基于AIRTOP的成都終端區扇區建模仿真研究

辛 超　張 軍

基于AIRTOP的成都終端區扇區建模仿真研究

辛 超張 軍

本文首先提出了終端區運行模式特點以及對終端區扇區建模的必要性，然后對比說明了所用建模仿真平臺AirTOp的建模優勢，并以成都終端區系統進行空域建模。建模過程需要考慮具體成都終端區的系統復雜度，也需要全面考慮影響仿真過程的實際約束情況，并利用仿真平臺的規則庫對成都終端區運行模式進行建模仿真。最后以實際運行模式下的仿真結果，分析得出影響終端區扇區運行的主要因素并評估各因素的影響程度。

多機場終端區空域已經成為目前空中交通的最繁忙空域，在此空域中航班流量大，空域運行情況復雜，是空域擁堵、航班延誤和飛行事故頻發區域。為更好地維護空中交通秩序、保障飛行安全，以適應航空運輸高速發展需求，需要研究科學高效的多機場終端區進離場航班的運行模式。要對繁忙終端區的運行模式進行科學的研究，首先需要合理的終端區空域運行模型，通過對終端區空域運行模型的分析不僅能對空域扇區或空域結構優化分析，使得空域容量得到充分的提高；還能通過增加臨時航線網絡，或增加合理航路點，以驗證理論研究是否能進一步對航路優化。對多機場終端區的運行模式研究最終的目標是提高終端區的運行效率，提升終端區容量，對進離場航班協同運行提供合理的解決方案。

首先對AirTOp（Air Traffic OptimiZation）仿真系統的原理進行簡介并與其他建模方法和工具進行對比說明仿真平臺的優勢，在對成都終端區建模過程中分析了終端區建模的難點和關鍵點研究。其次，考慮多約束限制條件下模擬實際空域的運行情況，通過修正特定的參數來反映運行模式的差別以保證模型能夠反映真實終端區扇區特性。最后，通過不同運行情況所對應的仿真結果與進行分析，驗證了仿真結果的真實和合理性。

評估方法

終端區運行評估方法主要有以下四類：一是利用數學模型計算終端區運行品質的方法，由于現在的終端區空域結構較為獨特且復雜性越來越高，很難僅僅通過一個數學模型就能準確描述復雜的終端區；二是通過統計歷史數據進行分析評估的方法，這種方法以數據的完整性和相關度為基準往往可以獲得一個較為合理的數據區間，但是缺點是不能對特殊情況和周期較長的遠期規劃做合理的評估；三是利用實際的管制員操作管制模擬機進行管制員操作負荷的方法進行終端區運行評估，雖然此種方法能夠直接評估出實際操作的運行結果，但是僅僅考慮人的因素使得結果較為單一，且這個測評需要消耗較多的人力物力才能有較為平均的測評結果；四就是本文所用到的方法：基于計算機仿真平臺進行建模研究評估的方法，軟件建模方法能夠充分考慮終端區系統自身的復雜度并且能夠針對性的對模型某些因素進行定性定量的分析，對評估對象的整體運行過程有高度的還原仿真效果。國外已經較早的涉及這一方法并且開發了幾款較為通用的仿真平臺，目前較為流行的且應用廣泛的有： TAAM、SIMMOD、RAMS以及本文所用到的AirTOp。

AirTOp是由比利時Airtopsoft公司開發的快時仿真工具。該公司于2005年成立于布魯塞爾，專注于航空運行仿真模擬AirTOp軟件開發，包括：空中航路與空中交通流量管理，終端區空域（進場、離場、進近、起飛、降落等），機場地面（跑道、滑行道、停機坪、除冰坪等），機場服務車輛（油罐車、消防車、擺渡車等），以及航站樓旅客的運行模擬。與市場上同類產品，如美國杰普遜公司出品的TAAM軟件相比，AirTOp操作界面更為友好，功能更加全面，尤其在空側與陸側的結合上，AirTOp在業界的認可程度高。

