基于幾何航路匯聚點(diǎn)設(shè)置的骨干航路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

王莉莉，吳 越，吳桐水

（中國民航大學(xué)a.空中交通管理學(xué)院；b.經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，天津 300300）

近年來，中國的航空運(yùn)輸保持著高速發(fā)展的勢頭。2005年，中國的航空運(yùn)輸總周轉(zhuǎn)量已經(jīng)排名世界第二，此后以每年超過兩位數(shù)的速度持續(xù)增長。2011年，民航業(yè)完成運(yùn)輸總周轉(zhuǎn)量577.44億噸公里，比上年增長7.2%；完成旅客運(yùn)輸量29 317萬人次，增長9.5%[1]。要滿足民航業(yè)務(wù)的快速增長，需要建立相應(yīng)的航路網(wǎng)絡(luò)與之相匹配。而中國現(xiàn)行航路網(wǎng)絡(luò)是在五、六十年代的航路結(jié)構(gòu)上逐步形成，其航路建設(shè)和運(yùn)行管理相對滯后，一定程度上阻礙了航空事業(yè)發(fā)展。面對航路網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀以及國家交通一體化戰(zhàn)略的規(guī)劃實(shí)施，迫切需要民航工作者對航路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化以適應(yīng)中國交通事業(yè)的發(fā)展，從而能夠更好的為國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、地區(qū)間的交流以及人民群眾的便利出行服務(wù)。

國內(nèi)外對于航路網(wǎng)絡(luò)也都進(jìn)行了一定的研究。國外雖然提出了一些針對網(wǎng)絡(luò)路徑、容量及動(dòng)態(tài)優(yōu)化方面的研究[2-4]，但是缺少整體網(wǎng)絡(luò)布局方案的研究；國內(nèi)對于中國中樞網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提出了構(gòu)想[5-7]，不過缺少對樞紐間連接方式的優(yōu)化方案。文獻(xiàn)[8]提出了中國航路航線網(wǎng)規(guī)劃的參考意見與原則，但沒有給出具體的優(yōu)化方案。

本文面向中國骨干航路網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化問題，對樞紐機(jī)場間的航路連接方式從國境點(diǎn)航路、城市間流量、航路間角度、航路匯聚點(diǎn)的設(shè)置以及禁區(qū)的影響5方面對中國骨干航路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，最終提出了一個(gè)針對空中交通現(xiàn)狀的全國骨干航路網(wǎng)絡(luò)建議方案。

1 樞紐選擇

由于中國機(jī)場眾多，在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要篩選出重要機(jī)場作為骨干航路網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。在節(jié)點(diǎn)選擇上，根據(jù)文獻(xiàn)[9]的內(nèi)容，選擇北京、上海、廣州、昆明、西安等5個(gè)城市作為樞紐。因?yàn)闉豸斈君R地理位置獨(dú)特，輻射范圍廣闊，并且是中國西北方向出境的重要點(diǎn)，所以應(yīng)將烏魯木齊機(jī)場作為中國民航骨干網(wǎng)絡(luò)的組成節(jié)點(diǎn)。同時(shí)在中國東北方面同樣需要一個(gè)樞紐節(jié)點(diǎn)，通過旅客吞吐量的對比選擇沈陽機(jī)場作為中國民航骨干網(wǎng)絡(luò)的組成節(jié)點(diǎn)。

綜上所述，選取北京、廣州、上海、昆明、西安、烏魯木齊和沈陽7個(gè)城市的機(jī)場作為中國航路航線網(wǎng)絡(luò)的一級樞紐節(jié)點(diǎn)。

樞紐節(jié)點(diǎn)及國境點(diǎn)的分布以及直連后的航路網(wǎng)絡(luò)情況如圖1所示。

圖1 重要節(jié)點(diǎn)直連航路網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Hub nodes directly connected network

2 網(wǎng)絡(luò)調(diào)整

鑒于中國空域資源特點(diǎn)，將機(jī)場及國境點(diǎn)間直接連接會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)過密、航路間交叉沖突以及禁區(qū)的沖突，并且存在很多小流量航路，故需要對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化與調(diào)整。

2.1 國境點(diǎn)航路調(diào)整

在樞紐節(jié)點(diǎn)的初步連接中，部分國境點(diǎn)與城市節(jié)點(diǎn)的直連造成了航路穿越別國領(lǐng)空。并且存在一些航路流量太小、距離太遠(yuǎn)，單獨(dú)建設(shè)航路對于空域資源利用率不高，同時(shí)造成空域航路間的沖突。因此，需對與國境點(diǎn)相關(guān)航路進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整措施：將國境點(diǎn)SARIN與其它城市節(jié)點(diǎn)的連接匯集至烏魯木齊機(jī)場，國境點(diǎn)SIMLI與除北京外的節(jié)點(diǎn)匯集至沈陽機(jī)場，國境點(diǎn)INTIK只與北京連接，國境點(diǎn)LINSO的匯集點(diǎn)定在昆明機(jī)場，國境點(diǎn)MAGOG與廣州和上海連接，國境點(diǎn)AGAVO與烏魯木齊機(jī)場的連接取消，國境點(diǎn)LAMEN與烏魯木齊機(jī)場、沈陽機(jī)場的連接取消。調(diào)整后的航路航線網(wǎng)絡(luò)布局如圖2所示。

