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上海终端区空域结构调整方案分析-analysis of airspace structur

归档日期:07-07       文本归类:保持空域位置      文章编辑:爱尚语录

  上海终端区空域结构调整方案分析-analysis of airspace structure adjustment scheme for shanghai terminal area.docx

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  VI VI VII VII 上海终端区空域结构调整方案研究 表 2.1 上海地区航路航线 管制移交的位置、高度及间隔 16 表 4.1 现行空域下浦东三跑道向北、向南运行进离场路径及比例 30 表 4.2 现行空域下虹桥双跑道向北、向南运行进离场路径及比例 30 表 4.3 现行方案虹桥、浦东的容量 31 表 4.4 现行方案联合运行时终端区的容量 31 表 4.5 现行方案浦东的容量(独立平行进近) 31 表 4.6 现行方案联合运行时终端区的容量(浦东:独立平行进行) 32 表 4.7 现行方案的联合运行时终端区的容量(大场军航影响下) 33 表 4.8 调整方案虹桥、浦东的容量 37 表 4.9 现行方案联合运行时终端区的容量 37 表 4.10 调整方案虹桥、浦东的容量(启用临时航线 现行方案联合运行时终端区的容量(启用临时航线 上海终端区现行空域容量与调整后空域容量比较列表 38 南京航空航天大学硕士学位论文 南京航空航天大学硕士学位论文 缩略词 缩略词 英文全称 中文全称 ASM Airspace Management 空域管理 ATC Air Traffic Control 空中交通管制 ATFM Air Traffic Flow Management 空中交通流量管理 ATM Air Traffic Management 空中交通管理 ATS Air Traffic Service 空中交通服务 CFMU Central Flow Management Unit 欧洲中央流量管理 机构 EATCHIP European Air Traffic Control Harmonisation And Integration Programme 欧洲空中交 通管制协 调和一体化计划 FAA Federal Aviation Administration 美国联邦航空局 FUA Flexible Use of Airspace 空域灵活使用 GA General Aviation 通用航空 ICAO International Civil Aviation Organization 国际民航组织 NAS National Airspace System 国家空域系统 RNAV Area Navigation 区域导航 RNP Required Navigation Performance 所需导航性能 RVSM Reduced Vertical Separation Minimum 缩小垂直间隔 SES Single European Sky 单一欧洲天空 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 南京航空航天大学硕士学位论文 上海终端区空域结构调整方案研究 上海终端区空域结构调整方案研究 PAGE PAGE 11 PAGE PAGE 10 第一章 绪论 1.1 研究背景及意义 随着中国在世界事务中地位的提高与国内外环境走出金融危机,和平向好的发展条件下,发 掘中国投资潜力的国家,企业与个人越来越多,中国正在聚焦更多目光。与此同时,在中国筹备、 举办、展览的各种重大活动层出不穷。继 2008 年成功举办第 29 届北京奥运会,不久前,被称为 “经济奥运”的 2010 上海世博会也在上海滩空前璀璨的烟火中圆满闭幕[1]。 在 2010 上海世博会 184 天会期里,中国航空运输作为综合交通体系的重要组成部分,“安全、 顺畅、优质、和谐”的保障了近 4000 万旅客进出上海空港。与此同时,世博会也为包括东航与浦 东、虹桥机场在内的民航企业带来了巨大客源。据初步统计,世博会给东航带来了 40 亿元营业 收入;而虹桥和浦东机场的旅客吞吐量日均达 22 万人次,同比增长 34%。 图 1.1 民航的世博效应 而在世博会举办之前,曾有一个疑问和担忧:随着我国民航事业的快速发展,空域资源不足 的矛盾日益突出。在这样的条件下,如何满足上海世博会举办期间航空运输量骤增的需求,保证 世博会期间华东地区空中交通运行安全高效,特别是在上海两个机场本身已长期处于容量紧张, 空域交叉指挥的状态下,如何在空管外部环境没有更多改观,而航班又在不断增加的前提下减少 航班延误,保证旅客能安全准时往返目的地,这些无疑都是摆在上海面前前所未有的挑战。 事实证明,合理调整上海地区空域结构[2]以适应世博会期间的交通需求是一个较好的选择方 案。上海地区空域结构调整方案的出台以及落实[3],确保了上海世博会期间空中交通的顺畅与安 全运行,取得了良好的经济与社会效益,产生了良好的国际影响力。因此,以上海世博会期间的 终端区空域结构调整方案为研究背景,综合多种限制因素,描述分析现行上海地区空域结构下的 交通流分布情况,将原有空域结构方案与以减少制约交通流的瓶颈,满足更高容量需求为目标的 调整方案进行对比研究,是学习吸取成功经验的重要途径,具有积极意义。 就我国目前的空域情况来说,许多现有的终端空域结构已经存在了三十年甚至更长的时间, 而未经任何重要的更改,很多时候空域划设与状况反映的是早先几代航空器的需求。日益增加的 航班量,持续的高峰流,高拥挤和飞行冲突等隐患都预示着空域再规划的需要。而完整的空域规 划和设计往往需要多领域权威专家长时间的分析研究。可以说,基于重大事件的空域调整方案是 未来空域规划方案形成过程中必不可少的过渡方案,是空域管理的一种有效手段,在预期重大事 件发生时,这种方法可以在不造成空中交通服务部门压力的情况下,有效满足陡增的空域需求, 解决一些实际问题。另一个益处是,通过真实环境的运行,检验方案的合理性,获取进一步改进 和提升的经验积累。 以此为基础可以延伸更进一步的研究,针对预期的重大事件,如何预测其影响范围、程度以 及交通量变化,如何生成有效的空域调整预案,并获得新方案的预期效果,将对重大活动发生阶 段,优化空域结构,减少飞行冲突,减轻管制员工作负荷,促进空中交通有序、高效的流动具有 重要意义,这不仅有助于为类似重大事件的空域保障工作提供案例,也对未来空域资源规划与管 理提供了可靠的参考方案。 1.2 国内外研究概况 1.2.1 空域管理发展状况 空域管理(Airspace Management,ASM)是指依据既定空域结构条件,实现对空域的充分利 用,以满足不同空域用户的需求。简而言之,空域管理是一个管理行为过程,即通过调整手段和 应用空域选择权以满足空中交通管理系统所有用户的需要的过程。 国外空域管理方面的研究可追溯到 20 世纪 40 年代,并随着时代的进步,理论研究也在不断 深化,现代空域管理的核心思想[4][5]是在未来新航行系统的先进导航、通信和监视技术的支持下, 由地面计算机系统负责飞行之间的安全间隔监视和保持,飞行员可以在很大的自由度下选择和随 时修改自己的飞行航线,通过空地数据链下传给地面计算机,由计算机计算和验证飞机未来 20 分钟的四维航迹,并把经过确认和修正的无冲突航迹以及放行许可通过数据链上传给飞机的飞行 计算机系统,确保空中的飞机相互之间不产生冲突。管制员只在自动化逻辑或数据链通信失效的 时候才介入。从 2003 年开始,美国联邦航空局(Federal Aviation Administration,FAA)起 草和修改了“基于性能的导航发展路线],作为协调政府和工业界,以及和国际民航组 织(International Civil Aviation Organization,ICAO)、欧洲空管局(EUROCONTROL)对未 来航行系统导航技术发展实施的指南文件。其核心内容是按区域导航(Area Navigation,RNAV) 和所需导航性能(Required Navigation Performance,RNP)概念的要求分三个阶段逐步升级、 改造美国的国家空域系统(National Airspace System,NAS)。 一种灵活有效使用空域的理念是为适应未来航空运输发展需求,提出的动态空域概念 (Dynamic Airspace),即建立灵活动态、能适应交通需求及调节变化的空域结构体系[7][8][9]。在 空中交通管理实施过程中,空域应作为一种资源既满足空域用户需求又能适应天气变化及安全、 环境要求。