（交通运输规划与管理专业论文）区域空中交通容量动态评估研究(1).pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 - i - 摘 要 空中交通流量持续增长与有限的空域资源之间的矛盾日益突出。 不断增加的 空域拥挤不仅给航空运输业带来安全隐患，而且使得航空运输系统效率降低。随 之而来的大面积航班延误给航空运输业带来巨大的经济损失。 空域容量评估作为 实施流量管理的前提和基础，为解决空中交通拥塞提供重要依据。本文首先从跑 道容量评估、 机场容量评估和终端区容量评估三个方面对空域容量评估的理论方 法进行了综述，总结了现有容量评估仿真模型的特征。然后，分析了区域空中交 通中航空器和空域运行的特征，建立了航空器运行的混合模型。探讨了空中交通 的拉格朗日模型，并根据交通拥塞不再传播的条件，估算出航路和区域的容量。 建立了区域空中交通仿真模型，设计并开发了区域容量评估系统。最后，以厦门 区域为例，估算出不同运行方式下区域内各空域单元容量。 关键字：关键字：空中交通，容量评估，区域容量，仿真模型，流量管理 区域空中交通容量动态评估研究 - ii - abstract the air traffic, which conflicts with the limited airspace resource, is growing continuously these years. the congestion of airspace not only threatens the safety of aviation transportation, but reduces the effectiveness of the system. great amount of flight delay resulted from the congestion caused huge economic loss. airspace capacity evaluation, which is the prerequisite and basis of the implementation of atfm (air traffic flow management), lays the foundation for solving the problem of air traffic congestion. firstly, this paper makes a review of evaluating method on three different types of airspace, namely runway, airport and terminal airspace. a summary of existing simulation models is also done subsequently. secondly, a hybrid model is proposed after analyzing aircrafts flying characteristics and airspace operation characteristics. a lagangian model is discussed to analyze the propagation of air traffic jam. then the capacity of area airspace is deducted according to the condition under which traffic jam will not propagate. the simulation model on area traffic is developed. based on this simulation model an area traffic capacity evaluation system is designed and realized. finally, the results of xiamen area airspace capacity is presented, which is