真分析验证，综合给出扇区增开目标方案。
1 管制扇区增开方案分析验证步骤
1.1 备选方案的提出
扇区增开方案的确定，需要严谨的分析和一线工作经验的有机结合。首先根据扇区划设方法，组织召开专家会议，并结合扇区运行特点，提出若干扇区增开备选方案。航路结构、天气因素、远期规划、通信导航、军方活动，是专家考虑的主要方面。
1.2 空域扇区建模
TAAM(全空域与机场建模)软件是一个从门到门的快速仿真工具，几乎可以对整个空中交通管理过程进行仿真[4]。建立现有空域基准模型及备选方案仿真模型，可以针对不同优化方案进行仿真分析。
第一，建立现有空域基准模型。根据相关资料，完成建模的数据输入，主要包括：机场(airports)、位置点(waypoints)、航路(routes)、航空器性能特性、时刻表(schedule)等。然后构建仿真环境，包括物理环境(机场布局、空域扇区划分、SID/STAR设计)和运行环境(机位分配与滑行道使用、进离场排序、流量管理与空域规则、机场运行规则)。
第二，建立不同扇区增开备选方案的仿真模型。通过对航路、时刻表等一系列数据的调整，根据未来的预期计划，设置流量管理、空域规则等动态环境，加入航空器性能随机因素、机场天气模型，可以对未来空域和管制运行有较为真实的仿真复现。
1.3 空域扇区方案仿真分析
对现有空域基准模型及备选方案仿真模型进行多次仿真运行，通过Reporter工具，对TAAM仿真软件的关键分析指标进行提取。通过方案间的对比，可以知道不同扇区增开备选方案对运行的改善作用。本文结合TAAM仿真平台特点与空域用户的需求，从扇区流量、管制负荷、潜在冲突量、航路汇聚点分布4个方面进行分析。
1.3.1 扇区流量
扇区流量是指单位时间内进入某一扇区的航空器的总数量。扇区流量是表征扇区运行状况的重要指标。同等运行条件下，随着扇区流量的增加，管制难度也相应增加。
1.3.2 管制负荷
管制负荷是指管制员监视航空器的飞行动态、扇区间的移交以及为保障飞行安全进行的各种管制行为。TAAM仿真软件中，管制负荷由计算机进行统计，并以当量架次为单位进行表征。根据负荷产生的原因，将管制负荷分为基本负荷WLM、冲突负荷WLCF、协调负荷WLC、改高度负荷WLLC、改高度层负荷WLFL5类。管制负荷计算公式如下：
WT=WLM+WLCF+WLC+WLLC+WLFL
(1)
这5类负荷需要根据其动作的复杂性分别设置调整因子[5]。
1.3.3 潜在冲突量
潜在冲突量是指在特定的时空范围内，扇区中航空器发生潜在飞行冲突的次数[6]。在仿真软件中，根据当前状况的模拟管制，航空器可能在某时刻会发生时空上的汇聚，将不满足航空器间的最小间隔标准。因此，潜在冲突量判别的关键是对航空器未来状态的判别。
(2)
若sij,min 若sij,min≥s*， 则fi,j=0。 式中：x表示潜在冲突量；fi,j表示航空器i和j潜在冲突的判别函数；si,j,min表示航空器i和j之间的最小间隔；s*表示间隔规定。当si,j,min 1.3.4 航路汇聚点分布 航路汇聚点是指在航路网络中，2条以上的航段由于飞行流量汇聚而形成的航路定位点[7]。航路汇聚点处涉及的管制协调较多，分散管制员精力，因此，航路汇聚点的合理布局是提高扇区运行效率、均衡不同扇区管制压力的重要保障。 为了更好地验证不同扇区增开方案的优劣，选择在雷达管制模拟机上验证不同扇区划分方案的实际运行情况，为最终方案的选择提供运行支持。一般采用未来大流量下的航班时刻表制订模拟机计划，中等水平的管制员进行模拟管制，并邀请专家参与模拟机验证的全过程，根据不同方案的模拟机运行情况填写调查问卷进行评价。 以兰州进近管制扇区为例，当前兰州进近管制扇区共批复5个扇区，其中进近2扇和进近3扇合并运行，进近4扇和进近5扇合并运行。兰州进近管制扇区负责兰州、西宁两大省会机场的进离场冲突的调配和进场航空器的排序工作。扇区内有JTA、BESMI、XIXAN等多个航路汇聚点，且在部分进离场航路上并未实现进离场程序分离。