基于點融合技術的機場終端區運行效率

夏正洪, 黃龍楊, 王劍輝

(中國民用航空飛行學院空中交通管理學院, 廣漢 618307)

隨著民航航班架次的持續增長，終端管制區航班延誤、飛行沖突日趨嚴重，管制運行面臨巨大壓力。特別是在繁忙空域，管制員常采用雷達引導的方式為航空器提供方向指引。雷達引導雖然靈活高效，但卻存在管制員工作負荷大、無線電通信頻道擁堵、航空器安全間隔難把握等問題；特別是當流量超出扇區最大容量時，將會引起大面積的擁堵和延誤，嚴重影響航空器的運行效率和安全。因此，如何安全、高效、有序地調度進場航空器，提升繁忙終端區空域容量是當前的研究熱點。

點融合(point merge, PM)是一種系統化的進場航班排序方法，可有效應對大流量情況下的不同方向進場航班的沖突調配和排序問題，目前已成功應用于挪威奧斯陸、愛爾蘭都柏林、韓國首爾、馬來西亞吉隆坡、東京羽田、上海浦東等20多個大型國際樞紐機場[1]。國外點融合技術研究路線為“理論研究—程序設計—管制模擬驗證—飛行模擬驗證—實施”，主要成果可分為4類：①不同跑道構型下的融合點程序設計方案[1-3]；②基于點融合技術的進港航班排序及空域容量評估[4-6]；③基于點融合程序的飛行安全和效率評估[7-8]；④點融合技術與連續下降運行(continuous descent operations, CDO)程序的結合應用[9-10]。而中國點融合程序相關研究還處于起步階段，僅有部分學者研究了點融合技術的概念和基本結構[11-12]，從理論上評估了點融合程序的靜態容量以及程序實施的近地風險[13-14]，探討了該技術應用到中國民航的可行性。目前，民航中南和華東空管局也在積極推動PM技術在典型繁忙空域的應用，但尚缺乏從管制運行角度對點融合技術應用的深入剖析，特別是基于雷達管制模擬機對點融合程序的驗證研究。

鑒于以上分析，基于對國內外點融合技術的典型應用調研，細化點融合程序的使用方法及管制工作過程。選取中國西南某機場終端區空域為例，設計了點融合程序并基于管制模擬機對其可行性進行了驗證，討論了點融合技術對于管制工作負荷降低、空域容量增加以及飛行安全和效率提升方面的作用，以期為點融合技術在國內的廣泛應用及落地提供理論支持和技術準備。

1 點融合程序結構和運行過程

點融合程序利用圓弧上任意一點到圓心的距離相等的基本原理，設計一種具有近似弧形的內、外排序邊的飛行程序，并基于精密區域導航(prece-ssion area navigation, P-RNAV)技術對進場航空器的航跡進行優化，簡化雷達管制條件下的雷達引導工作量，從而提升管制運行效率和安全性。點融合程序的基本結構如圖1所示，包含融合點、進入點、脫離點、定位點、內排序邊、外排序邊和等間隔的距離標記線等。兩條排序邊平行，進場交通流方向相反；同一排序邊到融合點的距離相等，航空器之間可通過速度調整控制其水平間隔，而不同的排序邊之間通過設置垂直間隔來保障航空器的飛行安全。參考等間隔的距離標記線可非常直觀確定前后2架航空器之間的縱向間隔，管制員通過給航空器發布“直飛”指令的時機來控制其在排序弧上的飛行距離和時間，從而實現飛行間隔的精準控制，以達到加快空中交通流量的目的。

圖1 點融合程序的基本結構Fig.1 The basic structure of point merge procedure

點融合程序實施需要具備5個基本條件：

(1)必須在雷達管制條件下進行，能實時監控飛行態勢，掌握飛機高度、速度、航向、位置等重要飛行參數。

(2)執行PM程序的航空器的飛行管理系統(flight management system, FMS)必須具備橫向引導(lateral navigation, LNAV)功能。