also validating the simulation model. keywords： air traffic, capacity evaluation, area capacity, simulation model, atfm 区域空中交通容量动态评估研究 - vi - 图表目录 图 2.1 管制空域划分.7 图 2.2 厦门区域航班航迹.9 图 2.3 航空器的状态转移图.10 图 2.4 航向引导.12 图 2.5 高度层使用限制.13 图 2.6 标准等待程序.14 图 2.7 高度改变航迹统计.15 图 2.8 区域飞行汇聚冲突.15 图 2.9 区域飞行超越冲突.16 图 2.10 航空器调速图.18 图 3.1 仿真模型结构图.24 图 3.2 空域复现.25 图 3.3 航班数据处理算法.26 图 3.4 随机航班产生算法.27 图 4.1 区域空中交通容量评估系统总体结构图.31 图 4.2 高度层穿越算法流程.38 图 4.3 评估参数设置界面.39 图 4.4 评估结果显示界面.39 图 4.5 空域仿真界面.40 图 4.6 结果查询界面.40 图 5.1 厦门区域空域结构示意图.43 图 5.2 1991-2000 年厦门区域历年起降架次.46 图 5.3 1991-2000 年厦门区域历年飞越架次.47 图 5.4 1991-2000 年厦门区域历年区域服务架次.47 南京航空航天大学硕士学位论文 - vii - 图 5.5 无军航影响下厦门区域总容量（99.2 架次/小时） .56 图 5.6 军航影响方式三下的厦门区域总容量（83.2 架次/小时） .56 图 5.7 军航影响方式四下的厦门区域总容量（45.8 架次/小时） .57 图 6.1 空域容量评估系统结构图.62 表 2.1 航空器运行状态列表.10 表 2.2 参数说明.17 表 4.1 符号说明.35 表 4.1（续） 符号说明.36 表 5.1 厦门区域气象资料.45 表 5.2 19912005 年厦门区域飞行架次 .46 表 5.3 航班架次统计.48 表 5.4 前十位城市对统计结果.49 表 5.5 评估所用航线数据.50 表 5.6 航线航班流比例设置.52 表 5.7 移交协议设置.53 表 5.7（续） 移交协议设置.54 表 5.8 区域容量评估结果 单位：架次/小时 .58 表 5.9 不同军航影响方式下的容量差别单位：架次/小时 .58 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件， 允 许论文被查阅和借阅,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、缩印或其他复制手段保存论文。 (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 - 1 - 第一章 绪论 1.1 前言 随着改革开放的大力推进， “十五”期间中国民航提出了建设民航强国的 战略构想。经过五年的努力，民航业的运输能力、综合实力和国际地位均有显著 提高。 根据国家统计局统计公报，2006 年民航货物运输总量达到 34934 万吨，比 上年增长 13.9%，货物运输周转量达到 94.3 亿吨公里，比上年增长 19.5%；2006 年民航旅客运输总量达到 15961.3 万人，比上年增长 15.4%，旅客运输周转量达 到 2369.9 亿人公里，比上年增长 15.9%1。据统计， “十五”期间，全行业固 定资产总投资 947 亿元，比“九五”期间增加 30 亿元。改建和扩建了一大批 机场，并新增机场 21 个。到 2005 年底，全国共有民用运输颁证机场 142 个。空 管建设项目总投资约 78 亿元。特别是北京、上海、广州三大区域管制中心的相 继建成投产，使中国民航空管系统技术水平大幅度提升。供油系统储油能力已达 到 166 万立方米，比 2000 年末增加 38 万立方米。 面向未来，中国民航正站在一个新的历史起点上。适应国家经济社会发展的 需要和建设民航强国的要求， 民航总局提出建立新一代民用航空运输系统的宏伟 构想，新一代民用航空运输系统的目标是： ? 