基于交叉航路影響的航路容量模型研究

許　揚，許　俐，趙　征

(南京航空航天大學 民航學院，南京 211106)

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基于交叉航路影響的航路容量模型研究

許揚，許俐，趙征

(南京航空航天大學 民航學院，南京 211106)

航路容量的影響因素復雜、交錯，現有航路容量模型為了簡化復雜度，考慮的影響因素比較單一，和實際情況距離較遠，實用性較低.在分析現有航路容量模型并總結其特點的基礎上，研究主航路與交叉航路交通流的相互關系，分析各交通流對航路容量的影響機理，建立考慮交叉航路影響的航路容量模型；通過A593航路進行實例計算，對該模型進行了應用性分析.

航路容量建模；交叉航路影響；靜態容量；動態容量

近年來我國航空運輸業發展迅猛，空中交通流量急劇增加，空域愈發擁擠，航班延誤愈發嚴重.航路作為空中交通流的承載體，其容量直接影響到航路上各個節點的可用資源，準確評估航路容量能夠直接指導實際運行中的流量管理，影響空中交通管理實施的成果，而建立航路容量模型是進行航路容量評估的基礎.在科學論證的基礎上，評估航路容量、確定航路的運載能力，最大程度發揮空域資源的效率，是改進航路使用的一個關鍵技術.

國內外對航路容量相關的研究起步較晚，20世紀70年代初，Gener和Marner等學者首次將跑道的容量概念延伸至航路.2007年，J·DWelch等學者提出基于管制員工作負荷的宏觀航路容量評估模型[1].2009年，AlexanderKlein對航路空域的方向性要求、容量以及排隊延誤等方面的航路運行特性進行了研究[2].國內學者也展開了各種研究，2007年，余靜將航路容量劃分為航路起始點的過點容量和航路本身的固定容量兩部分[3].2010年，張進評估了交叉航路空域的時隙可用性[4].2012年，王曉晨提出了考慮隨機因素的多航段航路容量方法[5].2015年，潘衛軍在航路容量評估模型中考慮了航空器高度層穿越的影響[6].2015年，李善梅研究了基于灰色聚類的交叉航路識別方法[7].本文在已有模型的基礎上建立了考慮交叉航路影響的航路容量模型.

1　航路容量定義

本文的航路指兩個節點(導航臺)之間的空中航行路線，航路可能經過中間節點，也可能和其他航路交叉，航路流量管理以管制扇區劃分.航路容量是指單位時段航路可以服務的航空器最大架次數[8]，可分為理論容量、實際容量和運行容量.理論容量是指在單位時間段里，充分滿足需求的條件下，航路最多可以服務的航空器架次[9].實際容量是指在可接受延誤水平下，單位時間段內航路可以服務的航空器最大架次.運行容量是指在實際容量的基礎上，考慮管制員工作負荷等實際因素的影響，單位時段內航路能服務的航空器最大架次.

根據現有的研究成果，航路理論容量模型如下：

C=N/T (1)

其中：C為航路最大容量，N為服務的最大航空器架次，T為服務的總時間

考慮航路自身長度因素，改進航路容量模型，將航路容量分為動態容量Cd和Cs靜態容量兩個部分.選擇航路入口為參考點，動態容量是單位時間段內，保持最小安全間隔，進入航路的航空器架次.靜態容量為航路自身長度可以容納的、滿足最低安全間隔的航空器架次.動態容量Cd、靜態容量Cs和航路容量C如式(2)、(3)、(4).

Cs=L/(D+ΔD)

(2)

Cd=VT/(D+ΔD)

(3)

C=Cs+Cd=L/(D+ΔD)+VT/(D+ΔD)

(4)

其中：L為航路的長度，V為航空器的平均速度，T為服務的單位時間.

2　考慮交叉航路影響的航路容量模型

根據航空資料匯編(AIP)公布的我國1 012條航路數據，繪制出我國航線網絡圖如圖1所示.正如地面交通網絡一般，航路形成了一個錯綜復雜的航路網絡.本文將所研究的航路為主航路，與主航路相交的航路稱為交叉航路，主航路與交叉航路的匯聚點稱為交叉點.交叉點可能存在于某條航路的中間部分也可能存在于該航路的起點或者終點，某條航路可能與其他航路存在一個或者多個交叉點.交叉航路在交叉點的交通流會影響主航路航空器的運行間隔，導致航路的運行狀況更加復雜，影響整條航路的容量，交叉點可能是航路容量的瓶頸，因此研究交叉航路對航路容量的影響不可或缺.

圖1　我國航路網絡圖

設主航路共有N個交叉點，K個高度層，為簡化模型假設每個高度層的情況都相同.在同一高度層，以交叉點為對象將主航路劃分為N個航段，研究交叉航路對主航段的影響.如圖2所示，每個航段共有三個關鍵點A、B和C，其中A點稱為該航段交通流的入口點，該點的交通流從前一航段流入；B點稱為交叉點，該點是主航路和交叉航路交通流的交叉點；C點稱為該航段交通流的出口點，該點的交通流流入下一航段.

