机场选址阶段不同场址净空条件的量化对比

种小雷， 雷继超， 张世迪， 胡江海

(1.空军工程大学航空工程学院， 西安 710038； 2.中国人民解放军95538部队， 成都 611430)

机场选址是一个涉及政治、军事、社会、经济、技术、地理环境、交通和旅游事业等多因素的复杂系统工程。按照选址工作流程，要经过场址初选、预选、定点三个阶段多方案的比选，才能最终确定出最适宜建设机场的位置[1]。在场址方案比选过程中，不同场址之间净空条件的差异是对场址优劣判定的一个关键因素，对场址起着决定性作用[2]。长期以来，在选址阶段不同场址方案进行净空条件对比时主要有两种方法，一是通过评定出净空区障碍物的数量、分布范围等特征定性对比场址之间净空条件的差异；二是依据飞行程序和飞机性能分析结果确定出净空区土方量进行净空条件优劣判定[3]。第一种方法缺少定量描述，第二种方法仅是对障碍物处理量进行计算，没有考虑障碍物存在对周边区域的影响。基于此，针对净空区内存在障碍物对净空条件的影响程度、影响范围进行分析，拟为选址阶段不同场址比选过程中净空条件的优劣判定提供一种精确的量化方法。

1 障碍物自身属性对机场净空影响程度的量化方法

机场净空区由升降带、端净空和侧净空组成，其中端净空和侧净空分别由不同的障碍物限制面组成[4]，如图1所示。净空区内障碍物对飞行安全的影响与障碍物在净空区中的位置、超高程度及其自身物理属性密切相关[5-6]。将障碍物空间属性(在净空区中的位置)、超高属性(超高程度)及其物理属性定义为障碍物自身属性。

图1 机场净空组成示意图(二级机场)Fig.1 Schematic diagram of airport of clearance for secondary airfield (secondary airport)

1.1 障碍物自身属性对净空条件影响的量化表示

1.1.1 障碍物在空间属性的量化表示

障碍物的空间属性，即障碍物在净空区中的位置。障碍物位置不同，其对飞行安全的影响不同。距跑道端(端净空区内)和跑道中心线(侧净空区内)垂直距离越近，对飞行安全影响越大，对净空条件的破坏程度越大[7-10]。针对此特点，采用障碍物距离跑道中线的垂直距离作为障碍物在净空区内位置的量化评价指标，并采用归一化方法转化为0～1的数值，归一化公式如式(1)、式(2)所示。

对于越大越优型指标，规范化式为

(1)

对于越小越优型指标，规范化式为

(2)

式中：x为障碍物距跑道中线的直线距离；xmin、xmax分别为场址内各障碍物距跑道中线垂直距离的最小值和最大值；x*为障碍物在净空区域位置的归一化数值。

1.1.2 障碍物物理属性的量化表示

障碍物的物理属性指障碍物的物理特征，如树木、建筑物等不同类型的障碍物表现出来的易折性、韧性等对飞行安全产生不同影响的物理性质。为量化障碍物物理属性对净空条件的影响，调研了多个机场净空评价的实际情况和多名从事机场净空管理的技术人员，在此基础上查阅了外国相关的资料，在分析各障碍物在机场同一位置对机场净空影响的基础上，以0.2、0.4、0.6、0.8、1.0具体数值量化，划分方法如表1所示，障碍物物理属性越危险，相应量化数值越大。

表1 障碍物物理特性量化指标

可采用式(2)对障碍物物理属性进行归一化，此时x为障碍物物理特性量化数值；xmin、xmax分别为场址内各障碍物物理特性量化数值的最小值和最大值；x*为障碍物物理特性的归一化数值。

1.1.3 障碍物超高属性的量化

障碍物超高属性是障碍物超过限制高度的状况，但鉴于长高部分物体形状各异、大小不同，采用坡度、横截面、超高高度指标量化障碍物超高属性，其原理如图2所示。

图2 障碍物超高区域示意图Fig.2 Sketch map of obstacle superelevation area

图2中，障碍物超高高度是确定超高属性对机场净空条件影响的最直观指标[11]；坡度是表示地表面在该点倾斜程度；投影面积是指超高区域在净空限制面上的投影。这3个指标的评价值也可以采用式(2)进行归一化处理。

