終端區點融合系統結構研究與分析

洪銘，彭雪麗，張泠昕

(中國民航飛行學院，四川廣漢，618300)

0 引言

根據民航局發布的《2019年民航行業發展統計公報》，2019年全國民航運輸機場完成起降架次1166.05萬架次，比上年增長5.2%，呈現逐年增長狀態。中國有3個機場進入世界最繁忙的機場前十名，分別是北京首都國際機場、香港國際機場與上海浦東國際機場。持續的經濟增長是造成空中交通需求增長的主要因素。隨著交通需求的增長，機場終端區資源緊張、交通擁堵和延誤愈發嚴重。由于終端區空域擴張難以實現，如何改善飛機進出場結構、提高過站處理能力就顯得尤為重要。

先到先服務（First Come First Service, FCFS）和雷達引導的方法是現今管理到達飛機流量的常用方法。 這個方法對于安排到達飛機的降落順序具有良好的公平性，而且在高密度下，也利于管制員掌握并處理交通狀況，但它通常會導致嚴重的延誤。隨著通信、導航和監視（Communication,Navigation and Surveillance, CNS）中新興技術的應用，點融合系統概念的提出與實踐應運而生，該系統能更加有序和高效地管理到達飛機以及提高繁忙機場吞吐量。

2006年，歐控實驗中心開發出一種系統化的進場流量排序方法，即點融合（Point Merge）[1]。2011年，點融合程序在挪威OSLO機場開始實施[2]。隨后，都柏林（2012）、巴黎ACC（2013）、吉隆坡（2014）、萊比錫（2015）、倫敦城市和比金山（2016）等機場陸續開始啟用該程序。點融合系統作為世界領先的新航行技術于2019年12月在上海浦東、虹橋國際機場正式實施。這是中國首次實踐“點融合”、“航線外等待”等程序。

點融合系統(Point Merge System, PMS )的運行理念首次提出后，2015年，Man Liang等進行了基于點融合系統的航班自主到達排序系統的開發，首次提出多層點融合系統（Muti-layer Point Merge System, ML-PMS）[3-4]；2019年，劉冰等采用了一種點融合程序與傳統程序結合的方法[5]，對上海浦東國際機場的點融合進場程序進行優化。

為更好適應終端區空域限制、航線結構和終端區飛機流量等條件，國內外學者對經典點融合系統進行結構優化，下文將著重從結構的角度來分析點融合系統，為后續的實踐提出改進方案。

1 經典點融合系統

1.1 經典點融合系統基礎結構與原理

如圖1所示，點融合系統基于一個特定的區域導航（RNAV）路線結構，主要由融合點（Merge Point）與排序弧（Sequencing Leg）組成[6]。融合點是終端區內的一個物理坐標點，該點負責將進場過程中的多個交通流進行整合；排序弧是預定義的飛行支路，用來增加航空器行程，消耗必要時間，排序弧的長度反映了所需的延遲吸收能力。排序弧一般分為內外兩條，內排序弧高于外排序弧。在內外排序弧上有若干小段，每段排序弧距離融合點的位置近似相等。點融合系統優點與缺點如表1所示。

圖1 點融合系統組成

表1 點融合系統的優缺點

1.2 經典點融合系統幾何構型

從傳統的進場方式到經典點融合系統的演變，形成了點融合系統最基礎的幾何構型。分別為完全分離，部分重疊和全長重疊[6-7]。在圖2中，從左至右分別為傳統結構、完全分離結構、部分重疊結構和全長重疊結構。圖中陰影區域代表容量，程序長度間接代表效率。顯而易見，傳統與完全分離結構具有較高的運行效率，但系統容量相對較少，而部分重疊和完全重疊的點融合系統的容量較大，但由于其排序弧長度增加，相互干擾增大，運行效率無可避免地降低。

圖2 點融合系統基礎結構演變過程

排序弧全長重疊、部分重疊、完全分離這三種幾何構型，為保證安全，排序弧之間需滿足不小于雷達間隔的橫向間隔，在垂直剖面上，內外排序弧之間需滿足以下間隔標準[7]。如圖3所示。

圖3 三種構型垂直間隔限制

2 點融合系統衍生結構

除了前面所述的三種基礎點融合系統結構之外，為了更好地適應機場終端區空域限制、飛機進場的方向與流量等因素，在實際設計應用中逐步出現了改進的結構，下文我將從結構的角度提出點融合系統的改進方式，解決點融合系統在實踐應用中存在的問題，既保留點融合系統的優勢又能適應實際需求。

2.1 N層點融合系統

N層點融合系統是對經典點融合系統排序弧層次的改變。從結構角度分析，多層點融合系統增加了排序弧的層次以容納更多的飛機。從實踐運用的角度分析，它可以理解為兩種實現方式。