按照表述的动态空域结构特征,未来空域应包含三个部分:重构空域、可调整空域和 通用空域。 重构空域是建立在高性能的机载及地面自动化设备基础上的,可以满足精确的航迹建模和预 测对空域分类的要求。此类空域可以提高空中交通管理操作的效率和安全性、降低流量限制措施 的实施频率,同时对其中的航空器还具有自动间隔保持性能。可调整空域是指可以通过空域的动 态调整减少需求和容量的不平衡。当由于恶劣天气导致航路结构改变、容量变化时,需适时调整 空域结构以适应航路变化,避免附加的需求——容量不平衡发生。根据恶劣天气下的航路剧本, 研究者还提出了“空域剧本”概念作为前者的补充。通过调节空域适应航路剧本的需要,尽量避 免附加的流量限制措施减轻扇区拥塞。通用空域是指利用相应辅助程序及自动化设备可被任何管 制员管理的空域。在通用空域中,由于空域及特征参数具有一般性,可实现管制资源的交互利用。 目前,由于管制员必须熟悉管制空域结构及具体实践地点空域使用程序与参数设置,因此管制员 对空域越熟悉,管制效率越高。这增加了管制行为的效率但也限制了管制资源间的交互,相反地, 在可调整空域必须保证足够的通用性,以便当进行空域结构调整后管制员仍能管理所有空域。 动态空域的概念符合未来空中交通系统的构想,但实践缺乏成熟的技术支持,如 4D 航迹技 术,实时天气预测技术,最优路径选择技术,自动避让技术等,但目前相关技术都属于热点研究, 相信随着研究的不断深入,动态空域管理也会不断推进。 欧洲引入了灵活使用空域(Flexible Use of Airspace,FUA)概念[10][11][12][13]为动态空域规 划提供了参考标准和技术指南。在 FUA 概念中,空域将不再区分民用和军用,而是看成一个统一 的连通体,根据用户的需求而分配使用。FUA 给空中交通管理(Air Traffic Management,ATM) 系统提供了增加容量的潜能,并通过强化的军民航协调功能[14]允许最大化地共享使用空域。FUA 概念建立在与军民航协调任务相一致的三个空域管理的层次之上:第一层,战略层定义国家空域 政策,建立预先确定的空域结构;第二层,先期战术层根据用户需求,制定每天空域分配方案; 第三层,战术层实时空域使用,允许安全的运营空中交通和通用空中交通的运行。在 FUA 的概念 下,空域管理(ASM)作为 ATM 系统的一个重要部分,与空中交通流量管理(Air Traffic Flow Management,ATFM)和空中交通管制(Air Traffic Control,ATC)有着密切的协作关系。ASM 为 现有的空域和航路结构提供一个充分的可用性水平以应对各种不同的交通需求;而 ATFM 在需求 超过可用的 ATC 系统容量时保证最优的交通流;ATC 则根据可用的空域和航路结构组织扇区操作。 近期欧控提出的 ATM2000+战略和欧控空域战略,旨在全欧洲推广空域灵活使用概念,优化空域 容量,形成灵活的空域管理方法。最终形成“欧洲单一天空”[15][16],使各国空中交通不再受国 家边界的约束。 与空域规划与管理相关政策和法规文件包括:国际民航组织的文件 Doc 8168-OPS/611[17]根 据空域安全间隔专家组的研究成果,制定了空域规划的方法和原则。Doc 9426/AN924[18],以及 国际民航公约附件 11 也包含部分与空域规划设计有关的内容。 我国先后分别于 1995 年、2004 年和 2007 年颁布(修改)了《中华人民共和国民用航空法》 [19]、《民用航空使用空域办法》[20]和《中华人民共和国飞行基本规则》[21],这些法规和规范中 均制定了空域规划设计的相关内容。我国的空域现代化管理研究水平相较世界先进水平仍存在相 当的差距[22]。目前主要针对雷达管制的实施、飞行繁忙地区航线结构的改善和飞行高度层的调 整等方面进行了研究,但至今还没有专门的空域管理研究机构,对空域管理相关基础理论的研究 较为缺乏。 需要认识到的是,空域结构随着时间的推移而发展,这种发展将继续下去,考虑到性能不断 提高的新一代航空器和先进的导航系统,有必要根据未来需求和航空技术发展,不断地重新评估 现行的空域结构,为此,空域结构调整必然伴随空域容量的仿线 空域容量评估发展概况 空域容量是度量空域系统为满足空中交通需求所能提供服务能力的指标,进行科学、准确的 空域容量评估是空域资源有效管理与合理配置的重要前提,是成功实施空中交通流量管理、空域 规划设计和航班时刻调整的先决条件。为了保证空中交通的顺畅、安全、高效运行,先决条件之 一就是加深对我国空域运行环境的了解,充分认识空域运行实力。因此,只有通过科学、可靠、 合理的空域容量评估,才能客观准确地把握复杂系统下空域的运行能力,满足未来高度智能化、 自动化空中交通管理要求。 上世纪60至80年代,空域容量评估的热点集中在理论方面,自80年代后,理论研究与实际应 用逐渐结合。随着航空运输业的迅速崛起和飞快发展,为了客观、准确地把握复杂系统下空域的 运行能力,有学者提出从认识交通流运行本质与规律的基础上,进行空域动态容量评估。2007 年开始,美国MITRE公司Song等人提出了基于交通流模式识别下的空域容量预测方法,考虑交通 流属性和管制员的管制策略因素,对未来一定时间段内的空域动态容量进行预测,并对交通模式 与容量之间的关系,以及不同时间尺度内的交通流模式的预测方法进行了探讨。未来,为了满足 未来高度智能化、自动化空中交通管理方式对空域容量评估的动态性和人因性要求,进行空域动 态容量评估研究是空域容量评估领域发展的主要趋势。 当前,空域容量评估的主要方法包括以下四种方法,需要空域评估人员根据具体的空管运行 情况,选择较为适宜的一种或综合几种容量评估方法。 1. 基于计算机仿真模型的评估方法 该方法引入描述环境和人为扰动的随机变量和描述飞行、管制过程的逻辑规则库,尽可能真 实地模拟空中交通系统的特征,以对空域单元的实际容量、延误水平、冲突点和冲突数量进行评 估,包括分析仿真模型、蒙特卡罗仿真模型、连续仿真模型和离散时间仿真模型。该方法适用于 最大容量和运行容量的评估。 2. 基于历史统计数据分析的评估方法 该方法是在基于历史统计数据分析运行容量的基础上发展的,适用于运行容量的评估。尤其 在机场具有较大的空中交通流量,或机场流量经常超过机场的实际容量等条件下。便于操作,结 果较为准确,但数据收集困难,数据量大,样本数据的数量和质量直接影响结果的正确性,而且 置信度仅有经验数值,需要根据不同情况由资深管制员进行确定。 3. 基于数学计算模型的评估方法 该方法是通过概率统计或随机模拟方法,建立主要为时间-空间分析数学模型,确定空域容 量。适用于结合最后进近阶段的跑道最大容量的评估。容量评估结果较为准确,缺点是仅能对一 条跑道的容量进行评估。 4. 基于管制员工作负荷的雷达模拟机评估方法 该方法是基于雷达模拟机的空域仿真环境下,根据管制员工作状态、管制经验、空域结构、 管制手段等各种因素的影响,通过量化管制员工作负荷来预测扇区容量。适用于最大容量和运行 容量的评估,其结果较为准确。 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。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和管 制员工作负荷、人为影响因素评价系统。欧洲与美国在研发模型上开发时间长,应用范围广,开 发出的模型也相对成熟。目前,国内外用于评估机场和空域容量的主流软件是SIMMOD[23]、TAAM[24] 和ASMES系统。 SIMMOD是由美国联邦航空局开发的成熟的点-链模型,它可以对机场、终端区、航路和区域 进行仿真。SIMMOD用于计算的飞行航路可以由模型根据最短路径算法自动生成,也可以由用户输 入确定。所有用户输入的空域网络结构会被自动检测。SIMMOD充分考虑仿真环境的随机特性,建 模灵活,它可以通过一个数据接口与RAMS串连起来,分别在最后进近和离场阶段对RAMS的航空器 进行移交,同时应用SIMMOD逻辑对仿真空域的不同运行方式进行建模,最后完成对机场、终端区 的仿真。 TAAM是由英国的普雷斯顿工作组和澳大利亚民用航空管理局联合开发的用于全美空域仿真 的系统,它能够逼真地模拟绝大多数空中交通管理功能,生成实时的甚至是门到门的过程,因此 可以作为计划工具,指导对空中交通管理概念的分析和适应性研究。TAAM部分考虑了仿真环境的 随机特性,图形能力强,交互界面出色,提供基于规则库的运算逻辑以保证模型的灵活性,但是 需要使用者有很强的专业知识背景。 ACES是由南京航空航天大学空管研究所、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,是国内民航业首个实现三维仿真及二维视图的系 统,主要实现空中交通管理数据的可视化管理,使用主流的模型和算法,完全可以胜任机场终端 区、管制区域和航路航线的交通容量的科学评估。 