（交通信息工程及控制专业论文）珠三角地区多机场系统的仿真优化研究.pdf

中固民航人学坝l 学化论文 捅要 目前，我国珠江三角洲( p r d ) 地区共建有五个大型民用运输机场、三个军 用机场和两个直升机场，机场空间分布密度居全国之首；同时，该区域包括广州 进近管制区、珠海终端管制区和香港终端管制区三个管制区域。该地区内空中交 通拥挤，航班延误率高，经济和社会成本不断增加。基于上述现状，本文旨在对 珠三角地区多机场系统进行仿真优化研究，从当前运行状念推断系统容量，并提 出优化方案。但基于信息来源、工作量和工作目标的考虑，本文仅对广州进近管 制区和珠海终端管制区，以及广州、深圳、珠海三个机场共同组成的多机场系统 内地部分进行仿真优化研究。 本文使用由f a a 丌发的s i m m o d 软件对珠三角地区多机场系统进行仿真， 仿真工具的基本运行原理、各种输入输出参数及实际仿真参数的设置都在文中进 行了详细描述。仿真内容包括复现该区域当前运行状况，统计分析出多种运行结 果，并对预测的未来状态进行模拟，评估该区域的运行容量。 具体仿真运行的数据结果表明，基于现有设施、运行规则和程序以及航班量， 珠三角地区多机场系统进一步增大容量的瓶颈所在为停机位分配不尽合理以及 空中个别航段容量较小，而后者对整个多机场系统的影响更为突出。 本文基于s p s a 优化方法的基本理论和相关参数的选择，以及带有约束限制 的s p s a 优化方法，并结合分层规划模型的相父理论，将带有约束限制的s p s a 优化方法与基于节点重要度的分层优化模型进行融合，得到将航路网络相关节点 在多机场系统中所处的地位、优化结果的期望值等纳入航班运行优化的考虑范围 的区域多机场系统优化模型及算法，并给出具体实现过程中使用参数的设置方式 以及优化的执行步骤。 在m a t l a b 和s i m m o d 环境中，进行针对珠三角地区多机场系统的仿真 优化，得到了基于网络结构减少延误成本的航班时刻优化结果，并使用各输出数 据统计分析出仿真优化的有效性，同时找出系统存在进一步改进的可能性的若干 方面及相应措施。 本文的研究内容和方法，对从整体上减少珠三角地区多机场系统的延误成 本、提高多机场系统的运行效率和经济效益具有重要价值。 关键词：多机场系统仿真优化机场空域仿真模型并行扰动随机近似分层网络 规划航班时刻空域结构 a b s t r a c t t h ep e a r lr i v e rd e l t ar e g i o nh a sf i v e m a i nc i v i la v i a t i o na e r o d r o m e s ，t h r e e m i l i t a r ya n dt 、v oh e l i c o p t e ra i r p o r t s ，a n dt h ed e n s i t yo fa e r o d r o m e d is t r i b u t i o ni st h e h i 吐e s tt h r o u g h o u tt h en a t i o n m e a n w h i l e ，t h i sd i s t r i c tc o m p r i s e st h r e ec o n t r o la r e a s ， g u a n 2 z h o ua p p r o a c hc o n t r o la r e a , z h u h a it e r m i n a l c o n t r o la r e aa n dh o n g k o n g t e r n l i n a ic o n t r o la r e a t h ee x i s t i n gs i t u a t i o no fc i v i la v i a t i o na c t i v i t yi n t h l sr e 9 1 0 n1 s t h a ta i rt r a 每ci sc o n g e s t i o n ，t h ep r o b a b i l i t y o ff l i g h td e l a yi sg r e a t ，a n dt h ee c o n o m l c a n ds o c i a lc o s ti sc o n t i n u o u s l yi n c r e a s i n g b a s e do ns u c hs i t u a t i o n ，i t i sn e c e s s a r yt o s i m u l a t ea n do p t i m i z et h i s p r da r e am u l t i - a i r p o r ts y s t e m ，b yc o n c l u d i n gs y s t e m c a p a c i t yf r o mc u r r e n tr u n n i n gs t a t u sa n dp r o p o s i n go p t i m i z a t i o n m e t h o d b u tb a s e d u d o nt h ei n f o r m a t i o