基于AIXM的機場容量評估支持數據模型研究

姚光明

(中國民用航空華東地區空中交通管理局飛行服務中心 上海 200335)

1 機場容量評估概述

國際民航組織對機場容量給出了定義，即不同氣象條件下可接受的單位時間內活動目標數目，主要包括：目視氣象條件（Visual Meteorological Conditions，VMC）或儀表氣象條件（Instrument Meteorological Conditions，IMC）下，最大小時容量；目視或儀表條件下最大日容量；機場日平均容量。該定義中隱含了風、機型組合、系統能力、工作負荷等因素。機場容量牽涉到交通量預測、運行程序、系統設施等眾多因素，需要從多角度考慮，容量提升是一個輔助的系統工程。

機場容量需要從宏觀戰略層面、戰略層面和預戰術層面綜合考量，其所面向的目標不同[1]。面向宏觀戰略是結構容量，它是從機場中長期規劃的角度定義的容量極限，以機場發展規模和當地經濟增長預測為基礎，研究確定機場重要變革，主要聚焦于機場需求運輸量的增長，從長期發展的角度確定機場容量需求，目的是滿足經濟增長情況下機場未來中長期容量規劃[2]。面向戰略是規劃容量，它是針對機場航季（冬春、夏秋）航班時刻協調，需要考慮日交通需求和容量平衡問題。在國際時隙指導之下，評估機場容量和時刻需求，達到容流平衡。面向預戰術是運行容量，它主要考慮日運行情況下的機場容量評估問題，通過掌握最近的限制信息，為機場安全高效運行提供戰術級容流匹配指導。

為了全面準確掌握機場容量態勢，需要從不同時間尺度考察容量的波動和變化情況，設計諸如小時容量、日容量、年容量等面向時間尺度的容量評估指標。小時容量是以小時或分鐘為單位統計評估機場容量，目的是及時掌握航班量峰值以及持續容量保障情況，主要考慮的方面有機型混合、跑道相關性、進場和離場混合運行，以及航空器進離場間隔參數等。日容量是小時容量的加權平均，主要反映由于天氣條件等因素的變化造成對容量日波動的影響。年容量主要針對機場容量規劃而確定的容量評估指標，它反映了容量隨航季和盛行風對機場容量變化造成的影響。

機場容量評估也需要考慮機場功能區劃分，機場功能區劃分為空側、陸側，陸側包含航站樓和周邊區域。空側容量主要包含跑道容量、空側周邊空域容量、滑行道容量、停機位容量等。陸側航站樓容量主要包含從進入航站樓到登機的全過程服務水平涉及的容量評估與提升，包括值機、安檢、行李、邊檢、登機等。陸側地面交通容量則主要從航站樓周邊交通及停車位等方面考察容量評估。

機場容量評估通常從兩個方面開展：一是基于仿真估計的容量，通過專用的仿真模型，在快速仿真工具或實時仿真工具的支持之下，設計交通場景，計算獲得各仿真節點的容量值[3]。二是基于數據統計報告的容量，即依據歷史運行數據值通過統計分析，獲得各仿真節點的容量值。國際民航組織在《全球空中航行計劃》（Doc 9750）和《全球空中導航系統性能手冊》（Doc 9883）均制定了與機場容量評估密切相關的效能評估指標[4]，包括容量、效率和可預測性等，并且提出了航空信息數據交換模型（Aeronautical Information Exchange Model，AIXM）[5-6]，該文針對機場容量評估的需求，以AIXM為基礎，研究建立了針對機場容量評估支持數據模型，為構建完整、可靠的機場容量評估提供數據環境指導。

2 機場容量度量特征

機場容量涉及空側和陸側相關因素，主要包括：終端區進近空域、跑道、滑行道、機坪、停機位、航站樓、行李處理和航站樓地面交通。具體如圖1所示。

圖1 機場容量評估考慮的因素

機場容量評估是一個分析計算過程，一般采用統計分析、容量包線和仿真3種策略，需要綜合考慮未來新技術、新程序等發展，迭代分析獲取，為了確保容量估計值的可信度，需要建立數據驅動的評估支持環境，圖2給出了機場容量評估計算模型的一般過程。

圖2 機場容量評估計算模型的一般過程

2.1 機場空側容量

機場空側容量主要針對的對象有跑道、滑行道和機坪/停機位容量，需要從結構容量、規劃容量和運行容量3個方面考慮。

對于結構容量，從跑道、滑行道和機坪/停機位容量3個方面入手，主要考慮的因素包括：各類跑道運行模式場景；不同航季氣候條件場景。其中，跑道運行模式場景，需要確定到場和離場航班跑道整體占用時間；給定尾流間隔分類情況下，整體機型組合規律；航季氣候條件場景，需要確定不同航季VMC和IMC占比。滑行道容量，需要確定各跑道平行滑行道的可用性、跑道穿越運行、IMC 和VMC 下的滑行道排隊，這里平行滑行道的可用性，通過度量支持跑道占用時間的跑道入口和快速脫離口的數量來確定；若出現跑道穿越運行，則需要確定整體穿越跑道運行延誤時間，航空器穿越跑道的規則等；另外，針對IMC 和VMC 下的滑行道排隊，需要確定在VMC 和IMC 條件下，滑行道可容納航空器的最大數目，以及整體滑行時間；最后，機坪/停機位容量需確定航班過站時間和停機位可用性，這里航班過站時間指的是所有機坪和航班整體過站時間。

