空域规划与管理

1,现代空中交通管理,空域规划与管理,国家空管新航行系统技术重点实验室,2,空中交通管理,3,主要内容,空域概念空域规划与管理我国航路网规划我国RVSM安全评估与监视,4,5,一空域概念,空域的定义地球表面以上可供航空器飞行的空气空间同国家的领土、领海一样，是国家经济社会发展的重要战略资源空域的属性自然属性空域自身所固有的物理、化学等属性社会属性由于人参与使用空域资源而形成的社会属性技术属性航空通信、航空导航、航空监视等技术形成的信息场,6,一空域概念,空域的属性（续）自然属性：介质性：以空气为介质，决定航空器的运动原理和运动特点有限性：具有一定的空间位置、界限和容量，稀缺资源连续性：围绕地球的一个连续整体，航空器可实现不间断飞行社会属性：主权性：国家对其领空拥有完全的、排他的主权公共性：空域资源属于整个社会所有，为社会公众服务安全性：飞行安全和国土防空安全经济性：具有使用价值、并可重复使用主权性和经济性统称空域的资源性,7,一空域概念,空域的属性（续）技术属性通信技术，包括VHF、HF、SATCOM等形成的通信场导航技术，包括VOR、NDB、DME、GNSS等形成的导航场监视技术，包括PSR、SSR、ADS等形成的监视场指标包括：所需通信能力（RCP）所需导航能力（RNP）所需监视能力（RSP）所需空中交通管理能力（RATMP）,8,一空域概念,空域的属性（续）技术属性,陆基CNS信息场垂直分布,陆基CNS信息场水平分布,9,一空域概念,空域的用户公共运输航空以营利为目的，使用民用航空器为他人提供旅客、行李、邮件或者货物运送服务的飞行活动军事航空军事性质（包括国防、警察和海关）的所有飞行活动通用航空从事公共航空运输以外的民用航空活动，包括从事工业、农业、林业、渔业和建筑业的作业飞行以及医疗卫生、抢险救灾、气象探测、海洋监测、科学实验、教育训练、文化体育等方面的飞行活动,10,一空域概念,空域管理与空中交通管理,空中交通管理的根本在于空域管理,11,一空域概念,空域的基本要素点：导航台定位点位置报告点线：航路航线飞行程序域：飞行情报区管制区特殊空域,12,一空域概念,空域种类包括飞行情报区、管制区、特殊空域等为了确保空域的安全、有序和充分利用，满足不同空域用户的需求和空管资源的最优配置实质：是人员、设备、服务等一系列标准的集合决定因素：空域结构特征交通流密度所要求的安全等级水平国家和公众的利益,13,空域种类,飞行情报区FIR，flightinformationregion提供飞行情报服务的空域范围情报包括机场状态、导航设备的服务能力、气象、突发事件以及特殊飞行限制实现安全、有效飞行我国划设9个飞行情报区,14,空域种类,管制区提供空中交通管制服务的空域范围垂直方向可划分为高空、中低空管制区水平方向可划分为多个管制区或多个扇区我国划设21个管制区,15,1.3空中交通管理,空中交通管制服务(ATC)这是空中交通服务的主要部分，又分为3部分。机场/塔台管制服务：机场控制；进近管制服务：在飞机离场或到场时的管制；区域管制服务：在航路上的管制；,16,1.3空中交通管理,空中交通管制服务(ATC)这是空中交通服务的主要部分，又分为3部分。机场/塔台管制服务：机场控制；以机场基准点为中心，水平半径50公里，垂直高度7000米（不含）以下的空间,17,1.3空中交通管理,空中交通管制服务(ATC)这是空中交通服务的主要部分，又分为3部分。进近管制服务：在飞机离场或到场时的管制；进近管制区是塔台管制区与区域管制区的连接部分，是机场管制区域除塔台管制区外的空间；,18,1.3空中交通管理,空中交通管制服务(ATC)这是空中交通服务的主要部分，又分为3部分。