ns o u r c e ，t h ea m o u n to f r e s e a r c ha n dt h ep u r p o s e ，i ti sd e c l d e dt o s i m u l a t ea n do p t i m i z et h em a i n l a n dp a r to ft h i sm u l t i _ a i r p o r ts y s t e mc o m p o s e db y g 咖g z h o ua p p r o a c hc o n t r o la r e a ，z h u h a it e r m i n a l c o n t r o la r e a ，a n dg u a n g z h o u ， s h e n z h e n ，z h u h a ia i r p o r t s s i m u l a t i o nu s e ss i m m o ds o f t w a r ed e v e l o p e db yf a a ，w h i c h b a s i cr u n n m g t h e o r y , a l lk i n d so fi n p u ta n do u t p u tp a r a m e t e r sa n da c t u a l s i m u l a t i o np a r 锄e t e r s s e t t i n ga r ei n 仃o d u c e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ec o n t e n to f s i m u l a t i o na r er e 。p r e s e n t i n g t h ec u 盯e mo p e r a t i o ns i t u a t i o no ft h i sa r e a , a n a l y z i n g t h es t a t i s t i cr e s u l t s ，a n d p r o c e s s i n gt h ep r e d i c t e ds t a t u st og a i nt h ec a p a c i t y o ft h i sa r e a d e d u c e df r o md e t a i l e ds i m u l a t i o no u t p u td a t a o nt h eb a s i so fp r e s e n tf a c i l i t l e s ， o p e r a t i o nr u l e sa n dp r o c e d u r e s ，a n df l i g h t s ，t h e b o t t l e n e c k so fe x p a n d i n gt h ep r d m u l t i a i 印o r ts y s t e mc a p a c i t ya r et h a tg a t e sa l l o c a t i o nn e e d s t ob em o r er a t l o n a l l z e d a n ds o m ep a n so fa i rr o u t eh a v et op o s s e s sg r e a t e rc a p a c i t i e s ，w h i l et h el a t t e r h a s m u c hm o r er e m a r k a b l ee f f e c t s b a s e do nt h eb a s i ct h e o r yo fs p s ao p t i m i z a t i o nm e t h o da n d t h ec h o i c eo f r e l a t i v ep a r a m e t e r s ，r e s t r i c t e ds p s ao p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，a n d t h et h e o r yo f h i e r a r c h i c a lp r o g r a m m i n gm o d e l ，a na r e am u l t i a i r p o r ts y s t e mo p t i m i z a t l o n m o d e l a j l da 1 2 0 r i t h mi sp r o p o s e db yc o m b i n i n gr e s t r i c t e ds p s ao p t i m i z a t i o na l g o r i t h m w l t h h i e r a r c h i c a lo p t i m i z a t i o nm o d e lb a s e do nn o d ei m p o r t a n c e t h i sm o d e la n da l g o r i t h m t a k et h es