對于規劃容量，也從上述3個方面入手，主要考慮的因素包括：各類跑道運行模式場景、各類跑道降級運行場景、季節氣候條件場景。其中，跑道運行模式場景，需要確定各類跑道運行模式下到場和離場航班跑道占用時間，給定尾流間隔分類情況下，機型組合規律，航季通用航空和運輸航空占比，航季通用航空和運輸航空占比，降低噪聲的限制，對機場運行航空器類型和運行量的政策性限制、空域限制和航班放行限制等；跑道降級運行場景，則需要確定跑道維護計劃、跑道關閉因素、進近燈光和跑道燈光失效因素、監視和導航系統失效因素等；季節氣候條件場景，則需要確定VMC，包括Ⅱ類和Ⅲ類條件下的IMC，各類惡劣天氣條件，包括降雪、結冰、逆風、跑道摩擦系數等。滑行道容量，需要確定各跑道平行滑行道的可用性、跑道穿越運行、IMC 和VMC 下的滑行道排隊、滑行道降級運行場景。這里，平行滑行道的可用性，需確定的參數有各類跑道運行模式下特定的到場和離場跑道占用時間；若存在跑道穿越運行，則需要確定各類跑道運行模式下跑道穿越造成的平均延誤；針對IMC和VMC下的滑行道排隊，需確定的參數涵蓋在VMC 和IMC 條件下，同時考慮低能見度運行程序下，滑行道可容納航空器的最大數目，進一步考慮牽引車運行程序，以及從停機坪、滑行道、跑道的平均滑行時間等；針對滑行道降級運行場景，需要考慮：滑行道定期維護造成的服務水平降級，主滑行道關閉造成的服務水平降級。機坪/停機位容量，主要因素是過站時間和停機位可用性。這里，過站時間需確定機坪和遠機位平均過站時間；停機位可用性，則需確定機型組合和機位可用性，以及過夜機位和拖車可用性。

對于運行容量，與上述相同，主要考慮的因素包括：各類跑道運行模式場景；不同跑道降級運行場景和恢復時間；氣象條件場景。其中，跑道運行模式場景，需確定的參數有：各類跑道運行模式下到場和離場航班跑道占用時間、尾流間隔分類和機型組合情況下，最新小時飛行計劃；由FPL 數據確定的通用航空和運輸航空數量，降低噪聲的限制，對機場運行航空器類型和運行量的政策性限制、實際空域限制和航班放行限制，塔臺ATC管制人力資源，其他影響空中交通的因素等；針對跑道降級運行場景和恢復時間，需要確定跑道維護計劃、跑道關閉因素、進近燈光和跑道燈光失效因素、監視和導航系統失效因素等。在氣象條件場景中，需要考慮：VMC 預測，包括Ⅱ類和Ⅲ類條件下的IMC預測，各類惡劣天氣條件，包括降雪、結冰、逆風、跑道摩擦系數等。滑行道容量需要確定各跑道平行滑行道的可用性、跑道穿越運行、IMC 和VMC 下的滑行道排隊、滑行道降級運行場景。這里，平行滑行道的可用性，確定需考慮低能見度運行的各類跑道運行模式條件下，到場和離場1 h 內跑道占用時間；若存在跑道穿越運行，則需要確定各類跑道運行模式下1 h內跑道穿越所占時間。針對IMC和VMC下的滑行道排隊，考慮的參數包含：在VMC 和IMC 條件下，同時考慮低能見度運行程序下，1 h 內滑行道可容納航空器的最大數目；進一步考慮牽引車運行程序、人力資源限制，以及在VMC和IMC條件下從機坪到跑道的1 h內平均滑行時間。針對滑行道降級運行場景，考慮的因素有：滑行道定期維護造成的服務水平降級，主滑行道關閉造成的服務水平降級。機坪/停機位容量需確定過站時間和停機位可用性，這里過站時間主要從機坪和遠機位平均過站時間，以及地面服務人力資源3 個方面著手確定；而停機位可用性，則確定機型組合和機位可用性、過夜機位和拖車可用性。

2.2 陸側航站樓容量

陸側航站樓容量主要從出港旅客和到港旅客服務水平兩個方面考慮，主要包括國內出港、國際出港和到港這3 種流量。陸側航站樓容量以運行效率衡量，即可提供的服務水平。IATA定義了服務水平等級，采用指定區域內旅客密度指標，通常需確定如下參數：最短/最長等待時間，特別是指定高峰小時旅客量作為參考值；出行旅客值機時長，一般以計劃離崗時間作為基準，設定值機柜臺開放時長、到達旅客離開航站樓持續時長、中轉過程持續時長等。

