空中高速路运行方式研究

Ｊｕｌｙ　２０１３　Ｖ．０Ｉ．２４Ｎｏ．４　中国民航飞行学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ａｖｉａｔｉｏｎ　Ｆｌｉｇｈｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　空中高速路运行方式研究☆　刘　兵。王莉莉　周　鹏２　（１中国民航大学空中交通管理学院天津３００３００　２民航空管局河南分局河南郑州４５３０００）　摘　要：本文在阐述了空中高速路特点和运行设备要求后，结合我国实际情况，针对　空中高速路运行方式提出了单行航路、多平行航路及多层航路三种思路，并分别建立合适的流　量模型进行分析对比，最后进行总结，为我国未来空域结构的调整提供理论参考。　关键词：空中高速路　运行方式　跟驰模型　换道模型　最小安全间隔　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　Ｍｏｄｅ　ｏｆ　Ａｉｒ　Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｌｉｕ　Ｂｉｎｇ‘Ｗａｎｇ　Ｌｉｌｉ　Ｚｈｏｕ　Ｐｅｎｇ＂　（１　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＡｉｒ　Ｔｒａｆｆｉｃ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，Ｃｉｖｉｌ　Ａｖｉｔｉａｏｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｔｉａｎｊｉｎ，３００３００，Ｃｈｉｎａ　２　ＨｅｎａｎＡＴＣ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｓｕｂ－ｂｕｒｅａｕｓ，ＣｉｖｉｌＡｖｉａｔｉｏｎＡＴＣ　Ｂｕｒｅａｕ　ｏｆＣｈｉｎａ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ，４５３０００，Ｈｅｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃｉｖｉｌ　ａｖｉａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ａｉｒｓｐａｃｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｄｉｉｃｕｌｆｔ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｎｅｅｄｓ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｔｈｅｓｉｓ　ａｉｒ　ｈｉｇｈｗａｙ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　Ｃｈｉｎａ＇ｓ　ａｃｔｕａｌ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｅｘｐｌａｉｎｓ　ｓｉｎｇｌｅ　ｒｏｕｔｅ，ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｒｏｕｔｅｓ　ａｎｄ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｌａｙｅｒ　ｒｏｕｔｅｓ，ａｎｄ　ｓｅｔｓ　ｕｐ　ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ　ｔｒａｆｉｃ　ｍｏｄｅｌｆｓ　ｆｏｒ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｈｉｇｈｗａｙ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ　ｍｏｄｅｓ．