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nanjing university of aeronautics and astronautics the graduate school college of civil aviation research on sector optimization of airport terminal area a thesis in transportation planning and management by xie peng advised by prof. hu minghua submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering march, 2012 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本承诺书） 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 随着我国国民经济的不断增长，空中交通流量日益加大。空域结构及交通流分布的不合理 性导致空域容流匹配之间的矛盾日益突出，空中交通拥挤问题和航班延误问题愈演愈烈，这也 使管制与飞行工作存在一定的安全隐患。鉴于机场终端区是限制空域运行能力的主要瓶颈，因 此对机场终端区进行科学、合理地规划便成为增强空域运行能力的必由之路。扇区优化技术作 为终端区规划中的重要组成部分，对于提高空域资源利用率、合理分布空中交通流，从而提升 终端区空域容量，保障飞行安全具有极其重要而深远的战略意义。 本文根据我国终端区空域的实际情况和当前存在的问题，在终端区扇区划分相关研究的基 础之上，提出一种基于空中交通复杂度均衡的高低扇扇区划分方法。主要考虑对管制员工作负 荷造成影响的终端区空域航路、航线结构、航空器飞行类型、机型等空域本质和交通流特性。 首先分析总结了近些年来国内外相关研究现状的情况，再详细地介绍了终端区空域规划和扇区 划分的基础理论、规定和原则等。然后引出了 voronoi 图的定义和生成方法，并提出了以交通 密度为核心的空中交通复杂度的影响因素和统计计算方法，再在均衡各扇区交通复杂度的基础 之上，完整系统地分析了扇区划分的约束条件并对之量化处理作为约束函数来构成机场终端区 扇区优化划分模型；并以中南地区的广州机场终端区扇区划分为例，通过分支界定法，实现广 州机场终端区扇区划分的优化，验证本文扇区优化模型和算法的有效性和可行性。此外，本文 还提出了一种基于空域块的动态扇区划分，旨在解决终端区扇区实际运行中繁忙时段内出现的 扇区流量超过容量的情况，进一步均衡终端区各扇区的流量和管制员工作负荷，并通过实例验 证了该方法的科学性和合理性。 关键字：关键字：空中交通管理，交通复杂度，扇区优化划分，空域块，过渡工作负荷 机场终端区扇区优化技术研究 ii abstract with the rapid development of national economy and the increasing of traffic demand. the contradiction between capacity and flow is becoming conspicuous as well as the problem of air traffic congestion and flight delay is becoming more violent due to the irrationality of the airspace structure and traffic flow distribution. whats more, the safety of control and flight work is threatened. in view of the terminal area is the bottleneck of airspace volume enhancement. planning the terminal area scientifically and reasonably, optimizing the air route and the sector partitioning systematically is essential to enhance the airspace serviceability. as the most important part of terminal area planning, sector optimization technology makes a significant contribution to the enhancement of airspace resources utilization, reasonable air traffic flow distribution, promotion of terminal airspace capacity and the ensurance of flight safety. in this