带有前瞻性地综合改进和发展机场设施； ? 建立新型的高效、透明、多层次、非干扰式的机场安全检查系统； ? 充分应用新科技，改变空中管理的理念，建立一个适应能力强的空中交 通管理系统； ? 建立行业综合性公共信息网络平台； ? 建立法制、科学、综合、积极主动式的安全管理系统； ? 全面、系统地提高天气观测和预报水平，大大减少天气对飞行的影响； ? 建立适应国际新技术、新标准、新程序的适航审定系统； ? 全面建设有中国传统文化特色的企业文化和行业文化。 目前我国经济仍处于新的较快增长期，旅游业和货物贸易将快速增长，北京 奥运会、上海世博会和广州亚运会等重大国际活动即将举办，海峡两岸经济技术 文化交流将不断增加。国内外环境总体上对民航发展有利。但是，随着航空运输 需求的快速增长，人员素质跟不上、基础设施跟不上、管理水平跟不上和可用空 域资源紧缺等问题日益突出， 特别是飞行人员短缺和可用空域资源紧缺是制约我 国民航发展的两大瓶颈。展望未来，机遇和挑战并存。中国民航业应当紧紧抓住 区域空中交通容量动态评估研究 - 2 - 机遇，应对各种挑战，解决影响发展的矛盾和瓶颈，逐步由“民航大国”成长为 “民航强国” 。 1.2 容量评估的意义 空域容量是空域系统所提供服务能力等级的体现，是指在一定的系统结构 （空域结构、飞行程序等） 、管制规则和安全等级下，考虑可变因素（飞机流配 置、人为因素、气象因素等等）的影响，该空域在单位时间内所提供或者能提供 多少架次航空器的服务。容量可以分为实际容量和理论容量（又称为饱和容量、 极限容量） 。23 实际容量：指定时间内，对应于一个可接受的延误水平（国际民航组织规定 为 15 分钟）的飞机服务架次。 理论容量：指定时间内，在持续服务请求下的最大飞机服务架次。 （持续服 务请求是总有飞机在等待进入或离开该空管单元。 ） 随着航空运输需求的快速增长，空中交通拥挤现象日益严重。造成空中交通 拥挤的原因是多方面的，如管制技术和设备的落后，空域结构的不合理，以及飞 行程序的复杂等等。在长期规划上，可以通过建设机场和跑道来增加空中交通网 络的容量，但这种策略在执行过程中并不容易实现，而且其效果的出现也要经过 一段较长的时间；另外一个行之有效的解决方法就是采用空中交通流量管理 （atfm） 。所谓空中交通流量管理就是为了空中交通安全、有序、迅速地流动 而设置的服务，以保证最大限度的利用空中交通系统（atc）的容量，并使交通 量与空中交通服务（ats）公布的容量相一致。 实施流量管理的关键是对空域容量进行科学的、客观的估计。在流量管理问 题的研究过程中， 总是把空管系统中的一些容量限制单元作为数学模型的主要约 束。容量评估是流量管理的基础和前提，容量评估的准确性直接影响到流量管理 实施的效果。容量评估分为静态容量评估和动态容量评估。静态容量评估为制定 战略流量管理方案提供科学依据。动态容量评估作为现有容量评估方法的补充， 在发生恶劣天气等对空域容量有重大影响的事件时评估空域容量， 为制定预战术 或战术流量管理方案提供强有力的支持。 1.3 国内外研究现状 自 20 世纪 40 年代末期 bowen 等人首次研究跑道容量评估问题以来，直至 90 年代末 david a. lee 建立了机场容量和延误模型，学者们对空域容量评估方 法的研究主要集中在理论探索上。80 年代后期，计算机技术的飞速发展使得空 域仿真方法成为容量评估的主要手段，出现了诸如 taam（total airspace and 南京航空航天大学硕士学位论文 - 3 - airport modeler） 、 simmod （airport and airspace delay simulation model） 、 rams （re-organized atc mathematical simulator）和 asmes（空域管理与评估系统） 等成熟的评估软件，空域容量评估理论和方法日臻完善。 1.3.1 跑道容量评估 idris hr 等人研究表明，跑道是空中交通系统中最容易形成“瓶颈”的子系 统4。bowen、blumstein 和 harris 等人通过研究起飞流、到达流的特征来研究跑 道容量评估问题。