基于AirTOp的機場終端區進離場航線網絡優化

摘 要：機場終端區進離場航線網絡的合理設計是影響管制指揮安全和運行效率的重要指標。目前機場終端區進離場航線設計基本是根據機場凈空狀況、導航設施布局、限制區等決定的。多數進離場航線設計只側重安全，而忽略對管制運行效率的提升，造成機場終端區航班容量不高。因此，針對以上問題，以提高終端區容量，減輕管制員指揮壓力，對終端區進離場航線網絡進行優化。文章先使用AirTOp軟件建立某機場終端區空域模型并導入機場三天航班數據進行仿真。然后根據仿真結果對終端區進離場航線進行優化并仿真。最后，將優化前后數據對比。經過多次大量仿真實驗，在保證航線設計安全的前提下，機場終端區高峰小時架次提升了4架，且航空器沖突明顯降低。

關鍵詞：航線優化;系統仿真;沖突;AirTOp

近年來，隨著民航交通運輸量快速增長，航班流量不斷增加，越來越多的機場終端區容量已經達到瓶頸，航班沖突增加，早期的進離場航線規劃不合理愈加突出，限制了機場的進一步發展。當前，飛行程序設計人員在設計機場終端區進離場航線時仍舊只按照ICAO在其8168文件《航行服務程序航空器運行》規定的限制條件如機場凈空狀況，導航設施布局，限制區等追求最大的“安全裕度”理念，而忽略了管制員解決航空器沖突，降低航空公司航班延誤成本以及提高機場的航班容量的需求，設計方案合理性缺乏科學驗證[1][2]。本文通過實地調研XX機場并獲得相關管制及航班數據，使用AirTOp軟件建立XX機場終端區空域模型，導入航班數據仿真驗證航班數據的真實性，通過對該機場終端區進離場航線優化前后進行仿真并分析數據，為合理科學設計終端區進離場航線提供依據。

一、研究方法概述

本文通過逐步仿真模擬增加XX機場的日均航班量，預測XX機場運行期間航班對空域的影響。基準模型場景中的航班計劃從機場獲得，起降XX機場的航班量是通過對XX機場三天航班計劃的出發地、目的地、機型和實際起降時刻分析，在基準場景的基礎上按比例克隆航班，克隆航班的比例在達到若任意一個扇區的高峰值在70%的情況下低于管制協議中規定的最大值8架，則停止克隆，此時得到的高峰小時架次可認為是機場的最大容量[3][4]。

解決飛行沖突是一個系統工程問題，需要考慮多種因素的影響。各個影響因素實時變化、相互作用，使得解決飛行沖突的決策過程具有較高的復雜度。AirTOp軟件仿真后產生大量航班沖突的數據，本文通過對產生沖突的區域及沖突種類進行分析研究，對現有進離場航線進行優化，以規避化解沖突，降低管制員指揮的壓力和提升機場容量。

AirTOp是由比利時AirTOpsoft公司開發的快時仿真工具。該公司于2005年在布魯塞爾成立，專注于航空運行仿真模擬AirTOp軟件開發，包括終端區空域、空中航路、空中交通流量管理、機場地面、機場服務車輛等的模擬。

二、模型建立

1.建立機場空域模型

在AirTOp中建立機場終端區模型。首先在AirTOp中構建機場模塊，將機場參數如ICAO編碼、地理位置、機場標高和所在位置的磁差等輸入AIRPORT模塊，跑道參數如標高，磁航向等輸入BaseRunway、Runway和SafetyZone等模塊，最后創建18L/36R，18R/36L四條跑道。由于本次仿真主要考慮進離場航線之間的相互影響，故仿真中將對機場跑道做一定的簡化，所建立的跑道及滑行道能夠滿足飛機的正常起落即可。然后建立空域模塊，向軟件中導入航路點經緯度坐標，使用《航行資料匯編》中的數據庫編碼表、進離場航圖和進近圖依次建立離場航段sidleg，離場航線sid，進場航段approachleg及機動區，航路routing并在WaypointRule中輸入航路點高度速度限制。最后建立扇區模塊，扇區參數如扇區邊界，高度等參數按Polygon、SectorBlock和ATCSector順序依次建立，最終創建扇區AP01，AP02和AP03。