本文所使用的空域容量评估系统是南京航空航天大学空管研究所在参与 ACES 项目所积累的 经验基础之上,针对空域容量评估与仿真自主开发和不断完善的一个独立,完整的评估系统。 1.3 论文研究内容及组织结构 本文主要研究终端区空域结构调整策略,内容安排如下: 第一章 绪论 介绍课题的研究背景和研究意义,总结国内外研究现状,并简述本文的主要工作。 第二章 特定事件影响下的终端区运行分析 分析了本课题基于的特定事件——2010 上海世博会对华东区民航系统的影响,另外对区域 多机场系统给出定义,描述了航空器运行过程,本章目标从特定事件入手,抽象概括为一般事件 实现实践的普遍性。 第三章 空域资源优化配置及结构调整策略研究 深入分析和研究了空域资源优化配置问题,并立足于空管系统情况最复杂的一个子系统—— 终端区,阐述了多机场终端空域结构调整的总体原则、影响因素和调整思路。 第四章 空域结构调整方案研究 以上海虹桥机场和浦东机场的多机场终端区为例,深入研究了上海空域结构现行与调整方 案,采取构建模型,借助容量评估的手段评价空域状态和安全级别,接着分析存在的结构缺陷及 进一步完善的建议,对比了调整前后空域结构的变化,容量提升的成都和原因等。 第五章 系统设计与实现 在成熟容量评估系统的基础上,构建上海终端区空域模型,对不同终端区空域结构方案进行 了评估,在评估数据的基础之上,分析了空域结构存在的问题,对比容量值客观评价调整空域结 构方案。 第六章 贡献与展望 总结全文工作,并对终端区空域结构调整问题提出了相关展望。 第二章 特定事件影响下的终端区特性分析 本章以 2010 上海世博会为背景,主要分析特定事件对多机场终端区产生何种影响,以及相 应终端区空域应如何调整以适应、满足不同飞行阶段的需求变化,最终实现弹性空域管理,以期 达到容流匹配的目的。并以此为基础总结经验,概括此类事件的共性,实现从特定事件向一般事 件过渡,未今后应对特定事情发生奠定保障基础。 2.1 世博会交通需求分析 上海世博会[25]正式召开时间为 2010 年 5 月 1 日至 10 月 31 日,为期六个月,据统计,本次 世博会共有 242 个国家和国际组织参加,居历届世博会之最。 世博会[26]是由一个国家政府主办,多个国家和国际组织参加的超大型国际性博览盛会,是 全球最高级别的综合性展览活动,历来享有“经济文化科技领域的奥林匹克盛会”的美誉。自 1851 年在英国伦敦举办第一届世博会以来,世博会已经走过了 150 多年的历史,它记载人类文 明走向繁荣和进步的足迹,引领人类社会未来经济、科技、文化发展的潮流,对人类文明进步与 社会发展作出了巨大贡献。同时也为举办国带来长远的经济效益和社会效益,有力地促进举办国 经济社会全面发展和国际地位的提高。 2010 年中国上海世博会,不仅是我国,也是发展中国家第一次举办的综合类世博会。办好 上海世博会,对于展现我国社会、经济、文化和科技领域的成就,促进我国与世界各国的交流与 合作,推动我国经济社会发展,具有重要意义。 世博会对于中国民航系统同样意义重大[27]。上海世博会是继北京奥运会后我国举办的又一 次世界性盛会,民航是世博保障的重要窗口,其服务和保障能力将直接影响到上海世博会的保障, 直接关系到国家形象。上海世博会既是对我们做好服务保障工作的一次全面检验,又是民航系统 加强自身能力建设、提升服务工作水平的一次重要机遇。 世博会是世界的盛会,它为中国提供了一个向世界展示成果、展望未来的机会。世博会的举 办对我国技术创新、知识创新、低碳经济的应用等都有很好的借鉴作用,可以说,世博会既是上 海的机遇,也是中国民航业的机遇,更是上海航空运输业的机遇。 2.1.1 世博会期间上海航空港交通需求分析 图 2-1 展示了世博会开展 184 天客流的统计数据[28],详细显示了单日,单月,总客流的趋势 及分布情况。世博会前曾预计 2010 年 5 月 1 日开幕式前后,会形成一个客流小高峰,但由于 4 月波及全球的冰岛火山灰[29],导致欧美大部分国家民航处于瘫痪状态[30],因此占开幕式相当数 量的外国游客占比减少,使实际客流数小于预计。6、7、8 月处于活跃状态,总体持平。9 月由 于降温和阴雨天气不断,客流减少。10 月由于“十一黄金周”以及参展接近尾声,客流陡增。 因此,综合来看,5 月和 9 月可归为客流平稳期,6、7、8 月为次高峰期,10 月为高峰期。 图 2.1 2010 上海世博会客流分布图 根据上海机场历史航班计划,统计 2010 年 5 月至 10 月上海交通需求量及进出港客流的趋势 及分布情况(图 2.2)。在整个世博会期间,上海两场共起降飞机 294322 架次,同比增长 16.32%; 完成旅客吞吐量 3999.07 万人次,同比增长 31.45%;完成货邮吞吐量 191.78 万吨,同比增长 22%; 此外还保障了要客 5967 批次,39990 人;专机 271 架次,加班包机 8550 架次,公务机 490 架次。 对照图 2.1,分析世博会产生的交通保障需求与上海机场实际完成旅客中转量两者间的关系, 上海航空港 5 月和 6 月的交通量小幅增长,进入世博效应前期,7,8,9,10 月进出港航班大幅 增加,属于世博效应后期,其中 9 月长时间的阴雨天气对航空需求影响较为明显。整体来看,5 月和 10 月分别为会期阶段单月交通需求量最小和最大的月份,对于上海航空港的世博保障需求 来说,5 月和 6 月可视为需求平稳期,9 月为次高峰期,7、8、10 月为高峰期。 世博会期间上海航空交通需求统计 1, 800 1,750 1,700 1, 650 1, 600 1, 550 1, 500 1, 450 1, 400 1, 350 5月 6月 7月 8月 9月  10月 每日航班架次 上海进出港客流趋势 单月客流最大 单月客流最小 图 2.2 世博会上海航空交通量统计 2.1.2 世博会对民用航空影响分析 从上海两大机场的旅客吞吐量激增上便可体现世博会对民用航空产生的影响: 2010 年 10 月 27 日,上海机场迎来今年第 6000 万名旅客,超过去年全年 5700 万人次的总 量,刷新了历史纪录。世博会期的半年间,虹桥、浦东两大机场的旅客吞吐量达到 4000 万人次, 日均 22 万人次,同比增长 34%;飞行量达到 30 万架次,日均 1600 架次,同比增 19%。其中, 作为上海世博会全球合作伙伴和唯一航空承运人,东航世博期间共保障航班 23.5 万多班,运送 旅客 3385 万人次。世博会期间参观游客总数超过 7000 万人次,其中约 1500 万人次通过航空运 输方式到上海参观游览,超过 200 个国家和国际组织确认参展,游客数量多、参展国家多、重要 专包机多、外事活动多,因此也对航空运输服务提出了更高的要求。 世博会给上海民航保障工作带来的较大压力和困难的是,上海作为国际化大都市,所拥有的 两个国际机场是亚太重要的航空货运枢纽,作为中国最重要和最繁忙的航空港,上海两个机场本 身已长期处于容量紧张的状况,还存在空域交叉指挥以及地面交通拥堵等问题,在这样的条件下, 要保障上海世博会的压力极其巨大,一方面需要满足世博会航空运输量骤增的需求,同时保证客 货的安全和准点率。另一方面,不同于北京奥运会,为期 6 个月的世博会需要相对长时间稳定且 高效的民航运输保障方案和高质量的服务,这不仅对空中交通管制、机场运行部门和航空公司提 出了苛刻的要求,同时也对上海空域安全运行的状态提出了更高的标准。 2.2 上海机场终端区概况 2.2.1 终端区相关概念及定义 《中国民用航空空中交通管理规则》中定义终端管制区为:设在一个或几个主要机场附近的 空中交通服务航路汇合处的管制区。它是中低空管制空域与塔台管制空域之间的连接部分,其垂 直范围通常在 6000(含)以下最低高度层以上;水平范围通常为半径 50 千米或走廊进出口以内 的除机场塔台管制范围以外的空间。塔台管制空域,通常包括起落航线、第一等待高度层(含) 及其以下地球表面以上的空间和机场机动区。本文所指终端区将包括塔台管制空域以内的空侧部 分[31]。 终端空域是指环绕一个机场以提供空中交通服务的空域。此种空域的规划需要考虑许多问 题,由于各个机场的实际问题的不同而不可避免的使得终端空域规划的方案千差万别[32]。但是 所有的终端空域规划项目在规划过程中所依据的基本资料是相同的,包括有《民用航空公约附件 2——空中规则》、《民用航空公约附件 11——空中交通服务》[33]、ICAO Doc 4444-RAC《空中 规则和空中交通服务》[34]、ICAO Doc 9426-AN《空中交通服务计划手册》、ICAO Doc 8168-OPS 《航空器运行》等。 