1948 年 bowen 和 pearcelf 最早提出假定服从泊松分布的到达 流模型5；1959 年，blumstein 在对跑道的容量问题研究过程中，分析了跑道的 降落容量与间隔要求、下滑道的长度、飞机速度之间的关系，并且首次提出最大 容量的概念6；1969 年，harris 首次考虑了导航设备的误差和人的因素，提出的 飞机间隔误差服从正态分布的假设，被后人广泛应用到单跑道容量评估模型中 7。1999 年，胡明华教授考虑了诸如机队混杂、跑道使用优先权、空管规定等因 素的影响，首次对单跑道实际容量评估问题进行了研究，从理论上提出了估计跑 道容量的数学模型和方法，并通过实际数据验证了模型的正确性8。蒋兵等人从 管制员的角度出发，分析了影响跑道容量的因素，建立了到达容量和离场容量估 计模型，给出了多种情况下跑道容量的计算方法。9 1.3.2 机场容量评估 早期，研究者在进行机场容量研究过程中，往往只考虑跑道的影响，认为跑 道的容量就是机场容量 1013。 之后， 研究者通过分析机场运行的航班历史数据， 使用基于经验和统计数据的数学模型来研究机场容量。newell 等人根据观察机 场繁忙时段的 15 分钟之内的进离场航班量，分析了起飞流与到达流之间相互依 赖的关系，总结出了凸状容量曲线6714。eugene p. gilbo 在研究机场容量问题 时，进一步分析了进离场容量之间的依赖关系，通过动态分配进离场容量来优化 机场运行15。william r. voss 和 jonathan hoffman 分析了机场运行数据，找出了 诸如滑行时间过长等限制机场容量的因素16。1998 年，david a. lee, coroline nelson 和 gerald shapiro 在总结前人经验的基础上， 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17。胡 明华教授和刘松等人在 1999 年针对单跑道机场容量评估做了大量的工作，研究 了单跑道三种使用策略（起飞、降落、起飞/降落）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，验证了模型的正确性和实用 性7。 1.3.3 终端区容量评估 gene 和 marner 在 1970 年首次将针对跑道的容量概念扩充到终端区，初步 区域空中交通容量动态评估研究 - 4 - 探讨了终端区以及航路的容量评估问题，但是他们没有给出容量的计算方法18。 1981 年，milan janic 和 vojin tosic 在此基础上对终端区容量估计问题作了初步 的研究，对空域结构作了很大程度的抽象和简化，建立了估计终端区容量的模型 1920。1999 年胡明华和张志龙、杜竣等人对终端区进行了研究，讨论了影响空 域系统容量的诸因素，建立了航路交叉点的容量估计模型，先后用网络流理论和 仿真的方法分析了终端区的容量212223。日本电子导航研究所的 noriyasu tofukuji 教授对日本东京机场进行了调查和统计分析，他根据在交通繁忙的情况 下，管制员工作的完成情况来判断容量极限是否达到，从而推算出终端区管制扇 区的实际容量24。1977 年，k. schmidt 用排队论的观点对管制员的工作负荷进 行了分析，讨论了管制员对例行事件的处理时间、扇区的交通流量与航班延误之 间的关系25。 1.3.4 计算机仿真研究 20 世纪 70 年代以后，电子计算机技术的飞速发展为复杂系统的建模实现提 供了技术支持26。空域容量评估逐步从理论研究转向计算机仿真研究，相继出 现了用于不同空域的容量评估系统。计算机仿真研究考虑空域结构、管制规则、 机队结构等因素，模拟航空器在空中交通系统中运行，最后对仿真数据进行分析 计算，根据用户需求生成评估报告。 详细模拟机场地面航空器的实际运行过程是评估机场容量的一个主要方法。 1970年nbs （national bureau of standard） 为faa （federal aviation administration） 开发了 delcpa 模型，考虑跑道布局、间隔规定和机队结构，通过对机场空侧 的相关操作进行建模来评估机场容量。