蘭州區(qū)域扇區(qū)運(yùn)行狀態(tài)仿真分析

劉苑，李歡

(中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院，天津300300)

0 引言

隨著飛行流量的不斷增加，扇區(qū)的運(yùn)行狀況日趨復(fù)雜，如何對(duì)空域運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確分析成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究方向。2012年，Horio B、Decicco A等人[1]利用空域沖突仿真軟件分析了不同流量下的空域運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。2014年，趙嶷飛、呂立萱等人[2]定義了流容比因子，以15 min為研究區(qū)間，對(duì)扇區(qū)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)估。2015年，鄭樂[3]利用自主開發(fā)的仿真系統(tǒng)，從宏觀和微觀角度分析了全國(guó)1天航班的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)[3]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于空域運(yùn)行狀態(tài)的研究尚處于起步階段，主要是采用基于仿真和歷史數(shù)據(jù)的方法對(duì)某一單獨(dú)指標(biāo)進(jìn)行分析，沒有建立多角度的綜合評(píng)估方法。

民航甘肅空管分局所轄蘭州管制區(qū)空域面積達(dá)150萬km2，是我國(guó)第二大民航管制空域。蘭州管制區(qū)在民航飛行中具有十分重要的地位，是我國(guó)中東部進(jìn)出新疆地區(qū)以及東亞、西亞、歐洲、北美的必經(jīng)之路。本文以蘭州區(qū)域扇區(qū)為研究對(duì)象，使用TAAM(全空域與機(jī)場(chǎng)建模工具)仿真軟件，從扇區(qū)流量、扇區(qū)潛在沖突以及扇區(qū)工作負(fù)荷等多個(gè)指標(biāo)對(duì)蘭州區(qū)域扇區(qū)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出建議。

1 TAAM仿真建模

1.1 TAAM軟件簡(jiǎn)介

TAAM軟件是杰普遜公司開發(fā)的快速仿真工具，能夠模擬空中交通管理的全過程，并能夠提供詳細(xì)的仿真運(yùn)行數(shù)據(jù)[4]。

TAAM的建模過程可以分為靜態(tài)模型建立和動(dòng)態(tài)模型設(shè)計(jì)兩部分，下面對(duì)TAAM的建模過程進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1)靜態(tài)模型建立

TAAM靜態(tài)模型建立過程主要包括錄入機(jī)場(chǎng)跑道信息和航路點(diǎn)信息，編制機(jī)場(chǎng)進(jìn)離場(chǎng)程序，劃定扇區(qū)的水平邊界和垂直邊界，輸入航路信息，制訂航班計(jì)劃等。

2)動(dòng)態(tài)模型設(shè)計(jì)

TAAM動(dòng)態(tài)模型設(shè)計(jì)過程主要包括管制間隔的設(shè)定、沖突解決方案的選擇和扇區(qū)移交規(guī)則的寫入等。仿真過程中可以實(shí)時(shí)觀察空域的運(yùn)行動(dòng)態(tài)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中存在的問題并及時(shí)修正。

1.2 蘭州區(qū)域扇區(qū)TAAM模型

目前，蘭州區(qū)域管制區(qū)共有7個(gè)扇區(qū)。各扇區(qū)的垂直范圍見表1。

表1 區(qū)域扇區(qū)垂直范圍

根據(jù)航路點(diǎn)坐標(biāo)、航路航線結(jié)構(gòu)、扇區(qū)的水平和垂直范圍等信息，進(jìn)行空域靜態(tài)模型的搭建。以蘭州管制區(qū)某天雷達(dá)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，制訂航班計(jì)劃，將航班計(jì)劃數(shù)據(jù)導(dǎo)入TAAM，完成靜態(tài)模型的搭建。之后對(duì)TAAM模型進(jìn)行仿真運(yùn)行。為解決仿真運(yùn)行過程中航空器的沖突，使模型更接近實(shí)際的管制過程，采用沖突探測(cè)和自動(dòng)沖突解脫相結(jié)合的模式規(guī)避運(yùn)行沖突。根據(jù)蘭州空域內(nèi)扇區(qū)移交協(xié)議對(duì)航空器的速度、高度進(jìn)行限制，并將蘭州區(qū)域扇區(qū)的管制間隔設(shè)置為16 n mile。通過多次仿真運(yùn)行，對(duì)TAAM模型進(jìn)行修正，提高模型的可靠性，使其逐漸逼近現(xiàn)實(shí)運(yùn)行場(chǎng)景。