paper, a method of sector partitioning is proposed based on the voronoi and the traffic complexity according to the current situation of terminal area in our country and the preceding researches related to the terminal planning. this paper mainly considers the airspace nature and flow characteristics such as air route structure, aircraft type and flight type which influencing the controller workload directly. first of all, this paper analyzes the research situation in and abroad in recent years and introduces the basis theory, regulation and principles of the sector partitioning. then the definition and the generating method of voronoi, the influencing factor and statistic method of air complexity are raised. after that, this paper analyzes the constraint conditions and constructs the sector partitioning model which is based on the balancing of the sector traffic complexity. then according to the use of branch and bound algorithm in guangzhou terminal control airspace, achieved the optimal design of sector structure of guangzhou terminal control airspace, verified the feasibility and effectiveness of the model. further more, this paper also put forward a novelty notion of dynamic sector partitioning based on the airspace blocks, which aims to improve the situation of sector flow surpass the capacity in busy time interval in the practical operation, further balance the flow and controller workload among terminal sectors. keywords: atm, traffic complexity, sector optimization, airspace blocks, transition workload 南京航空航天大学硕士学位论文 iii 目 录 第一章 绪论 1 1.1 研究背景及意义 1 1.2 国内外相关研究状况 2 1.2.1 扇区划分研究现状 . 2 1.2.2 交通复杂度研究现状 . 3 1.3 本文主要研究内容 4 第二章 机场终端区扇区划分研究基础 . 6 2.1 终端区运行概述 6 2.1.1 终端区空域结构 . 6 2.1.2 终端区内飞行安全间隔规定 . 7 2.1.3 终端区内的飞行过程 . 7 2.2 扇区划设研究基础 9 2.2.1 扇区容量及影响因素分析 . 9 2.2.2 扇区划设基本原则 . 10 2.2.3 扇区划设方法 . 12 2.2.4 扇区划设基本过程 . 12 2.3 本章小结 . 13 第三章 机场终端区静态扇区划分模型 . 14 3.1 voronoi 图理论及性质414243 14 3.1.1 voronoi 图定义 14 3.1.2 voronoi 图生成方法 16 3.2 空中交通复杂度分析 18 3.2.1 空中交通复杂度影响因素 . 18 3.2.2 空中交通复杂度统计 . 19 3.2.3 空中交通复杂度的计算 . 23 3.3 扇区划分模型 23 3.3.1 关键航路点的选择 . 23 3.3.2 高低扇高度范围确定 . 24 3.3.3 扇区划分数量的确定 . 24 3.3.4 繁忙时段的选择 . 24 3.3.5 扇区划分模型 . 24 3.3.6 扇区优化算法 . 29 3.4 本章小结 . 30 第四章 广州机场终端区扇区优化研究 . 