区域管制服务：在航路上的管制；区域管制区，7000米（含）以上为高空管制区，7000米（不含）以下为中低空管制区；,19,空域种类,特殊空域危险区：对空射击、对空发射限制区：军事训练、兵器试验禁止区：敏感区域、重要目标放油区：机场周边预留区：飞行表演、编队飞行,20,空域分类,21,空域分类标准,国际民航组织空域分类建议基于服务标准的分类包括A、B、C、D、E、F、G七类空域各类空域的管制服务等级及对航空器准入要求依次降低A类空域：IFR飞行，管制服务+情报服务G类空域：IFR+VFR飞行，情报服务IFR：Instrumentflightrules，仪表飞行规则VFR：Visualflightrules，目视飞行规则,22,空域分类标准,美国空域分类标准绝对管制空域（A类空域）高度范围为18000英尺到60000英尺之间，高空航路管制空域（B、C、D、E类空域）B类：地表至10000英尺，繁忙机场终端区C类：地表至4000英尺，机场雷达服务区，中型机场终端区D类：地表至1000英尺，管制地带，拥有管制塔台的小机场E类：除A、B、C、D类空域范围以外的管制空域非管制空域（G类空域）：不提供管制服务，通用航空特殊空域,23,24,空域分类标准,欧洲空域分类标准“单一天空”未知交通环境空域(UnknownTrafficEnvironment)部分获知交通环境空域(KnownTrafficEnvironment)已知空中交通环境空域(iNtendedTrafficEnvironment),25,空域分类标准,澳大利亚空域分类标准,26,我国空域的特点,我国现行的空域管理体制在国家空管委领导下，由空军负责统一组织实施，民航空中交通管理部门和军航飞行管制部门分别对航路内外的航空器提供管制指挥服务军航向民航移交航路管制权1994年4月，移交京广深航路1996年6月，移交京沪、沪广航路2000年6月，移交全国范围内26条航路民航航路共29条，宽度20公里，总里程42665公里民航空域资源仅占20%（美国为82%）,27,我国空域的特点,中美空域对比,28,我国空域的特点,我国空域分类标准遵循国际民航组织空域分类建议民航总局122号令民用航空使用空域办法和86号令空中交通管理规则中规定：A类：高空管制空域B类：中低空管制空域C类：进近管制空域D类：机场管制地带尚未规定非管制空域类型低空空域与通用航空问题,29,中美通用航空产业对比,30,据GAMA（美国通用航空制造商协会）统计，2008年通用航空产业及相关的服务创造的产值超过美国GDP的1%，相当于美国石油工业的贡献澳大利亚、加拿大、巴西等国家的通用航空也较为发达。,167亿欧元的产值，16.5万个就业岗位,1500亿美元的产值120万个就业岗位,2006年中国通用航空市场规模约为17.9亿元人民币，从业人员8000余人,效益对比,31,主要内容,空域的概念空域规划与管理2.1空域规划与管理概念2.2国内外发展现状我国航路网规划我国RVSM安全评估与监视,32,2.1空域规划与管理概念,空域规划旨在确定空域及各组成要素的建设目标，设计达到这些目标的策略、过程与方案空域管理依据既定空域结构条件，实现对空域的充分利用，尽量满足空域使用各方的需求空中交通管理规则空域评估是对空域规划与使用方案的价值或状态进行定性、定量的分析说明和评价的过程,33,2.1空域规划与管理概念,空域规划战略规划（宏观）飞行间隔标准制定空域分类标准制定网络规划（中观）干线航路网络规划终端区网络规划管制扇区配置航路设计（微观）RNAV平行航路划设飞行程序设计,34,2.1空域规划与管理概念,空域规划战略规划（宏观）飞行间隔标准制定空域分类标准制定网络规划（中观）干线航路网络规划终端区网络规划管制扇区配置航路设计（微观）RNAV平行航路划设飞行程序设计,35,2.1空域规划与管理概念,空域规划战略规划（宏观）飞行间隔标准制定空域分类标准制定网络规划（中观）干线航路网络规划终端区网络规划管制扇区配置航路设计（微观）RNAV平行航路划设飞行程序设计,36,2.1空域规划与管理概念,空域规划战略规划（宏观）飞行间隔标准制定空域分类标准制定网