2 空域運(yùn)行狀態(tài)分析

使用TAAM仿真軟件對(duì)蘭州空域扇區(qū)建模后，以蘭州管制區(qū)總飛行架次1 750架次為基準(zhǔn)，對(duì)空域模型進(jìn)行仿真運(yùn)行，獲取反映空域運(yùn)行狀態(tài)的指標(biāo)數(shù)據(jù)。本文對(duì)扇區(qū)流量、扇區(qū)潛在沖突、扇區(qū)工作負(fù)荷3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行研究，分析空域的運(yùn)行狀態(tài)。

2.1 扇區(qū)流量

扇區(qū)流量是指一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)入扇區(qū)的航空器數(shù)量。扇區(qū)流量的大小反映的是扇區(qū)的繁忙程度。對(duì)扇區(qū)流量進(jìn)行分析，可以掌握空域中交通流的分布情況。從TAAM仿真數(shù)據(jù)中統(tǒng)計(jì)出蘭州區(qū)域各扇區(qū)流量分布情況，如圖1所示。

圖1 各扇區(qū)流量

從圖1可以看出，蘭州區(qū)域7個(gè)扇區(qū)流量分布不均衡，有的扇區(qū)間流量相差接近1倍。為提高整個(gè)空域的運(yùn)行效率，可以考慮對(duì)扇區(qū)劃設(shè)作出調(diào)整，逐步實(shí)現(xiàn)扇區(qū)流量均勻分布。

2.2 扇區(qū)潛在沖突

在TAAM仿真軟件中，當(dāng)兩架航空器的間隔低于最小間隔規(guī)定時(shí)，則會(huì)被定義為潛在沖突。扇區(qū)中的潛在沖突數(shù)反映了扇區(qū)運(yùn)行的安全狀況。潛在沖突數(shù)越多，扇區(qū)運(yùn)行的安全風(fēng)險(xiǎn)越高。從潛在沖突數(shù)量、潛在沖突等級(jí)、潛在沖突類型3個(gè)角度對(duì)蘭州區(qū)域扇區(qū)中潛在沖突進(jìn)行分析。

1)潛在沖突數(shù)量

在6:00—23:00高峰時(shí)段，對(duì)蘭州區(qū)域各扇區(qū)潛在沖突數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，各扇區(qū)的潛在沖突數(shù)量如圖2所示。

圖2 扇區(qū)潛在沖突數(shù)量

從圖2可以看到，蘭州區(qū)域各扇區(qū)潛在沖突數(shù)量相差較大。區(qū)域1扇和區(qū)域2扇潛在沖突數(shù)量明顯多于其他扇區(qū)，空域運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)較高。區(qū)域3扇和區(qū)域9扇潛在沖突數(shù)量較少，空域運(yùn)行狀況良好。

2)潛在沖突等級(jí)

在TAAM仿真軟件中，根據(jù)發(fā)生潛在沖突時(shí)兩航空器間隔大小，將潛在沖突分為不同級(jí)別，見表2，其中d代表最小安全間隔。

表2 潛在沖突等級(jí)

在06:00—23:00高峰時(shí)段，對(duì)蘭州區(qū)域各扇區(qū)潛在沖突等級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其分布見表3?？梢钥闯觯瑓^(qū)域1扇和區(qū)域2扇中等級(jí)0—等級(jí)2的潛在沖突數(shù)量超過本扇區(qū)潛在沖突總數(shù)的一半，扇區(qū)內(nèi)沖突風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高。其余各扇區(qū)的潛在沖突主要以等級(jí)3為主，扇區(qū)內(nèi)沖突等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)較低。

3)潛在沖突類型

在TAAM仿真軟件中，根據(jù)發(fā)生潛在沖突時(shí)兩航空器的位置關(guān)系，將潛在沖突分為3種類型，

表3 扇區(qū)潛在沖突等級(jí)分布 個(gè)