随着扇区流量的快速增长，目前开设的3个进近管制扇区的管制压力持续增长，为保证航空安全，需要确定扇区增开方案，并对其进行分析论证。 通过与10余位管制专家的讨论以及多名资深管制员的交流，结合扇区运行特点，确定2个增开备选方案：方案一，增开进近3扇；方案二，增开进近5扇。 根据兰州进近空域的航班运行数据，建立现有空域基准模型。 应用TAAM仿真软件，在基准模型上分别按照2个方案完成扇区开合情况的调整。2种扇区增开方案的呈现较为直观，如图1所示。 (a)方案一仿真示意图 (b)方案二仿真示意图图1 扇区增开方案TAAM仿真模型3D示意图 根据“十三五”规划的相关文件，兰州中川国际机场、西宁曹家堡机场起降航班量年增长率为8%，目标年2020年，高峰时期中川机场单日起降架次为410架次，曹家堡机场单日起降架次为280架次，区域总保障架次为1 950架次。 在TAAM仿真模型中以2020年航班运行预测量(1 950架次)进行克隆增量，多次仿真模拟不同方案下的扇区运行和管制情况，并在扇区流量、管制负荷、潜在冲突量、航路汇聚点分布等方面比较2个备选方案的优劣，为扇区增开方案的分析提供数据支撑。 2.3.1 TAAM仿真模型中的小时流量 为了保障飞行安全，各扇区的小时流量需要以扇区容量评估的相应指标为限定值。根据2个方案的扇区构型，分别在2个TAAM模型中多次仿真，取每次仿真结果的最大值和平均值，见表1。 根据兰州空中交通管制规定，方案一中进近4扇小时流量偏大，并且与进近2扇、进近3扇相比，小时流量不够均衡。方案二各扇区的小时流量能基本满足未来航班量的需要，且较为均衡。 2.3.2 TAAM仿真模型中的管制负荷 扇区的管制负荷一般应控制在最大负荷的80%以下。根据兰州进近管制扇区的特点，TAAM的管制负荷应控制在75.6当量架次以下，各扇区管制负荷情况见表2。 表2 各扇区管制负荷 当量架次 由表2可以看出，2个备选方案对于合并扇区的负荷分散作用明显。在原有扇区构型下，进近4扇的管制负荷明显偏高，管制环境更为复杂，这一问题在方案一中没有得到解决。方案二各扇区的管制负荷较为均衡，且均在最大负荷的80%以内，较好地解决了上述问题。 2.3.3 TAAM仿真模型中的潜在冲突量 潜在冲突量是TAAM仿真软件关于扇区运行情况的一个重要指标，潜在冲突量与扇区内的航路结构有关，各扇区的潜在冲突量见表3。 可以看出：方案一中，进近2扇潜在冲突得到分散，而进近4扇的潜在冲突量较多，最大值达到9次/h；方案二中，进近2扇潜在冲突量虽然较方案一的多，但是整体较为均衡，且没有出现较大的极值。 表3 各扇区潜在冲突量 次/h 2.3.4 TAAM仿真模型中的航路汇聚点分布 航路汇聚点的分布直接影响管制员执行管制任务的压力，合理的汇聚点分布能够有效分散管制负荷，保障扇区运行安全。各扇区航路汇聚点的分布情况见表4。 原进近4扇面积较大，扇区内航路汇聚点较多(15个)，这是进近4扇管制负荷较大的原因之一，这个问题在方案二中得到了较好的解决。 表4 各扇区航路汇聚点分布 个 为保证分析结果的合理性，对备选方案进行模拟机验证。管制员与专家填写了调查问卷，共回收调查问卷18份，其中17份支持方案二，并提出了有关建议。 综合TAAM仿真分析、管制模拟机验证及专家评议结果，方案二能够比较好地解决扇区运行存在的突出问题，验证结果支持增开进近5扇。扇区增开方案的确定，需要严谨的分析和一线工作经验的有机结合。本文通过TAAM仿真工具，实现了对专家会议提出的备选方案的建模仿真。构建现有空域基准模型及多个备选方案仿真模型，可以模拟各种场景下扇区管制运行情况的变化，明确不同方案对未来的空域环境和管制运行的影响，对依靠经验进行扇区增开的现状有较好的改进作用。本文所得的兰州进近管制扇区增开方案的分析论证得到管制部门的认可，对管制扇区的增开规划具有指导意义。1.4 方案模拟机验证与专家评议
2 兰州进近管制扇区增开方案分析
2.1 备选方案的提出
2.2 空域扇区建模
2.3 增开方案仿真分析
2.4 模拟机验证
3 结语