(3)該空域設計并公布了相應的PM程序，且假定程序的實施不受天氣和軍方活動的影響。

(4)保障RNAV運行所需關鍵VOR、DME等導航設備處于正常工作狀態。

(5)管制員和飛行員經過系統培訓并能熟練使用PM程序。

點融合程序的使用方法可歸納為預排序、排序、保持次序3個階段。在預排序階段，管制員須根據即將進入點融合系統排序邊的飛機位置確定大致順序，并且檢查進入點融合系統的飛機飛行參數，包括高度、速度以及間隔是否符合條件，如果不滿足條件則發布相應的管制指令，飛行員則須完成相關操作。在排序階段，飛行員操縱飛機在點融合系統中沿內/外排序邊水平勻速飛行，管制員應密切監視其飛行態勢，并參考距離標記線確定飛機之間的縱向間隔；一旦前后兩機滿足規定的間隔配備標準，可立即發布“直飛”指令，飛行員則操縱飛機轉彎直飛融合點，從而實現對進場航班流的排序。在保持次序階段，管制員通過速度調整指令來保持或調整飛機之間的縱向間隔，同時發布高度下降指令或加入連續下降運行程序，飛行員則響應高度和速度調整指令，確保航空器以確定的序列和指定的高度通過融合點。

圖2所示為基于點融合程序的4架飛機進場排序過程。在圖2(a)中，根據空域飛行態勢對進入點融合系統的4架飛機進行預排序，其結果為紅、橙、綠、藍。在圖2(b)中，根據紅色飛機與前機間隔，滿足間隔標準時立即向其發布“直飛”指令。在圖2(c)中，當橙色與紅色飛機滿足縱向間隔標準時，管制員可向橙色飛機發布“直飛”指令。在圖2(d)中，當綠色飛機與橙色飛機滿足縱向間隔標準時，綠色飛機可從內排序邊右轉直飛融合點。在圖2(e)中，當藍色飛機與綠色飛機滿足間隔標準時，藍色飛機可從外排序邊左轉直飛融合點。在圖2(f)中，4架飛機按既定的順序(紅、橙、綠、藍)依次飛過融合點，管制員可通過速度調整優化航空器的間隔。

圖2 基于點融合程序的4架飛機進場排序過程Fig.2 The approach sequencing process of four aircrafts based on point merge procedure

可見，點融合程序正常運行時遵循“先到先服務”原則，航空器利用自身的飛行管理系統中的橫向引導功能在排序邊上自由飛行，省去了大量的飛行操作負荷；管制員則省去了大量的航向指令，僅需要參考距離標記線確定飛機間的縱向間隔，一旦兩機間隔滿足(12～15 km)要求，即可指揮后機直飛融合點，即通過制訂標準化運行程序(standard operating procedure, SOP)的方式大大簡化了管制員的管制工作過程，管制指令的減少必然會減輕管制員工作負荷，并且可有效減緩無線電通信頻道的擁擠程度。特殊情況下，也可對特情航空器或特殊任務航班實施雷達引導脫離排序邊而轉向融合點，以達到優先服務或特情處置的目的，但仍需要注意與相鄰排序邊航空器的飛行沖突?？傊?，“直飛”指令是點融合程序運行的關鍵，它建立了航空器間的初始間隔以及通過融合點的次序，能形成更清楚、更直觀的航路結構，使得不同方向的進場交通流更加安全有序。

2 點融合程序設計及管制模擬機驗證

2.1 空域運行現狀

終端區進場航班擁擠程序和管制員工作負荷隨飛行流量的增加而快速增長，迫切需要新的技術手段解決由此產生的航班延誤和沖突解脫問題。因此，以西南某機場的終端區(圖3)為例，研究點融合技術能否有效解決大流量情況下的進場航班排序問題，從而提升空域運行效率和安全性。該終端區由DOREX, VENON, N1, N2, APP1, ZYG, FJC, LESHAN, EM, YAAN, GX等定位點構成，4條標準儀表離場路線(standard instrument departure, SID)如圖3中綠色線條所示(以02號跑道為基準，順時針方向依次定義為SID1，SID2，SID3，SID4)，4條標準儀表進場路線(standard instrument arrival, STAR)如圖3中橙色線條所示(以02號跑道為機場，順時針方向依次定義為STAR1，STAR2，STAR3，STAR4)。該終端區內有5個軍用機場，西側和南側可用空域有限，因該區域內主要盛行西南風，主要采用02號跑道方向起降，可用五邊長度僅30 km。