Ｔｈｅｎ　ｉｔ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｅｓ　ｔｈｅｓｅ　ｍｏｄｅｌｓ，ａｎｄ　ｆｉｎａｌｌｙ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ，ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ　ａｎｄ　ｌａｙｓ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｈｅ　ｆｔｕｔｕｒｅ　ａｉｒｓｐａｃｅ　ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ａｉｒ　ｈｉｇｈｗａｙ　Ｏｐｅｒｔｉａｏｎ　ｍｏｄｅ　Ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ　Ｒｏｕｔｔｅ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ　Ｍｉｎｉｍｕｍ　ｓａｆｅｔｙｉｎｔｅｒｖａｉ　ｌ引言　多个高度层的航路的运行方式，并对航路运行特　点、技术要求、空域使用率等方面进行比较，同时　针对不同运行方式建立不同流量模型，从而为我国　美国在２００５年就已提出了下一代航空运输系　统（Ｎｅｘｔ－Ｇｅｎ）的构想，指引了整个航空运输未来　的发展方向，其主要就是建立空中高速路网［１１。　Ｈｏｆｆｍａｎ等总结了各类航路的设计概念，定性地提　出了空中高速路网设计中需要解决的位置、运行方　式等问题，并建设性的总结了一些解决思路【２】。　未来空域改革提供理论支持。　２空中高速路网及性能要求　空中高速路不同于常规航路，它为远程、繁忙　航线上航空器提供一条独立、单向、无交叉高速便　捷航路，并按照不同的运行规则，基于一定的性能　为航空器提供同质化的服务，从而保障航空器高　Ｈ．Ｈｅｒｉｎｇ在对欧洲交通流量分析的基础上，总结了　欧洲已有的空域结构设计概念：自由飞行空域、管　道航路设计及空中高速路网设计，并初步探讨了空　中高速路网的设置和运行方式ｐ】。但国内对于空中　高速路的理论研究还存在很多的空白。　效、有序运行。空中高速路主要连接流量密集的城　市群，在每一个城市群中设置一个出入匝口，连接　这些匝口点，就构成基本的空中高速路网。　在航路性能要求方面，为了在高速路内确保航　空器安全间隔和减少管制员工作负荷，航空器必须　能够满足通信、监视、导航之间的要求：１）航路　本文针对现有研究很少涉及的空中高速路运　行方式进行研究，在空中高速路性能要求的基础　上，分析了单个高度层的单行航路、多条平行航路，　国家自然科学基金委与国家民板局联合资助项目（６１１７９０４２）；中央高校基本科研经费（ＺＸＨ２００９Ｃ００５）；中国民航大学校　级科研基金（０６ｋｙｍ０６）　中国民航飞行学院学报　６　Ｊｕｌｙ　２０１３　Ｖ＿０１．２４Ｎ０．４　Ｃｉｖｉｌ　Ａｖｉａｔｉｏｎ　Ｆｌｉｇｈｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　导航采用星基导航；２）飞机的自动间隔保持和机　载监视系统保障飞机相邻之间自我保持间隔；３）　航路将分类别，满足不同性能的航空器运行在不同　表示前机ｎ减速持续时间，后机玎＋１减速至　所用时长为　＋ｌ，在前机开始减速后，后机不可能　进行同步减速，必须经过一段反应时间，设为　。　为保证随后不相撞，后机应减速到一个小于或　等于前机的速度，因此ｃｏ．＝ｃｏ．　＝　，此时两机　的航路上，航空器性能趋向于同质化，按４Ｄ轨迹　精确控制；４）航空器必须具备独立的、冗余的设　备，允许在管制部门和航空器之间的数字通信。　３空中高速路运行方式　纵向间隔为ｄ，以ｖ　（　）表示飞机　的失速速度，　认为前后机分别以其加速度　和ａ　匀减速，则：　３．１单行航路　单个高度层的单行航路指在一定空域范围内　设计的，只占用一个高度层，允许单列飞机运行的　空中高速路（图１）。　图１单行航路　单行航路具有以下特点：　１）单行航路具有固定的航路宽度（按照　ＲＮＡＶ４规格进行设定），在一条航路只提供单方向　航路服务。　２）航空器具各自主保持间隔和防撞功能，基于航　路性能条件下，航空器之间至少保持最小安全间隔。　３）流量控制在航路匝口处进行，航路中飞机　按照进入顺序排列，航路内不存在超越。　单行航路在连接交通流密集的城市群中占用　的空域较少，飞机排列更加井然有序，因不存在交　叉、穿越等情况，所以航路内管制员负担减小，但　是单行航路也存在很多不足：１）航路中航空器机　载设备各异，增加了通信、导航与监视工作负担；２）　单行航路对于突发的危险天气、军方活动等特殊情　况应变能力较弱，一旦航路上发生特殊情况，航路　飞机不易进行改航路操作；３）空域利用率较低；４）　航空器主要在匝口处进行排序，单条航路可能会增　加匝口处管制员负担，同时造成过多的时间延误。　由于航空器之间间隔小、密度大，因此，＿旦　前机遇情况发生减速行为，后机必然受到很大影　响，跟驰现象明显，所以，单行航路上的交通流模　型引用张新瑜等提出的空中交通流的微观跟驰模　型　】进行研究。模型中主要针对于航路中一对飞机　进行假设分析，飞机间纵向间隔为Ｄ，前机速度　（ｆ），后机速度　＋ｌ（ｆ），ｆ时刻前机因突发情况而　减速，并报告管制员，假设其目标速度为　。