这些资料在程序设计方面、终端空域结构的架构、空中交通服务的责任界定、空中交通服务 空域分类的确定等四个方面做出具体的规定。这些规定是各种交通密度水平的终端空域的设计基 础,而各国民航当局在这些基础上更形成具体的操作方法,包括我国的 CCAR71 部《民用航空 使用空域办法》、欧洲航行安全组织的《终端空域设计操作方法指导材料》和美国联邦航空局的 8260.19C《飞行程序和空域》。 2.2.2 终端区的基本组成结构 终端区作为整个空管系统的一个子系统,从某种程度上说,是情况最复杂的一个子系统。典 型的终端区结构一般包括等待区、进出走廊口(分为入口和出口)、进场航线、起始进近航线、中 间进近航线、最后进近航线、复飞航线、标准离场航线、塔台管制区以及机场内跑道等部分,如 图 2.3 所示。终端区空域结构按照对容量的限制约束又可以划分为航段限制单元,航路交叉点限 制单元,与相邻空域交接点限制单元,机场限制单元几个部分组成。 多机场终端区,指包含多个机场的大型空地联合终端区域。和一般终端区相似,也包括机场 机场跑道系统、定位点、扇区、航路以及航路交叉点等元素。 等待区 2 入口点 2 入口点 3 IAF 入口点 4  等待区3 等待区 4 等待区 1  入口点 1  FAF 复飞航线 终端区空域结构示意图 2.2.3 上海终端区概述 上海终 端区 管制区 为雷 达和甚 高频 信号全 覆盖 ,实行 雷达 管制。 管制 边界为 无锡 (N31?35′21″E120?19′44″)—PIKAS(N32?10′00″E120?44′00″)—南通(N32?03′54″E120?58′46″)—启东 (N31?52′36″E121?47′12″) — B11(N31?46′11″E122?46′30″) — OPULI(N31?12′41″E122?46′30″) —岱山 (N30?15′00″E120?25′00″) —庵东 (N30?15′18″E121?13′11″) —南浔 (N30?53′10″E120?25′00″) —无锡 (N31?35′21″E120?19′44″)连线 米(含)以下。如图 2.4 所示。 上海终端管制区目前划设有六个扇区,其中 01 号扇区负责北部进离场航班以及 VMB 进场 飞越虹桥去浦东落地航班的调度管制工作;05 号扇区负责虹桥机场起降、五边排班的管制工作; 03 号扇区主要负责南部进场航班在外围的进港排序、等待,决定南面的飞机是落东跑道还是西 跑道,以及杭州、宁波机场在上海进近区域飞越的管制服务;04、06 号扇区负责浦东机场起降、 五边排序的管制工作。 图 2.4 上海终端区 机场及气象特征 虹桥国际机场位于上海市西面,机场基准点坐标为北纬 31?11′52″,东经 121?20′08″,机场标 高 3.17 米。位于上海市人民广场线E 类国际机场。机场周围 地形平坦,净空条件良好。机场的各种保障设备完善,18/36 号跑道能够提供双向仪表着陆系统 Ⅱ类运行,二次管制雷达,全套夜航灯光设备等。在上海机场顺利实现航班东移后,虹桥机场在 起降国内航班的同时继续保留国际航班的备降功能。 浦东国际机场位于上海市的东南面,机场基准点坐标为北纬 31?08′38″,东经 121?47′30″,机 场标高 3.87 米。位于上海市中心(人民广场)线E 类国际机场, 机场的各种保障设备完善,17/35、16/34 号跑道都能够提供双向仪表着陆系统Ⅱ类运行,二次管 制雷达,全套夜航灯光设备等。机场东临东海,周围地形平坦、开阔,净空条件良好。 虹桥机场与浦东机场相距只有 44 千米,进离两个机场的飞行航线和高度,难以完全相互避 开,机组除严格按规定航线、高度飞行外,还需听从 ATC 的临时调配。 虹桥机场和浦东机场位于中纬度地区,地处我国东南沿海长江入海口,属热带季风气候,并 具有海洋性气候特点。全年气候温和、湿润,雨量充沛。冬夏寒暑交替,四季分明。全年风向有 明显季节性变化的特点。其气候特点为:春季多雨,夏季闷热,秋高气爽,冬季湿冷。 ? 虹桥机场气象特征 春季(3-5 月):春季多连阴雨,多雾日(有时是平流雾),多低云。骤冷骤热,天气多变。 春季的低云低能见度对飞行影响较大。 夏季(6-8 月):初夏多连阴雨,为长江流域梅雨期。盛夏高温,多雷暴,多阵性降水,此 外夏季还经常受到台风、暴雨、雷电等灾害性天气的侵袭,对飞行影响较大。 秋季(9-11 月):秋高气爽,天高云淡,是飞行的最好季节。初秋多雨,仲秋后多晴天, 深秋早晨多清雾和大雾,深秋的浓雾对进出港飞机影响较大。 冬季(12-2 月):天气寒冷,时有寒潮侵袭,造成偏北大风和冻害。早晨多浓雾,此外 12 月、1 月的大雾,形成时间早,浓度大,范围广,持续时间长,对飞行影响较大。 ? 浦东机场气象特征 10 月至翌年 5 月多雾,冬季多辐射雾,多出现在后半夜到造成,日出后 1-2 小时开始消散, 春季多平流雾,一天中任何时间均可出现,以夜晚到早晨的平流雾最低。11 月至翌年 6 月多低 云,云高常达 150 米或以下,有时可低于 90 米。6 月至 9 月多雷暴,以 7、8 月最多,一般出现 在午后到上半夜,强雷暴时常伴有大风和暴雨,风速可达 8 级或以上,暴雨时常出现低能见度。 7 月至 9 月受台风侵袭,尤以 8 月最甚,受其影响最大风速可达 10 级以上。 冬季多北风,夏季多东南风;年均大风日 13.6 天,年最多大风日 34 天(1996 年),大风风 速一般 8-9 级,最大可达 10 级。 跑道运行方式 考虑到实际运行特点,进场阶段为飞机过移交点进入终端区、进场航线飞行至跑道头的过程, 离场阶段为飞机脱离跑道沿离场航线飞至移交点的过程。跑道作为终端区整个飞行流的流入流出 结点对评估结果具有重要影响。 ? 虹桥国际机场运行方式: 向北运行:36R 跑道用于离场,36L 跑道用于进场; 向南运行:18L 跑道用于离场;18R 跑道用于进场。 ? 浦东国际机场运行方式: 向北运行:35R 和 34 跑道按照独立平行离场方式离场,35L 和 34 按照相关平行进近方式进 场。 向南运行:17L 和 16 跑道按照独立平行离场方式用于离场,17R 和 16 按照相关平行进近方 式用于进场。 从 2009 年 10 月 22 日零时起,开始正式实施独立平行仪表进近模式运行。 进场 ZSSS 离场 图 2.5 虹桥国际机场窄距双跑道运行示意图 进场 ZSPD 离场 图 2.6 浦东国际机场三跑道运行示意图 航路航线 随着浦东三条跑道相继投入使用,上海地区的航线曾进行了两次调整,目前上海地区有二条 空中走廊、九条固定航线和四条临时航线 上海地区航路航线列表 航线名称 航线性质 用途 无锡 VOR-南翔 NDB 空中走廊 供西、北地区航班至虹桥、浦东国际机场进港 九亭 VOR-南浔 NDB 空中走廊 供虹桥、浦东国际机场至西、南地区航班离港 庵东 VOR-DADAT—九亭 VOR 固定航线 供西、南地区航班至虹桥国际机场进港 庵东 VOR-DADAT—书院 VOR 固定航线 供西、南地区航班至浦东进港使用 浦东 VOR—UNTOP 固定航线 供浦东至华东沿海及南部地区离港使用 浦东 VOR—NINAS 固定航线 供浦东至韩、日、美洲地区离港使用 DUMET—浦东 VOR 固定航线 供韩、日、美洲地区至浦东进港使用 PINOT—横沙 VOR 固定航线 供胶东半岛、东北地区航班至浦东进港使用 PINOT—横沙 VOR—南翔 NDB 固定航线 供胶东半岛、东北地区航班至虹桥进港使用 横沙 VOR—ALDAP 固定航线 供浦东至胶东半岛、东北地区航班离港使用 南翔 NDB—太仓—平潮—扬中 固定航线 供虹桥、浦东至西、北地区航班离港使用 横沙 VOR-ODULO 临时航线 供浦东至胶东半岛、东北地区航班离港使用 南翔 NDB-ODULO 临时航线 供虹桥至胶东半岛、东北地区离港使用 横沙 VOR-南通 VOR 临时航线 供浦东至西、北地区航班离港使用 宁波 VOR-ATRIP-书院 VOR 临时航线 供西、南地区航班至浦东进港使用 空域移交协议 依据上海进近管制室与区域管制室的移交协议,各航线的移交点、移交高度,移交间隔如表 2.2 所示。 