圖3 西南某機場終端區結構圖Fig.3 Terminal area structure of an airport in Southwest China

根據該終端區2019年典型高峰日高峰小時流量(表1)可知，最大容量50架次/h，其中離場26架次、進場24架次，其中中型機占67%，重型機占33%。

表1 典型高峰日高峰小時進場流量比例

可見，該終端區指揮的難點主要包括幾個方面：

(1)該空域所轄范圍較小，包含進離場航路各4條，間隔調配的時間和空間有限。

(2)該空域內航班流量較大，進離場飛機易產生穿越高度、進場航空器之間因雷達引導易產生的交叉匯聚沖突，且沖突調配難度較大。

(3)該空域內有多個軍用機場，且軍航活動頻繁，對飛機偏航限制要求比較嚴格，協調指揮工作量較大。

2.2 點融合程序設計方案

考慮到該終端區的空域結構形式、限制區位置以及點融合的扇形結構等因素，為保證進港航班流安全、有序地在點融合程序中運行，融合點位置只能放置右三邊(距離五邊建立盲降位置點10～15 km)；為避免過多的改變原有飛行程序，將融合點的位置設置在起始進近定位點(initial approach fix, IAF)，從而可有效避免進港航班流通過融合點后再次出現需要干預航班下降和調速的情況，點融合程序設計方案如圖4所示。

圖4 西南某機場終端區點融合程序設計方案Fig.4 Design scheme of point merge procedure in terminal area of an airport in Southwest China

可見，從西邊和南邊進港航班將經由導航臺CZH和FJC進外排序邊，其進場程序較標準儀表進場程序略有不同；而從東邊和北邊進港航班流先后經由導航臺WFX、BHS進場后加入內排序邊，融合點的位置選擇在右三邊的起始進近定位點處?？紤]到外排序邊上的飛機飛向融合點時，必須從內排序邊下方穿過才能與內排序邊的飛機保持合理的垂直間隔要求。因此，點融合程序的外排序邊高度設計為2 100 m，內排序邊高度設計為2 400 m，過融合點的高度設置為1 500 m。該點融合程序的匯聚角度為100°，內外排序邊長度分別為40 km和50 km；到融合點的距離分別為30 km和40 km，距離參考線間隔標準為10 km。

基于點融合程序的管制指揮方法：首次聯系時，跟機組確認并發布點融合進場程序及使用跑道；根據飛機的進場次序以規定的高度、速度加入點融合程序的內、外排序邊。飛行管理系統數據庫可以對點融合程序各位置點進行編碼，航空器則可采用基于性能的導航(performance based navigation, PBN)技術進行自主飛行，管制員則無需進行過多干預，當前后2機滿足12～15 km的縱向間隔時可指揮后機脫離排序邊并直飛融合點。若標準儀表離場程序與點融合程序有交叉，可通過高度控制解決進離場航空器穿越的飛行沖突。當空域內有惡劣天氣或軍方有活動時，點融合程序不再適用，此時將恢復到現有的雷達管制方式引導飛機進場。