t a t u so fr e l a t i v ee n r o u t en o d e sa n dt h ee x p e c t e dv a l u eo fo p t t m u m r e s u l t s i n t oa c c o u n ta tt h es a m et i m e t h ed e t a i l e dp a r a m e t e r ss e t t i n ga p p r o a c ha n dt h e e x e c u t i o np r o c e s sa r ea l s oi l l u s t r a t e d o p t i m u mf l i g h ts c h e d u l ec o n s i d e r i n gn e t w o r k s t r u c t u r ea i m e da tr e d u c t i o no fd e l a yc o s t i sa c q u i r e dt h r o u g hs i m u l a t i o n a n d o p t i m i 殂t i o no np r dr e g i o nm u l t i a i r p o r ts y s t e m i nm a t l a ba n ds 1 m m o d a n d n u l n i n go p t i m i z e ds c e n a r i oc a nt e l l t h ev a l i d i t yf r o mo u t p u td a t a ，a n dt h ep o t e n t l a l 中国民航人学硕t 学位论文 i m p r o v a b l ea s p e c t sw i t hr e l a t i v em e a s u r e so fe x i s t i n gs y s t e m t h ec o n t e n ta n dm e t h o do ft h i sr e s e a r c ha leo fg r e a tv a l u ea tr e d u c i n gd e l a yc o s t a n di m p r o v i n go p e r a t i v ee f f i c i e n c ya n de c o n o m i cb e n e f i to nt h ew h o l ev i e wo fp r d r e g i o nm u l t i - a i r p o r ts y s t e m k e y w o r d s ：m u l t i a i r p o r ts y s t e m ，s i m u l a t i o no p t i m i z a t i o n ，s i m m o d ，s p s a ， h i e r a r c h i c a ln e t w o r kp r o g r a m m i n g ，f l i g h ts c h e d u a l ，a i r s p a c es t r u c t u r e 中国民航大学学位论文独创性声明 本人声明所早交的学位论文是我个人住导师指导卜进行的研究f ：作及取得的研究成果。 尽我所知，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弓过 的研究成果，也不包含为获得中国【心航火学或其它教育机构的学位或证i5 而使用过的材料。 与我一同t 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：刍盐：日期：巡墨坦i 中国民航大学学位论文使用授权声明 中国民航大学、中国科学技术信息研究所、国家图 馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文铍查阅和借阅，可以公布( 包 括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权中国氏航人学研究生部办理。 研究生繇刁遮雌名：岔臣缸 期：多型：! ：型 中固民航人学硕1 j 学位论文 第1 章多机场系统概述 根掘航空运输业内相关研究机构的研究结论，未来2 0 年内世界航空客运业务量的 年均增速约为5 o ，货运业务量为6 2 。照此速度，到2 0 2 0 年，世界航空运输业务总 量在现有基础上大约还有翻一番，我国航空运输业务量将比2 0 0 5 年增长5 倍。 届时，珠三角地区航空运输量将超出该区域主要机场的最终设计容量，单纯依靠对 核心城市机场本身所进行的扩建将无法满足该地区航空运输市场的需求：其次，机场规 模也不是可以无限制的扩大，世界机场业的发展经验表明，当机场年旅客吞吐量规模达 到6 0 0 0 8 0 0 0 万人次时，如果规模进一步扩大，机场运营将变得不经济1 2 j 。并且机场作 为一种重要的社会基础设施，其发展正受到环境、资源、土地等刚性因素同益增强的约 束。