31 机场终端区扇区优化技术研究 iv 4.1 数据采集与准备 31 4.1.1 选择关键航路点 . 31 4.1.2 确定高低扇区空域高度范围 . 32 4.1.3 时间段的选择 . 33 4.1.4 实际航班数据 . 34 4.2 空域 voronoi 图剖分 . 34 4.2.1 转换坐标 . 34 4.2.2 voronoi 图剖分实现 35 4.2.3 有限单元复杂度的统计 . 36 4.3 生成扇区划分 39 4.4 结果分析 . 40 4.5 本章小结 . 41 第五章 机场终端区静态扇区划分系统设计 . 42 5.1 系统需求与功能 42 5.2 系统总体框架 42 5.3 系统模块 . 43 5.3.1 参数设置模块 . 43 5.3.2 空域剖分模块 . 44 5.3.3 计算交通复杂度模块 . 44 5.3.4 优化结果视图显示模块 . 45 5.4 系统界面设计 45 5.4.1 参数设置界面 . 45 5.4.2 空域剖分界面 . 46 5.4.3 计算复杂度值界面 . 46 5.4.4 扇区优化结果界面 . 47 5.4.5 三维视图界面 . 48 5.5 系统实现 . 49 5.5.1 运行环境 . 49 5.5.2 开发工具 . 49 5.5.3 软件实现 . 50 5.6 本章小结 . 50 第六章 机场终端区动态扇区划分初步研究 . 51 6.1 理论基础 . 51 6.1.1 动态空域块 . 52 6.1.2 过渡工作负荷（transition workload） 52 6.2 数学模型的建立 53 6.3 算法介绍 . 54 南京航空航天大学硕士学位论文 v 6.4 实例分析 . 56 6.4.1 动态调整结果 . 56 6.4.2 结果分析 . 58 6.5 本章小结 . 58 第七章 论文总结与展望 . 59 7.1 论文总结及创新成果 59 7.2 未来的研究展望 59 参考文献 61 致 谢 64 在校期间的研究成果 65 机场终端区扇区优化技术研究 vi 图表清单 图 2.1 终端区空域结构示意图 6 图 2.2 扇区划分示意图 9 图 3.1 voronoi 图与 delaunay 三角剖分 14 图 3.2 一个生成元所对应 voronoi 多边形 15 图 3.3 生成元等于 6 时的 voronoi 图 15 图 3.4 增添法示意图 16 图 3.5 部件合成法示意图 17 图 3.6 对偶生成法示意图 17 图 3.7 因飞行状态不同产生的复杂度示意图 21 图 3.8 同一航线上因机型不同产生的追赶复杂度示意图 22 图 3.9 因不同航线上航班流的汇聚复杂度示意图 23 图 3.10 凸形几何约束 26 图 3.11 最短扇区穿越时间 27 图 3.12 边界安全约束 27 图 3.13 扇区连续性约束 28 图 3.14 分支界定搜索优化扇区配置 30 图 4.1 广州终端区现行扇区划分 31 图 4.2 广州机场典型日的航班小时总流量分布图（考虑飞越航班） 33 图 4.3 广州机场典型日进离场以及飞越航班流量分布图 33 图 4.4 广州终端管制区（3600 米-6000 米）的 voronoi 剖分 . 35 图 4.5 广州终端管制区（0 米-3600(含)米）的 voronoi 剖分 . 36 图 4.6 广州终端管制区高层扇区图 39 图 4.7 广州终端管制区低层扇区图 40 图 5.1 终端区扇区优化系统总体结构图 . 43 图 5.2 参数设置模块流程图 . 43 图 5.3 空域剖分模块流程图 . 44 图 5.4 复杂度计算模块流程图 . 45 图 5.5 终端空域参数设置界面 . 46 图 5.6 终端空域剖分界面图 . 46 图 5.7 计算复杂度界面图 . 47 图 5.8 复杂度计算结果显示界面图 . 47 图 5.9 扇区优化划分结果界面图 . 48 图 5.10 优化结果三维界面图 . 49 图 6.1 动态空域块分配示意图 . 52 图 6.2 动态扇区调整前后扇区覆盖面积相似程度示意图 . 54 图 6.3 空域块动态调整算法示意图 . 55 图 6.4 广州终端区现行扇区划分 . 57 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 图 6.5 广州 01 号、02 号扇区动态空域块划分 57 图 6.6 广州终端区动态调整后扇区划分 . 57 表 1.1 中国国家统计公报民航运输统计表 1 表 2.1 飞行机型分类 7 表 3.1 扇区优化划分模型参数定义 25 表 4.1 所选关键航路点名称及经纬度坐标 32 表 4.2 实际航班过各关键点时间统计表 34 表 4.3 扇区各有限单元交通复杂度统计(3600 米-6000 米) 37 表 4.4 扇区各有限单元交通复杂度统计(0 米-3600(含)米) 38 表 4.5 低空扇区最终扇区优化划分结果 40 表 4.6 扇区优化划分前后各扇区交通复杂度值比较 41 表 6.1 动态调整前后 18:0022:00 时段各扇区工作负荷均值对比 . 