帶狀危險天氣區域下的終端區空域利用率模型

摘 要：危險天氣是影響航空安全和造成航班延誤的重要因素，對終端區運行有顯著影響。為了衡量危險天氣下終端區空域的使用情況，計算危險天氣下的終端區空域利用率，本文針對帶狀危險天氣區域，分析帶狀危險天氣區域對于航空器運行的影響，根據帶狀危險天氣區域的特點，基于航空器對于終端區空域資源時空占用的特性，從航空器的運行軌跡角度出發，建立帶狀危險天氣區域下的終端區空域利用率模型。選取國內某終端區，在其受帶狀危險天氣區域影響時，評估其小時利用率。研究表明：模型計算所得利用率符合實際情況，可以體現帶狀危險天氣區域對于終端區空域利用率的影響。

關鍵詞：航空安全;航班延誤;危險天氣;終端區;空域利用率

中圖分類號：V355.1文獻標識碼：A

航空危險天氣一直以來都是影響飛行安全和造成航班延誤的主要原因，對于終端區的影響更為明顯。在航空業迅猛發展的今天，要解決以上的問題，首先要做的就是合理的評價危險天氣下的空域利用率。目前對于的空域利用率研究基本都以正常天氣狀況作為前提條件。在國外，Craig. R. W 等通過時段流量與瞬時最大流量之比評估短時扇區利用率[1];MinXue采用“時空圖”理論來分析空中走廊的利用率[2];S.S.KAPIL等從瞬時占用率和空間占用率角度評估了空中高速路利用率[3];Z.N.ZAHNG等從時間、空間、容量量化空域利用率，建立模型[4]。在國內，施和平用實際被利用的空域與容許利用的空間之比表示空域利用率[5];張波從時間、空間、容量三個方面建立指標，采用灰色關聯分析法計算中長期空域利用率[6];王萍等在灰色關聯度的基礎上，采用主成分分析法計算各年的空域利用率[7];李印鳳等通過層次權重決策分析評價終端區利用率等級[8];王鵬鵬等將改進的灰色關絕對聯度與主成分分析法結合，建立了終端區利用率模型[9];曹悅琪、樸春子等分別針對航路、終端區建立了短時利用率模型[10-11];陳蔚波等基于熵值法評估了終端區空域利用率[12]。

考慮到以往空域利用率的研究缺少危險天氣因素的影響，本文針對帶狀危險天氣區域，當終端區空域受其影響時，根據帶狀危險天氣區域的特點，基于航空器對于終端區空域資源時空占用的特性，從航空器的運行軌跡角度出發，建立帶狀危險天氣區域下的終端區空域利用率。

1 模型的建立

1.1 帶狀危險天氣區域

終端區內的帶狀危險天氣區域指沿航線兩側呈狹長帶狀分布的單個危險天氣區域或多個小尺度危險天氣區域，幾乎覆蓋整段航線，影響的航線定位點為4～5個。

1.2 問題描述

當終端區內出現帶狀危險天氣區域時，如果對計劃航線產生了影響，考慮到其覆蓋整段航線、影響航線定位點多的特點，飛機將不會選擇受影響航線周圍進行繞飛，一般會根據實際情況選擇新的航線或者返航備降。每一架航空器在飛行時都占據著一定的空間，而其他的航空器無法在同一時刻使用這一空間，終端區內航空器占用的空間會根據其運行狀態的變化而改變，因此終端區空域的利用情況可以通過航空器對空域資源的占用來表示，本文基于終端區空域在時間上的可重復利用性，從航空器在空間、時間上對終端區空域資源的占用角度，分析帶狀危險天氣下的航空器的實際使用空間、可用空間，建立帶狀危險天氣區域下的終端區空域利用率模型。

