基于AirTOp的机场终端区进离场航线网络优化

摘 要：机场终端区进离场航线网络的合理设计是影响管制指挥安全和运行效率的重要指标。目前机场终端区进离场航线设计基本是根据机场净空状况、导航设施布局、限制区等决定的。多数进离场航线设计只侧重安全，而忽略对管制运行效率的提升，造成机场终端区航班容量不高。因此，针对以上问题，以提高终端区容量，减轻管制员指挥压力，对终端区进离场航线网络进行优化。文章先使用AirTOp软件建立某机场终端区空域模型并导入机场三天航班数据进行仿真。然后根据仿真结果对终端区进离场航线进行优化并仿真。最后，将优化前后数据对比。经过多次大量仿真实验，在保证航线设计安全的前提下，机场终端区高峰小时架次提升了4架，且航空器冲突明显降低。

关键词：航线优化;系统仿真;冲突;AirTOp

近年来，随着民航交通运输量快速增长，航班流量不断增加，越来越多的机场终端区容量已经达到瓶颈，航班冲突增加，早期的进离场航线规划不合理愈加突出，限制了机场的进一步发展。当前，飞行程序设计人员在设计机场终端区进离场航线时仍旧只按照ICAO在其8168文件《航行服务程序航空器运行》规定的限制条件如机场净空状况，导航设施布局，限制区等追求最大的“安全裕度”理念，而忽略了管制员解决航空器冲突，降低航空公司航班延误成本以及提高机场的航班容量的需求，设计方案合理性缺乏科学验证[1][2]。本文通过实地调研XX机场并获得相关管制及航班数据，使用AirTOp软件建立XX机场终端区空域模型，导入航班数据仿真验证航班数据的真实性，通过对该机场终端区进离场航线优化前后進行仿真并分析数据，为合理科学设计终端区进离场航线提供依据。

一、研究方法概述

本文通过逐步仿真模拟增加XX机场的日均航班量，预测XX机场运行期间航班对空域的影响。基准模型场景中的航班计划从机场获得，起降XX机场的航班量是通过对XX机场三天航班计划的出发地、目的地、机型和实际起降时刻分析，在基准场景的基础上按比例克隆航班，克隆航班的比例在达到若任意一个扇区的高峰值在70%的情况下低于管制协议中规定的最大值8架，则停止克隆，此时得到的高峰小时架次可认为是机场的最大容量[3][4]。

解决飞行冲突是一个系统工程问题，需要考虑多种因素的影响。各个影响因素实时变化、相互作用，使得解决飞行冲突的决策过程具有较高的复杂度。AirTOp软件仿真后产生大量航班冲突的数据，本文通过对产生冲突的区域及冲突种类进行分析研究，对现有进离场航线进行优化，以规避化解冲突，降低管制员指挥的压力和提升机场容量。

AirTOp是由比利时AirTOpsoft公司开发的快时仿真工具。该公司于2005年在布鲁塞尔成立，专注于航空运行仿真模拟AirTOp软件开发，包括终端区空域、空中航路、空中交通流量管理、机场地面、机场服务车辆等的模拟。

二、模型建立

1.建立机场空域模型

在AirTOp中建立机场终端区模型。首先在AirTOp中构建机场模块，将机场参数如ICAO编码、地理位置、机场标高和所在位置的磁差等输入AIRPORT模块，跑道参数如标高，磁航向等输入BaseRunway、Runway和SafetyZone等模块，最后创建18L/36R，18R/36L四条跑道。由于本次仿真主要考虑进离场航线之间的相互影响，故仿真中将对机场跑道做一定的简化，所建立的跑道及滑行道能够满足飞机的正常起落即可。然后建立空域模块，向软件中导入航路点经纬度坐标，使用《航行资料汇编》中的数据库编码表、进离场航图和进近图依次建立离场航段sidleg，离场航线sid，进场航段approachleg及机动区，航路routing并在WaypointRule中输入航路点高度速度限制。最后建立扇区模块，扇区参数如扇区边界，高度等参数按Polygon、SectorBlock和ATCSector顺序依次建立，最终创建扇区AP01，AP02和AP03。