络规划（中观）干线航路网络规划终端区网络规划管制扇区配置航路设计（微观）RNAV平行航路划设飞行程序设计,37,2.1空域规划与管理概念,空域管理战略管理：建立空域结构及使用方案预战术管理：制定空域使用分配计划战术管理：实时使用空域,38,2.1空域规划与管理概念,空域管理战术管理空域灵活使用飞行冲突探测飞行冲突解脱,39,2.1空域规划与管理概念,空域评估空域运行评价体系：技术性能、经济性能等量化指标及评价模型空域运行安全评估：机-机、机-地碰撞风险模型技术风险、运行风险评估空域运行容量评估：机场场面、跑道、终端区、航路等空域要素容量计算模型空域运行管制负荷评估空域运行效益评估,40,2.1空域规划与管理概念,空域规划与管理的本质空域规划：空域结构优化设计空域管理：空域资源合理分配空域评估：空域运行效能评价,空域规划,空域管理,空域评估,41,2.2国内外发展现状,欧洲二十世纪八九年代，欧洲航空导航规划组织相继提出欧洲地区主干航路网络规划计划（ARN）：面向整个欧洲空域中短期规划的滚动计划至今已经发展了六个版本2000年对法国空域进行全新设计2004年设计覆盖欧洲的航路主干网络1998年至2004年逐步实施空域灵活使用（FUA）、区域导航（RNAV）、缩小垂直间隔标准（RVSM）等,42,2.2国内外发展现状,欧洲2001年研制飞行程序设计与空域管理系统（FPDAM）：实现仪表、目视进离场飞行程序的辅助设计支持ICAO8168和FAATERPS等多种标准2006年启动欧洲空域网络动态管理（DMEAN）的框架计划：优化高空航路网络、协同空域流量运行、灵活使用空域等实现至2010年空域容量增长10%,43,2.2国内外发展现状,美国1998年，美国联邦航空局制定了“自由飞行”和国家空域系统（NationalAirspaceSystem,NAS）的发展战略2001年，在NAS运行概念框架下，启动了国家空域重组计划（NationalAirspaceRedesign,NAR），包括高空空域重组（HighAltitudeRedesign,HAR）和终端区空域优化设计（TerminalAreaAirspaceRedesign,TAAR）两部分2005年，在美国全境实施缩小垂直间隔标准（RVSM）2006年，美国西部划设RNAV高空航路,44,2.2国内外发展现状,45,2.2国内外发展现状,我国2005年启动低空空域管理试点工作2006年开始研究航路网络规划实施计划（ARNP）2007年全国空域实施缩小垂直间隔标准（米制RVSM）2008年推广基于性能的导航（PBN）飞行程序设计研究京沪、京广RNAV平行航路实施方案“十二五”期间完善全国空域分类标准（重点是非管制空域）适时有序放开低空空域，推进通用航空产业发展优化空域结构，重新设计全国航路主干网,46,主要内容,空域规划与管理概念国内外空域特点我国航路网规划3.1规划背景3.2规划目标3.3关键技术3.4规划方案我国RVSM安全评估与监视,47,3.1规划背景,基于局部调整的航路布局,航路网布局结构问题,航空运输业蒙受经济损失,民航流量增长,航路网必须全局规划,48,3.1规划背景,现行航路网的问题干线航路结构单一，缺乏可供灵活选择的航路部分重要城市对和主要交通流向之间缺乏直通航路连接大机场群的航路与终端区的过渡航路不尽合理部分主要国际、地区航路容量饱和造成航班延误部分重要交通带航路结构不顺目前弥补航路网缺陷的做法采用“头痛医头，足痛医足”局部调整法没有科学地对航路网进行全局的规划,49,针对我国航路网在发展中所暴露的结构性缺陷剖析评价航路结构运行现状，分析交通发展需求运用交通网络设计与优化技术结合空管导航服务保障的需求建立合理、高效的航路网络提出我国航路网规划方案的实施建议为国家空管决策部门制定相关政策、发展战略提供咨询建议,3.2规划目标,50,3.3关键技术,航路网络规划思路,51,3.3关键技术航