以　Ｄ－ｄ＝￣　）　＋ｙ肿１　＋　）　＋　磊一　卜　＋　一ｊ【＝）　假设稳定运行时ｖｏ（ｔ）＝　＋１（ｆ）＝Ｖ。由于　Ｖｎ＋ｌ（ｆ）＝Ｖｎ＋】　＋　），　＝１／　，将　＝　）／‰，　ｔｎ＝（０）－－Ｖｎ）／ａ　，带入上式，化简得：　（２）　其中，ｄ≥　，ｄｍ为最小尾流间隔。　＞　（，２）。　这一模型较好地反映了空中高速路上的跟驰　现象，体现了交通流的跟驰反应受起始间隔、最小　安全间隔、飞行器巡航速度及前机减速过程中加速　度的影响。　３．２多平行航路　多平行航路，是指在一定空域范围内设计的占　用一个高度层，允许有多列飞机同时运行的空中高　速路，如图２所示。　多平行航路分为两种：１）非换道航路，如图　２左图；２）换道航路，如图２右图。非换道航路　的道路宽度规格、航空器机载设备及运行规则上与　单行航路存在一定的区别，主要在出入口增加了一　定数量的匝口，减少了匝口处流量负担，对于有多　条平行通道的空中高速路，．与周围空域范围内的其　它航路有较少的交叉点，避免流量交叉及其带来的　管制负担。同时在航路中，没有换道的影响，控制　交通流比较方便。而换道航路在航路中允许航空器一　进行换道，便于在纵向安全距离许可时，能够进行　合理的交通流调配。　在交通流模型的研究上，非换道航路是两个单　行航路并行的情况，不存在交通流的交叉情况。在　双非换道航路情况下，设一条航路的流量为Ｑ，则　Ｊｕｌｙ　２０１３　Ｖ＿０１．２４Ｎｏ．４　中国民’航飞行学院学报　Ｊｏｕｍａｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ａｖｉａｔｉｏｎ　Ｆｌｉｇｈｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　７　让Ｂ航空器通过；　４）７ｌ≥　，１２＜ｄ２时，分两种情况：　ｆ１＋『２　＋　，，￣ＪＩＡ航空器加速调整到ｔｌ　，　１２　之后换道；，ｌ＋ｆ２＜　＋　，则Ａ航空器减速　让Ｂ航空器通过。　㈦　曩　｜－　一．小　÷．　叶小蠹　一，　　．　一　。　－｛小小，　小薯一　　。　总流量为２Ｑ。在换道航路中，考虑换道对于流量　．　图２多平行航路　ｔ　ｃ靛　器　Ｂ航空耱　的影响，设口为邻道影响因子，主要用于描述相邻　一　婪　一　航路之间交通流的相互影响。当交通流密集时，相　邻航路没有足够的纵向间隔进行换道，则相邻航道　之间交通流影响较小。交通流较小时，航空器之间　纵向间隔较大，则相邻航道可以进行换道，则会对　相邻航道的交通流造成影响，ａ较大，因此与航路　流量Ｑ存在一定的关系，如图３所示。　ｏ　图３邻道影响因子与流量之间的关系　在双换道航路中，航路１和航路２流量设为　和　，假设航路２内航空器向航路１中进行换道，　则航路１实际的流量应为Ｑｌ＋口　＝（１＋口）　，而　航路２流量则变为　・ａＱｌ。　航空器在换道时主要考虑与相邻航道上的前　后航空器的安全间距，确定换道后，设Ａ航空器与　前航空器的实际距离为ｆｌ，与后航空器的实际距离　为ｆ’，而Ａ航空器与前航空器的安全间距为　，与　后航空器的安全间距为　，如图４所示，分为下列　情况：　１）　，厶　，Ａ航空器可以直接换道；　２）　，ｆ，＜ｄ２时，分两种情况：　ｆ１＋，＇　＋ｄ２，则Ａ航空器加速调整到ｆｌ　，　１２　后换道；ｆ１＋ｆ＇＜　＋　，则Ａ航空器减速让　Ｂ航空器通过；　３）ｆ１＜　，ｆ’　又分两种情况：　１１＋Ｉ２　＋ｄ２，则Ａ航空器减速调整至ｆｌ　，　１２　之后换道：ｆ１＋ｆ２＜　＋　，ＩｌｆＪＪＡ航空器减速　｝　｝　＼　矗　　－ｌｄ№　●‘　＊　：　帮７　王。‘　Ｈ　＼／　ｌ　｛　：　｝一　ｊ　：　图４换道模型图　３．３多层舷路　多层航路，是指在一定空域范围内设计的占用　多个高度层，每一高度层只允许有－：列飞机运行，　多个高度层能够同时运行而不相互干扰的空中高　速路（图５）。　图５多层航路　多层航路也是在单行航路的基础上提出来的，　在垂直方向上进行安全间隔的控制，分为两种：非　换层航路和换层航路。主要有以下特点：　１）多层航路中航空器的分类在出入匝１：３处进　行，避免了单一高度层造成的匝Ｅｌ处拥堵，减轻了　匝口管制负担。　２）换层航路内存在航空器的爬升、降低及穿越　高度层，当航路中出现拥堵等特殊状况时，方便管制　员进行调节，非换层航路中，不存在高度层的穿越。　３）航空器根据其最佳高度选择适合的高度层　航路，同时，在同一高度层的航路中，航路通导服　务和航空器机载设备保持基本同质化。　多层航路中的非换层航路相邻高度层的交通　中国民航飞行学院学报　８　Ｊｕｌｙ　２０１３　Ｖ＿０１．２４Ｎｏ．