在这种环境下，对这些区域范围内的机场资源进行整合，实现区域多机场系统的协 调运营，提高整个区域航空资源的利用率水平，满足经济社会发展不断增长的航空运输 要求，是世界各国机场也必须面对的现实和重大问题，同时也是近年来国际机场业的一 个热点问题和重要发展趋势。 1 1 区域多机场系统及存在的问题 1 1 1 区域多机场系统 按照世界著名机场规划大师、美国麻省理工学院r i c h a r dd en e u f v i l l e 教授所作的定 义，“区域多机场系统( m u l t i a i r p o r ts y s t e m ) 是指为大都市区航空运输市场提供服务的 多个机场的集合”【3 】。该定义是从机场服务使用者角度所作出的定义，概括了区域多机 场系统的部分本质特征，即只要是为某一共同区域航空运输市场提供服务的多个机场， 不管其产权归属是否属于一家、是否位于相同的行政区划范围、是否处于某一个经营管 理机关的统一管辖，这些机场都属于区域多机场系统的组成部分。 按照该定义，比较具有典型意义的是伦敦大都市区多机场系统和华盛顿巴尔的 摩都市区多机场系统。伦敦大都市区在一百公罩直径内共有五个机场，使用五个机场的 旅客共约一亿三千万人次，其中三个机场希思罗、盖特威克和斯坦斯特得机场属于 英国机场管理集团公司所有，其他两个机场，卢顿机场和伦敦城市机场则属于其他所有 者：美国的华盛顿与巴尔的摩地区，共有三个机场，旅客共有九千万人次，巴尔的摩机 场属于马里兰州，而其他两个机场旱根国立机场和杜勒斯国际机场则属于华盛顿特 区大华府机场管理委员会，但他们共同构成了华盛顿巴尔的摩区域多机场系统，甚 至巴尔的摩机场被称作是华盛顿巴尔的摩国际机场。 虽然上述定义指出了多机场系统的某些特征，但他仍然只是主要从机场使用者角度 所表述的多机场系统的外在表象，并未从系统观点出发，对区域多机场系统结构和功能 特征作更深一步的研究，认为只要是位于某一地理区域范围内、共同服务于某一航空运 输市场的多个机场都可以称作是多机场系统，这实际上并不符合区域多机场系统的某些 本质特征。区域多机场系统应具备以下六个方面的基本特征： 中困民航人学颂i j 学位论义 ( 1 )多个机场共同服务于一个特定的航空运输市场； ( 2 ) 区域范围内实施统一的空域规划和飞行程序管理； ( 3 ) 机场产权归属不尽相同，但存在一个统一的运营协调管理机构； ( 4 ) 系统范围内各机场有大致明确的市场分工定位和服务对象； ( 5 ) 机场已经融于当地综合运输系统，成为其有机组成部分： ( 6 ) 只提供商业运输服务的民用运输机场。【4 j 1 1 2 存在的问题 随着人才、信息、基础设施等各种资源向都市群的集聚，一方面提高了这些区域的 劳动生产率和整体竞争力，也有利于区域核心城市和周边城市经济发展取得互补效应以 及国家财富的集聚：另一方面，资源的过分集聚，也造成这些区域范围内包括机场在内 的各种基础设施的空1 8 j 分布密度很高。 此外，由于强大的经济实力和辐射力，这些经济区域的核心城市存在巨大而旺盛的 航空运输需求，因此，一般都建有两座以上的大型机场，形成了多个机场服务于统一市 场的所谓区域多机场系统。比较典型的多机场系统，欧洲有伦敦、巴黎、杜塞尔多夫等 多机场系统，北美洲有纽约、华盛顿、洛杉矶多机场系统，亚洲有东京、曼谷以及上海 等多机场系统，北京第二国际机场也在筹建过程中，建成后，北京将出现一个新的多机 场系统。 目前，这些都市群多机场在运营方面普遍存在的问题是，一方面，航空业务量过分 集中于核心城市机场，在核心城市的多个机场中，又过分集中于主要机场，造成这些机 场的空域和地面设施使用情况紧张，空中交通拥堵，环境污染和航班延误情况同益严重， 机场服务质量下降，同时这些机场由于受周围土地等资源条件的约束，无法实施扩容改 造或是扩建成本太高；另一方面，非核心城市和核心城市的次要机场空域和设施的利用 率却很低，机场资源长期得不到充分利用或是使用情况波动较大。 我国长三角都市群主要机场近五年完成的业务量统计数掘表明，该地区航空运量分 布的集中度非常高。上海机场完成的客运量平均占到长三角地区航空客运总量的7 4 左 右，货运量更是占到8 7 ，其他机场总共占到1 3 ，并且这种态势还有进一步加剧的趋 势【5 j o 珠江三角洲地区同样也存在这种情况。根据2 0 0 5 年该地区民航运输业统计数字， 从飞行架次束看，广州、深圳和香港三个机场占整个区域的比例接近9 0 ，其中香港和 广州机场所占比例均超过3 0 ，香港机场接近4 0 ，具体如下图1 1 所示。从客货吞吐 量指标来看，更反映了该地区航空货运发展的严重不平衡现状。 中同r 航 学硕 学论z 图1 12 0 0 5 年珠三角地医机场b 行架次对比 从全球范围来看，世界主要多机场系统业务量分配情况同我国基本类似。根据国际 机场协会( a c d 的统计数据，全球主要大都市区多机场系统所完成的业务量中，约有 2 3 是由主要机场完成的，次要机场完成了大约l 4 ，剩余业务量由其他机场完成。 