【《机场消防站选址相关基本模型综述》7800字】

-7-机场消防站选址相关基本模型综述目录TOC\o"1-3"\h\u22490机场消防站选址相关基本模型综述 1192381.1机场消防站选址相关基本模型概述 1147361.2机场消防车理论救援半径模型 2285041.2.1相关行业规范 2320261.2.2模型建立 3286571.3机场消防救援路线拥堵程度模型 517331.1.1隶属度函数 6269261.1.2模型建立 9118881.4机场跑道事故点位概率分布模型 11137341.4.1机场跑道事故类别概述 1214761.4.2模型建立 141.1机场消防站选址相关基本模型概述（1）机场消防车理论救援半径模型根据民航关于机场消防救援的规定，即，对应答时间、机场消防车性能、消防员的要求构建机场消防车理论救援半径模型。本文假定机场消防车在加速阶段作匀加速运动，随后做匀速运动，进而根据规范中要求，得出机场消防车理论行驶距离公式，根据公式，得出消防车应答时间公式，以此构建机场消防车的理论救援半径。（2）机场消防救援路线拥堵程度模型考虑到机场飞行区道面会对机场消防救援效率产生影响，根据机场航站楼、航班量、旅客量、飞行区道面、机场消防救援通道等因素，利用常见的隶属度函数模拟机场救援路线上的拥堵程度。并结合机场的实际情况，确定隶属度函数中的参数及机场拥堵程度分布，进而构建机场消防救援路线拥堵程度模型。（3）机场跑道事故点位分布模型由于机场跑道事故分布存在一定的数学规律，将收集机场跑道事故数据，深入分析机场跑道事故分布，挖掘机场跑道事故分布规律，定量评价机场跑道事故点位分布特点。最后，将机场跑道划为多个区间，解出各区间机场跑道事故点位概率分布，进而得到机场跑道事故点位概率分布模型。1.2机场消防车理论救援半径模型1.2.1相关行业规范根据《民用航空运输机场飞行区消防设施》1.1、1.2，机场应具备与使用该机场最高类别的航空器相对应的消防救援能力。其中，应根据该机场起降的最高类别航空器机场长度、宽度和起降频率确定。表1.1机场消防保障等级消防保障等级机身全长（m）机身最大宽度（m）10～9（不含）229～12（不含）2312～18（不含）3418～24（不含）4524～28（不含）4628～39（不含）5739～49（不含）5849～61（不含）7961～76（不含）71076～90（不含）8根据《国际民用航空公约》附件14的9.2.27：最佳能见度和地面条件下，在不超过三分钟的响应时间内到达每条运行跑道的任意一点；《民用航空运输机场飞行区消防设施》5.4要求，机场消防站选址应保证应答时间不超过三分钟；根据中国民航局印发关于《民用航空运输机场消防站管理规定》规定，机场消防车从接警到驶离车库的时间不得超过一分钟。根据《民用航空运输机场消防站消防装备配备》4.1.1，对机场消防车性能的要求，机场消防车在满载状态下由静止加速到80km/h应不超过25s，最大车速不小于105km/h。按照中国民航局《民用航空运输机场消防站管理规定》规定，接警时间不得超过一分钟。考虑到接警时间具有主观性，本文在构建机场消防车理论救援半径时，将接警时间假定为1分钟，即机场消防车应在2分钟内到达事发地点。且，本文假设机场消防车在加速阶段（第一阶段）做匀加速运动，并以最大速度105km/h匀速行驶（第二阶段）。1.2.2模型建立根据上述相关民航业规定，机场消防车应在25s内加速至80km/h，然后加速至105km/h的最大速度，然后再以最大速度105km/h匀速行驶（如图1.1所示）。图1.1机场消防车速度与时间关系图机场消防车出警的第一阶段，机场消防车（快速调动车）在25s内加速到80km/h，再加速到105km/h，其计算公式如下：（1.1）其中，为第一阶段的行驶距离（km），为机场消防车的加速度（），为第一阶段的时间。第二阶段，机场消防车以在105km/h的速度匀速运动，其计算公式如下：（1.2）其中为第二阶段的行驶距离（km），为消防车的行驶速度（km/h），为第二阶段的时间。