重庆机场终端区容量评估的仿真研究

高 伟，黄朝伟

（中国民航大学空中交通管理研究基地，天津 300300）

终端区系统是情况最复杂的一个空管子系统[1-2]，往往是影响机场吞吐量的瓶颈。国内外对终端区实际容量的确定进行了大量研究[1-2]，但是终端区理论模型过于理想化，得出的结果难以应用到实际工作中。本文采用SIMMOD PLUS仿真工具，结合当地流量控制策略以及管制员工作负荷情况，对重庆机场终端区进行仿真模拟，评估重庆机场终端区的容量大小。

影响终端区容量的因素大致可分为两类：一类是终端区的运行环境，如进离场程序、空域限制、扇区划分、航路航线布局、天气情况、通讯系统类型及分布、管制规则、管制员人力资源情况等；一类是交通流的影响，如机队的机型组合、进离场比例、走廊口流量分布和进离航班排序等。

对终端区容量大小的评价主要通过在该区域内保证安全和一定延误水平情况下航班架次的数目进行判断。目前，主要以单一的小时保障架次作为运行单位保障能力的容量指标，但实际上单个小时产生的延误会顺延影响到下一个小时的飞行架次，因此，改用日保障架次作为容量评估辅助指标更为合理。受辖内机场和终端区的影响和制约，终端区日容量定义为：在可接受的延误条件下，一天内终端区所能保障的最大运行架次。若终端区运行架次达到或接近饱和容量时，可视为终端区已经饱和运行。各部门在实际操作时不能超过这个界限，否则造成航班延误陡增，并可能会产生安全隐患等负面影响[3－4]。

1 评估方法

通常评估终端区容量的方法有数学建模和计算机模拟两种型式。但考虑终端区空域结构的复杂性以及航班在这个区域内飞行的随机性，一般很难用数学模型来精确描述这个系统。所以通常用计算机模拟的方法来对整个终端区系统进行仿真模拟。计算机仿真技术是利用软件对评估对象的整体运行过程进行模拟，通过设置和改变特定的参数来反映交通流以及管制策略的差异，对不同运行架次下的分析延误情况进行分析，确定系统实际容量大小。目前得到广泛使用的仿真软件有SIMMOD和TAAM[5]。

本文使用SIMMOD PLUS软件仿真模拟终端区运行的情况，分两步对终端区容量进行评估。第1步确定当前终端区容量的大小。在可接受延误条件下，计算出一天内终端区所能保障的最大航班总数，再统计各小时段内终端区提供的航班服务架次，确定终端区最大小时容量，把最大小时容量和管制员工作负荷情况进行对比，判断评估结果是否合理，如果满足要求则给出终端区容量的大小；若不满足，利用SIMMOD的分时段克隆功能减少高峰时段的航班数量，重新计算直至满足要求，确定评估结果。第2步通过对饱和运行条件下的终端区模型中各个节点进行延误分析，找出限制终端区运行的“瓶颈”，并给出优化方案，达到提升终端区容量的目的[6]。

2 管制员工作负荷统计

利用管制员模拟机对重庆终端区分扇进近模式进行模拟，通过对管制员自身感受进行调查统计，将管制员工作负荷情况分为4个等级，如表1所示。如果仿真的小时架次出现第4类情况，则对该时段的航班进行克隆，直至所有时段统计都在前3类范围内。

表1 管制员负荷分类Tab.1 Classification of controller′s workload

3 仿真实例

由于机场系统和终端区系统两者相互制约、相互影响，所以文本利用SIMMOD PLUS仿真软件对重庆机场系统和终端区系统在进近分扇运行环境下进行联合仿真，并限制航空器必须严格按照进离场航线飞行，每个扇区同时运行的航空器不超过8架次。

3.1 终端区的保障架次分析

在接近饱和运行时，终端区处于繁忙状态，所以结合当地空管部门的流量控制策略对进场航班进行流量控制。进近流量控制主要采取控制进场航班同一走廊口的纵向间隔，流量控制时采用同走廊40或50 km放行1架的策略。如图1～图2所示。

考虑管制员工作负荷和当地流量控制策略的影响并保证各个航班严格按照标准进离场程序飞行的条件下，在可接受离场延误为15 min、进场延误为10 min时，得到终端区容量为409架次（如图3所示），高峰小时保障架次为43（如图4所示）。

结合管制负荷分类，对小时架次统计表进行分析（如图4所示），发现整个仿真时间段内，87.5%的时间管制员处于1类或2类负荷状态，只有12.5%的时间处于3类负荷状态，并且不存在4类负荷状态（如表2所示）。这种小时负荷分布比较符合实际工作中繁忙工作日管制员的工作负荷情况。