1974 年 stemphen l. m. hockaday 和 donald maddison peat 等人研究了航空器在登机门、滑行道和跑道的运行特征， 为日后机场地面交通仿真研究奠定了基础27。另一个方法是模拟机场运行的航 班流整体特征来评估机场容量。2000 年，kari anderson 等人对美国繁忙机场的 动态性进行了研究，建立两个排队模型用于描述航空器 taxi-in 和 taxi-out 过程， 并用一个整数规划模型来描述航空公司在考虑航空器周转时间情况下的决策过 程28。 justin boesel 和蒋兵等人考虑 mit（miles-in-trail）限制、管制员能力水平 等因素，采用航迹融合技术，根据终端区各个进出点的航班比例，分别对 detroit-wayne 终端区和北京终端区容量进行了仿真评估2329。 自 2001 年以来，胡明华教授带领空域容量评估小组，利用多年积累的理论 基础，逐步设计并完善了机场容量评估系统、终端区容量评估系统和航路容量评 估系统，为我国空中交通管理系统的建设提供了技术支持。3035 由 mitre 公司为 faa 开发的中层次事件驱动仿真模型： naspac （national 南京航空航天大学硕士学位论文 - 5 - airspace system performance analysis capability） ，将 nas 系统表示为由机场、 进离场定位点、航路扇区等资源组成的网络，评估空中交通系统中某些环节变化 对系统中其他部分交通的影响3637 38。在自由飞行概念的前提假设下，hanif d. sherali 等人开发出 aom（airspace sector occupancy model）和 aem（aircraft encounter model）模型，用以计算国家空域扇区占用率和交通冲突分析39。 richard western 等人首先给出了 hpm（human performance model）模型，结合 am（airspace model）模型，研究了 ce6（concept element 6）下的空域运行状 况40。 空中交通系统的复杂性使得仿真系统的计算性能尤为重要。frederick wieland 等人利用并行/分布式算法、quad tree 算法以及平行亲近算法，来提高 仿真系统的计算速度414243。seungman lee 和 yue xie 等人提出了基于 agent 的混合系统仿真技术来分析复杂的空域系统44 45。alexandre m.bayen 研究了 milp 算法在空域建模中的应用4647。对空域仿真系统的模型验证问题，melvyn cheslow 等人提出了用来校验仿真模型精确性与可靠性的验证程序，包括逻辑验 证、输入数据验证、计算模型正确性验证与运行验证48。 simmod 是由 faa 组织开发的事件驱动仿真模型，详细模拟一个机场或几 个相邻的机场，以及其所属终端区的运行情况，给出航班延误、燃油消耗和空域 容量等指标49。taam 是由澳大利亚民航局与普瑞斯通公司联合开发，用来模 拟整个空中交通系统的运行状况，为空中交通管理者如何提高空域资源、机队资 源和人力资源的利用率、减少延误与成本等提供建议。rams 是由在法国的 bretigny 欧洲试验中心（eec）开发的仿真工具，模拟航空器从起飞到降落的所 有过程，用以评估空域运行状况及管制员工作负荷。asmes 是由南京航空航天 大学民航学院、民航数据通信公司、四川大学智胜软件公司和中国民用航空大学 联合开发的空域管理与评估系统，对主要空中交通管理数据的可视化管理，并利 用先进模型算法对机场、终端区、管制区和航路的交通容量进行科学评估。 1.3.5 区域容量评估 机场、终端区和扇区的容量评估技术已日趋成熟。目前还没有学者对区域容 量评估展开相关研究工作。究其原因：第一，空中交通拥挤最早出现在机场、终 端区，近几年才蔓延到航路和区域；第二，不同国家的空域使用情况有所差异。 在欧美等国家，空域的使用者主要是民航用户，航路飞行可用空域资源丰富。区 域空域并不是空中交通系统的瓶颈。相比之下，我国的空域使用受军航限制，航 路飞行可用资源匮乏。随着航班量持续增长，在我国的空中交通系统中出现了大 面积的区域航路拥挤，造成航班延误。