联立式（1.1）（1.2）可得机场消防车理论行驶距离公式：（1.3）其中为机场消防车行驶距离（km），为机场消防车的加速度（），为机场消防车做匀加速运动的时间，为机场消防车做匀速运动的时间，为机场消防车匀速行驶的速度（km/h）。计算得出加速度为：（1.4）同理可得，，。根据机场消防车2分钟内行驶的最远距离，可以确定机场消防车的救援保障半径（不考虑转弯）为1.0215km。因此，机场消防站与消防保障范围内的最远点不得超过1.0215km。考虑到机场消防车在行驶过程中不可避免会因为转弯影响救援效率，本文根据机场消防保障等级定义了机场消防车行驶距离折减系数，下表所示折减系数可作为参考，折减系数可根据机场的具体情况设定。表1.2机场消防车行驶距离折减系数消防保障等级折减系数最大行驶距离（m）111.0215211.0215311.021540.952.870450.952.870460.952.870470.952.870480.902.719390.902.7193100.902.7193在机场实际消防救援当中，机场消防车的应答时间由行驶距离确定，即机场消防车与事发地点之间的距离。若机场消防车能在2分钟内抵达离机场消防站最远的跑道及跑道附属区域端点进行救援，则机场消防车能够在2分钟内抵达机场跑道及跑道附属区域的任意一个位置进行救援。因而，本文可将研究问题转换为机场消防车从机场消防站行驶到最远端点进行救援的问题，即求X（如图1.2所示），其中S为机场消防站的位置，Z为跑道及跑道附属区域的长度（即，机场消防车所需保障区域的长度）。机场消防车与最远端点的距离越近，则出警时间越短，救援效率越高。图1.2Z、S、X位置关系图根据机场消防车理论救援半径公式，在救援过程中，机场消防车匀速行驶的时间可表示为：（1.5）其中，加速度、匀加速阶段时间、机场消防车最大速度已求得。为消除量纲差异，合理构建机场消防站选址综合优化模型，将式(1.5)进行归一化处理，可得归一化机场消防车理论救援半径模型：（1.6）根据式（1.6）所得机场消防车理论救援半径模型，可以计算机场消防车理论救援半径；根据事发地点与机场消防站的距离，可计算机场消防车到达事发地点所需时间。在机场消防站选址设置利用该模型时，应尽可能的使小，即，使机场消防站与机场消防救援的最远点距离尽可能近，则应答时间尽可能短，以此提升机场消防救援效率。1.3机场消防救援路线拥堵程度模型在机场实际运行过程中，航站楼作为机场提供旅客服务和地面服务的重要建筑，连接了众多设施，机场飞行区内的服务车辆、航空器等都会汇聚在航站楼周围。因此，越靠近航站楼，机场内的道面情况、服务车辆、人员等情况越复杂。当机场消防站设置在航站楼附近时，在机场消防车出警的初始路线上，复杂的周边情况可能会影响机场消防车的行驶速度，影响消防救援效率。即，机场消防车从机场消防站驶离到达滑行道或跑道时会因为道面情况、服务车辆、人员等影响机场消防车的行驶速度。鉴于此，本文引入了机场消防救援路线拥堵程度的概念，当机场消防站越靠近航站楼，该位置上的机场消防救援路线拥堵系数越高，在此基础上构建机场消防救援路线拥堵程度模型。1.1.1隶属度函数隶属度属于模糊评价函数中的概念，隶属度函数则是用于表征模糊集合的数学工具，即用来描述某一种事物受多种因素影响[64]。考虑到机场拥堵程度是由机场的航班量、旅客量、起降架次等多种因素共同作用，隶属度函数能够正确的表达这种共同作用的模糊性，因此，本文用隶属度函数来表达机场的拥堵程度分布。本文选用指派法来确定表达机场拥堵程度的隶属度函数，指派法也称专家经验法，它是一种主观的确定隶属度函数的方法。即，根据人们的经验和需要解决的问题来确定隶属度函数，再结合实际情况确定隶属度函数中的参数。一般要根据待解决的问题来选择适合其的模糊分布。目前常用的模糊分布如表1.3所示。表1.3常用的模糊分布类型偏小型中间型偏大型矩阵型梯形型型正态型次抛物型柯西型根据指派法，本文选取下列四种隶属度函数来描述在机场运行中越靠近航站楼拥堵程度越高的实际情况。（1）高斯型隶属度函数（1.7）高斯型隶属度函数由确定。其中，用于确定高斯型隶属度函数曲线的中心。图1.3高斯型隶属度函数（2）一般钟型隶属度函数（1.8）一般钟型隶属度函数确定，其中，用于确定一般钟型隶属度函数曲线的中心。