圖2 國境點(diǎn)航路調(diào)整后航路航線網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Air route network based on adjustment of border points

2.2 基于流量調(diào)整

在國境點(diǎn)調(diào)整的基礎(chǔ)上，按航段間流量精簡小流量航路，進(jìn)一步調(diào)整骨干航路網(wǎng)絡(luò)。2010年的主要航段及航段間旅客人數(shù)[10]如表1所示。

表1 主要航段數(shù)據(jù)Tab.1 Data of major flight segments

由表1可以發(fā)現(xiàn)烏魯木齊與其它機(jī)場間的流量小，但是烏魯木齊覆蓋了廣闊的地區(qū)，并連接了中國西北方向的出境點(diǎn)，地理位置和政治地位十分重要。因此，暫不考慮其流量因素，在后續(xù)布局中通過設(shè)置航路匯聚點(diǎn)加入該節(jié)點(diǎn)。

而昆明—沈陽航段流量太小，沒有主要的直通航段而需要通過中轉(zhuǎn)連通，因此可以刪除昆明—沈陽的直接航線。剩下的航段根據(jù)旅客人數(shù)降序做出折線圖，如圖3所示。

圖3 航段間旅客人數(shù)降序圖Fig.3 Descending figure of passengers’number in flight segments

依據(jù)最大航段北京—上海旅客人數(shù)的10%保留航段，即航段旅客數(shù)不滿747 335人將考慮在骨干航路網(wǎng)絡(luò)中刪除該航段。依此標(biāo)準(zhǔn)將刪去西安—昆明、廣州—沈陽、西安—沈陽的航段。考慮到西安—昆明航段是連接西南、西北地區(qū)的主要航段，并且與最大旅客航段旅客數(shù)的10%相差不大，故應(yīng)予保留。綜上所述，調(diào)整后的航路網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 流量調(diào)整后航路結(jié)構(gòu)Fig.4 Air route network after flow adjustment

2.3 基于角度調(diào)整

如果兩條航路彼此非常接近，那么作為骨干航路網(wǎng)絡(luò)，設(shè)立這樣兩條相近航路同時(shí)存在的意義不大，并且互相接近的航路會(huì)造成相互干擾，影響航空器的安全高效運(yùn)行。因此在這里添加航路間的夾角限制進(jìn)行進(jìn)一步的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整。

各條航路之間的夾角可以用余弦定理計(jì)算。通過3個(gè)節(jié)點(diǎn)的經(jīng)緯度求出它們彼此之間的距離，這樣就可以給出這兩條高速路之間的夾角θ，有

按照中國現(xiàn)有的空中規(guī)則與空中交通服務(wù)手冊[11]中的規(guī)定，航空器使用導(dǎo)航設(shè)備匯集或者分散飛行，航空器間的航跡夾角不得小于15°。參考規(guī)定可設(shè)置15°作為航路調(diào)整的判定值，通過夾角的限制，去除相隔比較近的線路。

在根據(jù)角度選擇航路的同時(shí)也應(yīng)考慮距離的增加，如果在合并航路后到達(dá)預(yù)計(jì)節(jié)點(diǎn)距離比原航路增加20%以上則應(yīng)考慮保留原航路。

經(jīng)過計(jì)算可去除北京至昆明的直接航路、北京至國境點(diǎn)LAMEN的直接航路、昆明至國境點(diǎn)LAMEN的直接航路、廣州至國境點(diǎn)LAMEN的直接航路、廣州至國境點(diǎn)AGAVO的直接航路、西安至國境點(diǎn)LAMEN的直接航路、昆明至國境點(diǎn)AGAVO的直接航路。角度調(diào)整后的骨干航路網(wǎng)如圖5所示。

圖5 角度調(diào)整后骨干航路網(wǎng)Fig.5 Air route network after angle adjustment

2.4 航路匯聚點(diǎn)設(shè)置

在完成以上調(diào)整后考慮烏魯木齊節(jié)點(diǎn)的加入。但是烏魯木齊機(jī)場節(jié)點(diǎn)與其它城市節(jié)點(diǎn)間流量較少，所以不在烏魯木齊與其它城市間設(shè)立直連航路，而在北京—西安—烏魯木齊區(qū)域設(shè)立匯聚點(diǎn)，通過航路匯聚點(diǎn)將烏魯木齊機(jī)場引入全國骨干網(wǎng)絡(luò)。在該區(qū)域的匯聚點(diǎn)設(shè)置中，考慮到烏魯木齊機(jī)場與其它機(jī)場相距較遠(yuǎn)，同時(shí)蘭州機(jī)場在該區(qū)域發(fā)揮重要作用，故在設(shè)置區(qū)域航路匯聚點(diǎn)時(shí)考慮蘭州機(jī)場的影響。并且，在上海—廣州—昆明—西安區(qū)域、北京—西安—上海—國境點(diǎn)AGAVO區(qū)域設(shè)立交叉航路匯聚點(diǎn)，方便航空器在繁忙網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。