探讨科学的区域容量评估技术迫在眉睫。 区域空中交通容量动态评估研究 - 6 - 1.4 本文的主要工作 本文主要研究了区域空中交通容量评估问题。全文的内容安排如下： 第一章第一章 绪论绪论 介绍了课题的研究背景和研究意义，对现有的跑道容量评估、机场容量评估 和终端区容量评的理论方法进行了综述， 总结归纳了现有的计算机仿真模型及评 估系统，并简述本文的主要工作。 第二章第二章 区域空中交通分析与建模区域空中交通分析与建模 综合考虑区域空域结构、交通流向和管制规则等诸多因素，分析航空器运行 特征、区域空域运行特征，对航空器速度调整、航路引导、高度调整和空中等待 四种状态建立数学模型；总结区域飞行中的三种主要的冲突；分析与改进空中交 通拥塞传播的拉格朗日模型，估算航路和区域的容量。 第三章第三章 区域空中交通仿真模型区域空中交通仿真模型 阐述区域空中交通容量评估问题的特征描述和建模描述， 构建区域空中交通 仿真模型。 第四章第四章 区域容量评估系统设计与实现区域容量评估系统设计与实现 在区域空中交通仿真模型的基础上，设计并开发了区域容量评估系统。重点 实现区域空中交通仿真的冲突探测和解脱算法。 第五章第五章 厦门区域容量评估结果与分析厦门区域容量评估结果与分析 介绍厦门区域的概况，分析厦门区域的历史航班数据。通过设置仿真实验， 评估 6 种不同运行方式下厦门区域内各空域单元的容量，并对结果进行分析。 第六章第六章 结束语结束语 对全文的工作进行总结，对容量评估问题进行展望。 南京航空航天大学硕士学位论文 - 7 - 第二章 区域空中交通分析与建模 2.1 引言 空域又称可航空间，是空中交通工具在大气空间中的活动范围，它具有法律 属性、 自然属性和技术属性2。 管制空域是指在该空域范围内， 为目视飞行 （vfr） 和仪表飞行（ifr）提供特定的空中交通管制服务的空域。为了更好地管理空中 交通，将管制空域划分为高空管制区（high altitude area） 、中低空管制区（low altitude area） 、 进近 （终端） 管制区 （terminal area） 和机场管制区 （airport zone） ， 如图 2.1 所示。 我国的民用航空管制区域分为塔台管制区、进近管制区和区域管制区，分别 由塔台、进近管制中心和区域管制中心提供空中交通服务。 图 2.1 管制空域划分 区域管制区是指在国家领空内 7000 米（含）以上空间划分的若干高空管制 区，7000 米（不含）以下与进近管制空域之间划分若干中低空管制区。区域管 制中心是空中交通管制系统的关键机构， 对管制区内的飞行统一实施空中交通管 制，提供准确的飞行动态，实施飞行调配，保证区域空中交通安全和通畅。 区域容量：即区域空中交通容量，是指考虑区域空域结构、管制规则和航路 区域空中交通容量动态评估研究 - 8 - 航班流比例等因素，区域管制空域在单位时间内所能提供的服务能力。 与终端区空中交通和机场地面交通不同，区域空中交通具备如下特点： 1. 航空器飞行高度高、速度快。航空器飞行高度高、速度快。 航空器巡航时飞行高度大多在 6000 米以上，速度在 800 公里/小时左右，需 用较长距离来改变飞行姿态。以转弯为例，航空器建立坡度的时间为 5 秒，通信 系统延迟时间为 6 秒，飞行员反应和操作时间为 6 秒，那么航空器完成转弯时已 飞行的距离为 3.7 公里。 2. 区域空域结构复杂，可用空域资源限制因素多。区域空域结构复杂，可用空域资源限制因素多。 根据空中交通管理规则， “航空器进行航路和航线飞行时，应当按照所配备 的飞行高度层飞行” 。50 真航线角在 0 度至 179 度范围内的，飞行高度层按照下列方法划分： ? 高度由 900 米至 8100 米，每隔 600 米为一个高度层； ? 高度在 9000 米以上，每隔 1200 米为一个高度层。 真航线角在 180 度至 359 度范围内的，飞行高度层按照下列方法划分： ? 高度由 600 米至 8400 米，每隔 600 米为一个高度层； ? 高度在 8400 米以上，每隔 1200 米为一个高度层。 除了上述的高度层使用要求外，影响可用空域资源的因素还包括： ? 区域内航路、航线网络的结构； ? 