图1.4一般钟型隶属度函数（3）梯形隶属度函数（1.9）梯形隶属度函数由确定，其中，确定梯形隶属度函数的两个端点，确定梯形隶属度函数的两个端点。图1.5梯形隶属度函数（4）三角形隶属度函数（1.10）三角形隶属度函数由确定，其中，确定三角形隶属度函数的两个端点，确定三角形隶属度函数的端点。图1.6三角形隶属度函数1.1.2模型建立由于隶属度函数需要结合机场实际情况来确定其函数的形式及参数，因此本文对节1.1.1中确定的四种隶属度函数进行简单变形以符合机场实际。同时，根据机场实际定义了上述四种隶属度函数参数的确定方法（如表1.4所示），并根据机场跑道图给出各隶属度函数所对应的拥堵程度分布图（如图1.7~1.10所示）。表1.4机场消防救援路线拥堵程度函数表序号函数名称公式参数1高斯型隶属度函数：航站楼中心位置：跑道拥堵程度系数2梯形隶属度函数：跑道端点的位置：航站楼端点投影到跑道的位置3三角隶属度函数：航站楼中心位置：跑道端点的位置4一般钟型隶属度函数：机场设施端点投影到跑道的位置：函数值为1/2时所对应的跑道位置：航站楼中心的位置图1.7梯形隶属度函数图图1.8三角隶属度函数图图1.9高斯型隶属度函数图图1.10广义钟型隶属度函数特别的，机场消防救援路线拥堵程度函数与机场的航班量、旅客量、航站楼位置、运行活动实际分布等因素息息相关。因而在实际机场消防站选址优化问题中，可结合上述因素，利用统计假设检验、回归分析等方法优化模型参数或直接确定机场消防救援路线拥堵程度函数实际决策模型。综合考虑计算复杂度和决策效果，若未作特殊说明，本文利用表1.4中的机场消防救援路线拥堵程度理论模型开展机场消防站选址优化研究。1.4机场跑道事故点位概率分布模型跑道作为飞行阶段起始和终止，一直是飞行阶段中风险最大的阶段，即起飞三分钟和着陆5分钟是飞行过程中风险最大的阶段。机场跑道事故一直是航空安全中关键的一点，早在2006年，飞行安全基金会(FlightSafetyAssociation,FSA)就发起了“跑道安全倡议”的项目[65]。2012年，飞行安全基金会发布了战略性跑道安全计划。国际明航组织在2014年发布了《跑道安全小组手册》。尽管，民航业为了提高机场跑道安全，对减少机场跑道事故提出了许多计划和建议，但近年来还是有许多机场跑道事故发生。例如，2016年10月11日上海虹桥机场发生跑道侵入事件；2018年8月17日菲律宾马尼拉机场厦门航空客机降落时冲出跑道；2019年7月9日阿姆斯特丹史基浦机场发生了两机相撞事故。国际航空运输协会(InternationalAirTransportAssociation,IATA)统计了2010年1月至2014年12月，全球范围内超过5700公斤的喷气式飞机和涡轮螺旋桨飞机共发生415起事故，其中冲偏出跑道就有90例，占所有事故中的22%（如图1.11，图1.12）。图1.112010-2014全球事故类别分类图1.122010-2014全球事故类别百分比根据国际民航组织的统计，从2008年到2018年间5700公斤以上航空器的定期商业航班的民航事故中，机场跑道事故数量及死亡人数仍有很高的比例（如图1.13、图1.14所示），机场跑道安全仍然是机场消防安全不可忽视的一点。图1.132008-2018年不同事故类别事故数图1.142008-2018年不同事故类别死亡人数其中，RunwaySafety为机场跑道安全事故，CFIT（Controlledflightintoterrain）为可控飞行撞地，LOC-I（Lossofcontrolin-flight）为在飞行中失去控制。机场跑道事故作为全球民航业重点关注的问题，在国际民航组织发布的最新一版的《全球民航安全计划》中，将跑道安全视为全球优先的航空安全问题。随着机场业务量的增长，机场地面环境日益复杂，机场跑道事故的风险因素、事故种类也会因为机场业务量的增长而增长。因此，机场跑道事故概率分布是机场消防站选址不可忽视的一大因素，优先保障发生机场跑道事故概率较大的区域，能够更快更有效的减少事故损失，提升机场消防救援能力。