一種改進(jìn)的航路容量評(píng)估模型＊

張兆寧 王 霞 胡亞磊

（1.中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院 天津 300300；2.中國(guó)聯(lián)合航空有限公司 北京 100076）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)航空運(yùn)輸業(yè)的迅速發(fā)展，空中交通流量的急劇增加導(dǎo)致了空中交通網(wǎng)絡(luò)的擁擠，飛行沖突和航班延誤問(wèn)題日益嚴(yán)重。航路，作為目前國(guó)內(nèi)空域結(jié)構(gòu)的基本組成單元，其容量評(píng)估的準(zhǔn)確性將直接影響到流量管理實(shí)施的效果。航路容量是指在給定時(shí)間內(nèi)，對(duì)于相對(duì)確定的高度層流量配置和機(jī)型配置，航路所能容納的最大航空器架次。［1］在影響航路容量的諸多因素中，軍事活動(dòng)因素對(duì)航路容量產(chǎn)生了很大的影響。［2］而國(guó)內(nèi)在這方面的研究還僅僅處于概念了解和定性分析階段［3－6］，實(shí)際空管運(yùn)行中也是采取粗放的隔離措施，造成了空域資源的浪費(fèi)。所以，在航路最大容量的基礎(chǔ)之上，研究加入軍事活動(dòng)因素的影響，對(duì)航路容量進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估，可以為有效促進(jìn)航空運(yùn)輸飛行安全、流暢運(yùn)行提供保障。

1 航路最大容量計(jì)算模型

國(guó)外學(xué)者Janic［1］在考慮空域結(jié)構(gòu)、交通流特征和管制規(guī)則等因素的基礎(chǔ)上，初步實(shí)現(xiàn)了航路的容量估計(jì)。忽略備用高度層數(shù)量，以及主用高度層和備用高度層上航空器比例的影響，假設(shè)各個(gè)高度層都處于飽和狀態(tài)，航路中飛行的航空器不允許超越，不考慮航路交叉點(diǎn)的影響，航路最大容量模型如下。

平均的時(shí)間間隔

第K 高度層的容量

航路總?cè)萘?/p>

以上模型計(jì)算出的航路容量?jī)H表明了理想情況下航路段所能容納的最大航空器架次，而在實(shí)際運(yùn)行中，航路受諸多可變因素影響，實(shí)際服務(wù)架次往往無(wú)法達(dá)到航路段的理論容量。在影響航路容量的諸多因素中，軍事活動(dòng)對(duì)航路容量的影響較為明顯。

2 軍事活動(dòng)因素分析

由于軍事活動(dòng)影響，以上航路最大容量模型中各參數(shù)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，本文重點(diǎn)討論參數(shù)的選取。

多年來(lái)，民航空域中很少設(shè)有軍航固定穿越地段，軍航飛行可以隨時(shí)、隨地、隨高度穿越航路航線。目前我國(guó)軍、民航飛行間隔標(biāo)準(zhǔn)不同，如軍航在高空飛行仍要求有1 000m的垂直間隔，而非民航所規(guī)定的600m 垂直間隔（6 000～12 000 m 空域）。以軍航殲七常用的8 000m 高度為例，民航需空出7 200m、7 800m、8 400m3個(gè)高度層。一批次幾架殲七編隊(duì)飛行需要幾萬(wàn)甚至上十萬(wàn)平方公里的范圍讓出上下2 000m的空域。［9］

炮射影響空域主要集中在靶場(chǎng)附近，人工降雨炮點(diǎn)，對(duì)空射擊海域等。2005年以來(lái)，軍航和工業(yè)部門對(duì)空發(fā)射任務(wù)迅速增多，由于任務(wù)特殊、飛行調(diào)配余地小，炮射活動(dòng)一般都有固定的時(shí)限限制，造成航路無(wú)法使用。在避讓方面，發(fā)射單位強(qiáng)調(diào)，發(fā)射任務(wù)特殊，一旦準(zhǔn)備好，發(fā)射時(shí)間很難改變，加之現(xiàn)行避讓規(guī)定中對(duì)發(fā)射任務(wù)沒(méi)有規(guī)范，因此在避讓原則問(wèn)題上很難達(dá)成一致。在凈空方面，有時(shí)首區(qū)、落區(qū)和飛行軌跡下方都凈空；有時(shí)只首區(qū)、落區(qū)凈空。首區(qū)、落區(qū)凈空時(shí)，有時(shí)距離首區(qū)、落區(qū)較近的空域和航路、航線也要凈空。［10］

為了便于分析軍事活動(dòng)對(duì)航路容量的影響，主要考慮以下4種情況：

情況1。軍航飛機(jī)加入航路飛行。

情況2。軍航飛行占用航路高度層。

情況3。軍航飛行穿越航路。

情況4。軍事炮射活動(dòng)占用某一塊空域。

3 航路動(dòng)態(tài)模型的建立

情況1。當(dāng)軍航飛機(jī)加入航路飛行，但是遵循軍航的縱向飛行間隔M，那么航路容量就有可能發(fā)生變化。當(dāng)M＝S 時(shí)，航路的容量保持不變。