军用空域的分布及其使用情况，包括军用训练空域、军用机场穿云航线 及其使用情况； ? 危险区、限制区、禁区的分布情况； ? 地形及障碍物分布情况； ? 通信、导航、监视设施的种类和分布情况； ? 军航活动时，限制使用的航路、航线高度、移交高度； ? 与相邻区域管制室的空域耦合、协议； ? 与相邻进近管制室的空域耦合、协议。 3. 航班流汇聚、分散或交叉，带来潜在的飞行冲突。航班流汇聚、分散或交叉，带来潜在的飞行冲突。 区域内航路网络结构以及区域与相邻空域单元的空域耦合，使得交通流汇 聚、分散或交叉，导致了潜在交通冲突的产生，如图 2.2 所示。 南京航空航天大学硕士学位论文 - 9 - 图 2.2 厦门区域航班航迹 4. 军航活动与恶劣天气的影响，进一步增加了管制工作的难度。军航活动与恶劣天气的影响，进一步增加了管制工作的难度。 区域内的军航活动时，要求民用航空器使用（或限制使用）特定高度层，造 成可用空域资源的紧缺。 台风、 雷雨等恶劣天气严重影响了空中交通的正常运行。 这些特殊情况为管制员调配飞行高度和速度、解决飞行冲突增加了难度。 综上所述，区域空中交通的运行受航空器运行状态、空域结构、交通流向和 管制规则等诸多因素的影响，这些影响通过空域和空中交通的运行过程得以体 现。本章将从这三个方面出发，对区域空中交通进行分析与建模，总结归纳区域 空中交通冲突，研究空中交通拥塞的传播，估算航路区域空中交通容量，以此作 为第三章建立区域空中交通交通仿真模型的基础。 本章节的组织如下： 在 2.2 节中，分析空中交通的主体航空器的运行特征及其限制，建立航 空器混合模型。 在 2.3 节中，结合区域空中交通管制的实际，总结归纳区域空中交通管制中 三种类型的交通冲突。 最后， 在 2.4 节分析讨论空中交通拉格朗日模型， 探讨空中交通拥塞的传播， 并根据交通拥塞不再传播的条件，推导航路容量与区域容量。 2.2 航空器运行特征 在区域中飞行的航空器的运行特征，与其在进近阶段、地面运行阶段的运行 特征有较大的差异。区域管制员经常采用雷达引导、高度调整和空中等待等管制 区域空中交通容量动态评估研究 - 10 - 手段来指挥空中交通。表 2.1 中列出了区域飞行航空器可能的运行状态。受管制 指令的限制，一架航空器可能的状态改变如图 2.3 所示。 表 2.1 航空器运行状态列表 序号 运行状态 1 航向引导飞行 2 盘旋等待 3 最小上升率上升 4 正常上升率上升 5 最大上升率上升 6 最小巡航速度巡航 7 标称巡航速度巡航 8 最大巡航速度巡航 9 最小下降率下降 10 正常下降率下降 11 最大下降率下降 12 捷径飞行 13 绕路飞行 标称巡航速度最小巡航速度最大巡航速度 正常上升 正常下降 最大下降率 下降 盘旋等待 图 2.3 航空器的状态转移图 南京航空航天大学硕士学位论文 - 11 - 将区域中飞行的航空器视为一个混合系统（hybrid system） ，为其建立混合 模型，以便描述表 2.1 中的各种状态以及在这些状态之间的转变。混合模型 （hybrid model）由一系列连续模型组成，每一模型表征航空器的运动特征和状 态。在混合模型中，可以由一个模型跳跃到另一模型。航空器 i 的数学模型 i f 可 以表示如下： 01 ( , ),( , ),( , ) n ttt iiii ffx vfx vfx v= ? ? ? ? （2-1） 其中： n-1 t i f( x,v) ? ? ：航空器 i 在 1nn tt 时间内的运动方程； 3 xr ? ：航空器 i 的空间位置(x,y,z)； 3 vr ? ：航空器 i 的速度。 并且： i dx v dt = ? ? (2-2) 以下将分析航空器的速度调整、航路引导、高度调整和空中等待四种主要的 运行状态，并根据区域空域运行特征为其建立相应的动态模型。 2.2.1 速度调整 为了便于雷达管制或减少雷达引导， 管制员通常要求在其管制下的航空器以 指定的方法调整飞行速度。当航空器使用指示空速时，指定速度为 20 千米小 时的倍数；当使用马赫数时，指定速度为 0.01 马赫数的倍数。 