建立的基準模型如圖1所示。

2.管制運行規則

AirTOp中，跑道運行方面采用18R/18L跑道作為起降跑道。在WakeTurbulenceSeparation中設置航空器尾流間隔，見下面的航空器尾流間隔表。根據實際管制要求，在RunwayDependency設置兩跑道間隔，設置起飛放行間隔和落地間隔。起飛放行間隔：前后落地間安插起飛的，目前參考間隔為15km，地速≤350km/h;連續起飛間隔為2分鐘。落地間隔：連續落地間隔10km和連續落地間安插起飛的間隔為15km。

3.航班計劃設置

以XX機場某年4月17-19日三天實際航班量為樣本導入軟件中，共導入進離場航班1380架次，航班包含了航班號、機型、航班時間、所屬航空公司等參數，在Aircraft中創建機型類型，在Airline中設定航空公司。考慮存在航空器過夜情況，本文采用4月18日航班樣本為主進行模擬仿真。運行AirTOp，使用AirTOpReporter得出各統計結果，計算高峰小時航班架次等。

建立的航班計劃如圖2所示。

三、仿真結果及優化

通過對現行方案模擬仿真，當克隆航班比例增加10%時，AP01扇區已經達到8架，但是達到8架的時刻僅在00：36：47，03：24：31兩個時刻出現，所以航班比例在基準場景基礎上增加20%，增加該比例后現行模型僅在AP01扇區03：20：08-03：25：27出現高于8架次的情況，此時認為現行模型達到高峰小時架次。經統計得知現行方案終端區高峰小時架次為38架，航空器沖突區域較廣，主要是向北、東和西方向運行沖突較多而且集中，沖突類型經統計多為SameTrack，即水平方向不滿足間隔要求的多為同航跡，如圖3所示。由此可見由于進離場程序設計不合理導致終端區沖突較多且集中。

針對現行進離場航線擁擠，沖突較多且分布區域較廣的特點，本文在現行進離場航線的基礎上進行優化并構建優化后的XX機場空域模型。航線優化方案為：向北運行新增兩條離場航線NEW_08和NEW_06;向西運行新增進場航線NEW_11和離場航線NEW_03;向南運行新增兩條離場航線NEW_01和NEW_07;向東運行新增兩條進場航線NEW_09和NEW_10，新增三條離場航線NEW_02、NEW_5和NEW_4，如圖4所示。

對優化后的空域模型進行模擬仿真，當克隆航班比例增加20%時，AP01扇區已經達到8架航班，此時優化方案終端區高峰小時航班架次為42架，優化前后高峰小時航班架次對比如圖6所示。進離場航線優化后，多數時段的飛機小時航班架次都有相應程度的增加，高峰小時航班架次增加了4架，對機場容量提高起到明顯作用。優化后航空器沖突區域明顯變小而且分散，如圖5所示，由此可以看出使用AirTOp軟件對XX機場的進離場航線網絡優化調整是有效合理的。由于XX機場剛開始運行雙跑道，所以當前該機場只在東側進近，日后可以考慮增加西三邊，減少東側航空器擁擠和分散沖突區域。

四、結語

利用AirTOp仿真軟件對XX機場終端區進離場航線進行仿真，確定影響高峰小時架次和沖突熱點區域的進離場航線，在基準模型上給出優化方案，結果表明終端區容量明顯提高和沖突熱點區域明顯分散和減少。AirTOp軟件模擬仿真可以與機場實際運行相契合，真實的模擬航班在終端區的運行，對機場終端區進離場航線設計優化起到了很好的輔助決策作用，同時也可以提高機場終端區管制運行效率及安全水平。

參考文獻：

[1]王超.飛行程序運行評估的理論方法及仿真應用研究[D].南京：南京航空航天大學，2012.

[2]高偉，黃朝偉.重慶機場終端區容量評估的仿真研究[J].中國民航大學學報，2010（5）：1-4.

[3]朱承元，衛宏，刁琳.珠三角地區多機場系統航班時刻的仿真優化[J].計算機工程與應用，2013（4）：236-239.

[4]施賽鋒.廣州終端區進離場航班排序系統研究[D].南京：南京航空航天大學，2011.

作者簡介：范衛平（1972—），北京人，工程師，本科，就職于民航華北空管局通信網絡中心。