16 16 PAGE PAGE 17 上海终端区空域结构调整方案研究 表 2.2 管制移交的位置、高度及间隔 机场 起飞经/降落经 移交点 移交高度 移交间隔 虹桥、浦东 起飞经 POMOK 往 G330 方向 太仓至切狼山镇段或者 PIKAS 6000/4800 30 公里 浦东 起飞经 NTG 往 G330 方向 NTG 6000 30 公里 虹桥、浦东 起飞经 VMB VMB 4200/备份 3600 30 公里 浦东 起飞经 W16 UDOXI 5100 30 公里 虹桥 起飞经 W17 BUNVA 5100 30 公里 浦东、虹桥 起飞经 W14 往 HSN 方向 RUXIL 5400 30 公里 浦东、虹桥 往 AKARA 方向 EMSAN/BONGI 5700/备份 5400 30 公里 浦东、虹桥、舟山 起飞经 H27 IBEGI 5700/备份 6000 30 公里 浦东、虹桥 起飞经 H21 AND 4800/备份 4500 30 公里 浦东、虹桥 起飞经 A599 SX 前完成 6000 30 公里 浦东 降落经 H21 W58 与庵东至岱山连线 公里 浦东 降落经 VMB VMB 6300/备份 6000 20 公里 虹桥 降落经 VMB VMB 4500/备份 4800 20 公里 虹桥 降落经 W17 BUNVA 航线 公里 浦东、虹桥 往 AKARA 方向 DUMET 6000/备份 6300 20 公里 浦东、虹桥、舟山 降落经 H27 IBEGI 6300/备份 6600 20 公里 虹桥 降落经 H21 AND 5100/备份 5700、6000 20 公里 南京航空航天大学硕士学位论文 南京航空航天大学硕士学位论文 上海终端区空域结构调整方案研究 上海终端区空域结构调整方案研究 2.3 世博会对上海机场终端区运行的影响 终端区空域作为空中交通的密集和枢纽空域,一般是以大型机场为中心的中低空域,其飞行 流量大,空域复杂性高,在此空域内存在多处汇聚飞行交叉点,航空器所要完成的机动飞行相对 较多,加之终端区空域受实际地域限制较大,部分地区还受到空军活动的影响,限制了区域内管 制员的调配手段。各项数据和研究都表明各个机场的终端区已成为整个空域容量提高的瓶颈。而 上海终端区目前承担着两个机场、五条跑道的航空器起降,是我国飞机流量最密集的终端区空域。 统计数据显示,世博会期间,上海两场每天的航班起降量都几乎达到峰值。虹桥机场日均起 降从原来 530 多增加到 750 架次左右;浦东机场日均由 700 多激增到 1000 多架次。8 月 27 日, 在恶劣的天气情况下,虹桥、浦东两场分别创造了 825 和 1111 架次的起降记录。 根据以往重大外事事件的经验,可以得出上海世博会的特点[35]:具有较长时间周期,特定 地区及周边区域受影响较大,大量的人员和物资在不同地区与特定地区之间迅速集中再迅速分 散。从民用航空运行角度来看,在终端空域的存在这势必导致终端区内高峰航班量呈阶段性变化, 在高峰阶段,空域内出现航班过于集中和拥挤的情况,造成航班延误、飞行冲突频繁等问题,容 量饱和,出现空域无法满足飞行需求的情况。相反,在其他非繁忙阶段,相同空域中的交通流与 容量之间可以实现基本平衡或者需求量小于容量值,空域资源不能得到充分利用。 显然,这无形中增加了管制员的工作负荷,还会给航空公司带来不必要的经济损失,在引起 其他负面影响的同时,还存在空域结构、航路航线等网络布局未尽其用,造成空域资源浪费的情 况。 综合来说,上海机场终端区的平稳运行要从保障终端空域的进离场航线有序性和流畅性,及 航班正常性问题方面入手,通过改进现有工作程序等手段,积极保障航班运行的正常和高效。 ? 对终端空域内重点航线、重要进出点进行流量监控,适度调节,充分利用飞行间隔或集 中放行管理等方式,减少飞行延误,保证京沪快线及其他航线的正常运行。通过电脑程 序预先排序,对申请加入该航线飞行的航班即时计算出预计起飞时间,为各管制扇区和 航空公司提供有利的准备空间。 ? 跑道作为终端区整个飞行流的流入流出结点对整体空域容量的提升也存在较大影响。为 保证航班按时起降,在浦东机场塔台,适时应用三条跑道,灵活调整独立平行近进和密 切相关运行方式,尽量缩短滑行和等待的时间。 ? 对华东地区部分繁忙机场的航班放行纳入航班信息一体化管理系统,同时筹划启动上海 情报区繁忙航路、航线的集中放行管理的可能性,以进一步提高航班的正常率。 2.4 特定事件对终端区运行影响分析 根据上海世博会实际数据,结合北京奥运会经验,可以总结特定事件发生时空中交通流的特 PAGE PAGE 18 PAGE PAGE 19 点以及相应对终端区运行的影响。 对于周期较长的重大事件,如上海世博会,时间周期持续在 2 个月以上,基本上会经历三个 状态,空闲期,高峰期,平缓期。由于在特定重大事件发生前,会预计航班量的变化,为使终端 区运行足于应对高峰飞行流,会设计将整个终端空域以满足最大容量的目标,因此调整后终端区 空域结构限制最小,可用空域资源最多,满足高峰飞行需求,但是,航班量不会总处于高位运行 状态,实际上高峰期一般只占总周期不到 1/3 的时间,这就造成在飞行量处于低位运行状态下, 尽管管制员可以采用合并扇的方式灵活调整工作负荷水平,但空域资源仍存在闲置的情况。 对于周期较短的,如北京奥运会,广州亚运会,时间跨度在一个月左右,意味着,空中交通 量呈现波形分布,在特点事件发生前后会经历一个波峰,随着事件发生趋于平缓,在临近结束稍 有增加,最后逐步恢复至正常水平。此类事件,短时间内终端区需承受一个同样的过程,即集中 流入、分散流出。 2.5 小结 本章首先分析了本研究基于的重大事件背景——2010 上海世博会的相关内容,继而描述了 在这一背景下对民航带来的契机与挑战。以实际统计数据分析了世博会客流变化及走势,并分析 了世博期间上海两个国际机场客流变化。最后对上海大终端区域整个空域结构的影响进行了详细 的研究和剖析。本部分内容将作为后续章节研究的重要研究依据,是进一步分析空域结构调整方 案的基础。 第三章 空域资源优化配置及结构调整策略研究 近年来,空域作为资源的概念在经济学领域中受到广泛关注并得到进一步的拓展,其观点对 于以空中交通管理技术理论为研究中心的“空管学派”有诸多启示。 空域是飞行空域的简称,是为航空器飞行而设置的。航空器在大气层内活动,有一定的高度 范围限制,所以空域定义为地球表面以上可供航空器飞行的一定范围的空气空间。空域同国家的 领土、海洋一样,也是国家的重要资源。每个国家的领空就是每个国家的空域资源[36][37]。 空域是一种可以反复无限使用、不可再生的自然资源,但具有即时性,未利用的空域随着时 间的流逝其使用价值也相继消失,因此可以说,空域是一种流量资源。空域资源限制凸显,表现 在繁忙地区的狭小区域内分布过多的机场,航班流高度密集,而相对空域资源不变,造成空中航 路拥挤,通航能力受到干扰,安全隐患及管制员工作负荷也随之增加。从经济学角度解读,这体 现了空域作为资源的稀缺性,同时,空域具有提供效用和创造价值的经济性。 空域的资源属性特质丰富了空域管理的内涵。合理地优化、配置空域资源,已成为空域规划、 设计和管理方面需考量的基本原则,空域结构的调整策略则作为动态空域管理课题中一个最易于 投入实践环节的有效方法得到普遍应用。本章深入地分析和研究了空域资源优化配置问题,并立 足于空管系统情况最复杂的一个子系统——终端区,阐述了多机场终端空域结构调整的总体原 则、影响因素和调整思路。 3.1 空域资源的优化配置 作为空中交通管理(ATM)的重要组成部分,空域管理、空中交通服务(ATS)和空中交通流 量管理(ATFM)有着密切的关系,空域管理强调平衡各空域用户的使用需求,提供各用户可接受的 空域规划、调整及使用方案,在空中交通管理系统中处于先导地位。空域管理的目的是以最有效 的管制手段或方法,充分发挥、协调和满足空域用户各方利益,增大空中交通流量,极大地减少 空中交通延误,确保飞行安全。 空域用户的使用需求是配置空域资源的基础,也是空域划设、调整及使用方案的设计出发点。 以航空运输类型来划分,空域用户可分为通用航空(其它民用航空活动)、公共航空运输(定期 商业航班)、军事航空(军用),前两者亦称为民用航空。 通用航空[38]活动是指使用民用航空器从事公共航空运输以外的民用航空,具有机动多变, 环境适应能力强的特点,主要是在距离地面 1 万英尺(约 3000 米)以下的低空飞行。 按照现行空域管理体制,我国空域在国家空管委的统一领导下,航路内由民航提供管制指挥, 航路外由军航负责管制指挥,因此公共航空运输在空域内严格按照划设的航路航线飞行,现代民 航运输使用最多的喷气式客机飞行最佳巡航高度层和飞行的大部分时间都集中在 9000—12500 米,因此主要占用空域在 12500 米以下。 军事航空的特点是灵活,起止速度快,时间短,垂直高度跨度大,水平区域涉及的范围广, 因此对于空域的要求以满足自由飞行为首要前提。 以下将逐步分析目前通用航空空域使用限制、军民航空域协调情况,接着从机场布局出发以 宏观角度剖析研究空域资源的配置问题。 3.1.1 释放低空空域资源 通用航空(General Aviation,GA)涵盖包括从事工农林渔和建筑业的作业飞行以及气象探 测、抢险救灾、教育培训、商务飞行等社会、经济公共服务。