終端區模型

終端區空域設置：首先對機場進行定位屬性設置；再對航路點按照實際航圖進行坐標定位，將設置好的航路點按照一定的順序連接形成矢量的航路模型；對于機場內部的滑行道和停機位以機場坐標為參考進行定義設置；將所有的相關空間資源建模定義完成后就需要對空間資源進行地形數據的錄入以達到對終端區的高真實度建模。這一步完成后得到空域特性較為真實的模型如圖1、圖2所示。

圖1　空域建模設置

圖2　空域航路建模設置

圖3　航班信息編輯

航班信息設置：實際中每一個航班計劃都有獨有的航班號、航空公司信息、實時位置信息和航班時刻信息。AirTOp系統飛行器數據庫提供了相應的的數據定義航空器特性，因此在建模過程中針對所需要的航班信息只需要對計劃定義相應的飛機注冊號，航班性質、航班時間、航路高度和航油等級，就會出現自定義的航班計劃信息；對于評估某機場的最大容量就需要對已定義好的航班計劃進行合理的批量化復制，就可以在原有空域模型基礎上進行空域容量的最大化評估，如圖3所示。

終端區運行設置：AirTOp仿真平臺需要對仿真過程中的里程碑事件進行控制策略，由于每個運行策略都對每次的終端區運行結果有著不同程度的影響。因此要對以下相關運行設置進行具體的定義并且根據需求針對特殊約束進行不斷的修改以正確運行。

a） 航空器的具體的滑行路徑必須根據不同的航空器類型以及停機位要求和航站樓分布進行定義。

b）跑道起降策略設置：根據實際管制要求設置跑道起降策略，這對航班的進離場排序的排序結果有著較大的影響。（如圖4為機場跑道的約束使用規則）

c）進離場排序：兩航空器在設置的跑道運行規則下在進入終端區時即開始預排序。在系統自動排序依然有較大延誤時需要合理的設置等待程序。

d）沖突探測解脫：流量管理中需要設置合理的縱向間隔，如果流量過大從而產生小于間隔的沖突情況，就有必要設置沖突解脫的策略。

圖5　仿真運行效果截圖

運行仿真

根據實際運行仿真分析后可知，當成都終端區按照以下方式運行可以實現終端區運行效率最高：

當軍方沒有活動且進港飛機較少時，將會采用獨立平行離場。向北運行時，前往ZYG、CZH方向的飛機，使用02L跑道離場，前往JTG方向的飛機，使用02R跑道離場；向南運行時，前往CZH、JTG方向的飛機，使用20R跑道離場，前往ZYG方向的飛機使用20L跑道起飛。

使用02L/20R離場航空器通常自A滑行道進入跑道。

使用20R號跑道進近時，不能偏向五邊西側。

如圖5所示為AirTop平臺仿真運行效果圖。

仿真分析過程中對多種運行方式進行調試后，可以得出終端區運行過程中限制終端區容量的關鍵點：在機場區域由于滑行路徑不合理而在終端區空域中則是由于進離場航路的交叉點較多不利于航班進離場分離。因此，為提高終端區的運行效率，除了對現有管制隊伍和管制規則的不斷完善外還需要對終端區的路徑進行進一步的合理規劃。

結語

AirTOp建模仿真平臺通過構建真實度很高的成都終端區的運行模型，對終端區的空域模型快速仿真模擬得出十分客觀的仿真結果，并對多模擬情景進行自定義分析評估，由此可以得出不同單位所需的相關影響因素。本文仿真模型可以應用于后續成都終端區空域容量評估和機場空域運行方案評估，可以為決策部門提供豐富的模擬分析數據和運行方案建議。

辛 超張 軍

中國民航飛行學院空中交通管理學院

辛超（1988-）男，山西臨汾人，中國民航飛行學院，碩士研究生，研究方向：空中交通運輸管理規劃；張軍（1984-）男，四川成都人，中國民航局第二研究所，工程師，研究方向：空管自動化。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.07.015

中國民用航空飛行學院研究生創新基金項目（x2014-27）；四川省科技支撐計劃（2015GZ0005）