1 2 国内外研究现状 12 i 区域多机场系统 国内外关于区域多机场系统专题进行系统研究的文献资料十分有限，目前的研究主 要从多机场区域规划管理、空域运行和政策法规三个方面入手，下面分别进行介绍： 一、从目前国内现有区域机场系统规划的文献资料来看，中国民航大学交通工程学 院欧阳杰副教授在中国区域机场体系的规划布局一文中提出了我国建立区域机场体 系的原则和总体目标，提出“区域机场规划布局结构应等级化、规模化和体系化，规划 布局模式应多样化、特色化”、“区域内的各种类型机场在功能上应分工明确，并相互具 有合作协调关系，共同促进单一枢纽机场向复合型枢纽机场群发展”等原则，并提出了 区域机场系统规划建设的总目标，是“将区域机场体系纳入经济区域范畴下进行规划布 局，构筑完善而又相对独立的航空交通网络。 i ”欧阳副教授还对京律地区机场体系的发 展战略进行了研究。 中国民航大学高金华教授对我国长三角地区机场群运营现状及存在问题进行了研 究，并提出提高该区域机场的资源利用率、改善机场状况的优化建议f 】。 另外，中山大学港澳研究中心教授郑天祥教授、暨南大学经济学院顾忠华教授和香 港学者薛风旋等都对珠三角地区广州、深圳、珠海、香港和澳门机场近年来在该区域航 空运输市场的竞争、合作情况进行了分析，并提出了改进目标和措施”】。 在上述研究文献中，作者只是对上述经济区域机场群在发展过程中出现的表象问题 进行了陈述，并主要从宏观层次提出了解决方案，研究方法以定性、对比分析为主，研 究也缺乏理论方法体系的支撑，缺乏对问题产生以及解决方案的机理分析，从而也降低 了研究成果的说服力与学术价值。 中国民航人学帧l 学位论义 相比较而言，目前世界民用航空运输业比较发达的欧美国家，对区域多机场系统规 划研究方面所进行的研究，不论是理论方法研究还是法律法规制定方面，都要丰富得多。 国外对区域多机场系统规划理论研究方面，主要包括两个方向：一个是以美国麻省理工 学院的r i c h a r dd en e u f v i l l e 教授为代表的对区域多机场系统进行分析并采用动态规划原 理制定区域多机场系统的发展战略规划；另一个研究方向是采用离散选择理论，对航空 旅客在区域范围内多个机场间的机场选择行为进行分析。 在第一个研究方向上，r i c h a r dd en e u f v i l l e 教授作出了开创性工作。上世纪末， r i c h a r dd en e u f v i l l e 教授对当时世界主要大都市区的多机场系统在规划、建设和运营过 程中出现的各类问题进行了系统研究。他总结了世界范围内主要区域多机场系统的共同 特点，界定了区域多机场系统的研究范围。并分析了在欧美( 包括同本、澳大利亚等哑 洲国家) 等航空运输业发达国家在当时航空运输放松管制的环境政策下，区域多机场的 规划建设运营出现的问题，并采用动态战略规划的方法制定区域机场系统发展规划。在 这类研究中，r i c h a r dd en e u f v i l l e 教授发现在航空放松管制环境下，都市区多机场系统 发展具有很大的波动性。基于上述原因，r i c h a r dd en e u f v i l l e 教授认为利用定量方法分 析区域多机场系统，包括对业务量规模和业务量在各机场间的分配情况所作的预测都很 难真实反映机场系统未束发展的实际情况，依据预测结果对机场设施舰模进行规划也具 有很大的不确定性，因而应当采用弹性大、适用范围广的动态、弹性、带有战略性的规 划，以满足未来各种可能发生的不确定事件。【。0 】【1 i j r i c h a r dd en e u f v i l l e 教授根据以往对 区域多机场系统的研究成果，对荷兰阿姆斯特月和澳大利亚悉尼地区的多机场系统规划 从战略层面提出了政策建议。”j i 忆j 在第二个研究方向上最早将离散选择理论应用于区域多机场系统规划领域的是 s k i n n e r 教授。1 9 7 6 年，他采用l o g i t 模型，采用航班频次和地面进出机场通道特性作为 说明变量，研究了华盛顿地区多机场系统中，航空旅客对巴尔的摩机场、华盛顿杜勒斯 国际机场和华盛顿国立机场三个机场的选择状况。它将旅客分为商务旅客和非商务旅客 两类，得出了对商务旅客来说，进出机场的通道特性是影响旅客机场选择的首要因素的 结论i l 引。在随后的时间旱，h a r v e y 、a s h f o r d 和b e n c h m e n 、i n n e r 和d o u c e t ，n d o t hp i t p i e l d 和c a v e s ，f u r u i c h i 和k o p p e l m a n ，w i n d l e 和d r e s n e r 等多位学者分别利用l o g i t 模型分 析了美国、欧洲、日本等多机场地区航空旅客的机场选择行为，试图解释哪些是影响航 空旅客机场选择行为的敏感因素。在2 0 0 0 年后，许多学者采用改进的、更为复杂的离 散选择模型研究区域多机场系统中的航空旅客的机场选择行为。2 0 0 0 2 0 0 2 年，p e l s ， n i j k a m p 和r i e t v e l d 利用n e s tl o g i t 模型研究了旧余山地区旅客的机场选择情况。2 0 0 2 年，b a s a r 和b h a t 利用限定选择子集考虑l o g i t 模型( p c l o g i t ) 研究旧金山海湾地区的 机场选择，他们认为航空旅客在机场选择中应该利用双层模拟结构的模型l i4 。