分別為交叉沖突、對(duì)頭沖突、追趕沖突[5]。

在06:00—23:00高峰時(shí)段，對(duì)蘭州區(qū)域各扇區(qū)潛在沖突類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其分布見表4?？梢钥闯?，區(qū)域1扇和區(qū)域2扇3種類型沖突均較多，空域運(yùn)行狀態(tài)比較復(fù)雜。區(qū)域3扇交叉沖突較多，而其余各扇區(qū)則以追趕沖突為主。

表4 扇區(qū)潛在沖突類型分布 個(gè)

通過對(duì)各扇區(qū)潛在沖突數(shù)量、潛在沖突類型、潛在沖突等級(jí)進(jìn)行分析，可以看出各扇區(qū)沖突分布不均勻，不同扇區(qū)安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)相差較大，可以考慮對(duì)空域航路結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，逐步降低空域整體運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 扇區(qū)工作負(fù)荷

扇區(qū)工作負(fù)荷可以準(zhǔn)確表征管制員的工作壓力，反映扇區(qū)的繁忙程度。在TAAM仿真軟件中，根據(jù)負(fù)荷產(chǎn)生的原因，扇區(qū)工作負(fù)荷被分為監(jiān)視負(fù)荷、沖突負(fù)荷、協(xié)調(diào)負(fù)荷、改高度負(fù)荷、改高度層負(fù)荷5種。TAAM仿真軟件中扇區(qū)總負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)公式為

WT=WLM+WLCF+WLC+WLLC+WLFL

式中：WLM為監(jiān)視負(fù)荷；WLCF為沖突負(fù)荷；WLC為協(xié)調(diào)負(fù)荷；WLLC為改高度負(fù)荷；WLFL為改高度層負(fù)荷。各量單位均為當(dāng)量架次[6]。

在06:00—23:00高峰時(shí)段，對(duì)蘭州區(qū)域各扇區(qū)管制負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，各扇區(qū)小時(shí)平均負(fù)荷分布見表5，各扇區(qū)高峰時(shí)段總負(fù)荷情況如圖3。

表5 各扇區(qū)小時(shí)平均負(fù)荷分布 當(dāng)量架次

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，蘭州區(qū)域各扇區(qū)管制負(fù)荷組成以監(jiān)視負(fù)荷為主，改高度負(fù)荷和改高度層負(fù)荷占比較小。而在區(qū)域1扇和區(qū)域2扇中，沖突負(fù)荷占比也較大，表明管制員為解決沖突承擔(dān)的負(fù)荷也較多。

圖3 各扇區(qū)高峰時(shí)段總負(fù)荷

從扇區(qū)總負(fù)荷數(shù)據(jù)中可以看出，各扇區(qū)工作負(fù)荷相差較大，扇區(qū)負(fù)荷分布不均衡，對(duì)空域的安全運(yùn)行將產(chǎn)生不利影響?？梢钥紤]以負(fù)荷均衡為目標(biāo)，對(duì)扇區(qū)進(jìn)行重新劃分，以提高空域的運(yùn)行效率和安全性。

3 結(jié)論

本文以蘭州區(qū)域扇區(qū)作為研究對(duì)象，利用TAAM仿真軟件對(duì)空域運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析。構(gòu)建了蘭州區(qū)域扇區(qū)TAAM仿真模型，從扇區(qū)流量、扇區(qū)潛在沖突、扇區(qū)工作負(fù)荷3方面對(duì)蘭州空域運(yùn)行狀況進(jìn)行了分析。區(qū)域9扇流量少，沖突最少，且多為調(diào)配簡(jiǎn)單的追及沖突，扇區(qū)高峰時(shí)段負(fù)荷也較小，而區(qū)域2扇流量大、沖突最多，調(diào)配較難的交叉沖突和對(duì)頭沖突占總沖突數(shù)的2/3，高峰時(shí)段總負(fù)荷也最多。本文找出了現(xiàn)行空域在運(yùn)行過程中存在的突出問題，為空管部門進(jìn)行空域結(jié)構(gòu)調(diào)整和扇區(qū)劃分提供數(shù)據(jù)支持和參考。