58 机场终端区扇区优化技术研究 viii 注释表 缩略词 英文全称 中文名称 asm airspace management 空域管理 atc air traffic control 空中交通管制 ats air traffic service 空中交通服务 cdi control difficulty index 管制困难指标 dac dynamic airspace configuration 动态空域调整 dd dynamic density 动态密度 faf final approach fix 最后进近定位点 gs glide slope 下滑道 iaf initial approach fix 起始进近定位点 icao international civil aviation organization 国际民航组织 if intermediate fix 中间进近定位点 ils instrument landing system 仪表着陆系统 loc localizer 航向台 map monitor alert parameter 监视告警参数 mtow maximum takeoff weight 最大允许起飞全重 nasa national aeronautics and space administration 美国国家航空宇航局 ndb non-directional beacon 无方向性信标 sid standard instrument departure 标准离场程序 star standard terminal arrival (route) 标准仪表进近程序 taam total airport and airspace model 全空域、机场仿真模型 tc air traffic complexity 空中交通复杂度 td traffic density 交通密度 vor very high frequency omnidirectional range 甚高频全向信标 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 研究背景及意义 随着国民经济的不断发展，我国民用航空事业也得到持续、稳定、快速发展，尤其 2008 年以来，即使在世界航空业遭受严重经济危机的局面下，仍保持了良好的发展势头。中国国家 统计公报12显示（见表 1.1） ，2010 年民用航空货物的运输总量达到了 557.4 万吨，比上年同 期增长 25.1%；货物运输的周转量达到 137.3 亿吨公里，比前一年增长 12.4%；民用航空客运的 总量达到 2.7 亿人次，比上一年增长 15.8%；民用航空旅客运输的周转量达到 4031.6 亿人公里， 比上一年增长 19.4%。据相关机构研究，未来 20 年内世界航空运输业在总量上会翻一番，我国 航空运输业将有更大的发展，将是现有规模的 5 倍左右。 表 1.1 中国国家统计公报民航运输统计表 年份 货物运输总量 （单位：万吨） 货物运输周转量 （单位：亿吨公里） 民航客运总量 （单位：亿人） 旅客运输周转量 （单位： 亿人公里） 2010 年 557.4 137.3 2.7 4031.6 2009 年 445.5 126.3 2.3 3374.9 2008 年 407.6 119.6 1.9 2882.8 2007 年 401.8 116.4 1.8 2791.7 2006 年 349.4 94.3 1.6 2370.7 2005 年 306.7 78.9 1.4 2044.9 2004 年 276.7 71.8 1.2 1782.3 航空运输业的高速发展，空中交通流量的持续增加，使得空域拥挤问题越来越严重，管制 员工作负荷不断增加，空域资源利用率低下，飞行安全受到威胁。机场终端区空域作为空中交 通的密集和枢纽空域，空域内飞行交叉汇聚点多，结构复杂，飞行量大，其运行受到内外部多 种因素的影响，多项研究数据表明345，大部分机场的终端管制空域俨然成为提高空域容量的 主要瓶颈6。因此科学合理地规划终端区，系统地优化终端区航路航线设计和扇区划分，均衡 各扇区之间的空中交通复杂度，已成为世界民航空管领域关注的一个重要课题，其研究对于缓 解空中交通压力、提高终端区空域容量和空域利用率、减轻管制员工作负荷以及保障空中交通 安全、高效、顺畅具有积极的推进作用7。 机场终端区扇区优化技术研究 2 1.2 国内外相关研究状况 1.2.1 扇区划分研究现状 作为空域规划设计的主要内容，优化终端区扇区划分对于提高终端区空域资源利用率、减 轻管制员的工作压力具有重要意义8。近些年来，国内外相关学者在该领域进行了相当多的科 学研究，取得了丰硕的成果。 目前，国际上有关终端区扇区优化划分技术的研究，主要还是着重如何选择数学模型，如 图论，遗传算法，计算几何，约束划分方法等，并且相关研究的着重点是二维空域的规划。该 领域的研究成果主要有：1996 年，n tofukuji9通过计算机仿真的方法分析了管制员的工作负 荷对空域扇区划分的影响。crown communication 1997 年在国家航空和空间管理 （nasa） 提出动态扇区的概念。1998 年，南斯拉夫贝尔格莱德大学学者 obrad babic10等提出利用模糊 逻辑对空域的扇区进行划分。