（1）由內外（N=2）排序弧變為N層排序弧

在經典點融合系統中，內外排序弧考慮多個進場方向需求。在滿足橫向間隔與垂直間隔的前提下，N的取值可以為1,2,3…，當N=1時，為單層點融合系統，也是一種結構化等待進場程序，可以有效針對進場方向單一、但流量密集的終端區；當N>=2時，可以在一定程度上將更多的進場飛機納入管理范疇，當然N的取值不能無限大，它受制于空域、點融合系統包絡面積、下降高度等。

（2）重型、中型、輕型機分層

重型、中型、輕型飛機的尾流間隔不同，在不分層混合飛行的情形下有效尾流間隔會增加，造成系統容量減少，且不利于管制員把控飛機之間距離，情景意識降低。對此，可以將民航運輸的常用機型在點融合系統排序弧中進行分層飛行。其平面和高度示意結構以及間隔標準如圖 4所示。

圖4 多層點融合系統平面與高度結構示意圖

由于民航運輸飛機少有輕型機，所以將不予考慮。對于同一來向的重型機和中型機，在進入點融合系統時，分層進入內弧（外弧）的高度層H2（H4）與H1（H3），沿所在排序弧高度層飛行，等待管制員直飛融合點指令。程序運行步驟如圖5所示。

圖5 機型分層PMS運行步驟示意圖

N層點融合系統的目的是進一步緩解交通擁堵，使進場飛機更高效、有序與安全地降落。對于N層點融合系統的設計，必須考慮排序弧的高度層是否可用且合理。在機場終端區，能用于設計多層排序弧的高度空間有限，如果設計高度層過低，那么飛機需要消耗更多的燃油才能保證其在排序弧上的飛行，不利于燃油政策，同時噪聲增加，不利于環保；如果設計過高，處于最高層的飛機，不易有效下降到融合點，影響航班排序效果。N層點融合系統可以適應不同終端區的飛機流量，增加系統容量，但相應會需要更多的空域資源。N層點融合結構更適合空域有限，進場繁忙的機場。

2.2 點融合系統與傳統程序的結合

（1）點融合系統與等待程序結合

在經典點融合系統結構當中，有時系統進入點為飛機流量匯聚點，易產生沖突問題，因此需要在系統進入點拉開飛機間隔，以避免沖突。此時可以采取將點融合系統與傳統等待程序結合的方式，保證進入點融合系統的前、后機具有足夠時間或空間間隔。程序結構示例如圖6所示。

圖6 點融合系統與等待程序結合

（2）點融合系統與S程序結合

點融合系統與S程序結合的結構方式既可以沿用點融合系統的優勢，又可以解決進場飛機因航線結構與空域限制而產生的下降率過大問題。它是在排序弧外側設置類似S型的傳統程序結構，以增加飛機的飛行距離，保證足夠的下降空間。對于S型的間隔設計，橫向間隔未給出具體標準，為了安全考慮，一般為2倍雷達間隔。平面示意圖如圖7所示。

圖7 點融合系統與S型程序的結合

S弧上的飛機可以在下降后進入外排序弧，也可以在內外排序弧均不存在飛機或高度沖突的情況下，在S弧上合適位置轉向直飛融合點，減少繞飛距離。程序運行步驟如圖8所示。

圖8 結合S程序的點融合系統運行步驟示意圖

點融合系統與S程序結合的思路是增加飛行路徑一消失高度，同時也可以分散點融合系統的進入點，避免關鍵點的瓶頸問題。S弧程序既是用于下降的補充程序，也是點融合系統排序弧的一種特殊形式。這種結構比較適合的終端區情形：1）某一方向的進場飛機流量密集，占比大；2）從航路結構下降進入到外排序弧時，由于高度差較大，下降率過大，不利于飛行安全。

3 結論與展望

經典點融合系統（排序弧全長重疊、部分重疊、完全分離）是常用的結構形式。為了在不同機場終端區進行更好的應用，在國內外學者的研究基礎上，提出了點融合系統結構的改進，一是N層點融合系統結構，它可以適應不同飛機流量密度的機場。當N=1時，適合進場方向單一、流量密度較大的終端區，當N>1時，對于空域有限、進場繁忙的機場，能夠有效改善進場處理能力；二是點融合系統與傳統程序的結合，為存在系統進入點沖突和下降率過大問題的終端區提出改進思路。

本文主要站在進場管理問題的角度上來分析點融合系統的結構，忽略了離場飛機所需空間和離場飛機對進場點融合結構的交叉影響。現在，研究熱點多為到達管理系統（AMAN）與離場管理系統（DMAN）的集成問題[10]，考慮到離場飛機帶來的影響，點融合系統結構會存在怎樣的發展將會是后續會考慮的問題。