1.3 帶狀危險天氣區域下的終端區空域利用率計算模型

1.3.1 帶狀危險天氣區域下的利用空間

要分析帶狀危險天氣區域下終端區內航空器對空域的占用情況，需要得到終端區內航空器的航跡，本文通過ADS-B數據來獲取航空器的運行軌跡。ADS-B數據主要包括航班號、SSRCODE、日期（年月日）、時間（時分秒）、經度（度）、緯度（度）、高度（英尺）、地速（節）和航向（度）等信息，想要得到飛行軌跡，需要對數據進行如下處理：確定空間范圍、確定時間范圍、劃分航班、獲取航跡。

2 算例分析

選取國內某國際機場終端區作為研究對象，通過ADS-B設備采集了處于帶狀危險天氣區域下的終端區一個小時的航空器運行數據進行算例分析。根據上文步驟對數據進行處理，由在一定時間內終端區的進離場以及飛越航空器的運行幾乎會覆蓋所有高度，所以可以將三維飛行軌跡轉化到二維平面上，將平面網格化處理，這樣既可以直觀看出航空器的占用空間，又可以通過航空器軌跡對網格的占用情況確定航空器實際利用的空間，劃分好相同航班數據后，利用matlab中的程序繪制1小時內終端區所有航空器運行的二維軌跡圖，如下圖所示：

終端區空域內所有航空器的二維航跡圖

由圖可知，航空器軌跡占據的網格數為133，在未受影響時，終端區空域的可用空間占據網格數為300。利用上述方法，結合氣象數據，可得一小時內帶狀危險天氣區域的平均占用空間為35，可得帶狀危險天氣下的終端區空域的可用空間占據網格數為265。綜上，利用率即為占用網格數與可用網格數之比，計算結果為50.19%，得出帶狀危險天氣區域下的終端區空域1小時的綜合利用率為50.19%。

3 結語

本文提出了在帶狀危險天氣區域影響下計算終端區空域利用率的方法，填補了以往空域利用率研究缺少對于危險天氣考慮的空缺。基于航空器對于終端區空域資源時空占用的特性，從航空器的運行軌跡角度出發，建立帶狀危險天氣區域下的終端區空域利用率。最后通過算例分析，計算了帶狀危險天氣區域下的終端區空域1小時的綜合利用率。以后會考慮考慮更多影響因素建立模型。

參考文獻：

[1]Craig R W，Michael B C，Daniel P G，et al.Measuring uncertainty in airspace demandpredictions for traffic flow management applications[C].Proc.of The AIAA Guidance，Navigation，and Control Conference.2003：1-11.

[2]Xue Min.Design analysis of corridors-in-the-sky[C].AIAA Guidance，Navigation，and Control Conference.Chicago，2009：1-11.

[3]Sheth K S，Islam T S，Kopardekar P H.Analysis of airspace tube structures[C].2008 IEEE/AIAA 27th Digital Avionics Systems Conference.St.Paul，MN，USA：IEEE，2008.

[4]ZHANG Z N，WANG P.Computing model of airspace utilization rate based on airspace road[J].Journal of Networks，2014，9（1）：71-77.

[5]施和平.空中交通系統安全管理[M].廈門：廈門大學出版社，2003.

[6]張波，陳金良，王三強.空域利用率概念模型及算法研究[J].空中交通管理，2011（2）：4-7.

[7]王萍，俞文軍，張兆寧.基于主成分分析和灰色關聯度的空域利用率[J].航空計算技術，2012，42（3）：63-67.

[8]李印鳳，胡明華，謝華，等.基于可拓多層次狀態分類的終端區利用率評估[J].系統工程與電子技術，2013，35（12）：2533-2539.

[9]王鵬鵬，胡明華，田文，等.一種終端區利用率評估方法研究[J].航空計算技術，2016，46（1）：48-52.

[10]張兆寧，曹悅琪.基于高度層的航路短時利用率模型研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2018，37（8）：107-111.

[11]張兆寧，樸春子.終端區進場航線短時利用率計算模型[J].航空計算技術，2017，47（6）：5-8.

[12]張兆寧，陳蔚波.基于熵值法的終端區利用率評估研究[J/OL].重慶交通大學學報（自然科學版），1-6.

作者簡介：徐子航（1994-），男，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，研究方向為空中交通運輸規劃與管理。