重慶機場終端區容量評估的仿真研究

高 偉，黃朝偉

（中國民航大學空中交通管理研究基地，天津 300300）

終端區系統是情況最復雜的一個空管子系統[1-2]，往往是影響機場吞吐量的瓶頸。國內外對終端區實際容量的確定進行了大量研究[1-2]，但是終端區理論模型過于理想化，得出的結果難以應用到實際工作中。本文采用SIMMOD PLUS仿真工具，結合當地流量控制策略以及管制員工作負荷情況，對重慶機場終端區進行仿真模擬，評估重慶機場終端區的容量大小。

影響終端區容量的因素大致可分為兩類：一類是終端區的運行環境，如進離場程序、空域限制、扇區劃分、航路航線布局、天氣情況、通訊系統類型及分布、管制規則、管制員人力資源情況等；一類是交通流的影響，如機隊的機型組合、進離場比例、走廊口流量分布和進離航班排序等。

對終端區容量大小的評價主要通過在該區域內保證安全和一定延誤水平情況下航班架次的數目進行判斷。目前，主要以單一的小時保障架次作為運行單位保障能力的容量指標，但實際上單個小時產生的延誤會順延影響到下一個小時的飛行架次，因此，改用日保障架次作為容量評估輔助指標更為合理。受轄內機場和終端區的影響和制約，終端區日容量定義為：在可接受的延誤條件下，一天內終端區所能保障的最大運行架次。若終端區運行架次達到或接近飽和容量時，可視為終端區已經飽和運行。各部門在實際操作時不能超過這個界限，否則造成航班延誤陡增，并可能會產生安全隱患等負面影響[3－4]。

1 評估方法

通常評估終端區容量的方法有數學建模和計算機模擬兩種型式。但考慮終端區空域結構的復雜性以及航班在這個區域內飛行的隨機性，一般很難用數學模型來精確描述這個系統。所以通常用計算機模擬的方法來對整個終端區系統進行仿真模擬。計算機仿真技術是利用軟件對評估對象的整體運行過程進行模擬，通過設置和改變特定的參數來反映交通流以及管制策略的差異，對不同運行架次下的分析延誤情況進行分析，確定系統實際容量大小。目前得到廣泛使用的仿真軟件有SIMMOD和TAAM[5]。

本文使用SIMMOD PLUS軟件仿真模擬終端區運行的情況，分兩步對終端區容量進行評估。第1步確定當前終端區容量的大小。在可接受延誤條件下，計算出一天內終端區所能保障的最大航班總數，再統計各小時段內終端區提供的航班服務架次，確定終端區最大小時容量，把最大小時容量和管制員工作負荷情況進行對比，判斷評估結果是否合理，如果滿足要求則給出終端區容量的大??；若不滿足，利用SIMMOD的分時段克隆功能減少高峰時段的航班數量，重新計算直至滿足要求，確定評估結果。第2步通過對飽和運行條件下的終端區模型中各個節點進行延誤分析，找出限制終端區運行的“瓶頸”，并給出優化方案，達到提升終端區容量的目的[6]。

2 管制員工作負荷統計

利用管制員模擬機對重慶終端區分扇進近模式進行模擬，通過對管制員自身感受進行調查統計，將管制員工作負荷情況分為4個等級，如表1所示。如果仿真的小時架次出現第4類情況，則對該時段的航班進行克隆，直至所有時段統計都在前3類范圍內。

表1 管制員負荷分類Tab.1 Classification of controller′s workload

3 仿真實例

由于機場系統和終端區系統兩者相互制約、相互影響，所以文本利用SIMMOD PLUS仿真軟件對重慶機場系統和終端區系統在進近分扇運行環境下進行聯合仿真，并限制航空器必須嚴格按照進離場航線飛行，每個扇區同時運行的航空器不超過8架次。

3.1 終端區的保障架次分析

在接近飽和運行時，終端區處于繁忙狀態，所以結合當地空管部門的流量控制策略對進場航班進行流量控制。進近流量控制主要采取控制進場航班同一走廊口的縱向間隔，流量控制時采用同走廊40或50 km放行1架的策略。如圖1～圖2所示。

考慮管制員工作負荷和當地流量控制策略的影響并保證各個航班嚴格按照標準進離場程序飛行的條件下，在可接受離場延誤為15 min、進場延誤為10 min時，得到終端區容量為409架次（如圖3所示），高峰小時保障架次為43（如圖4所示）。

結合管制負荷分類，對小時架次統計表進行分析（如圖4所示），發現整個仿真時間段內，87.5%的時間管制員處于1類或2類負荷狀態，只有12.5%的時間處于3類負荷狀態，并且不存在4類負荷狀態（如表2所示）。這種小時負荷分布比較符合實際工作中繁忙工作日管制員的工作負荷情況。