圖2　主航路與交叉航路示意圖

(5)

(6)

(7)

(8)

故由N條航段組成航路預留的間隔為G，其公式如下所示：

(9)

(10)

(11)

(12)

綜上所述，每個高度層上航路情況相同，故得到有K個高度層的考慮交叉航路影響的航路容量C′如(13)所示：

(13)

3　實例分析

3.1航路結構分析

為驗證上文所構建航路容量模型的正確性和科學性，將該模型應用于我國A593京滬航路的部分航段.本文使用A593從VMB點至SADLI點的部分航段進行實例驗證.該航路經過上海區域05扇區、上海區域03扇區，共經過八個導航點，由北向南依次為：VMB、PK、PUD、IPRAG、DUMET、AKARA、LAMEN、SADLI，各導航點之間的長度依次為119、45、64、33、70、49、98km，航路結構如圖3所示.剔除部分航路的邊界點，VMB和SADLI，由剩余的六個導航點將這部分航路分成六個航段，該航段總長為261km.

圖3　實例驗證的航路結構示意圖

3.2交叉航路影響下的航路容量

表1　南向運行時各交叉點的交通流架次數分布(單位：架次/h)

表2　北向運行時各交叉點的交通流架次數分布(單位：架次/h)

表3　南北向運行交叉點處預留的間隔Gn(單位：km)

由公式(9)可得，該航段南向運行預留的間隔為24.85km，北向運行預留的間隔為59.85km，將該結果帶入公式(10)、(11)、(12)，可以計算出該航段在南北向運行時單高度層的容量值，如表4所示.

表4　南北向運行時該航段的容量值(架次/h)

從航路容量評估結果來看，南北向運行的單高度層航路容量相差1.66架次/h.南向運行時，由于實例中的航段位于A593航路末端，在各交叉點飛出的航空器較多，而飛入航空器較少，故在交叉點入口流為飛入航空器預留的間隔較少，因此該航路南向運行時航路容量稍大于同一航路北向運行的航路容量.由于缺乏高度層的相關數據，實例僅計算了單高度層的航路容量.

4　結　論

本文綜合考慮了交叉航路上各交通流對航路容量的影響，建立了考慮因素較為全面的航路容量模型，并通過A593航路進行實例計算.若將主航路和與主航路相交的各交叉航路作為一個航路系統對待，通過本文分析，可以認為航路容量問題實際上是整個航路系統資源的分配問題，假設穿越流不存在：

合理的需求配置能夠優化航路系統的使用效率，應充分考慮航路起點、終點以及所經各交叉點的需求，起點至終點的交通流越大，航路系統給交叉航路配置資源的能力就越差，整個航路系統的服務能力越低.

[1]WELCHJD,ANDREWSJW,MARTINBD, et al.Macroscopicworkloadmodelforestimatingenroutesectorcapacity[C]//Proceedingsofthe7thUSA/EuropeAirTrafficManagementR&DSeminar,ATM. 2007.

[2]KLEINA,COOKSL,WANKEC, et al.Methodologiesforestimatingtheimpactofsevereweatheronairspacecapacity[C]//26thIntern.CongressoftheAeronauticalSciences. 2008.

[3]余靜, 劉洪, 熊運余, 等. 一種改進的航路動態容量計算方法[J]. 四川大學學報 :自然科學版, 2007, 5: 016.

[4]張進, 胡明華, 張晨. 交叉航路空域的時隙可用性評估方法[J]. 西南交通大學學報, 2010, 45(6): 958-964.

[5]王曉晨, 杜新宇, 劉衛香. 考慮隨機因素的多航段航路容量模型研究[J]. 計算機工程與設計, 2012, 33(9): 3598-3603.

[6]潘衛軍, 況金宏, 王文博, 等. 程序管制下考慮高度層穿越的航路容量評估模型[J]. 科學技術與工程, 2015 (1): 320-324.

[7]李善梅, 徐肖豪, 王超, 等. 基于灰色聚類的交叉航路擁擠識別方法[J]. 西南交通大學學報, 2015(1): 189-197.

[8]徐肖豪, 王平. 程序管制條件下航路容量仿真評估算法[J]. 中國民航大學學報, 2007, 25: 14-16.

[9]趙丹, 戴福青. 一種改進的航路容量模型[C]// 2010年航空器適航與空中交通管理學術年會論文集. 2010.

[10]董襄寧, 趙征, 張洪海. 空中交通管理基礎[M]. 北京: 科學出版社, 2011.

Research of air route capacity model based on influence of cross route

XU Yang, XU Li, ZHAO Zheng

(School of Civil Aviation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Theinfluencefactorsaffectingtheen-routecapacityarecomplexandassociated.Inordertosimplifythecomplexity,consideredfactorsarerelativelysimple,theexistingmodelsarefarfromtheactualsituationandwithloweroperation.Afteranalyzedtheexistingen-routecapacitymodelsandsummarizedtheircharacteristics,thispaperstudiedtherelationshipoftrafficflowsbetweenmainrouteandcrossroute;analyzedtheinfluencemechanismofthetrafficflowtotheen-routecapacity;establishedanewen-routecapacitymodelconsideringtheinfluenceofcrossroute.AnempiricalanalysiswasmadewithdataofA593route.

airroutecapacitymodeling;influenceofcrossroute;staticcapacity;dynamiccapacity

2015-08-24.

許揚(1990-)，男，碩士，研究方向：空中交通規劃與管理.

V35

A

1672-0946(2016)04-0498-05