1.4.1机场跑道事故类别概述根据机场跑道事故类别分类，机场跑道事故主要分为：跑道混淆、跑道侵入、冲偏出跑道。冲偏出跑道是指航空器冲出跑道道面末端或偏出一侧，大多发生在起飞或着陆过程中，具体可分为：偏出（veer-off）：航空器偏出跑道一侧；冲出（overrun）：航空器冲出跑道末端[66]。在民航安全领域，冲偏出跑道是跑道事故中关注的重点，飞行安全基金会曾发布了关于减少冲偏出跑道事故的安全倡议报告，报告指出了导致冲偏出跑道的危险因素，并针对各项危险因素提出建议。后来，国际航空运输协会和飞行安全基金会为了降低冲偏出跑道的风险，共同提出了冲偏出跑道风险环节工具箱（RunwayExcursionRiskReductionToolkit,RERRToolkit）。经过不断的发展，不断有人投入到减少冲偏出跑道风险的研究中，霍尼韦尔公司[67]就开发出了一套SmartLanding的智能着陆系统，空客公司[68]也开发出预防冲偏出跑道的系统。赵宁宁[69]等根据冲偏出跑道的历史数据，利用BP神经网络对冲偏出跑道事故进行预测。戴湘龄[70]模拟了飞机发生冲偏出跑道事故后，机场展开救援的场景。根据仿真系统的模拟，给出一套优化资源配置和事故处置方案，提升机场消防应急救援效率。SoaresPFM[71]开发了一种算法，能够得出不同条件下飞机冲偏出跑道的风险程度。DistefanoN[72]识别了起飞和降落阶段造成冲偏出跑道的风险因素，并建立了数据库。王洁宁等[73]根据不同的飞行阶段，提出冲偏出跑道人为差错量化分析模型，研究冲偏出跑道中影响最严重的人为因素。跑道侵入是指发生在机场中的任何飞机、车辆以及行人错误的出现在用于飞机起飞和降落的保护区表面的事件。在民航快速发展的背景下，由于机场流量的日益增多，机场航空器、飞行区内地面车辆、人员增多，给跑道安全带来了更多的风险。20世纪以来，美国国家运输安全委员会（NationalTransportationSafetyBoard，NTSB）一直把避免跑道侵入作为民航安全的首要任务。国际民航组织为了减少跑道侵入带来的损失，发布了《防止跑道侵入手册》，给出了减少跑道侵入事故的建议和对策。2015年，为了更精确识别造成跑道侵入的风险因素，美国联邦航空管理局也提出了《跑道侵入缓解计划》，减轻跑道侵入的风险因素。近年来，有更多的专家学者投入到了跑道侵入的研究中。郭睿豪等[74]提出一种监控系统，对航空器进行跟踪识别，以防止跑道侵入事故发生。沈笑云[75]通过广播式自动相关监视（ADSB），识别不同物体间的相对运动状态并判断是否有碰撞风险，并发出警告，以此减少跑道侵入事故发生。ChengtaoCai等[76]研究了机场单个目标、多个目标和极端环境下的机场目标监测问题，并通过构建模拟机场环境进行测试，优化目前机场的场面目标监测系统。Maeng等[77]研究了造成跑道侵入的人为因素，并给出了避免人为失误造成跑道侵入的措施，此外建议对机场跑道侵入风险进行评估，可有助于了解风险水平，防止跑道侵入。Guimei等[78]提出了一种多目标的最小二乘支持向量回归的跑道侵入事件预测方法，以降低跑道侵入的风险。跑道混淆是指在错误的道面上起飞、着陆，或试图起飞着陆（如滑行道、错误的跑道、公路）。跑道混淆一般分为下列几种：（1）多跑道运行条件下，起飞/降落在错误的跑道上；（2）在滑行道上起飞/降落；（3）在非目的地机场降落。关于跑道混淆的研究主要致力于分析造成跑道混淆的因素。美国联邦航空管理局在2009年发布了跑道混淆风险因素分析。同年，澳大利亚针对飞机夜间离场对跑道混淆的影响发布了《飞机夜间离场对正错误跑道事件影响因素》。霍志勤[79]利用M-SHEL模型确定了导致跑道混淆的6个主要原因，同时对各种风险要素进行排序。MICHELTREMAUD[80]从机组效能、基础设施、放行、风险管理等角度分析了造成跑道混淆的风险因素。目前，民航业相关人士以及专家学者针对机场跑道安全的研究，主要集中于机场跑道事故统计及机场跑道事故风险分析，从定性的角度针对机场跑道安全的建议和措施。值得注意的是，一旦发生机场跑道事故，能够减少机场跑道事故损失的第一要素就是提升机场的消防救援能力。