陸側航站樓容量主要組成有：值機容量、登機口容量、國內安檢容量、國際邊檢容量和行李處理容量。其

中，值機容量需確定值機柜臺，包括傳統值機柜臺、自助值機終端和快速值機柜臺，這里關鍵參數是值機柜臺的最大容量和高峰期值機柜臺的可用性；登機口容量需確定登機口數據和服務能力；國內安檢容量需確定安檢通道及其設施自動化程度，包括金屬探測門、手持式探測裝置、X光檢測、傳送帶、證照檢查方式、IT設施等，關鍵參數有小時安檢服務人數、旅客平均過安檢時間、安檢通道數量、高峰小時安檢服務能力等；國際邊檢容量需確定入境邊檢和出境邊檢的服務能力，關鍵參數是95%小于10 min 或15 min 邊檢通過人數；行李處理容量需確定離港值機行李處理、托運行李安檢處理、托運行李打包處理、到港行李分發處理以及中轉行李處理容量等，主要涵蓋：離港值機行李處理容量主要考慮值機口行李處理服務能力。托運行李安檢處理針對標準和超標行李安檢設備服務能力。托運行李打包處理主要考慮行李分揀轉盤和分揀傳送帶服務能力，到港行李分發處理主要考慮到港行李轉盤服務能力，中轉行李處理主要考慮中轉行李自動或半自動轉運服務能力。

3 機場容量評估數據模型

如前所述，機場空側和陸側容量評估根據不同的需求，需要確定大量的參數，即針對基于歷史統計數據、理論模型計算、快速仿真、實時仿真等容量評估方法，需要建立基礎數據環境，從而客觀真實地評估和預測機場容量。該文借鑒國際民航組織推薦的AIXM的理念，設計面向機場容量評估的數據概念模型。數據概念模型從總體上分為3種，第一種是特征類數據，原型為《Features》，描述實際存在的數據實體；第二種是公有屬性數據類，原型為《Object》；第三種是抽象類數據，原型為《Object》，為區別于第二種，數據原型增加《Metaclass》。該數據類的設計主要是考慮到概念數據到邏輯數據（XML-Schema）的映射關系，從而能夠方便地將數據組織到XML表達。

3.1 機場空側場面數據模型

該類數據模型主要面向影響機場運行效率，分為3 種類型，分別是：機場空側容量數據模型、機場可用性數據模型和機場機動區可用性數據模型。該文以機場空側容量數據模型為例來闡述，主要包含機場空側場面容量評估的基本數據要素，具體見圖3。該數據概念模型參數參見表1。

圖3 機場空側容量數據概念模型

表1 機場空側容量數據類型

3.2 機場空側周邊空域數據模型

機場周邊空域結構特別是飛行程序將直接引線機場空側容量，該文主要考慮的數據模型包括：機場空域運行程序、機場儀表進近程序、機場標準離場程序和機場標準進場程序。這里以機場空域運行程序為例來闡述數據概念模型。機場空域運行程序數據概念模型具體見圖4。該數據概念模型參數參具體見表2。

圖4 機場空域運行程序數據模型

表2 機場空域運行程序數據類型

3.3 機場服務數據模型

機場容量的確定與其所提供服務能力和水平密切相關，需要從機場間隔保障服務和機場地面服務兩個方面考慮。其中，機場間隔保障服務包括空中交通管制服務和地面交通管制服務、機場地面服務包括旅客服務、航空器地面保障服務、機場補給保障服務和機場許可發布服務等。圖5 給出了機場服務數據概念模型。該數據概念模型參數參見表3。

圖5 機場服務數據模型

表3 機場服務數據類型

3.4 機場陸側航站樓數據模型

機場陸側航站樓服務能力是機場容量評估考慮的一個重要因素，它包括：機場值機、旅客安檢、行李安檢、行李出港、旅客航站樓等待、國際到港、行李提取、登機口等服務。考慮到機場航站樓服務具有的隨機排隊的性質，一般建立面向各類服務的排隊數學模型，該文建立了機場陸側航站樓服務模型數據概念描述，具體見圖6。該數據概念模型參數參見表4。

圖6 機場陸側航站樓服務描述數據模型

表4 機場服務數據類型

需要針對不同的服務，進一步建立相應的服務描述數據概念模型，這里以旅客安檢服務為例闡述，旅客安檢服務數據概念模型見圖7。該數據概念模型參數參見表5。

圖7 旅客安檢服務數據模型

表5 旅客安檢服務數據類型

4 結語

針對機場容量評估問題，研究了機場容量度量特征，給出了機場容量評估考慮的因素以及相應的評估計算模型的一般過程，分別針對機場空側和陸側航站樓容量評估，詳細闡述了開展容量評估的核心需求。針對機場容量評估核心需求，借鑒國際民航組織航空信息交換模型的理念，采用UML 研究從4 個方面建立支持機場容量評估的數據概念模型，并說明了相關的數據類型，為科學合理地開展機場容量評估提供支持。