匯聚點(diǎn)的選取依托于全國PBN導(dǎo)航技術(shù)的實(shí)施，即認(rèn)為新的導(dǎo)航技術(shù)可以最大程度地消除地形對于匯聚點(diǎn)的影響。在匯聚點(diǎn)的選擇上根據(jù)幾何位置設(shè)置匯聚點(diǎn)，即選取到區(qū)域內(nèi)各樞紐機(jī)場距離和最小的點(diǎn)作為區(qū)域的航路匯聚點(diǎn)。目標(biāo)表達(dá)式為

式中，d1、d2、d3、d4分別為匯聚點(diǎn)到區(qū)域樞紐機(jī)場的距離。根據(jù)幾何定理可以求得3個(gè)區(qū)域匯聚點(diǎn)在區(qū)域的位置。經(jīng)過計(jì)算，匯聚點(diǎn)的位置為：上海—廣州—昆明—西安區(qū)域匯聚點(diǎn)坐標(biāo)為北緯28°14′52.30″，東經(jīng)111°25′39.34″。北京—西安—上?！獓滁c(diǎn)AGAVO區(qū)域匯聚點(diǎn)坐標(biāo)：北緯 36°28′9.18″，東經(jīng) 118°45′41.81″。北京—西安—烏魯木齊區(qū)域匯聚點(diǎn)為北緯36°49′48.00″，東經(jīng) 104°33′28.80″。根據(jù)幾何位置設(shè)置的 3個(gè)主要區(qū)域的匯聚點(diǎn)及航路網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。

2.5 禁區(qū)的規(guī)避

圖6 幾何位置匯聚點(diǎn)及航路網(wǎng)絡(luò)連接Fig.6 Route crossing waypoint network based on geometric method

經(jīng)過上述調(diào)整后考慮禁區(qū)對飛行的影響。從文獻(xiàn)可知，中國的禁區(qū)分別位于北京及沈陽附近，加入禁區(qū)對目前設(shè)計(jì)的骨干航線網(wǎng)產(chǎn)生直接影響的只有北京到西安的航路。而依據(jù)中國有關(guān)規(guī)定[12]，航路至禁區(qū)要有10 km間隔，受到間隔影響的有北京到匯聚點(diǎn)3的航路、北京到廣州的航路以及沈陽到國境點(diǎn)SIMLI的航路。在航路設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮依據(jù)禁區(qū)的幾何形狀，保持10 km間隔對禁區(qū)繞行。

3 結(jié)語

本文針對中國民航業(yè)的高速發(fā)展與現(xiàn)行航路網(wǎng)絡(luò)間的不協(xié)調(diào)問題對中國骨干航路網(wǎng)規(guī)劃方法進(jìn)行討論。在中國骨干航路網(wǎng)設(shè)計(jì)中，考慮國境點(diǎn)航路的限制、節(jié)點(diǎn)間的流量、航路間的限制、網(wǎng)絡(luò)的便利性及禁區(qū)限制等方面條件，提出了中國骨干航路網(wǎng)絡(luò)的一種規(guī)劃方案。

本文規(guī)劃思路基于星基導(dǎo)航，而不依賴于地面導(dǎo)航臺，故不考慮網(wǎng)絡(luò)覆蓋下地形地貌的限制。星基導(dǎo)航技術(shù)已趨于成熟，中國已經(jīng)出臺PBN部署方案，正在實(shí)施星基導(dǎo)航標(biāo)準(zhǔn)。在空域方面只考慮了禁區(qū)的限制，而沒有加入限制區(qū)與危險(xiǎn)區(qū)。然而，在航線規(guī)劃中，如遇到限制區(qū)與危險(xiǎn)區(qū)可以沿兩區(qū)邊沿規(guī)避，兩區(qū)對于骨干航路網(wǎng)絡(luò)的走向影響不大；并且空域的動(dòng)態(tài)使用與分時(shí)共享是未來空域的發(fā)展方向，兩區(qū)對于民航航線的影響也將越來越小。綜上所述，設(shè)計(jì)的骨干航路網(wǎng)絡(luò)存在現(xiàn)實(shí)的意義。

本方案的規(guī)劃是一項(xiàng)探討性的工作，為決策提供了一種參考意見。在實(shí)際實(shí)施中還要依據(jù)實(shí)際條件進(jìn)行調(diào)整，整個(gè)航路網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃還要進(jìn)一步研究。

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