为此，研究机场跑道事故和机场消防站之间的内在联系是提升机场跑道安全的重要一环。根据国际民航组织统计的578次起飞和着陆事故中失事飞机停止的位置（如图1.15所示），航空器在起飞阶段或者着陆阶段中发生的航空事故大部分都在机场跑道上，或者临近机场跑道一定范围内，且大部分机场跑道事故都在跑道道面及跑道附近的区域。为了提升机场消防站救援效率，本文将定量的研究机场跑道事故的数学规律，分析机场跑道道面不同区域发生事故的概率，使机场消防站尽可能靠近跑道事故发生概率高的地方，因此本文将考虑机场跑道事故点位概率分布对机场消防站选址的影响。图1.15机场周围失事飞机位置统计分析(ICAO)1.4.2模型建立为了找出机场事故概率分布的数学规律，本文利用常用的航空事故统计网站：SKYbrary、BureauofAircraftAccidentsArchives、AviationSafetyNetwork、Wikipedia等网站，搜集统计机场及机场周围的重大航空器事故，标明其日期、发生机场、机型、跑道长度等，最后共搜集到600多例航空器事故，其中在起飞和进近着陆阶段的航空器事故有200多例，详细记录航空器最后停止位置的事故案例共115起。根据《民用航空运输机场飞行区消防设施》，本文主要考虑发生于机场内、且能够投影到跑道上及跑道附属区域的航空器事故，通过对115起航空器事故案例的停止位置的统计分析，计算其停止位置与跑道的相对位置，相对位置计算公式如下：（1.11）最后得出能够投影到跑道及跑道附属区域的有效航空器事故共计81起，所得部分航空器事故基本信息及相对位置如表1.5所示：表1.5部分跑道事故相对位置值序号日期机场机型跑道长度（m）相对位置（k）11971/7/25IrkutskAirportTu-1043564-0.042121972/12/3LosRodeosAirportCV9903394-0.095831973/2/19VáclavHavelAirportPragueTu-1543715-0.134641977/3/27TorontoPearsonInternationalAirportB74734000.539751980/1/27QuitoMariscalSucreInternationalAirportB72031201.0224…772019/12/27AlmatyInternationalAirportF10044001.0000782020/1/6HalifaxRobertL.StanfieldInternationalAirportB73732000.9750表1.5部分跑道事故相对位置值（续）序号日期机场机型跑道长度（m）相对位置（k）792020/1/27MahshahrairportMD-8327051.0600802020/2/9UsinskAirportB73725020.0000812020/11/23TolmachevoAirportAH-1246001.0800在表1.5中，表示为机场跑道事故的相对位置，计算公式为式（1.11）。当时，表示机场跑道事故发生在跑道末端延长线上；当时，表示机场跑道事故发生在跑道入口延长线上。为了精确表达机场跑道事故点位的分布，本文将跑道分为间隔为0.1的10个等分区间，根据机场跑道定义，考虑跑道附属区域，跑道两端分别增加同样间隔的2个区间，即，将跑道及跑道附属区域分为14了个等分区间，则此时机场消防站所需保障的相对范围为[-0.2,1.2]（如图1.16所示）。图1.16跑道及跑道附属区域示意图通过对机场跑道事故在划分的各等分区间内的事故进行简单计算，统计各区间内发生的事故数量及事故频率，可以得到机场跑道事故点位分布函数统，各区间对应的事故频率计算公式如下：（1.11）各区间事故数量及事故频率如表1.6及图1.17所示。表1.6跑道事故点位分布函数取值表序号区间事故数事故频率序号区间事故数事故频率1[-0.2,-0.1]100.12358(0.5,0.6]20.02472(-0.1,0]160.19759(0.6,0.7]10.01233(0,0.1]30.037010(0.7,0.8]10