表2 管制员工作负荷分布统计Tab.2 Statistics of controller′s workload distribution

3.2 瓶颈分析及模型优化

在终端区饱和运行前提下，对当前终端区模型进行瓶颈分析，并给出优化方案。

3.2.1 进场延误分析

对各空域点的进场延误情况进行统计，发现长生桥处产生的进场延误时间占总进场延误时间的41%，如图5所示。经分析发现虽然通过设置扇区使终端区内进离场交通流分离，但由于所有02号跑道的仪表进场程序都以长生桥作为IAF，即所有进场航班都在长生桥进行汇聚，航班必须在这块狭小的空间内完成排序后才能依次进近，致使长生桥处产生较大进场延误。

优化方案：优化标准仪表进场程序，綦江和长生桥之间增设IAF，并在该点设置等待程序，如图6所示。让所有从綦江方向和部分从涪陵方向的进场航班在新增设的IAF点等待进近，减轻长生桥处的进场压力，如图7所示。

优化后空域点延误分散，长生桥的进场压力明显较少。

3.2.2 离场延误分析

对各节点的离场延误进行统计，发现离场延误主要集中在地面等待队列处的航班延误。而终端区对离场航班的影响主要表现在终端区空域限制对地面放行效率的影响。由于规定ZUCKAP01内航空器同时飞行数量不得超过8架，致使地面放飞效率受空域容量制约较大，并且所有离场程序都是经过统景场（OS）之后才分离，致使地面放飞必须实施较大间隔标准，降低了地面的运行效率。

优化法案：①在考虑安全条件下，使航空器快速爬升到走廊口移交高度，以较快速度飞离终端区，提高ZUCKAP01扇区的运行效率。②修改离场程序（如图8所示），使合流水（DS）方向的离场航班直飞合流水（DS）导航台，保证起飞后与其他两个方向的离场航班快速建立侧向间隔，提升地面放飞效率。

3.3 优化前后保障架次对比

采用以上优化方案优化后，终端区的容量为437架次，如图9所示，比优化前增加6.9%。

随着终端区运行效率提升的同时，3类负荷状态出现时间有所提高，但其并非连续出现，对管制员工作压力增加有限，仍在合理范围之内，如表3所示。

本文只是单从分析终端区空域结构的角度对其运行效率进行优化。而事实上，机场对终端区的运行效率也存在较大影响，如滑行道的使用、停机位的分配都会影响进离场航班的延误情况。如果要进一步提升终端区的容量，则必须考虑机场对终端区的限制。通过采取一些措施来提升机场的运行效率，减小机场运行对终端区的影响，提升终端区的运行效率，这也是后续工作的主要研究方向。

表3 优化后各小时负荷分布统计Tab.3 Statistics of controller′s workload distribution after optimization

4 结语

本文利用SIMMOD PLUS仿真软件对重庆机场系统和终端区系统在进近分扇运行环境下进行联合仿真，并限制航空器必须严格按照进离场航线飞行。综合考虑流量控制和管制工作负荷的影响，对重庆机场终端区的容量做出评估，并在终端区饱和运行的条件下，通过对各个节点延误情况进行统计，快速确定影响终端区运行的“瓶颈”所在。结合限制“瓶颈”，对重庆机场终端区的空域结构进行分析，给出进离场程序的优化方案。在相同的仿真前提下，对优化后的模型进行仿真，结果表明确实达到增大终端区容量的目的。

考虑到机场和终端区相互影响与制约，在后续工作中将以提高机场系统的运行效率为切入点，进一步提升终端区的运行容量。

[1]蒋 兵，胡明华，田 勇，等.终端区空中交通容量评估的仿真方法[J].交通运输工程学报，2003，3（1）：97-100.

[2]LEE DAVID A，NELSON CAROLINE，SHAPIRO GERALD.The Aviation System Analysis Capability Airport Capacity and Delay Models，NASA-98-cr207659[R].Hampton，Virginia：Langley Research Center，1998.

[3]HELME M P，LINDSAY K，MASSIMINI S V.Optimization of Traffic Flow to Minimize Delay in the National Airspace System，Technical Report MP93W14[R].Washington D C：The MITRE Corporation，1993.

[4]KLEINMAN N L，HILL S D，ILENDA V A.Simulation Optimization of Air Traffic Delay Cost[C]//Proceedings of the 30th Conference on Winter Simulation.Washington D C，1998：1177-1182.

[5]倪桂明，杨东援.机场系统计算机仿真研究的应用与发展[J].系统仿真学报，2002，14（1）：112-115.

[6]IGNACCOLO MATTEO.A simulation model for airport capacity and delay analysis[J].Transportation Planning and Technology，2003，26（2）：135-170.