路网络分析,目标空域运行特征统一描述难点运行特征描述的完备性运行特征量化的准确性研究技术空域技术性能特征分析空域服务质量特征分析,52,3.3关键技术航路网络分析,空域结构技术性能特征航路航线数量、类型、长度反映航路网的发达程度航路航线分布密度航路等级级配枢纽航路、干线航路、支线航路等不同等级航路的数量比交叉点密度一定程度上度量了网络的安全性,：航路网中航段数：航段的长度,：一定区域内交叉点数目：该区域面积,53,空域结构技术性能特征（续）航路网络连接度反映网络成熟度网络连接度越高，反映网络越成熟我国主干航路网络对应网络连接度J=2.60网络非直线系数衡量航路网整体的便捷程度大于等于1，越接近1，则其连接越便捷网络的非直线系数越高，飞行成本将越高而空域利用率越低我国主干航路网络的非直线系数为R=1.11,3.3关键技术航路网络分析,：第节点所邻接的边数M：网络总边数N：网络节点总数,：城市节点之间的飞机交通流量：城市节点之间的非直线系数,54,空域结构技术性能特征（续）可达性城市对班机在航路网络中飞行的最短路径的距离反映了班机从城市对间的易达程度可达性越小，航路网络的可通达性越好我国主干航路网络的可达性为1415.5公里,3.3关键技术航路网络分析,：城市节点之间的飞机交通流量：城市节点之间的最短路径长度,55,航路网络服务质量特征各要素的历史流量、预测流量各要素：航路点、航路航线、飞行情报区、高空管制区等流量特征包含年流量、月流量、日流量、小时流量,3.3关键技术航路网络分析,56,3.3关键技术航路网络分析,空域服务质量特征（续）运行成本飞机航油消耗、维修、折旧费用等折入飞机距离成本中航班平均延误拥挤度航路网单位时间内单位长度上的流量空域利用率越高，航路越拥挤,：飞机交通流量：路径长度：一定时间内路径的平均航班延误时间：航段的标准容量,57,空域服务质量特征（续）交叉节点潜在冲突系数反映航路网络运行的安全性系数越大，潜在冲突发生的可能性越大冲突持续时间,3.3关键技术航路网络分析,：对应交叉点各航路的流量：航路飞机平均速度：雷达管制下侧向间隔标准：交叉点不同航路夹角,58,航路网络运行分析民航可用空域资源紧张（不足20）民航流量持续快速增长（2016年飞行总量是2007年的2.4倍）主干航路网的作用突出（30的航段承担65的流量）现行航路结构不尽合理（航线非直线系数1.1，美国1.05）航路与终端区衔接复杂（东部繁忙地区较为明显）,3.3关键技术航路网络分析,59,目标航路网络的全局优化设计难点复杂加权网络灵活网络拓扑研究技术航路网层次设计模型枢纽主干航路网优化设计区域干线航路网优化设计区域支线航路网优化设计,3.3关键技术航路网络设计,60,航路网层次设计模型层次化设计流程节点重要度量化航路网层次划分,3.3关键技术航路网络设计,61,枢纽航路网优化设计建立枢纽航路网优化设计模型提出枢纽航路网规划模型的求解算法规划出枢纽航路网的优化布局方案,3.3关键技术航路网络设计,62,枢纽航路网优化设计初始化设计城市对直连：形成直连航路网络,3.3关键技术航路网络设计,63,3.3关键技术航路网络设计,调整策略,枢纽航路网优化设计初始化设计城市对直连：形成直连航路网络简化调整：合并邻近机场、共线调整、合并航路,64,枢纽航路网优化设计关键节点“选址”单目标约束优化问题目标函数：航线运行成本约束条件：关键节点可搜索空间,3.3关键技术航路网络设计,65,关键节点的实现流程图,枢纽航路网优化设计关键节点“选址”模型求解,3.3关键技术航路网络设计,66,枢纽航路网优化设计三区避让三区：危险区、限制区、禁止区多目标约束优化问题目标：经济性、安全性约束：“三区”限制处理方法：,3.3关键技术航路网络设计,67,链接线,枢纽航路网优化设计三区避让链接图法规划空间建模,3.3关键技术航路网络设计,68,枢纽航路网优化设计三区避让链接图法规划空间建模,3.3关键技