2 0 0 4 年， h e s s 和p o l a k 利用混合l o g i t 模型研究了旧会山海湾地区的航空旅客机场选择行为，这 也是该领域第一次引入该模型，这一模型可以模拟出航空旅客的个人偏好差异。 但无论是r i c h a r dd en e u f v i l l e 教授所主张的弹性动态战略规划，还是其他学者所展 4 中田民航人学彤! f 。学位论义 开的基于不同类型l o g i t 模型的离散选择理论对航空旅客机场选择行为进行的分析，其 目的都是建立一个区域多机场系统，属于机场的事前规划范畴。所不同的是，日，j 者从战 略高度来看待区域机场系统中的第二、甚至第三、四个机场的规划，但在确定具体机场 设施的建设规模时，则需要采取足够谨慎的念度，采取弹性、动态的操作方法【l5 1 。 二、在空域运行方面，中国民航空中交通管理研究基地的多位教授针对上海双机场 运行进行了研究。 2 0 0 4 年国际航空运输协会( i a t a ) 的会员航空公司邀请i a t a 对珠三角空域和与其 相关联的飞行程序进行评估，并对重新设计提出建议方案，其目的在于安全和快捷的处 理该地区日益增长的空中交通和航班延误。i a t a 与三个民航当局( 中国民用航空总局、 香港民航处、澳门民航局) 的专家组成技术工作组。i a t a 于2 0 0 5 年2 月完成提交了初 始阶段报告，初始报告建议方案包括对空域的短期改变和长期改变策略，并与国际民 用航空组织( i c a 0 ) 关于区域导航与必备导航性能( r n a v 和r n p ) 的标准和建议措施一 致。2 0 0 7 年1 月1 5 只，又给出珠江三角洲空域项目第二阶段报告，报告进一步建议 使用i c a 0 基于性能的导航标准，利用在亚太地区的现代化运输飞机精确导航能力，作 为解决方案的一部分。此技术方法得到i c a 0 和c n s a t m 发展计划的全力支持。【1 6 】 针对珠江三角洲的空管空域的现状，2 0 0 6 年7 月2 0 同，香港民航局、澳门民航处、 中南局联合提出方案。根据三个统一的原则，即规划统一、标准统一、程序统一，以提 高珠三角多机场多跑道整体运行安全和效率为核心，对珠三角地区航空系统进行调整， 重点解决制约机场容量增长终端区空域因素。中南空管局已经使用t a a m 四种模式评估 了深圳双跑道起降的五边长距离即将到香港机场。针对京广航路( a 4 6 1 ) 提出了改进方 案，使用区域导航和平行航路，并且已经进行了高空航路评估，同时杨元元局长外聘专 家进行空域系统、人员、空域三方面的评估。 三、从目前我国民航机场业规划建设领域的政策环境来看，我国还没有专门针对区 域多机场系统规划方面的法律法规。中华人民共和国民用航空法第六章第五十四条 规定：“民用机场的建设和使用应当统筹安排、合理布局，提高机场的使用效率。全国 民用机场的布局和建设规划，由国务院民用航空主管部门会同国务院其他有关部门规 定，并按照国家规定的程序，经批准后组织实施。省、自治区、直辖市人民政府应当根 据全国民用机场的布局和建设规划，制定本行政区域内的民用机场建设规划，并按照国 家规定的程序报经批准后，将其纳入本级国民经济和社会发展规划”1 9 】。 在区域多机场系统规划的法律法规制定方面，欧美发达国家都制定了比较完善的法 律法规体系，这方面美国联邦航空局( f a a ) 的管理模式比较具有代表性。作为美国民 用航空事业的管理机构，在国家机场系统的规划方面，f a a 制定了各类比较详细的咨询 公告，对各种类型机场系统规划的原则、方法、步骤等进行了详细规范，明确了不同级 别机场规划的方法体系、规划修订、系统规划报告组成等各方面内容。除了f a a 制定 的一些与区域机场系统规划相关的咨询公告外，美国各州的民航运输管理机构也制定各 自区域甚至是跨区域的机场系统规划。 中国民航人学硕i ：学位论文 1 2 2 机场容量评估 交通容量评估产生于上世纪4 0 年代未期，理论研究的热点在6 0 至8 0 年代，而8 0 年代后主要是将理论研究与实际应用相结合。 机场容量评估根据评估的范围不同可以分为单机场容量评估与多机场系统容量评 估，其中又分别有理论方法与仿真评估两种途径。 1 、单机场容量评估根据评估对象的不同主要分为机场地面容量评估和终端区容量 评估。 1 ) 、对于机场地面容量来说，影响最大的是跑道容量的影响，所以一直以来对机场 地面容量评估都是着重对跑道容量进行研究，b o w e n 和p e a r c e l f 在1 9 4 8 年最早提出 假定服从泊松分布的到达流模型1 17 j ；1 9 9 3 年，e u g e n ep g i l b o 给出了机场容量的确切 定义，并提出了在不同运行情况下机场容量的评估模型和优化措施i l8 1 ：1 9 9 8 年， d a v i d a l e e ，c o r o l i n en e l s o n 和g e r a l ds h a p i r o 等人，提出了机场容量和延迟模型，并 将该模型应用于美国十多个机场的实际容量评估，取得了预期的效果【1 9 l 【2 0 i ；2 0 0 2 年， a m e d e or o d o n i 在总结前人经验的基础上，详细介绍了机场容量定义、影响容量的因 素、飞行间隔要求和单跑道容量评估模型引j 。 