表2 管制員工作負荷分布統計Tab.2 Statistics of controller′s workload distribution

3.2 瓶頸分析及模型優化

在終端區飽和運行前提下，對當前終端區模型進行瓶頸分析，并給出優化方案。

3.2.1 進場延誤分析

對各空域點的進場延誤情況進行統計，發現長生橋處產生的進場延誤時間占總進場延誤時間的41%，如圖5所示。經分析發現雖然通過設置扇區使終端區內進離場交通流分離，但由于所有02號跑道的儀表進場程序都以長生橋作為IAF，即所有進場航班都在長生橋進行匯聚，航班必須在這塊狹小的空間內完成排序后才能依次進近，致使長生橋處產生較大進場延誤。

優化方案：優化標準儀表進場程序，綦江和長生橋之間增設IAF，并在該點設置等待程序，如圖6所示。讓所有從綦江方向和部分從涪陵方向的進場航班在新增設的IAF點等待進近，減輕長生橋處的進場壓力，如圖7所示。

優化后空域點延誤分散，長生橋的進場壓力明顯較少。

3.2.2 離場延誤分析

對各節點的離場延誤進行統計，發現離場延誤主要集中在地面等待隊列處的航班延誤。而終端區對離場航班的影響主要表現在終端區空域限制對地面放行效率的影響。由于規定ZUCKAP01內航空器同時飛行數量不得超過8架，致使地面放飛效率受空域容量制約較大，并且所有離場程序都是經過統景場（OS）之后才分離，致使地面放飛必須實施較大間隔標準，降低了地面的運行效率。

優化法案：①在考慮安全條件下，使航空器快速爬升到走廊口移交高度，以較快速度飛離終端區，提高ZUCKAP01扇區的運行效率。②修改離場程序（如圖8所示），使合流水（DS）方向的離場航班直飛合流水（DS）導航臺，保證起飛后與其他兩個方向的離場航班快速建立側向間隔，提升地面放飛效率。

3.3 優化前后保障架次對比

采用以上優化方案優化后，終端區的容量為437架次，如圖9所示，比優化前增加6.9%。

隨著終端區運行效率提升的同時，3類負荷狀態出現時間有所提高，但其并非連續出現，對管制員工作壓力增加有限，仍在合理范圍之內，如表3所示。

本文只是單從分析終端區空域結構的角度對其運行效率進行優化。而事實上，機場對終端區的運行效率也存在較大影響，如滑行道的使用、停機位的分配都會影響進離場航班的延誤情況。如果要進一步提升終端區的容量，則必須考慮機場對終端區的限制。通過采取一些措施來提升機場的運行效率，減小機場運行對終端區的影響，提升終端區的運行效率，這也是后續工作的主要研究方向。

表3 優化后各小時負荷分布統計Tab.3 Statistics of controller′s workload distribution after optimization

4 結語

本文利用SIMMOD PLUS仿真軟件對重慶機場系統和終端區系統在進近分扇運行環境下進行聯合仿真，并限制航空器必須嚴格按照進離場航線飛行。綜合考慮流量控制和管制工作負荷的影響，對重慶機場終端區的容量做出評估，并在終端區飽和運行的條件下，通過對各個節點延誤情況進行統計，快速確定影響終端區運行的“瓶頸”所在。結合限制“瓶頸”，對重慶機場終端區的空域結構進行分析，給出進離場程序的優化方案。在相同的仿真前提下，對優化后的模型進行仿真，結果表明確實達到增大終端區容量的目的。

考慮到機場和終端區相互影響與制約，在后續工作中將以提高機場系統的運行效率為切入點，進一步提升終端區的運行容量。

[1]蔣 兵，胡明華，田 勇，等.終端區空中交通容量評估的仿真方法[J].交通運輸工程學報，2003，3（1）：97-100.

[2]LEE DAVID A，NELSON CAROLINE，SHAPIRO GERALD.The Aviation System Analysis Capability Airport Capacity and Delay Models，NASA-98-cr207659[R].Hampton，Virginia：Langley Research Center，1998.

[3]HELME M P，LINDSAY K，MASSIMINI S V.Optimization of Traffic Flow to Minimize Delay in the National Airspace System，Technical Report MP93W14[R].Washington D C：The MITRE Corporation，1993.

[4]KLEINMAN N L，HILL S D，ILENDA V A.Simulation Optimization of Air Traffic Delay Cost[C]//Proceedings of the 30th Conference on Winter Simulation.Washington D C，1998：1177-1182.

[5]倪桂明，楊東援.機場系統計算機仿真研究的應用與發展[J].系統仿真學報，2002，14（1）：112-115.

[6]IGNACCOLO MATTEO.A simulation model for airport capacity and delay analysis[J].Transportation Planning and Technology，2003，26（2）：135-170.