术航路网络设计,69,枢纽航路网优化设计三区避让目标函数：安全性、经济性约束条件：避让三区,3.3关键技术航路网络设计,网络潜在冲突系数,规划路径在链接线移动,运行成本,70,优化结果,现行枢纽航路网,优化后枢纽航路网,3.3关键技术航路网络设计,71,目标量化空域及空中交通服务的效能难点空域运行的动态性空域组成要素繁多研究技术空域容量的数学建模基于管制负荷的容量评估基于空域运行仿真的容量评估,3.3关键技术航路网络容量评估,72,航路容量建模航路容量是指在航路入口点所允许的最大飞机放行率航路容量影响因素：航路的可用高度层、高度层的垂直间隔航路上航空器的纵向间隔导航、通信、监视设备的覆盖情况航路交叉点的数量、位置航路容量模型分为以下三种情况：航路中的飞机以平均速度飞行、不允许超越、允许超越,3.3关键技术航路网络容量评估,73,为航路上某一高度层的容量,为航路容量,定义为管制员实际管制间隔高于标准最小安全间隔的平均水平,3.3关键技术航路网络容量评估,基于平均飞行速率的模型,最小飞行间隔,航路长度,74,计算T并修正X后得：,3.3关键技术航路网络容量评估,不允许超越情况下的模型,航路长度,B飞入航路时，A距入口点距离,A飞出航路时，B距出口点X,75,不考虑航路上具体如何超越，只考虑航路的入口点。在航路入口点的某一高度层上，只要航空器之间的间隔满足规定的最小安全间隔就可以了,3.3关键技术航路网络容量评估,允许超越情况下的模型,76,基于管制负荷的容量评估容量定义（ICAODOC9426）：在管制员工作负荷处于饱和状态的时间段内，航班架次与时间的比值管制负荷类别：处理飞机冲突、高度穿越、移交、管制员协调等管制负荷计算方法其中i类负荷权值（秒/架次）i类负荷相关的飞机架次管制员间的协调负荷（秒）,3.3关键技术航路网络容量评估,77,基于管制负荷的容量评估容量评估观察时间片，如设为3分钟统计时间片内的，计算工作负荷统计模拟时间段内的飞行架次，容量为,3.3关键技术航路网络容量评估,78,基于空域运行仿真的容量评估,机场容量评估,终端区容量评估,3.3关键技术航路网络容量评估,航班延误随流量变化的统计,重要航路点的进、离场流量统计,79,方案一考虑禁区和危险区约束不考虑限制区约束,方案二考虑禁区和危险区约束和流量较小的限制区约束,方案三考虑全部禁区、危险区和限制区的约束,三套枢纽主干航路网方案,3.4规划方案,80,枢纽航路网优化设计流量分配结果,现行方案,方案一：禁区、危险区避让,方案二：三区部分避让,方案三：三区全避让,3.4规划方案,81,枢纽航路网优化设计评估结果,3.4规划方案,82,规划方案可行性分析政策可行性分析技术可行性分析空域资源可用性分析空管通信/导航/监视系统保障分析空管人员素质保障分析,VHF地面站6000米覆盖,SSR地面站6000米覆盖,3.4规划方案,DME台站对更新区6000米覆盖,规划方案与现行方案对比,VHF地面站6000米覆盖,SSR地面站6000米覆盖,83,3.4规划方案,规划方案可行性分析（续）经济可行性体现在运行成本的减少，以2007年客货运总成本为例客运总周转量为2776.33亿人公里，客运票价成本取0.75元/人公里货运总周转量为114.7亿吨公里，货运成本取3元/吨公里总运行成本2426.34亿元/年枢纽主干网承担65%的飞行流量，则运行成本为1577.13亿元/年,84,实施建议动态灵活空域使用建议条件航路（CDR）：流量较小的区域航路临时隔离空域：限制区和危险区跨境区域：东部沿海地区航路航线平行编组航路实施建议飞行流量在50架次/小时以上的航路段,3.4规划方案,规划方案一中的平行编组航路,规划方案二中的平行编组航路,规划方案三中的平行编组航路,85,主要内容,空域规划与管理概念国内外空域特点我国航路网规划我国RVSM空域的安全评估与监视4.1RVSM应用背景4.2RVSM安全评估与监视技术4