1.2 障碍物自身属性之间权重的确定方法

分析可知，障碍物自身属性可以从障碍物超高高度、坡度和投影面积这3个方面，采用5个指标来进行量化，这5个指标对净空条件影响的程度不尽相同，即这5个因素存在权重问题。采用环比评分赋权法求解障碍物各因素权重，该方法为相邻两因素间进行比较，所得结果不会产生矛盾性，因此不需要进行一致性检验。得到障碍物各因素权重集为W={w1,w2,w3,w4,w5}，具体数值为{0.210 7，0.188 0， 0.220 5， 0.159 6， 0.241 6}。

1.3 障碍物对净空条件影响程度量化模型

障碍物对净空条件的影响是障碍物超高高度、坡度和投影面积属性的综合体现，因此从上述3个方面5个指标的分析出发，提出建立障碍物影响度的概念，函数表达公式如式(3)所示：

(3)

障碍物影响度定义为：综合障碍物自身属性后量化表达的障碍物对净空条件的影响。障碍物影响度越大，说明障碍物对净空条件的破坏越严重，反之，则说明其对净空条件的影响不大。

2 障碍物在净空区内影响范围的确定方法

净空区内的障碍物对净空条件的影响不仅是其自身所占据的空间，在自身空间之外，还存在潜在的影响范围。在传统的机场选址阶段净空条件对比过程中，对于净空区内障碍物的分析，只关注障碍物自身的空间，而忽略了其潜在的影响范围。为此，主要研究这种潜在的影响范围的量化方法。

2.1 障碍物影响范围确定的基本原则

《军用机场净空规定》中规定的障碍物遮蔽是指如果一个物体相对于永久性障碍物的位置不会在实质上增加对飞行的危险，不应视为影响飞行的障碍物。升降带及其两侧的过渡面范围内不适用遮蔽原则。即一个障碍物的存在对周边是有屏蔽作用的，可按照此要求来确定障碍物的影响范围。根据净空区构成特点，分成区域1和区域2，分别确定其影响范围。

2.2 障碍物在区域1内影响范围的确定

区域1是指内水平面、端净空区、过渡面(内水平面与端净空连接部分)等区域。在该区域内障碍物靠近跑道端(或跑道中线)和远离跑道端(或跑道中线)对净空影响不同，确定范围时分为两个部分。

障碍物靠近跑道一端(或跑道中线一侧)：取最高点向下按10%坡度线与净空限制面相交；障碍物远离跑道一端(或跑道中线一侧)：取最高点向右按15%坡度线与净空限制面相交。通过数学方法求得最高点与10%坡度线与净空限制面交点(15%坡度线与净空限制面)的水平距离差值即为左影响范围R′Z(右影响范围为R′Y)。

端净空区障碍物影响范围如图3所示，图4为内水平面障碍物影响范围方法。

阴影区域表示障碍物图3 端净空区障碍物影响范围Fig.3 End clearance area obstacle impact range

X表示障碍物超高影响范围的基数，m；虚线部分表示障碍物与净空限制面交点在锥形面上；实线部分表示障碍物与净空限制面交点在内水平面上；阴影区域表示障碍物图4 内水平面障碍物影响范围Fig.4 Inner horizontal obstacle impact range

2.3 障碍物在区域2影响范围确定方法

区域2是指外水平面、锥形面、过渡面(端净空与外水平面、锥形面连接部分)等区域，在该区域内不需考虑影响范围不一致情况。

在该区域内求出最高点与15%坡度线与净空限制面的交点的水平距离差值即为影响范围R，图5、图6分别为锥形面和外水平面内障碍物影响范围。

图5 锥形面障碍物覆盖半径Fig.5 Conical surface obstacle radius

图6 外水平面障碍物覆盖半径Fig.6 Outer horizontal obstacle covering radius

3 净空条件的量化评价模型

3.1 基于障碍物自身属性对影响范围的修订

按照障碍物遮蔽的原则，可以得出障碍物确定的影响范围，但是这个范围没有考虑障碍物自身属性的差异，也就是认为只要超高高度一样，影响范围就是一样的，这显然是不科学的。笔者认为应在遮蔽范围的基础上综合考虑障碍物自身属性，即采用障碍物影响度来修订障碍物影响范围，修订公式为