2.3 點融合程序的管制模擬機驗證

管制模擬機驗證目標是分析點融合程序設計方案應用于典型終端區的可行性，考核指標包括：

(1)點融合程序實施后管制員工作負荷的改善情況。

(2)通信頻道擁堵的緩解情況。

(3)終端區容量提升情況。

(4)進港航班流的排序情況。

(5)飛行安全和進場效率的提升情況。

基于該終端區2019年典型高峰日高峰小時流量分布特征，可設計半小時管制模擬機仿真場景，包括12架次進港和13架離港航班。離港航班按標準儀表離場程序離場，進港航班嚴格按照既定比例進場后分別按點融合程序和現有程序指揮其落地?；趯σ痪€進近雷達管制工作調研可知，1架飛機的指揮流程將包括雷達識別、發布進場條件、雷達引導、速度調整、高度調整、恢復自主領航(直飛)、建立盲降、協調移交等步驟。點融合程序充分利用了PBN靈活性的優勢，引導飛機在排序邊上飛行，并在恰當的時機轉向融合點，從程序設計的角度簡化了雷達管制過程，減少管制員和飛行員之間的通話次數。通過對管制模擬機中相同進場航班流采用點融合程序和現有程序的陸空通話數據的分析，得到的結果如圖5所示。

圖5 點融合程序與現行程序實施的管制指令對比Fig.5 Comparison of control instructions between point merge procedure and current procedure

可見，點融合程序與現行程序的差別主要體現在雷達引導、高度和速度調整。其中，雷達引導指令次數大幅度減少、高度和速度改變指令次數小幅度減少，直飛指令發布次數基本持平。而在實際管制工作中，涉及重要飛行參數改變時，飛行員需要簡要復誦管制指令，即重要指令成功實施的平均時間等于管制員給出管制指令的平均時間和飛行員復誦指令的平均時間之和。表2記錄了該場景中重要管制指令實施的平均時間，與一線雷達管制工作基本無異。

表2 雷達管制指令平均時間

因此，可得到該場景中采用點融合程序比現行程序可減少的管制員工作負荷417.71 s。

Δw=36×8.52+5×7.25+12×7.78-2×6.34=417.71 s

(1)

這就表明了點融合程序應用后，管制員工作負荷和飛行員操作負荷都會降低，通信頻道擁堵的情況明顯緩解；管制員將有更多時間精力監視飛行態勢，則該終端區容量、飛行安全和效率也會有一定程度的提升。

進一步地，相同進場航班流條件下采用點融合程序和現行程序的航空器到達起始進近定位點或者融合點的進近時刻如表3所示，并分析了兩種程序的進場效率以及扇區容量提升情況。

表3 進場航班流進近時刻對比

可見，該場景下12架進場航班采用點融合程序進場排序需要27 min，平均間隔為2.45 min；而采用現行完成進場排序需要32 min，平均間隔為2.91 min。說明大流量場景下，采用點融合程序后進場航班縱向間隔更均勻，平均間隔縮短15.81%，表明飛行效率和安全有明顯提升；進場航班流排序總時間縮短15.63%，表明空域容量也能進一步提升。

綜上所述，點融合程序通過簡化雷達管制工作過程，以減少管制指令的方式降低管制員和飛行員的工作負荷，改善陸空通話頻道的擁擠現狀，有效提升空域運行安全。同時，點融合程序還能有效地解決終端區大流量情況下的進場航班流排序問題，使得航空器之間的飛行間隔更加均勻、有序，縮短航班進場排序時間，從而可有效提升終端區的空域容量和運行效率，緩解機場航班延誤等。

3 結論

(1)點融合技術基于排序邊上任意點至融合點距離相等的原理，充分利用了雷達管制實時監視空域態和RNAV導航靈活性的優勢，可解決大流量情況下不同方向進場航班流的沖突調配和排序問題，是提升樞紐機場終端區空域容量的有效手段。

(2)點融合技術從程序設計的角度簡化了雷達管制工作過程，結合典型繁忙空域PM程序和傳統程序的模擬機驗證結果可知，點融合程序中雷達引導指令將大幅度減少，且高度和速度改變指令有一定程度的減少。因此，該新技術的應用可有效地降低管制員和飛行員的工作負荷，減緩通信頻道的擁擠現狀，還能提升空域中的飛行安全和效率。

(3)點融合技術還提供了更規范的進場序列視圖，后續研究將基于點融合技術應用后進場航班的飛行軌跡，驗證新技術的應用對航空器飛行距離、燃油以及污染排放的影響，相關成果將在下一篇論文中呈現。