建立的基准模型如图1所示。

2.管制运行规则

AirTOp中，跑道运行方面采用18R/18L跑道作为起降跑道。在WakeTurbulenceSeparation中设置航空器尾流间隔，见下面的航空器尾流间隔表。根据实际管制要求，在RunwayDependency设置两跑道间隔，设置起飞放行间隔和落地间隔。起飞放行间隔：前后落地间安插起飞的，目前参考间隔为15km，地速≤350km/h;连续起飞间隔为2分钟。落地间隔：连续落地间隔10km和连续落地间安插起飞的间隔为15km。

3.航班计划设置

以XX机场某年4月17-19日三天实际航班量为样本导入软件中，共导入进离场航班1380架次，航班包含了航班号、机型、航班时间、所属航空公司等参数，在Aircraft中创建机型类型，在Airline中设定航空公司。考虑存在航空器过夜情况，本文采用4月18日航班样本为主进行模拟仿真。运行AirTOp，使用AirTOpReporter得出各统计结果，计算高峰小时航班架次等。

建立的航班计划如图2所示。

三、仿真结果及优化

通过对现行方案模拟仿真，当克隆航班比例增加10%时，AP01扇区已经达到8架，但是达到8架的时刻仅在00：36：47，03：24：31两个时刻出现，所以航班比例在基准场景基础上增加20%，增加该比例后现行模型仅在AP01扇区03：20：08-03：25：27出现高于8架次的情况，此时认为现行模型达到高峰小时架次。经统计得知现行方案终端区高峰小时架次为38架，航空器冲突区域较广，主要是向北、东和西方向运行冲突较多而且集中，冲突类型经统计多为SameTrack，即水平方向不满足间隔要求的多为同航迹，如图3所示。由此可见由于进离场程序设计不合理导致终端区冲突较多且集中。

针对现行进离场航线拥挤，冲突较多且分布区域较广的特点，本文在现行进离场航线的基础上进行优化并构建优化后的XX机场空域模型。航线优化方案为：向北运行新增两条离场航线NEW_08和NEW_06;向西运行新增进场航线NEW_11和离场航线NEW_03;向南运行新增两条离场航线NEW_01和NEW_07;向东运行新增两条进场航线NEW_09和NEW_10，新增三条离场航线NEW_02、NEW_5和NEW_4，如图4所示。

对优化后的空域模型进行模拟仿真，当克隆航班比例增加20%时，AP01扇区已经达到8架航班，此时优化方案终端区高峰小时航班架次为42架，优化前后高峰小时航班架次对比如图6所示。进离场航线优化后，多数时段的飞机小时航班架次都有相应程度的增加，高峰小时航班架次增加了4架，对机场容量提高起到明显作用。优化后航空器冲突区域明显变小而且分散，如图5所示，由此可以看出使用AirTOp软件对XX机场的进离场航线网络优化调整是有效合理的。由于XX机场刚开始运行双跑道，所以当前该机场只在东侧进近，日后可以考虑增加西三边，减少东侧航空器拥挤和分散冲突区域。

四、结语

利用AirTOp仿真软件对XX机场终端区进离场航线进行仿真，确定影响高峰小时架次和冲突热点区域的进离场航线，在基准模型上给出优化方案，结果表明终端区容量明显提高和冲突热点区域明显分散和减少。AirTOp软件模拟仿真可以与机场实际运行相契合，真实的模拟航班在终端区的运行，对机场终端区进离场航线设计优化起到了很好的辅助决策作用，同时也可以提高机场终端区管制运行效率及安全水平。

参考文献：

[1]王超.飞行程序运行评估的理论方法及仿真应用研究[D].南京：南京航空航天大学，2012.

[2]高伟，黄朝伟.重庆机场终端区容量评估的仿真研究[J].中国民航大学学报，2010（5）：1-4.

[3]朱承元，卫宏，刁琳.珠三角地区多机场系统航班时刻的仿真优化[J].计算机工程与应用，2013（4）：236-239.

[4]施赛锋.广州终端区进离场航班排序系统研究[D].南京：南京航空航天大学，2011.

作者简介：范卫平（1972—），北京人，工程师，本科，就职于民航华北空管局通信网络中心。