.3在我国RVSM实施中的应用,86,减小地面延误对于接近最佳巡航高度的飞行，节省燃油约1%,4.1RVSM应用背景,增加空间容量改善运行效率保证飞行安全,7层13层，提升85,消除边境对头飞行有利于管制调配,飞行高度层缩小垂直间隔（RVSM）,87,全球实施RVSM的区域,已经实施的区域,尚未实施的区域,北大西洋3/97,88,我国实施RVSM的必要性,增加空间容量和改善运行效率的需要相对于缩小水平间隔(雷达管制、区域导航等)，实施缩小垂直间隔成本更低，效益更明显保证飞行安全的需要周边国家实施RVSM后，国境地带出现对头飞行提升我国国际地位与作用的需要我国是国际民航组织类理事国,89,安全评估,2007年11月22日零时,实施前，能否安全?公英制如何转换？公制高度层如何配备？是否符合安全目标水平（TLS）?航空器、人员、设备等是否准备好?,安全监视,实施后，能否持续安全?持续监测，确保满足目标安全水平航空器高度保持性能持续满足要求,我国实施RVSM面临的关键问题,90,公制RVSM飞行高度层,公英制转换的问题波音和空客飞机实际飞行时只能按照英制高度飞行，且按照100英尺取整我国公制高度层按照100米取整,91,我国公制RVSM飞行高度层方案,FL390,FL370,FL350,FL330,FL310,FL410,FL380,FL340,FL360,FL300,FL320,8400米27600英尺,11300米37100英尺,10700米35100英尺,10400米34100英尺,11900米39100英尺,10100米33100英尺,9500米31100英尺,11600米38100英尺,11000米36100英尺,9200米30100英尺,9800米32100英尺,12200米40100英尺,12500米41100英尺,公制高度层：600米至8400米之间垂直间隔为300米8400米至8900米之间垂直间隔为500米8900米至12500米之间垂直间隔为300米12500米以上垂直间隔为600米,公制RVSM空域,7800米25600英尺,8100米26600英尺,7500米24600英尺,英制RVSM空域,FL400,FL290,8900米29100英尺,92,4.2RVSM安全评估与监视技术,技术思路,93,4.2RVSM安全评估与监视技术,核心技术：垂直碰撞综合风险建模技术风险模型：Reich碰撞风险模型（CRM）运行风险模型：随机Petri网（SPN）飞机高度保持性能监视机载监视系统（GMS）地基监视系统（HMU/AGHME）,94,垂直碰撞综合风险建模,技术风险：由设备、系统误差导致的碰撞风险,运行风险：由飞行、管制人为因素导致的碰撞风险,95,垂直碰撞综合风险建模,ICAO规定的目标安全水平（TargetLevelofSafety,TLS）,技术风险:TLS2.5次事故/10亿飞行小时,总风险（技术风险运行风险）：TLS5次事故/10亿飞行小时,96,综合碰撞风险运行风险+技术风险,运行风险诱因分析,Reich碰撞风险模型,基于SPN的运行风险模型,综合碰撞风险模型,垂直碰撞综合风险建模,97,，其中为飞机纵向、横向、垂直方向上的碰撞概率,飞机碰撞风险建模经典碰撞风险模型CRMReich模型飞机模型（：飞机的长度、翼展、高度）碰撞模板邻近层（：空中交通管制对航空器所在高度层的间隔标准）,垂直碰撞综合风险建模,98,平行航路结构中的CRM：,垂直碰撞综合风险建模,：平行航路每飞行小时由于失去垂直间隔而导致的致命事故的次数,99,平行航路结构中的CRM：,重要参数：,航空器飞行速度及航空器间的相对速度,航空器尺寸,垂直重叠概率、侧向重叠概率（飞机性能）,相邻高度层、航路飞机同向、反向飞行的穿越频率（交通繁忙程度）,垂直碰撞综合风险建模,100,表示变迁,表示系统的状态,表示弧,基于随机Petri网（SPN）的动态过程建模,垂直碰撞综合风