(4)

式(4)中：RZ为靠近跑道一侧影响范围；RY为远离跑道一侧影响范围。

3.2 障碍物影响范围面积的统计

净空区内每一个障碍物都存在一个影响范围，这个影响范围均占据净空区一定的面积，把所有障碍物影响面积累计起来，就可以得到障碍物对净空条件的总体影响状况。因此，首先要研究障碍物影响范围面积的统计方法。

障碍物影响范围主要有图7所示的3种形式，其中障碍物1、5为内水平面、端净空区等区域障碍物形式，覆盖区域左右半径不等；障碍物2、3、4为外水平面、锥形面等区域障碍物形式，覆盖区域左右半径相等，实际评估中这些影响范围是有重叠的。

图7 障碍物影响范围图例Fig.7 Obstacle influence range legend

只需在场址方案中标出各障碍物的影响范围，基于最常见的设计软件平台，就可以统计出所有障碍物在净空区中所占的总的面积[12]。

3.3 障碍物对净空条件影响的量化指标

为实现对净空条件的量化表达，提出障碍物影响率α的概念，定义为净空区内所有障碍物影响范围在净空区平面上的投影面积之和与净空区平面面积之比，计算公式为

(5)

式(5)中：α为障碍物影响率；t为净空区障碍物标号；n为净空区障碍物总数；pt为第t个障碍物的影响范围在净空区平面上的投影面积；P为净空区总区域面积。

障碍物影响率α实际意义在于对于场址净空条件的定量描述，α考虑了障碍物制约净空条件的具体因素，α越大，障碍物覆盖范围所占净空区面积比例越大，场址的净空条件越差；α越小，障碍物覆盖范围所占净空区面积比例越小，场址的净空条件越好。

4 不同场址净空条件的量化对比

根据国防需要，拟在某地区建设二级机场。经过前期踏勘，确定拟选场址2处。运用上述方法，对两个场址净空条件的优劣进行对比。为简化过程，只针对场址1列出相关数据，场址2的具体情况及计算过程不再详细列出。

4.1 场址净空条件基本情况

将场址1净空区障碍物分布简化为图8。

A、B、C、D、E分别表示山体、高层楼房、电塔、树木、建筑群在待选场址中的位置图8 场址1净空区障碍物分布Fig.8 Layout of obstacles in the clearance area of site 1

图8中，障碍物自身属性信息如表2所示。

4.2 障碍物对净空影响度的量化计算

对表2中根据各障碍物的具体空间属性，经过归一化处理，对各障碍物的因素进行量化，得到各障碍物的影响度，如表3所示。

表2 障碍物具体位置及超高区域

表3 归一化后障碍物影响度

4.3 障碍物影响范围的计算

结合表3中障碍物影响度，根据障碍物遮蔽原则确定影响半径，并采用障碍物影响度修订各障碍物影响范围后结果如表4所示。

4.4 场址净空条件的量化对比

对于场址1障碍物总影响范围pt=(446.6+353.21+25.35+1 560.8+41.59) m2=2 427.54 m2。

表4 障碍物影响半径及影响范围

净空区总面积P=(43×26.2) km2=1 126.6 km2。由此可以计算得障碍物影响率为α=2 427.54×10-6/1 126.6=2.15×10-6。

采用上述方法，可以计算出场址2的障碍物影响率为4.03×10-6。场址1的障碍物影响率小于场址2，表明场址1的净空条件优于场址2。

5 结论

针对机场工程建设中选址阶段方案评价中机场净空条件的量化评定方法进行了系统研究。从障碍物对净空条件影响的角度出发，在以障碍物自身属性为特征分析其对净空条件影响的基础上，结合净空区障碍物遮蔽原则，分析障碍物在净空区内的影响范围，提出了基于净空区障碍物影响率的净空区条件量化对比方法，可以实现不同场址之间净空条件的量化对比，改变了传统净空条件定性描述与对比的方法，为选址阶段净空条件对比评价提供了一种新的思路与方法。