尽管与美国、加拿大、澳大利亚等 国土面积相当的通航发达国家相比,我国通用航空的整体规模不大,如飞机保有量、飞行小时数 以及通用机场数量都远低于这些国家,但未来发展前景不容置疑。 图 3.1 我国通用航空需求预测 根据豪客比奇公司的估计(见图 3.1),中国通用航空需求量将以每年 20%的速度增长,到 2015 年,通用飞机总数达到 2800 架;根据美国贸易发展署、中国美国商会和中国民航局的估测, 到 2015 年中国将需要 1997 架作业通用飞机和 1415 架培训及私人飞机,复合增长率 21%;根据 中国民航总局的估测到 2020 年通用航空机对规模总数将达到 1 万架,复合增长率 22%。 而以上高速增长的前提条件是,关键的基础设施、空域的可用性和有利的运行环境能够得到 保证。三个制约因素中,低空空域的开放程度和运行管理最为关键。低空空域是通用航空活动的 主要区域,多年来,我国的低空空域问题始终被例为航行缺陷。尽管 ICAO 要求世界各国从 2010 年开始开放低空空域,而根据中国的实际情况,这一目标短期内难以实现。 改革开放 30 年来,中国通用航空的发展严重滞后于改革开放的步伐。低空空域不开放是造 成这一情况的主要因素。按照现行空域管理体制,中国空域在国家空管委的统一领导下,航路内 有民航提供管制指挥,航路外由军航负责管制指挥。这种空域模式,主要着眼于满足军用航空和 民用运输航空的空域需求,对通用航空的使用需求关注不够[39]。 但必须看到,与国外的航空业相比,中国的民航之路是一个从“限制”到“逐渐自由”的过程[40]。 根据国家空管部门的“十一五”规划,国务院、于 2010 年 11 月 14 日印发《关于深化 我国低空空域管理改革的意见》[41](以下简称《意见》),指出未来将推进低空空域向民航客、 货运输以外的通用航空活动开放。这意味着,民航业呼吁多年的低空空域开放终于有了结果。 《意见》确定了深化低空空域管理改革的总体目标、阶段步骤和主要任务。总体目标是,通 过 5 至 10 年的全面建设和深化改革,在低空空域管理领域建立起科学的理论体系、法规标准体 系、运行管理体系和服务保障体系,逐步形成一整套既有中国特色又符合低空空域管理规律的组 织模式、制度安排和运作方式,充分开发和有效利用低空空域资源。 具体实施分 3 个阶段,2011 年前为试点阶段,在局部地区进行改革试点,探索低空空域管 理改革的经验做法,为全面推进低空空域管理改革奠定基础;2011 年至 2015 年底前为推广阶段, 在全国推广改革试点,逐步形成政府监管、行业指导、市场化运作、全国一体的低空空域运行管 理和服务保障体系;2016 年至 2020 年为深化阶段,进一步深化改革,使低空空域管理体制机制 先进合理、法规标准科学完善、运行管理高效顺畅、服务保障体系完备可靠,低空空域资源得到 科学合理开发利用。主要完成以下任务,一是按照管制、监视和报告三类空域划设低空空域,区 分不同模式实行分类管理试点;二是逐步构建具有中国特色的低空空域管理法规标准体系,为改 革提供法律支撑;三是改进创新服务模式,提高运行管理和服务效率;四是加强配套设施建设, 为推进改革创造有利条件;五是以国家投资为主,鼓励地方政府和社会力量投资建设航空服务站, 合理构建航空服务保障体系;六是建立健全飞行人员培训机制,加强相关资质审查,提高从业人 员素质;七是加强低空飞行安全监控和管理,建立完善飞行违规处罚机制和应急反应机制;八是 建立评估监督机制,不断改进管理方式和手段,提高低空空域管理水平。 此次出台的《意见》将是促进通用航空产业发展的重要一步。适时、有序地推进和深化低空 空域管理改革,有利于充分开发利用低空空域资源,促进通用航空事业、航空制造业和综合交通 运输体系的发展。 3.1.2 军民航协调机制 我国的航路航线网络形成于上个世纪七十年代,曾满足了一定时期军民航用户使用空域的需 求。但在近十几年来,相对于以空军为主体的空域管理陈旧的空管体制构架以及基于原有空域结 构的局部修补式调整和优化的是:我国航空运输总周转量年均两位数的高速增长。 以军航为主导的协调机制和空域结构调整的不彻底性,两方面都体现同一个问题,即空军在 空域使用上拥有的绝对话语权。空军兼有空域管理者和使用者的双重身份,这意味着在军民航空 域需求出现矛盾以及民航希冀推进新的航路网络规划时,以空域资源利用最大化出发实施空域资 源再分配的公正性将很难得到保证。 以目前的空管体系和自动化程度来看,我国有进一步开放空域并实现灵活使用的需求和能 力。但制约其继续发展的是尚不健全的军民航协调机制。在 FUA 概念中,衡量一个国家的军航 和民航用户能否通过 FUA 概念安全、高效地使用空域,恰恰取决于它在 ASM 三个等级中的军/ 民航协调能力[42]。 对我国军民航协调机制的改革,首先要明确的是协调能力发挥的多少,最核心的是在军民航 协作、互信观念渗透的情况下,空域信息共享方面的透明化和便捷化达到的程度。因此迫切需要 搭建全国范围内军民航共享的空域管理信息平台,统一收集、处理和监督各种用户的空域使用信 息。以此为基础,军航和民航用户合作使用空域的具体细节才能得以展开和实现。 其次,对于国家空域管理权限,在今年空域分类[42]实施后,预计我国也将在开放、公平与 互利的空域管理原则上,明确并建立空域的统一管制体系,比如军民航各类运输飞行很可能采用 统一的国际民航组织标准。考虑到军事航空的需要及地位,在不能将国家空域的管理权限完全转 交给政府的阶段或情况下,为保证空域管理权限的公平性应增强民航空域管理机构协同军航决策 的权力,起到平衡或制约军航对航路航线调整等空域使用和管理上的绝对控制权。 另外,依托现有的军民航三级协调机制的框架,完成三级管理从松散联系型到紧密合作型的 转变。其中,战略和预战术层面,通过进一步制定或者修订完善相关法律、法规及标准,能够从 宏观上保证空军、海军、民航局三方利益及协调机制的顺利推进。战术层面应着重于军民航实时 对空域协调的能力,如有效应对军事、通用航空使用空域调整计划或应急空域使用需求,以及流 量控制时发生大面积延误等情况。 3.1.3 基于机场布局的空域资源配置 我国机场体系初步形成以北京、上海、广州为主的三大区域机场群体,机场区域分布的数量、 规模和密度与我国区域经济、社会发展水平和地理格局相适应,这也促使我国民航运输网以基于 机场空间布局的中枢轮辐式与城市对相结合的方式形成[43][44]。由于三大区域机场系统承担全国 约 70%以上的飞行量,所以此类多跑道多机场繁忙区域在空域资源分配与利用上的竞争性具有 一定典型性。 以珠三角地区为例,珠海和澳门,深圳和香港,机场间的直线距离很短,整个区域内五大机 场的跑道密集,同时跑道方位相互交错,飞行程序相互交织,升降地带重叠,存在穿越情况,同 时运行时矛盾非常突出,其直接影响是潜在飞行冲突和管制压力随之增加。 区域多机场空域使用的特点可概括为:多机场系统空域内飞行量密集;各机场独立发展受空 域、环境、资源等刚性约束条件制约作用明显;机场的分布状况及密集程度,严重影响各机场相 对空域的使用率。 对应于三大区域机场群的空域结构,多以各机场在一定时期内的飞行量及机场定位为依据分 别划设,在经过几十年的经济发展及区域建设之后,尤其是当前机场体系初具规模的情况下,原 有空域结构的限制及与机场发展不相匹配的空域配置等都已显露,这也是我国其他飞行繁忙地区 机场同样存在的问题,因此有必要借助科学的仿真手段,进行空域评估,以此为依据重新规划空 域或进一步优化调整空域结构。 针对区域多机场系统的空域划设应从机场布局出发,需体现区域整体性特征,内部再进行飞 行流梳理,统筹兼顾区域及内部机场间的需求。围绕机场布局出发的全面协作模式的空域资源优 化和配置需考虑几个方面: 一是明确各机场间的定位和分工,分析空域容量评估数据,进行区域内多机场空域结构优化 和调整,充分协调并保证区域内各机场较高的相对空域使用率,规划或调整航路航线,体现核心 机场对干、支线航空运输协调发展的合理引导作用。 二是有效配置空域资源以充分发挥区域多机场群的整体优势和作用,形成具备区域乃至全球 竞争力的综合枢纽。同时,与区域外其他相邻空域流畅衔接,保证航空客货进出区域的快速流动, 增大空域容量。 总之,定位于区域多跑道多机场区域的全面协作空域模式,强调形成紧密协作和良性竞争的 格局,在与军航规划有效衔接的情况下,将分散空域资源进行一体化配置,以提升空域利用率和 空域容量。 3.2 多机场终端空域结构调整 3.2.1 空域结构调整总体原则 采取空域结构调整策略,是解决现有空域结构在实际运行中暴露出的结构性问题的有效手 段。空域管理是构建航空运行、管制服务基础环境的重要环节,根据民航空管系统提出的“安全、 容量、效率、服务”的总体思路,空域规划及调整所遵循的总体原则如下: ? 安全性。安全是民航系统的生命线,空域如果存在结构性缺陷,将直接导致安全隐患 严重、飞行冲突频繁,因此安全是空域结构调整策略的首要原则。 ? 公平性。空域划分坚持兼顾民用航空、通用航空和军用航空三方空域用户平等使用空 域的权利,空域结构调整同样基于民用航空、国防安全和公众利益的需要,以满足不同空域用户 的使用需求,平衡各方利益为依据,同时实现空域利用最大化。 ? 合理性。空域结构调整策略源于存在不合理的空域结构,新的调整策略应有效解决威 胁飞行安全,制约运输发展的结构性问题,疏通密集交通节点和航段,平衡区域内交通运力。以 不增加或减少管制员工作负荷下增大容量,理顺交通流为目标。 ? 经济性。在安全的前提下,积极发掘空域资源的经济效益。合理地增加航路航线促进 地区经济的发展;增设临时航线满足阶段性公众航空需求;尽可能避免空中和地面的延误,减少 航空公司损失。 ? 前瞻性。顺应未来动态空域规划和管理的发展和需求,空域结构调整策略不仅需要解 决目前空域面临的问题,还需预计中长期可能面临的挑战,增强调整后的空域结构在未来一定时 期应对飞行增长量的承受能力。 3.2.2 多机场终端区的影响因素 终端区是飞行冲突表现最为突出的区域,更是飞行事故的高发区域[45]。在此基础上,多机 场终端区由于纳入了两个以上的机场,还需考虑机场间的约束、空域相互影响及多机场终端区与 周围空域耦合的问题,因此是更加复杂的系统。 影响多机场终端区结构的主要因素包括: (1)终端区范围及机场数量。随着机场数量的增加,多机场终端区复杂化加剧。此外,还 包括机场的分布状况,机场间相对距离等。 (2)空中交通流量及其分布。多机场终端区各机场进出点设置,交通流分布情况,航空器 类型及活动性质,各机场起降、飞越的航空器的架次以及日高峰和小时高峰架次。 (3)航路和航线的复杂度。包括航路、航线的数量,交叉点的数量及位置,强制报告点的 数量等,进离场航线)军用空域的分布及使用情况。包括军用训练空域及军用机场与民航矛盾突出的穿云航 线等,以及军用空域的活动性质。 (5)机场间空域影响。终端内不同机场间的空域衔接,终端区空域与周边空域的耦合情况。 (6)跑道情况。跑道数量,跑道运行方式。 (7)地形及障碍物。本区域内的地形情况及进近阶段影响管制员进行调配的障碍物的分布 状况。 (8)管制员工作能力分析。包括管制员的数量和熟练程度,管制方式等。 3.2.3 多机场终端区调整策略 航路、航线结构调整 航路是以空中航道形式建立的,设有无线电导航设施或者对沿该航道飞行的航空器存在导航 要求的管制区域或者管制区的一部分;航线是航空器在空中飞行的预定路线,沿线有为保障飞行 安全所必须的设施。航路、航线是飞机在空中的飞行通道,其网络结构设计的优劣直接关系到空 域环境的质量好坏和空中交通秩序的顺畅与否[46][47]。 ? 开放临时航线 我国现行的空域结构中,为了增加空域容量和提高空中飞行的灵活性,划设有一些临时航线。 这些临时航线的具有明确的使用限制和协调规定,通常不与航路、固定航线交叉或者通过飞行繁 忙的机场上空。在重大事件影响的空域内,合理开放临时航线,充分使用临时航线,可增加空域 容量,缓解航路和固定航线上的空中交通流量拥挤状况。 ? 建立分流航线 对航路、航线网络结构的局部调整,在重大事件期间预计交通量拥挤情况严重的航路、航线 附近增设临时飞行区域,建立分流航线。在交通量需求超出或即将超出空中交通管制容量时,分 流航线的启用将起到增加空域容量,分流航路、航线空中交通流量的作用,从而提高航路、航线 网络对重大事件期间交通量变化的适应能力,促进空中交通有序、高效流动。 ? 优化航路、航线交叉点设置 航空器执行飞行任务时经常要在航路、航线交叉点改变飞行路线,交叉飞行不可避免,解决 飞行冲突矛盾,需要对航路、航线交叉点的设置进行优化。考虑交叉点所属航路、航线的空中交 通流量,在尽量保证航路、航线的交叉点保持最少,避免在空中交通密度较大的区域出现多个交 叉点的前提下,满足最多允许两条空中交通密度较高的航路或者航线汇聚于一点,其交叉航迹不 得大于 90 度,并最多可以允许三条空中交通密度较低的航路或者航线汇聚于一点的要求,优化 重大事件期间预计交叉飞行冲突严重的航路、航线交叉点位置,从航路、航线网络结构上避免交 通流在交叉点处的多重交叉,减少冲突点航空器的汇聚。 ? 重新规划航路、航线网络结构 现有空域结构基础上,在航路、航线结构局部调整后的空域容量不能满足空中交通流量的需 求时,可以从总体角度优化航路、航线网络结构。通过分析重大事件期间空中交通流量的变化对 航路、航线网络的影响,结合空域容量与预测流量匹配的原则,确定受到波及的航路、航线在重 大事件期间所需提供的空中交通管制容量。根据此容量值作为结构调整目标,通过新规划和设计 航路、航线网络结构,增加空域容量,解决预测空中交通需求与空域容量不匹配的矛盾。 扇区结构调整 将区域管制区或者终端(进近)管制区划分为两个或者两个以上的部分,每个部分就称为一 个管制扇区。划分扇区的目的为了将管制区的工作量分配至两个或者两个以上的管制席位,减轻 单一管制席位的工作负担或者减少陆空通信频率拥挤[48][49]。 目前,世界范围的空域扇区规划和管理工作都是参照 ICAO 的相关文件 8168-OPS/6111、 9689-AN/9532 和 9426 进行的。基于空域的区域地理分布的扇区划分方法[50][51][52],对于某些飞 行流量大且管制负荷密集的终端区,往往会造成整个空域负荷的增加。因此按空域功能而进行的 终端空域扇区划分,即进离场分离的扇区规划方法,正逐渐成为国外众多交通密集的终端区广泛 应用的一种扇区定性规划方法。相应地,由此衍生出多机场终端区扇区调整策略。 ? 调整扇区使进离场分离,即明确扇区功能性。加上扇区的功能性约束使扇区获得的单元 在功能性上具有接近性或者同一性,这些约束通过单元内冲突的性质和管制动作的性质 来描述,通常使同一扇区执行相同的进场管制或者离场管制,最大限度降低可变负荷的 产生。 ? 扇区边界与汇聚点(交叉点)最小距离调整。扇区边界距离航路交叉点的距离必须小于一 规定值,以保证管制员有足够的时间处理结点处的冲突,而防止在其他扇区进入的航空 器与结点处航空器发生冲突。在实际管制中,认为管制间隔已经满足管制员冲突解决时 间,故扇区边界距离航路交叉点要满足大于 10km。 ? 凸形调整。飞机频繁穿越扇区会导致大量可变管制负荷,而凸形扇区可有效防止在同一 次飞行过程中,同一架航空器两次(以上)进入相同一个扇区。因此为避免航线多次穿 越扇区边界,在存在凹形扇区结构时应调整扇区以满足凸形约束。 ? 扇区最小穿越时间调整。为保证管制员充分掌控空中交通状况,做出初步判断并调配指 令发布的工作裕度,需要保证扇区结构满足飞行器在其中停留时间高于设定的最小时 间。 ? 连通性调整。扇区应当为一个封闭的空域区间,因此不可规划成同一扇区被分割成若干 不相联通的部分,防止因管制空间分散导致管制员的注意力分散,引发潜在的安全隐患 的情况。 以功能性扇区为目标的调整能够极大的减少扇区内的管制移交工作负荷,使得扇区的职能明 确,工作任务复杂性降低,并且此类扇区更易于学习掌握。 扇区结构调整过程中所需考虑的相关因素如图 3.2 航空器转换扇区飞 行的航路及高度  航空器活动 的地理范围 管制员工作能力 管制方式 与其他单位的协调  影响扇区结构的因素  本地区的空域结构 空域需求 空中交通量及分布 飞行剖面 空中交通服务航路网 通信及雷达导 航设备的能力  机场及跑道情况 图 3.2 影响扇区结构的因素 扇区结构规划与调整的具体要求如下: (1)雷达覆盖要求。应确保管制地段雷达的最大限度覆盖,管制员能够监视扇区内的所有 航路。 (2)通信覆盖要求。应确保管制地段通信信号的最大限度覆盖,保证管制员和机组间的通 信顺畅。 (3)频率使用要求。应避免管制员和机组间通话比较困难等现象的发生。 (4)扇区边界要求。扇区边界应同一标准,避免不必要的协调,多个扇区边界的结合处不 应该接近管制区的边界。 3.3 小结 本章围绕有效优化、配置、调整空域资源展开,先从空域用户角度剖析了空域需求以及实际 使用矛盾和限制,接着从多机场终端区角度宏观把握空域配置的优先级别和侧重点,最后针对多 机场终端空域结构调整提出了总体原则、影响因素以及调整思路和策略,为第四章研究具体的空 域结构调整方案提供了参考和评价标准。 第四章 上海终端区空域结构调整方案研究 上海地区是我国经济发达地区,又是防空重要保卫目标和军事斗争准备主要方向,在国家经 济建设、国防建设和社会发展中具有十分重要的战略地位。 该地区航空业发展迅速、飞行活动多、空域需求大、飞行矛盾突出。以上海市为中心,半径 150 公里范围内,现有 15 个军民航机场,其中 6 个民用机场,8 个军用机场,1 个军民合用机场。 划设 39 条航路航线,还有多条训练空域和航线。区域内民航运输飞行总量持续快速增长,年均 增长率 15%以上;军用飞机性能大幅提升,战备训练留空时间成倍增长,空域需求大幅增加。 