2003 年，trandac11等研究人员提出基于约束的规划方法对空域 扇区进行优化，该方法通过建立二维的 voronoi 凸多边形图，给出了一些限制条件，然后用启 发式算法，确定二维扇区优化划分结果，此方法的研究背景假设空域内可以自由飞行，但是对 于有固定航线的空域，没有给出具体空域扇区的规划方法。同年，a.yousefi，g.l.donohue 和 k.m.qureshi12首次提出了空域的正六边形分割。作者将空域分割后的多个正六边形空域单元 作为全空域、机场仿真模型（taam）仿真系统的扇区输入，通过 taam 仿真求取每个空域单元 的工作负荷强度。 然后通过线形规划的聚类算法实现了基于平衡管制负荷的管制中心边界划设。 2004 年，arash yousefi13提出一种基于管制员工作负荷和空域复杂度的扇区规划方法，此方 法主要按照高度将美国的国家空域分成三个高度区间，然后再把每个区间划分为 2566 个单元， 然后统计各管制单元内空间与时间对管制员的工作压力造成的影响量来计算管制员的工作负 荷。2005 年，klein14提出了一种基于现有空域分割法的新颖的分割空域算法。该算法首先重 新设计了管制中心边界， 即先将空域分割成多个正六边形， 再从雷达历史数据和 taam 仿真方法 得到各空域子单元的雷达航迹点的数量。然后对各空域单元的管制工作负荷进行评估，依据空 域的划分数目随机设定相同数量的空域单元以当作初始管制区域的中心。然后运用一种增长算 法， 最终把所有的空域单元分配到每个管制区中。 2008 年， basu15等提出了基于二维空间划分、 馅饼切割的几何算法和动态扇区规划问题，虽然二维空间划分和馅饼切割算法都满足了凸性要 求，但是在最后的可用扇区中却仍有不满足要求的形状。2009 年，chris r.brinton16等使用 动态密度作为目标函数进行了空域的扇区划分。在 2009 年第 9 届美国航空航天学会会议上， kenneth leiden, steve peters17等研究人员提出了基于飞行高度的动态空域划分，并从管制 员工作负荷的角度对比了扇区数量给定和未定两种动态空域调整方法的优缺点，分析了扇区水 平划分边界、扇区调整过程中所产生的过渡工作负荷对空域容量和空域资源利用率所带来的影 南京航空航天大学硕士学位论文 3 响。 国内对机场终端区扇区优化技术进行的研究开展的比较晚，且主要考虑静态扇区划分以及 均衡各扇区之间的管制工作负荷为目的。2004 年，韩松臣18192021等提出了以管制员工作负 荷均衡为基础的扇区划分方法，此方法首先以空域内航线交叉点、导航设施以及空域边界的关 键航路点作为节点，再使用 voronoi 方法将平面管制空域分割成若干基本管制负荷单元；并对 部分有限元进行合并形成改进的 voronoi 凸多边形图；然后在考虑扇区连续性、凸面性等约束 的基础上，应用模拟退火算法组合这些基本单元，得到扇区优化边界；最后确定各扇区和整个 空域的容量值。该方法的不足在于一方面只考虑可测量的管制员工作负荷模型作为扇区优化划 分的基础，没有考虑到空管复杂性对于管制行为的影响；另一方面，空域扇区的设计还必须考 虑为确保不同时段每个管制扇区之间的工作负荷的均衡性，应当根据空中交通分布的改变，适 时的进行动态扇区规划。2004 年，中国民航大学的王莉莉22给出了基于排队论的模型和决策程 序来解决管制扇区开放的自动化决策问题。2005 年，李震、王波等提出了基于管制员工作负荷 的扇区优化。2006 年，宗大伟23等研究了基于 voronoi 图利用一种强搜索方法实现了空域的三 维扇区划分。2008 年，杨光24利用非线性规划方法，在不同扇区规划数目条件下实现了扇区的 结构划分。2009 年，俞文军、韩松臣25等人通过对上海终端区空域优化方案的探讨，预测了上 海终端区空域未来的空中交通流量，并运用扇区优化方案得到最佳扇区划设方案并且验证了扇 区优化方案的科学性和有效性。 1.2.2 交通复杂度研究现状 20 世纪 60 年代，davis、arad2627等人就开始对交通复杂度进行量化，后来，jolitz28 提出了管制员管制的飞机架次这个指标和恩多提出基于多因素影响下的复杂度研究分析。直到 1976 年，schmidt 提出了管制困难指标 control difficulty index（cdi） ，主要研究分析事件 发生的次数和困难程度。 1978 年， hurst 等人试图探索管制员活动与一些影响因素的联系。 1983 年，buckley 等人发现交通密度和扇区结构对管制员工作负荷的影响。1985 年，stein 模拟了 相关影响因素和管制员工作负荷之间的关系。1995 年后，相关复杂度研究者提出了动态密度的 概念。1996 年，breither，lesko 等人在动态密度影响因素的基础之上添加了几项其他影响条 件。同年，pawlak29等学者提出了关于空中的交通复杂度改进方法。1997 年，pawlak 等进一 步研究分析了自由飞行模型以及科学预测了交通复杂度，并提出许多影响交通复杂度的初始因 素。2000 年，delahaye30等着重分析了交通内在因素对交通复杂度造成的的影响，他们主要从 飞机的位置和速度入手， 分析扇区内复杂性的内在因素， 利用几何学原理分析空域的复杂性质。 