當(dāng)M≠S 時(shí)，

此時(shí)K 高度層的容量為

航路總?cè)萘?/p>

式中：q、r為航路上軍用航空的種類；Vr為第r 類飛機(jī)在K 高度層的飛行速度；Tkqr為軍機(jī)組合（q，r）達(dá)到軍航最小飛行間隔M 時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔；Vq、Vr分別表示第q，r類飛機(jī)在K 高度層的飛行速度；Pq、Pr分別表示K 高度層上q、r類飛機(jī)所占的比例；φ為K 高度層軍用航空器總的比例。

情況2。假設(shè)軍航飛行只占用航路e個(gè)高度層（e≤m），其余高度層均為民航機(jī)飛行。則有以下結(jié)論。

有軍用航空器飛行的K 高度層的容量同式（6）。

只有民航機(jī)飛行的L 高度層的容量為

航路總?cè)萘?/p>

情況3。當(dāng)有軍航飛行穿越航路時(shí)，假設(shè)穿越航路的時(shí)間段為t1（軍航飛行首機(jī)和尾機(jī)安全飛行所需的時(shí)間間隔均包括在內(nèi)），則在時(shí)間段t1內(nèi)，民航的飛機(jī)均禁止通行。設(shè)影響的高度層為e個(gè)（e≤m），則有如下公式：

K 高度層的容量為

航路總?cè)萘繛?/p>

情況4。軍事炮射活動(dòng)占用某一塊空域。在航路最大容量的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析影響因素影響系數(shù)，與最大容量相乘得到相應(yīng)容量值為

則航路容量為

4 安全間隔計(jì)算

如果考慮軍事活動(dòng)占用航路的隨機(jī)屬性，并假設(shè)其服從正態(tài)分布；為了確保不以高于qc的概率違反空管最小間隔的規(guī)定，管制員一般需要在間隔規(guī)定之外加入額外的緩沖時(shí)間，見(jiàn)圖1。

圖1 相繼到達(dá)飛機(jī)對(duì)的緩沖時(shí)間示例圖Fig.1 The diagram of a pair of arriving aircrafts on the buffer time

假設(shè)：

1）軍事活動(dòng)占用航路的時(shí)間為T，且T～N（μt，σt）。

2）相繼到達(dá)航路入口點(diǎn)的飛機(jī)對(duì)（i，j）之間的時(shí)間間隔為Rij，則有Rij－T≥0

計(jì)算安全概率（航路容量為C′route的概率）為

取其逆函數(shù)

則航空器相繼到達(dá)航路入口點(diǎn)的飛機(jī)對(duì)之間的時(shí)間間隔應(yīng)為：

5 算例分析

以某航路為例，按照表1中的試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置各種機(jī)型的比例、飛機(jī)架次和管制間隔進(jìn)行算法試驗(yàn)，其中飛機(jī)架次和各機(jī)型比例參數(shù)主要用來(lái)產(chǎn)生1個(gè)隨機(jī)的仿真飛機(jī)流，以此計(jì)算飛機(jī)在航路各高度層上飛行時(shí)的平均速度。

表1 算法試驗(yàn)參數(shù)表Tab.1 The form of algorithm parameters

根據(jù)文章第2部分設(shè)定的4種軍事活動(dòng)因素分別設(shè)置參數(shù)，作用于選定的航路，則該航路的實(shí)際容量發(fā)生變化，具體結(jié)果如下表所示。從算法試驗(yàn)結(jié)果可以看出：在單位時(shí)間內(nèi)相同的仿真飛機(jī)流、相同起始點(diǎn)的航路段的容量隨不同情況的軍航活動(dòng)因素影響而發(fā)生變化，多次試驗(yàn)結(jié)果表明，由該模型仿真計(jì)算得到的容量比較穩(wěn)定，驗(yàn)證了該模型的可行性。

表2 算法試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The results of algorithm test

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)軍事活動(dòng)對(duì)空域容量的影響，考慮了4種影響航路容量的方式并進(jìn)行了初步研究。建立了有軍事活動(dòng)影響下的航路容量評(píng)估模型，確定了軍事活動(dòng)影響航路容量的各個(gè)參數(shù)，推導(dǎo)出了相繼到達(dá)航路入口點(diǎn)的飛機(jī)對(duì)之間的安全時(shí)間間隔，使容量評(píng)估結(jié)果具有相應(yīng)的置信度。通過(guò)實(shí)例對(duì)航路容量進(jìn)行了評(píng)估計(jì)算，得到了有軍航活動(dòng)影響時(shí)的航路容量，與實(shí)際情況基本符合。為評(píng)估有軍事活動(dòng)影響下的航路最大容量提供了理論依據(jù)。

模型中沒(méi)有考慮隨機(jī)性等其它不確定性因素對(duì)航路容量的影響，可在本文基礎(chǔ)上深入研究，獲得更精確的評(píng)估結(jié)果。

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