基于交叉航路影响的航路容量模型研究

许　扬，许　俐，赵　征

(南京航空航天大学 民航学院，南京 211106)



基于交叉航路影响的航路容量模型研究

许扬，许俐，赵征

(南京航空航天大学 民航学院，南京 211106)

航路容量的影响因素复杂、交错，现有航路容量模型为了简化复杂度，考虑的影响因素比较单一，和实际情况距离较远，实用性较低.在分析现有航路容量模型并总结其特点的基础上，研究主航路与交叉航路交通流的相互关系，分析各交通流对航路容量的影响机理，建立考虑交叉航路影响的航路容量模型；通过A593航路进行实例计算，对该模型进行了应用性分析.

航路容量建模；交叉航路影响；静态容量；动态容量

近年来我国航空运输业发展迅猛，空中交通流量急剧增加，空域愈发拥挤，航班延误愈发严重.航路作为空中交通流的承载体，其容量直接影响到航路上各个节点的可用资源，准确评估航路容量能够直接指导实际运行中的流量管理，影响空中交通管理实施的成果，而建立航路容量模型是进行航路容量评估的基础.在科学论证的基础上，评估航路容量、确定航路的运载能力，最大程度发挥空域资源的效率，是改进航路使用的一个关键技术.

国内外对航路容量相关的研究起步较晚，20世纪70年代初，Gener和Marner等学者首次将跑道的容量概念延伸至航路.2007年，J·DWelch等学者提出基于管制员工作负荷的宏观航路容量评估模型[1].2009年，AlexanderKlein对航路空域的方向性要求、容量以及排队延误等方面的航路运行特性进行了研究[2].国内学者也展开了各种研究，2007年，余静将航路容量划分为航路起始点的过点容量和航路本身的固定容量两部分[3].2010年，张进评估了交叉航路空域的时隙可用性[4].2012年，王晓晨提出了考虑随机因素的多航段航路容量方法[5].2015年，潘卫军在航路容量评估模型中考虑了航空器高度层穿越的影响[6].2015年，李善梅研究了基于灰色聚类的交叉航路识别方法[7].本文在已有模型的基础上建立了考虑交叉航路影响的航路容量模型.

1　航路容量定义

本文的航路指两个节点(导航台)之间的空中航行路线，航路可能经过中间节点，也可能和其他航路交叉，航路流量管理以管制扇区划分.航路容量是指单位时段航路可以服务的航空器最大架次数[8]，可分为理论容量、实际容量和运行容量.理论容量是指在单位时间段里，充分满足需求的条件下，航路最多可以服务的航空器架次[9].实际容量是指在可接受延误水平下，单位时间段内航路可以服务的航空器最大架次.运行容量是指在实际容量的基础上，考虑管制员工作负荷等实际因素的影响，单位时段内航路能服务的航空器最大架次.

根据现有的研究成果，航路理论容量模型如下：

C=N/T (1)

其中：C为航路最大容量，N为服务的最大航空器架次，T为服务的总时间

考虑航路自身长度因素，改进航路容量模型，将航路容量分为动态容量Cd和Cs静态容量两个部分.选择航路入口为参考点，动态容量是单位时间段内，保持最小安全间隔，进入航路的航空器架次.静态容量为航路自身长度可以容纳的、满足最低安全间隔的航空器架次.动态容量Cd、静态容量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为航路的长度，V为航空器的平均速度，T为服务的单位时间.

2　考虑交叉航路影响的航路容量模型

根据航空资料汇编(AIP)公布的我国1 012条航路数据，绘制出我国航线网络图如图1所示.正如地面交通网络一般，航路形成了一个错综复杂的航路网络.本文将所研究的航路为主航路，与主航路相交的航路称为交叉航路，主航路与交叉航路的汇聚点称为交叉点.交叉点可能存在于某条航路的中间部分也可能存在于该航路的起点或者终点，某条航路可能与其他航路存在一个或者多个交叉点.交叉航路在交叉点的交通流会影响主航路航空器的运行间隔，导致航路的运行状况更加复杂，影响整条航路的容量，交叉点可能是航路容量的瓶颈，因此研究交叉航路对航路容量的影响不可或缺.