2001 年，chatterji31等人对影响交通复杂程度的因素进行了补充总结。2003 年，fedja netjasov 和 belgrade32等人提出终端区交通复杂度由静态复杂度和动态复杂度构成，其中静 机场终端区扇区优化技术研究 4 态复杂度取决于终端区空域的面积、航线和进离场走廊口数目等特征，动态复杂度则取决于进 离场航线上的交通流分布、机型比例等特征。2007 年，何毅33选取了爬升下降的航空器数量、 机型混合程度、军机数以及复杂航线数量作为研究空中交通复杂度的指标。2009 年，李铮34 通过统计单位时间内经过空域单元的飞机机型、类型、航向及飞机架次等因素计算出空中交通 复杂度值。2009 至 2010 年期间，张进,张晨3536等通过分析交通的无序性、交通流的扰动性对 以动态密度为核心的空域复杂性建模进行了很多研究，并验证了针对未来空域实际运行特征的 复杂性测度模型的科学性和可行性。2010 年，戴福青、洪兰收等学者通过分析飞机对间垂直方 向、水平方向以及飞行速度的影响来计算交通复杂度。至今，空中交通复杂度仍是空中交通管 理研究人员的重点研究方向。 在上面提到的空中交通复杂度研究现状中，我们可以总结出，大部分的研究方法都是以管 制员工作负荷展开的，主要分析影响管制员工作负荷的各种因素并试图探索扇区管制员工作负 荷与空中交通复杂度之间的某种线性或非线性的联系。 交通复杂度可以定义为精确量化特定交通状况对空中交通管制的影响，旨在形成一个反映 交通复杂程度的参数来确定空中扇区的交通拥挤情况。 管制员工作负荷主要与交通复杂度有关， 还与空中交通的几何特征、运行程序和处理交通的实践以及个体管制员的行为等因素有关37。 1.3 本文主要研究内容 本文主要研究机场终端区空域规划方面的扇区优化划分问题，包括静态扇区划分和动态扇 区划分两部分。在静态扇区划分过程中，重点分析各航路点、航线的结构和航班流时空特性对 管制工作造成的影响，构造空中交通复杂度计算模型，以各扇区空中交通复杂度均衡为目标， 详细量化扇区划分的原则、规定并作为扇区优化的约束条件，从而建立扇区划分模型，最终在 实例验证中通过分支界定法解得优化的静态扇区划分。然后，在实际运行中考虑扇区繁忙时段 内出现的交通流量超过容量情况，实行基于空域块的动态扇区优化划分，从而进一步均衡各扇 区管制员的工作负荷以及平衡扇区容量与交通需求。全文结构安排如下： 第一章第一章 绪论绪论 首先介绍了本课题的研究背景和研究意义，其次概述了国内外空域规划设计和扇区优化划 分方面以及空中交通复杂度方面的研究现状，最后介绍了本文的主要研究内容。 第二章第二章 机场终端区扇区划分研究基础机场终端区扇区划分研究基础 本章首先介绍了终端区的运行概述，包括终端区空域结构、飞行间隔规定、飞行过程等内 容，并结合终端区空域规划设计原则的基础之上，重点分析了扇区容量及其影响因素、扇区划 设的原则、方法和思路等。 南京航空航天大学硕士学位论文 5 第三章第三章 机场机场终端区静态扇区划分模型终端区静态扇区划分模型 首先介绍了voronoi图的基本理论、定义和生成方法。然后重点阐述空中交通复杂度的影响 因素，并构建了复杂度影响系数和空中交通复杂度计算模型，即通过统计单位时间内的航空器 机型混杂程度、飞行状态、交叉汇聚情况以及航空器对过关键航路点的时间差等，计算得到经 voronoi剖分后空域各有限单元的交通复杂度值。最后系统地分析了终端区扇区划分的约束条件 并对其进行量化，建立了终端区扇区优化划分的数学模型。 第四章第四章 广州机场广州机场终端区终端区扇区优化扇区优化研究研究 按照第三章的终端区扇区优化划分模型，以广州机场终端区作为实例，选取关键航路点作 为voronoi生成元生成高低扇空域voronoi凸多边形图， 然后统计空域各有限单元内所有航班流的 机型、进离场类型、过点名称和过点时间等作为基础数据，按照复杂度模型计算出高低扇空域 各有限单元的空中交通复杂度值，然后采用分支界定法实现广州机场终端区的静态扇区优化设 计。 第第五五章章 机场终端区静态扇区划分系统设计机场终端区静态扇区划分系统设计 本章按照前面章节中所建立的静态扇区优化划分模型，基于现有民用机场容量评估系统之 上，以visual c+ 6.0为主要开发工具，在windows xp平台下设计开发终端区扇区优化划分子 系统。主要介绍了扇区优化划分系统的需求功能与总体框架设计，并详述了系统的相关模块和 主要人机界面。 第第六六章章 机场终端区机场终端区动态扇区划分动态扇区划分初步初步研究研究 首先介绍了空中交通管理的现状并分析了研究动态扇区划分的必要性，阐述了动态扇区划 分的理论基础，提出空域块、过渡工作负荷等新概念。重点引出基于动态空域块的动态扇区优 化划分方法，建立以均衡终端区各扇区管制员工作负荷为目标的动态扇区划分数学模型，然后 分析基于空域块的动态扇区划分方法的约束条件、算法以及优缺点。最后以广州机场终端区为 实例进行计算分析，验证了基于空域块进行动态调整方法的有效性和科学性。 第第七七章章 论文论文总结与展望总结与展望 对论文进行总结，并进一步对机场终端区扇区优化技术研究问题进行展望。 