国内有南京航空航天大学的胡明华教授和刘松等人在1 9 9 9 年针对单跑道机场容量 评估，分析了单跑道三种使用策略下的确定性容量模型和随机性容量模型，并以上海虹 桥机场为背景进行了仿真i z 2 j ；2 0 0 3 年，蒋兵从管制员的角度出发，给出了跑道容量的 定义，分析了影向跑道容量的因素，建立了到达和离场容量估计模型，给出了多种情况 下跑道容量的计算方法【玎j 。 2 ) 、对于机场终端区的研究工作相对而言比较少，出现也比较晚。国外学者在这方 面的研究主要从三个方面着手：一是通过建立数学模型的方法来进行研究，如 r s r a t n e r 在1 9 7 0 年首次将针对跑道的容量概念扩充到终端区以及航路上，初步探讨 了终端区以及航路的流量管理和容量评估l 口- j 题1 2 4 j ；m i l a nj a n i c 和v o j i nt o s i c 于1 9 9 1 年对空域结构做了很大程度的抽象和简化，建立了估计终端区容量的模型i ”】。二是针对 管制区管制员的工作量负荷来估计终端区的容量。如k s c h m i d t 在1 9 7 7 年用排队论 的观点对管制员工作负荷进行分析【z 6 j ：1 9 9 3 至1 9 9 6 年，r 本电子导航研究所的 n o r i y a s ut o f u k u j i 教授根据在交通繁忙的情况下管制员工作的完成情况判断容量极限 是否达到，从而推算出终端区管制扇区的实际最大容量1 2 7 】【2 引。第三种方法是在考虑前两 种方法的局限性后提出来的，那就是对所要评估的空域进行仿真，如s a l e h a m u m a y i z 于2 0 0 1 年提出了机场空域容量评估的仿真模型【29 1 ，在考虑各种限制因素的情况下对空 域进行仿真飞行，再对仿真结果进行分析统计得到容量结果。 国内这方面的研究有南京航空航天大学的胡明华教授和张志龙、杜竣等人在 1 9 9 9 2 0 0 1 年探讨了影响终端区容量的诸因素，建立了航路诸单元( 如航段、交叉点、 转弯点、汇聚点和分散点等) 的容曩估计模型，先后用网络流理论1 3 0 l 和仿真1 3 1 i 的方法分 析了终端区的容量。2 0 0 2 年，蒋兵给出了终端区容量的定义，分析了影响终端区容量的 6 中困民航人学硕1 学位论文 因素，阐述了终端区容量评估的方法、关键技术和难点，并提出了对应的解决方、法【3 2 j 【3 3 】。 2 、近些年来，有关机场容量评估，在国内外做了大量理论研究的同时，也开发出 了一系列的评估软件。比如f a a 的机场延误仿真模型a d s i m 模拟飞行器在机场地面 和实时空域的运行以及进近和离场走廊p 4 1 。另外，还有s d a t 用束评估空域及航路， t m a c 使用航班航线资料及管制策略模拟机场空域的冲突和延误，f l o w s i m 模拟两机 场问因机场容量限制造成的延误。在机场仿真技术发展过程中涌现出的许多优秀仿真模 型中，模拟工具s i m m o d 和t a a m l 3 5 】是其中的佼佼者，它们被十分广泛的应用在航空 工业中，提供决策支持、计划、设计和分析。 从七十年代后期到现在，机场仿真模型的发展体现在以下几个方向上：第一、建模 涵盖范围越来越广。如从原来针对跑道系统和机场空中交通管理的模型，逐渐扩展到地 面设施交通管理、机场物流管理、噪音管理、人力资源等机场管理的方方面面。第二、 建模历年经历了深刻的变化。如模型模拟空间从原先的二维节点连线网络，发展到更贴 近现实的三维运动空l 日j 。第三、仿真模型数量可观。f 式发布的大小机场仿真模型已达 上百个，其中涵盖大部分机场管理问题的为综合模型，如s i m m o d 等。第四、仿真数 据的可信度越来越高。如在评估跑道系统容量时，一些成熟模型能够达n 土5 的误差。 对于现存的机场仿真模型，由于其软件化大部分是由航空领域内的专家，而不是专 门的软件开发人员完成的，导致软件的易用性、及人机界面的友好程度方面存在很大的 不足，未来需要有更多软件工程方面的改进工作。另外，在功能上，现有模型的主要功 能是由仿真运行得出一系列仿真数据，而根据仿真结果诊断系统存在的问题，以及对此 类问题提供解决方案的功能则很少顾及。例如，对机场系统运行瓶颈的诊断和运行过程 的优化等。鉴于目前的技术已经有能力支持这类问题的诊断和优化，这方面的改进将是 机场仿真模型未来重要的改进方向之一。 机场仿真技术发展的另一个重点是对现有的机场模型的集成。很多模型在丌发时相 互独立，在仿真功能上各有侧重，分别覆盖机场管理的不同领域。但是在很多研究中， 需要将机场管理的各方面综合到一起进行连续的仿真。从九十年代术丌始，研究人员开 始尝试将一些在各自领域内表现出色的模型集成在一起。例如，为了将s i m m o d 的地 面仿真优势和r a m s 出色的空域仿真能力集成在一起，欧洲航空研究人员致力于丌发 一套接口，使s i m m o d 和r a m s 能够连续的工作，即由r a m s 将飞行器仿真至飞行的 最后一步，之后由s i m m o d 接管该飞行器地面行进过程的仿真。 3 、针对多机场系统容量评估方面的研究不是很多。有关多机场系统所见到的只是 一些针对特定多机场系统内部各机场在规划、建设、运营等各方面进行协调的比较零散 的研究成果。