图1　我国航路网络图

设主航路共有N个交叉点，K个高度层，为简化模型假设每个高度层的情况都相同.在同一高度层，以交叉点为对象将主航路划分为N个航段，研究交叉航路对主航段的影响.如图2所示，每个航段共有三个关键点A、B和C，其中A点称为该航段交通流的入口点，该点的交通流从前一航段流入；B点称为交叉点，该点是主航路和交叉航路交通流的交叉点；C点称为该航段交通流的出口点，该点的交通流流入下一航段.

图2　主航路与交叉航路示意图

(5)

(6)

(7)

(8)

故由N条航段组成航路预留的间隔为G，其公式如下所示：

(9)

(10)

(11)

(12)

综上所述，每个高度层上航路情况相同，故得到有K个高度层的考虑交叉航路影响的航路容量C′如(13)所示：

(13)

3　实例分析

3.1航路结构分析

为验证上文所构建航路容量模型的正确性和科学性，将该模型应用于我国A593京沪航路的部分航段.本文使用A593从VMB点至SADLI点的部分航段进行实例验证.该航路经过上海区域05扇区、上海区域03扇区，共经过八个导航点，由北向南依次为：VMB、PK、PUD、IPRAG、DUMET、AKARA、LAMEN、SADLI，各导航点之间的长度依次为119、45、64、33、70、49、98km，航路结构如图3所示.剔除部分航路的边界点，VMB和SADLI，由剩余的六个导航点将这部分航路分成六个航段，该航段总长为261km.

图3　实例验证的航路结构示意图

3.2交叉航路影响下的航路容量

表1　南向运行时各交叉点的交通流架次数分布(单位：架次/h)

表2　北向运行时各交叉点的交通流架次数分布(单位：架次/h)

表3　南北向运行交叉点处预留的间隔Gn(单位：km)

由公式(9)可得，该航段南向运行预留的间隔为24.85km，北向运行预留的间隔为59.85km，将该结果带入公式(10)、(11)、(12)，可以计算出该航段在南北向运行时单高度层的容量值，如表4所示.

表4　南北向运行时该航段的容量值(架次/h)

从航路容量评估结果来看，南北向运行的单高度层航路容量相差1.66架次/h.南向运行时，由于实例中的航段位于A593航路末端，在各交叉点飞出的航空器较多，而飞入航空器较少，故在交叉点入口流为飞入航空器预留的间隔较少，因此该航路南向运行时航路容量稍大于同一航路北向运行的航路容量.由于缺乏高度层的相关数据，实例仅计算了单高度层的航路容量.

4　结　论

本文综合考虑了交叉航路上各交通流对航路容量的影响，建立了考虑因素较为全面的航路容量模型，并通过A593航路进行实例计算.若将主航路和与主航路相交的各交叉航路作为一个航路系统对待，通过本文分析，可以认为航路容量问题实际上是整个航路系统资源的分配问题，假设穿越流不存在：

合理的需求配置能够优化航路系统的使用效率，应充分考虑航路起点、终点以及所经各交叉点的需求，起点至终点的交通流越大，航路系统给交叉航路配置资源的能力就越差，整个航路系统的服务能力越低.

[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]余静, 刘洪, 熊运余, 等. 一种改进的航路动态容量计算方法[J]. 四川大学学报 :自然科学版, 2007, 5: 016.

[4]张进, 胡明华, 张晨. 交叉航路空域的时隙可用性评估方法[J]. 西南交通大学学报, 2010, 45(6): 958-964.

[5]王晓晨, 杜新宇, 刘卫香. 考虑随机因素的多航段航路容量模型研究[J]. 计算机工程与设计, 2012, 33(9): 3598-3603.

[6]潘卫军, 况金宏, 王文博, 等. 程序管制下考虑高度层穿越的航路容量评估模型[J]. 科学技术与工程, 2015 (1): 320-324.

[7]李善梅, 徐肖豪, 王超, 等. 基于灰色聚类的交叉航路拥挤识别方法[J]. 西南交通大学学报, 2015(1): 189-197.

[8]徐肖豪, 王平. 程序管制条件下航路容量仿真评估算法[J]. 中国民航大学学报, 2007, 25: 14-16.

[9]赵丹, 戴福青. 一种改进的航路容量模型[C]// 2010年航空器适航与空中交通管理学术年会论文集. 2010.

[10]董襄宁, 赵征, 张洪海. 空中交通管理基础[M]. 北京: 科学出版社, 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.

许扬(1990-)，男，硕士，研究方向：空中交通规划与管理.

V35

A

1672-0946(2016)04-0498-05