机场终端区扇区优化技术研究 6 第二章 机场终端区扇区划分研究基础 作为空管系统中最为复杂的子系统，机场终端管制区的规划设计是否合理直接关系到整个 交通系统的飞行安全和效率问题，机场终端区扇区划分是终端区空域规划设计的重点，航路航 线的设计和扇区的划分并不是主观臆想的，而是需要考虑导航设施、飞行安全间隔等等特定的 约束。因此，如何科学合理规划终端区扇区划分，均衡各扇区之间的管制员工作负荷，已经成 为当前国际空管领域的一大关键课题。本章节主要阐述、分析机场终端区运行基础理论和扇区 划分研究基础。 2.1 终端区运行概述 2.1.1 终端区空域结构 作为空管系统的一个子系统，机场终端区内因进场航空器不断下降高度与离场航空器不断 爬升高度所引起的飞行状态的多样性，以及不同进离场航线之间的交叉汇聚，都使得终端区空 域内的交通情况甚为复杂。因此，为保证进离场航线上的航班之间配备一定的安全间隔并且能 够安全有序的飞行，合理的机场终端区空域结构是非常重要的。如图 2-1 所示为终端区空域结 构的示意图，由图可得，终端区空域一般包括跑道、塔台管制区域、进场航线、标准离场航线、 起始进近（iaf）航线、中间进近（if）航线、最后进近（faf）航线、空中等待区、走廊口(分 进场和离场)以及复飞航线等。 最后进近路线 最后进近点 入口点1 等待区1 等待区4 等待区3 等待区2 起始进近点 入口点4 入口点2 出航方向 跑道 复飞航线 入口点3 入航方向 图 2. 1 机场终端区空域结构示意图 近年来，扩展终端区范围或对繁忙机场密集区域进行大终端规划成为热点。从空域基本结 南京航空航天大学硕士学位论文 7 构看， 扩展终端区范围就是将原有终端区范围进一步扩展， 即将终端区范围扩展到距离机场 120 海里或者更大范围。从对时间的控制来看，一方面，航空器是以巡航速度和巡航高度飞行以方 便进入扩展终端区，航空器开始下降飞行、进近以及降落跑道都发生在扩展的终端区范围内， 从而便于管理和指挥；另一方面，在扩展的终端管制区域的进入端，以时基的方法与航路测量 有机的结合，从而使扩展的终端区范围内进行的流量控制更有效。 2.1.2 终端区内飞行安全间隔规定 众所周知，空中交通管制（atc）的主要任务是防止航空器与其他航空器相撞以及机动区 域内的航空器与障碍物相撞，促进和维护空中交通的有序流动38。因此，航空器在管制空域内 作机动飞行时必须遵循相关规定，服从管制区域内管制员的指令，同时管制员要确保航空器之 间配备有足够的安全间隔以避免发生飞行冲突。 飞行间隔按照空间三维方向可划分为水平间隔 （包括侧向间隔和纵向间隔） 以及垂直间隔。 水平间隔是指航空器之间在平行于地球表面方向上的距离。 其中， 纵向间隔是指同一水平面内， 航空器在速度的正反方向上的距离，其它方向上的距离都称作侧向间隔。垂直间隔就是指航空 器之间垂直于地球表面方向上的距离，即飞行高度上的差距。因此，为了保证航空器的安全飞 行，管制员在对航空器进行管制指挥时，必须保证在任意两架航空器之间的垂直间隔或水平间 隔之间满足最小安全间隔的规定。 由于在起飞和进近下降的过程中，前面的航空器对后面的航空器会产生尾流影响，从而威 胁到航空器的正常起飞和下降。 因此为了避免尾流影响， 航空器之间应当配备一定的尾流间隔， 尾流间隔标准一般根据航空器最大允许起飞全重确定39，可分为以下三类： a) 重型航空器：最大允许起飞全重大于或等于 136 吨的航空器； b) 中型航空器：最大允许起飞全重大于 7 吨且小于 136 吨的航空器； c) 轻型航空器：最大允许起飞全重小于或等于 7 吨的航空器。 表 2.1 列举了按尾流分类的几种飞机机型。 表 2.1 飞行机型分类 飞机类型 飞机机型 重型（h） a300，a332，a333，a343，b762，b763，b767，b772，b777 中型（m） a319，a320，a321，b733，b735，b736，b737，b738，b739，emb145， md82，md90 轻型（l） erj，e145 2.1.3 终端区内的飞行过程 机场终端区扇区优化技术研究 8 对于进场航空器，从脱离高空航路到到达终端区的过程中，必须在过终端区走廊口前将高 度和速度调整到该终端区的规定范围内。通过进场走廊口后航空器必须严格按照标准仪表进近 程序（star）依次飞至起始进近点、中间进近点和最后进近点直至降落跑道。在终端区进场和 进近的过程中，航空器必须按照各航段所规定的下降梯度下降到指定过点高度，同时也要不断 减少速度到规定范围内。其中，在最后进近阶段，航空器须按照终端区相关规定实施着陆，除 非航空器放弃进近着陆或不满足着陆条件，管制员一般不准给航空器发布高度、速度改变的指 令或机动飞行。当着陆条件不满足或进近着陆失败时，航空器必须按照复飞程序实施复飞。 进场航班在终端管制区域的飞行一般可分为五个阶段： 1、进场飞行阶段：从通过终端区进场走廊口后到到达起始进近点(iaf)之间的飞行，该阶 段的飞行特点如下： 1) 航迹相同、高度层不同的航空器在满足相关规定情况下允许超越； 2) 航空器必须遵循管制员的指挥，终端区内的任意高度层均可使用，但一般要求航空器 在进场时保持高度下降的连续性，不允许航空器随意改变飞行状态包括先上升再下降 或先下降再上升等； 3) 从不同高度层进场飞行汇聚到起始进近点的航空器必须在到达起始进近点前进行排 序，保证到达起始进近点时各航空器之间有安全的水平间隔。