近年来,为适应阶段性的发展需求,上海地区的空域结构先后进行了 4 次调整,但空域紧张问题 仍然突出。 本章将以现行上海终端区空域结构方案和以保障 2010 年上海世博会为目标的空域结构调整 方案为研究对象,通过计算机模拟仿真手段分析和评价空域结构优化效果,继而总结空域结构调 整和变更的经验,为未来相似特定事件发生时,保证终端区空域资源的分配和利用合理化提供思 路和建议。 4.1 总体研究思路 空域结构调整方案研究以拥有虹桥机场和浦东机场的上海多机场终端区为例,根据实际运行 情况,构建终端区空域结构模型,借助容量评估手段科学评价空域状态、安全级别以及在应对特 定事件的飞行需求时表现出来的承受能力。 根据特定事件发生的时间,将空域结构模型划分为上海终端区现行空域结构方案(简称为现 行空域方案)和上海终端区空域结构调整方案(简称为调整空域方案)。 整体研究思路: 步骤一:根据上海现行空域结构,相关进离场航线及比例,跑道运行方式,航班数据等信息, 构建多机场终端区模型,复现世博会前上海地区空域真实运行状态。 步骤二:对步骤一构建的现行空域方案进行容量评估,客观评价和分析空域结构存在的缺陷 和问题,并给出待改善和优化的方面。 步骤三:根据 2010 年 4 月 8 日出台,为满足世博会飞行需求的《上海地区空域结构调整修 改意见》形成调整空域方案,并进行容量评估,并与调整前现行空域方案进行比较。 步骤四:在现行空域方案和调整空域方案的基础之上,总结主要经验和方法。 4.2 现行上海终端区空域结构方案 4.2.1 现行方案特点 PIKAS NTG  BUNVA UDOXI IBEGI 硕放 POM 硕放 POMOK A593  W16ALD W16 EMSAN PINOT PONABDU PONAB DUMET 上海虹桥 A59 A599 OLGAP  SHY  NINAS LASAN  BONGI NXD杭州笕桥ELA NXD 杭州笕桥 UNTOP ATRIP  PONAB DADAT AND 上虞  NGB  宁波栎社  RUXIL HSN  图 例 图 4.1 现行上海终端区空域结构 根据 2009 年 5 月 1 日至 5 月 10 日的上海浦东国际机场、虹桥国际机场的实际飞行计划数据 统计后得到,浦东国际机场航班量占上海地区总量的 60%,虹桥国际机场航班量占上海地区总量 的 40%。 现行空域下浦东三跑道不同运行方式下进离场航线 条,虹桥双跑道进离场航线 条,其进离场路径及飞行流比例见表 4.1 和 4.2. 上海终端区两机场“四进六出”的进出港航线结构,作为民航运输进出上海地区的空中通道, 其中进场移交点分别为无锡(VMB)、庵东(AND)、PINOT、DUMET,离场移交点分别为 PIKAS、南 浔(NXD/SX)、IBEGI、庵东(AND)、HSN、ESMAN。 表 4.1 现行空域下浦东三跑道向北、向南运行进离场路径及比例 现行空域方案浦东进离场路径及比例 向北运行进场 向北运行离场 向南运行进场 向南运行进场 路径 比例 路径 比例 路径 比例 路径 比例 VMB-11A 34% ODULO-22D 18% AND-12A 6% HSN-11D 10% AND-11A 24% HSN-22D 19% AND-14A 6% HSN-23D 9% AND-13A 7% SX-12D 6% AND-16A 6% LAMEN-21D 21% DOMET-21A 16% SX-14D 7% AND-22A 6% ODULO-11D 9% PINOT-21A 19% PIKAS-12D 29% AND-24A 7% ODULO-21D 9% LAMEN-22D 21% DOMET-22A 16% PIKAS-11D 14% PINOT-22A 19% PIKAS-23D 15% VMB-12A 34% SX-11D 13% 表 4.2 现行空域下虹桥双跑道向北、向南运行进离场路径及比例 现行空域方案虹桥进离场路径及比例 向北运行进场 向北运行离场 向南运行进场 向南运行进场 路径 比例 路径 比例 路径 比例 路径 比例 VMB-1A 16% PIKAS-2D 46% VMB-2A 24% VMB-1D 1% VMB-3A 16% SX-2D 45% VMB-4A 24% VMB-3D 1% VMB-5A 16% AND-2D 2% AND-2A 13% NINAS-1D 3% PUD-1A 2% AND-4D 2% AND-4A 12% SX-1D 45% PUD-3A 1% NINAS-2D 3% AND-6A 12% AND-1D 2% AND-1A 12% VMB-2D 2% AND-8A 12% AND-3D 2% AND-3A 12% PUD-2A 2% PIKAS-1D 23% AND-5A 13% PUD-4A 1% PIKAS-3D 23% AND-7A 12% 根据 提供的跑道运行方式,浦东国际机场向北运行时,35L 和 34 采用相关平行进 近方式进场,向南运行时,17R 和 16 按照相关平行进近方式进场,直到 2009 年 10 月 22 日零时, 开始正式实施独立平行仪表进近模式运行。考虑到现行上海终端区空域结构方案数据信息采集于 2009 年 8 月,为保证数据的准确性及方案的推进和比较,以下对浦东机场的两种进近方式都进 行了评估。 表 4.3 是现行方案单个机场运行的虹桥容量、浦东容量以及两者容量之和。此时浦东机场采 用相关平行进近方式进场。基于 3.2 中对于多机场终端区的分析,为模拟上海复杂终端区的真实 运行环境,本文还增加了虹桥和浦东机场联合运行时的分析,见表 4.4。(单位:架次/小时) 表 4.3 现行方案虹桥、浦东的容量 虹桥 浦东 终端空域 容量 进场容量 离场容量 总容量 进场容量 离场容量 总容量 总容量 向南运行 22.6 22.7 45.3 30.6 33.1 63.7 109 向北运行 22.7 22.5 45.2 29.3 35.6 64.9 110.1 表 4.4 现行方案联合运行时终端区的容量 联合运行 虹桥容量 浦东容量 联合容量 向南运行 43 62.2 105.2 向北运行 43.2 63 106.2 从表 4.3 与 4.4 可以看出,联合运行时终端区容量小于单个机场运行时的容量值之和,原因 即纳入两个机场的复杂终端区,必然存在机场间的约束、空域相互影响及多机场终端区与周围空 域耦合的影响。 当浦东机场采用独立平行仪表进近方式时,容量值小幅提升,具体容量变化见表 4.5 和 4.6。 (单位:架次/小时) 表 4.5 现行方案浦东的容量(独立平行进近) 容量 浦东 联合运行 进场容量 离场容量 总容量 向南运行 32.4 34.9 67.3 向北运行 32 35.7 67.7 表 4.6 现行方案联合运行时终端区的容量(浦东:独立平行进行) 联合运行 虹桥容量 浦东容量 联合容量 向南运行 43.1 65.4 108.5 向北运行 43.2 65.8 109 4.2.2 现行方案运行受限分析 图 4.2 上海终端区军航影响 上海终端区总面积为 36,323 平方千米,在此范围内,有 6 个划设的军航空域,总面积约 9, 087 平方千米,约占上海终端区空域面积 25%,图 4.2 中的圆代表主要军航影响位置(考虑到资 料的保密性,并未标注军航具体位置,以下资料进行了相同处理)。 在上海终端区内除虹桥、浦东外,还有南通和龙华两个民用机场,一个军民合用机场(无锡), 以及大场、崇明、光福和嘉兴四个军用机场。其中大场机场与虹桥、浦东机场距离过近,尤其是 虹桥机场,与大场机场相距仅 15 公里,侧向间隔 7.8 公里。大场机场限制了虹桥机场以北仪表 进近航线的距离,也影响了无锡方向经大场机场上空至浦东机场的航班进场高度,严重制约着上 海虹桥和浦东机场的流量增加和功能的发挥。虹桥以北仪表进近航线最北端不过嘉定/广福一线, 虹桥向北时,起飞航班 200 米以下左转,虹桥向南时,三边不能延长,五边切盲降高度为 450 米且严格不得偏东。浦东进场高度 1800 米下降 1500 米,距离跑道 34 公里,当两架以上航班同 时进场时,需从 1800 米高度下降到 900 米切入盲降口,而且没有机动空域。 表 4.7 现行方案的联合运行时终端区的容量(大场军航影响下) 联合运行 虹桥容量 浦东容量 联合容量 向南运行 39.3 60.4 99.7 向北运行 43.3 62.6 105.9 根据表 4.7 的容量评估结果,浦东/虹桥两场联合运行时空域容量下降约 6 架次/小时,其中 虹桥机场向南运行容量下降约 4 架次/小时,浦东下降约 2 架次

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