而多机场系统容量评估目前主要使用的是仿真方法，这类研究成果多以各 种报告的形式给出，并且仿真工具主要以s i m m o d 和t a a m 为主。如美国海湾地区由 旧金山国际机场、奥克兰国际机场以及圣何塞国际机场组成的多机场系统曾被作为研究 对象，利用s i m m o d 软件模拟，进行过容量及延误评估的研究【3 6 1 。由美国交通部和联 邦航空局联合组织的安克雷奇地区空域研究项目，针对安克雷奇地区5 个机场的多机场 中国民航人学硕f 。学位论文 系统进行仿真，并且评估现有系统的容量及延误情况，找出系统瓶颈，评价多种改进方 案的效果，从而达到增加空域容量和使用效率，减少空中延误的目的口。 1 2 3 仿真优化研究 仿真优化研究基于仿真的目标优化问题，即基于模型仿真给出的输入输出关系( 性 n s ) 通过优化算法得到最佳的输入量。大量实际工程问题均可归结为仿真优化问题。 仿真优化算法可归纳为基于梯度的方法、随机优化方法、响应曲面法、启发式方法 和统计方法等5 类以及这些方法的混合。u 剐 基于梯度的方法通过估计性能指标的梯度来判定改进性能的方向，进而基于确定的 数学规划方法进行求解。主要包括有限差分估计、似然比估计l r 、摄动分析p a 和频域 实验法f d m ，其应用依赖于梯度估计的可靠性和高效性。有限差分估计法是最原始的 梯度估计法【3 9 】。似然比估计法适合于瞬态和再生仿真优化问题【4 0 1 。摄动分析法计算效率 副4 。频域实验法必须解决振荡指数、频率和幅度的确定问题1 4 2 1 。 随机优化方法解决了目标函数不解析但可估计的优化问题，通常是基于梯度估计的 迭代算法，也包括随机逼近方法。2 0 世纪5 0 年代出现的r m 和k w 方法是最常用的非 约束性随机逼近方法。此外，样本路径法通过产生相对很多的样本，用对应的均值函数 近似为期望值函数，再利用确定的非线性规划方法1 4 列对均值函数进行优化。 响应曲面法j 是试验设计和数理统计相结合的优化方法，相对一般的梯度估计方法 而言，该方法所需的仿真次数较少。 启发式方法一般指对解空间不断进行探索和改进的直接搜索方法，如模拟退火 ( s a ) 、迸化计算( e c ) 、禁忌搜索( t s ) 、巢分区( n p ) 和n e l d e r - m e a d 单纯形法等。s a l 4 5 】是 基于m o n t ec a r l o 迭代求解的一种通用随机寻优算法，但在提高效率方面还有待进一步 研究。e c l 4 6 j 是遗传算法、进化规划、进化策略和遗传编程的统称，是基于适者生存的 一类高度并行、随机和自适应优化算法。目前，进化计算是应用最广的智能优化算法， 但在避免早熟收敛方面还有待深入研究。t s t u b as e a r c h l 4 7 是对局部邻域搜索的一种扩 展，是一种全局逐步寻优算法，是对人类智力过程的一种模拟。目前，提高算法效率仍 是禁忌搜索面临的主要课题。n p l 48 j 的基本思想是对可行域进行系统性分区，然后集中搜 索优良解可能位于的区域。该方法在理论上具有概率l 全局收敛特性，并具有自然的并行 性，因此被认为是一种有潜力的新方法。n e l d e r - m e a d 单纯形法【4 9 】的搜索丌始于可行域 中p + 1 个点组成的向量，并不断的甩掉最差的点，同时加入与该点相对于所保留向量的 矩心对称的点，此方法的缺点在于凸可行域的假设和处理可行限制的实现问题。 统计方法主要包括重点抽样法、排序与选择法、多重比较法和序优化方法。重点抽 样法在不同概率测度下进行仿真来增加涉及稀少事件的典型样本路径的概率。对所有方 案的关系有所了解的问题，排序与选择法将其作为多指标决策问题来处理，当决策涉及 选择最佳方案时使用区域排序技术，当涉及选择包括最佳方案的子集时则采用子集选择 技术，而在每种情况下决策应保证与预先假定的概率一致 5 0 】。多重比较法是排序与选择 法的一种替代。序优化方法i5 1 l 认为序比值更容易确定，适用于大量缺少结构信息而搜索 8 中日民航大学顺i 。学怔论z 空间巨大的不确定性优化问题。 此外还有神经网络、模糊逻辑以及各方法的综舍a t e a m 等。 针对多机场系统，国外的n a t h a nlk l e i n m a n ，、s t a c ydh i l l 和v i c t o r al l e n d a 等人 使用s p s a 仿真优化方法结合s i m m o d 对虚拟的多机场系统进行延误成本的仿真优化， 并对该方法的适用性进行了初步的探讨【5 2 f ”i 。另外，d a v i dwh u t e h i s o n 与s t a c vdh i l l 对s p s a 方法作了进一步的改进，引入随机受限的多目标非线性目标函数，井使用 s 1 m m o d 进行了模型有效性的验证唧】。目| j i ，国内在这方面还没有开展相应的研究。 1 3 珠三角地区多机场系统概况 我国珠江三角洲地区( 珠三角) 都市群包括广东省南部珠江流域沿岸广州、深圳、 珠海、佛山、惠州、中山、东莞、肇庆、江门9 座内地城市和香港、澳门两个特别行政 区，区域面积42 8 万平方公里，常住人口约4 3 0 0 万( 2 0 0 5 年数