同时各航空器必须下降 到规定高度，降低速度到规定的起始进近速度。 2、起始进近阶段：从起始进近点(iaf)到中间定位点(if)之间的飞行，该阶段的飞行特点如 下： 1) 由于飞行高度较低，所以该阶段的进近飞行一般不采用高度层来调配航空器来保证航 空器之间的安全间隔。 2) 该阶段的航空器须按照相关进近程序降低高度并采取相应的机动飞行，以方便在合适 的高度和地点切入五边进近航段。 3) 如果有交叉进近航线存在的情况，那么需要调整该阶段的航空器的水平间隔从而避免 交叉点的潜在冲突。 4) 该阶段进近飞行的目的在于为最后进近做好准备。即调整好航空器的姿态、将飞行速 度和高度减小至最后进近点所规定的范围。 3、中间进近飞行阶段：从中间进近定位点（if）至最后进近定位点(faf)之间，或由精密 仪表进近(ils)切入航道(loc)的一点(ip)到切入下滑道(gs)的点(fap)之间的进近飞行38。该阶 段的飞行特点如下：飞行高度和速度的调整不大，主要是稳定航空器的速度、高度和形态，确 保航空器顺利完成最后进近。 4、最后进近阶段：从最后进近定位点到飞机着陆之间。该阶段的飞行特点如下：不管航空 南京航空航天大学硕士学位论文 9 器性能和机型，都要按照规定高度和速度实施着陆，且航空器之间必须保持规定的雷达间隔和 尾流间隔。 5、 复飞程序： 只有当航空器着陆失败时才使用。 该飞行阶段情况特殊， 此文不再详细介绍。 由于离场航空器很大程度上取决于空中交通管制员的管制指挥和放行许可，终端区空域内 的离场飞行较为简单，当航空器从机场起飞后不断爬升高度，到达一定高度后在雷达屏幕上被 识别后就等待管制员的进一步管制。然后按照标准离场程序(sid)飞行，管制员须指挥飞机达到 规定的移交高度到达管制移交点。最后航空器按照规定移交高度进入相邻的管制区。 2.2 扇区划设研究基础 2.2.1 扇区容量及影响因素分析 空中交通流量的不断增加，使得终端区管制空域内的各个管制辖区的航空器数量越来越接 近管制极限，在终端区扇区划分的过程中通常要求扇区流量低于容量并尽量使得各管制扇区的 管制员工作负荷均衡。众所周知，空中交通管制服务网络是以扇区为最小基本单元所构成的， 扇区单元在空中交通管制中起到非常重要的作用。扇区一般指由对空席管制员、监控席管制员 和协调席管制员等组成向某一特定空域内的航空器提供管制服务的区域，管制扇区按管制功能 不同可以分为航路扇区和终端扇区。 图2.2为终端区空域或区域管制区空域划分成多个子空域的 示意图，图中的每一个子空域单元就是一个管制扇区。 图2.2 扇区划分示意图 扇区容量的概念有很多种，根据是否考虑航班延误水平可以分为理论容量和实际容量。 理论容量：依据评估的实际运行空域环境，单位时间内在持续服务请求下扇区所能提供服 务的最大航班架次。 实际容量：依据评估的实际运行空域环境，单位时间内一个可接受延误水平下扇区所能提 供服务的最大航班架次。 若根据针对问题的不同，扇区容量还可分为主观容量和客观容量。 主观容量：是指考虑管制员工作负荷处于可接受水平的情况下，单位时间内扇区所能提供 服务的最大航空器架次。 机场终端区扇区优化技术研究 10 客观容量：是指考虑扇区空域结构、航班流比例、管制规则等限制因素的影响下，单位时 间内扇区所能提供服务的最大航空器架次。 所谓atc扇区的容量，指的是给定时间内，在保证管制员工作负荷在一个可接受水平的基 础上，某一个特定atc扇区内所能接受管制服务的最大航空数量。icao在空中交通服务计划手 册中提出，最适当的扇区容量评估结果应该是该扇区繁忙时段内可承受的小时交通流量而不是 每天或每年的流量40。 扇区划设的影响因素有许多，主要包括41： （1）本地区的空域结构； （2）管制员的工作能力； （3）空中交通流的时空分布特性； （4）空中交通服务航路网，包括航路、航线的数量、交叉点位置及数量、等待航线以及航 空器不同飞行状态（如上升、平飞、下降等）的分布情况； （5）空中交通管制(atc)设备的保障能力； （6）其他空域用户的需求（如军方运行） ； （7）飞行剖面； （8）航空器更换扇区飞行的航路及高度。 （9）与相关部门和单位间的协调； （10）扇区内的机场和跑道结构； （11）空中交通服务方式； （12）管制扇区之间的移交条件。 2.2.2 扇区划设基本原则 划设管制扇区应当遵循以下原则41： （1）在管制扇区的划设过程中，要考虑空地通信频道的拥挤度，尽量确保各管制扇区的空 地通信量的均衡。 （2）在雷达管制扇区的划设过程中，要确保雷达信号能够覆盖整个管制扇区范围，同时在 确定扇区最低雷达引导高度时要考虑雷达信号的覆盖情况，如果航路、航线无交叉或存在单向 航路、航线的情况，则该管制扇区的范围可以适当扩大。 在雷达管制扇区的管制移交过程中，应考虑管制移交地段是否覆盖充分的雷达信号，只有 充分覆盖雷达信号，管制员才能够更好地监视其他管制扇区的活动，尤其是当某个扇区内航空 器数量已经将近饱和，而其他多个管制扇区的航空器需要同时进入该管制扇区时，那么本管制 扇区的管制员就可以依据实际情况限制其他管制扇区的活动。 南京航空航天大学硕士学位论文 11 （3）在