航空器在执行调整速度的过程可以用如下方程描述： _currentheading modified_speed vv= ? ? （2-3） 其中： _currentheadingv ? 为航空器调整前的速度， _modifiedspeed v ? 为调整后的速度， r + ，的取值范围规定了模型中的调速范围（如10%） 。 航空器通过任何航段的速度都必须保证在一定范围之内。 该速度范围用三个 参数表示：航段上的最大允许速度（max speed） 、最小允许速度（min speed） 和标称速度（nominal speed） 。在没有约束限制时，航空器总是使用标称速度巡 航。当有运行限制时，航空器将根据管制实际，采用最小、最大允许速度之间的 速度飞行。因此，在空域运行过程中，速度限制可以表示为航空器在通过航段的 速度v必须满足以下约束： legleg minmax vvv （2-4） 其中： leg min v为航段上航空器的最小允许速度， leg max v为航段上航空器的最大允许速 度。结合公式（2-3）和（2-4） ，可计算出的取值范围。 区域空中交通容量动态评估研究 - 12 - 2.2.2 航路引导 航空器在空域内飞行时，即使以最小速度通过航段，在进入下一航段也不能 满足所需间隔时， 必须通过航路引导来增加航空器在此航段的额外飞行时间以满 足限制。增加的航段飞行时间定义为航段引导时间。 航路引导的指令通常有航向引导 （vector-for-spacing， vfs） 和捷径 （shortcut） /绕路（detour） 。 航向引导：为了控制航空器之间的间隔，需要引导航空器先偏离航线，然后 再回到原航线上。如图 2.4 所示，在航路点 i wp和航路点 1i wp+之间，航空器的运 动过程可以描述为： _1_ _22_1 partcurrentheading partpart vrv vrv = = ? ? (2-5) 其中：为航空器偏离原航线的角度，r和 2 r 为角度的旋转矩阵， _1part v ? 为偏离航线飞行的速度， _2part v ? 为返回原航线的速度，由管制员给出。 图 2.4 航向引导 捷径/绕路：通过引导航空器走捷径或者绕路，相应地缩短或延长时间，以 避开交通冲突： _modified_speedcurrentheading vrv = ? （2-6） 航路引导时，应当考虑到该航路周围的空域状况，如危险区、限制区和禁区 的划设，以及恶劣天气等情况。因此，式（2-5）和（2-6）中的的取值范围应 满足： legleg minmax (2-7) 其中： leg min 为航段上航空器的最小允许引导角度， leg max 为航段上航空器的最 大允许引导角度。 2.2.3 高度调整 航空器在区域飞行的巡航高度一般都在 6000 米以上。多次调整高度有以下 南京航空航天大学硕士学位论文 - 13 - 原因： 1. 满足航空器飞行剖面要求； 2. 满足与下一管制单位的移交协议； 3. 避免空中交通冲突； 4. 避开恶劣天气； 5. 军航活动时，要求民用航空器使用特定的航段、航路高度层，航空器不 能使用或穿越限制航段上规定的高度层，如图 2.5 所示。 图 2.5 高度层使用限制 调整高度的过程可以表示为： _modified_speedcurrentheading vrv = ? (2-8) 其中： r + ：实际上升/下降速度与正常上升/下降率间的比值； ：航空器的上升/下降的角度； r：的旋转矩阵。 区域与其他管制单位的移交协议中， 规定了不同航空器通过移交点时需要满 足的高度。因此，航空器的位置参数 i x ? 中的高度分量z应满足： introutepo constrant zh (2-9) 其中： introutepo constrant h为航路点限制高度。 2.2.4 空中等待 空中等待从等待原因上划分，可分为主观型空中等待和客观型空中等待。主 观型空中等待是指在某一空域内出现超流量的情况下， 管制员直接指挥相关航空 器进入空中等待区进行等待。 客观型空中等待是指航空器在飞行过程中遇到目的 地机场有恶劣天气、 机场设备损坏、 飞行航路上有空军活动等原因而造成的等待。 两种等待都存在着一定的临时性或不确定性。一个标准的空中等待程序如图 2.6 所示。 区域空中交通容