４　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ａｖｉａｔｉｏｔｌ　Ｆｌｉｇｈｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　流之间没有影响，每一高度层内航空器保持一定的　安全间隔进行飞行。换层航路允许航空器在避免碰　撞的情况下，保持一定的安全间隔进行穿越高度　层，因此在流量模型研究上主要考虑加入穿越高度　层的航空器对原有流量的影响。假设在相邻高度层　中，飞机１、３和２同向飞行，飞行速度分别是ｙｌ、　和ｖ＇，飞机１和３纵向上的初始距离为ｄ，最小安　全间隔为　，飞机１、３和飞机２纵向上的初始距　这就是多层航路中允许航空器换层飞行的交　通流微观模型，它体现了航空器进行换层操作时，　对于相邻高度层交通流的影响。　４结论　综上所述，可知：当航路中流量较小时，可以　采用单行航路，节省空域和设备资源；当航路中流　量较大时，同时航空器基本性能可以保持同样高度　层时，采用多平行航路；而航空器性能相差比较大　离为　、　，，两个高度层垂直间隔为　，飞机　２需要爬升到比较高的高度层，爬升初始角度为ａ，　恒定爬升率为　。　’　帆　Ｉ…１．　毒　蠢：　＿蕾　ｊ　：　一　】ｌ５　・；　；　一ｊ一　｝一　－　ｊ～　一０一　．　专　；　卜　一……　’｝　々　｝……　　｛一　十一　　燃。蔓　：　ｊ．　㈠　ｉ　ｊ－　藏　艟３　～　．　一　—　一一　、　一－　ｗ＂Ｔ’Ｉ、￣＇Ｖ－　｝一　’ｌ　：　腰　，　・｝・　－　一　‘－　一　．．　图６换层模型图　当飞机２开始准备爬升时，飞机１和飞机３改　变速度，设其加速度分别为ａｔ和　，从而使得飞　机２在到达上一高度层时能够避免碰撞，并保持足　够的安全间隔，，，：．生，ｆ为飞机２穿越高度层时间，　ｔ　且ｔａｎ０≈　，Ｄ为飞机２爬升到上一高度层的水平　Ｄ　距离（图６）。为了保障飞机的安全性，则应满足　飞机２到达上一高度层时距离飞机ｌ和飞机３的距　离不小于最小安全间隔，并满足：　ＯＩ２－￣Ｊ［）＋　：一（　，＋吉ｑ，　）　（３）　＝　，一Ｄ＋（　ｒ＋　ｒ　）　（４）　当满足最小安全间隔时，有Ｄｌ２　Ｄ：　＝　，则　可以得到：　口１－．２（Ｄ＋ｄｎ＂ｄ，－ｖｌｔ）・　ｆ２（５）　口３＝　（６）・　时，采用多层航路，满足各航空器需求。但在实际　中，航路设计还要考虑限制区、危险区、军方活动　等，因此考虑全国范围内不应该是统二－的运行方式，　而是在不同的空域考虑运行方式的利弊，适当选用。　参考文献　【ｌ】Ｙｏｕｓｅｆｉ，Ａ．ａｎｄ　ＧＬ．Ｄｏｎｏｈｕｅ，Ｏｐｔｉｍｕｍ　ａｉｒｓｐａｃｅ　ｓｅｃｔｏｒｉｚａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ａｉｒ　ｔｒｆｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ＷＯｒｋＪｏａｄ　ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ［Ｃ】，Ｐｒｏｃ．ｏｆ　ｔｈｅ　１ｓｔ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆ．ｆｏｒ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｎ　Ａｉｒ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，Ｚｉｌｉｎａ，Ｓｌｏｖａｋｉａ，Ｎｏｖ．２００４　［２】Ｒｏｂｅｒｔ　Ｈｏｆｆｍａｎ，Ｐｈ．Ｄ．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ａｉｒｓｐａｃｅ　ｔｕｂｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｄｙｎａｍｉｃ　ａｉｒｓｐａｃｅ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ【Ｒ］．Ｔｈｅ　２６ｔｈ　Ｃｏｎｇｒｅｓｓ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｕｎｃｉｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ（ＩＣＡＳ），２００８（８）：１　０￣１　３　【３】Ｈ．Ｈｅｒｉｎｇ．Ａｉｒ　Ｔｒａｆｆｉｃ　ｆｒｅｅｗａｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｅｕｒｏｐｅ　［Ｊ］．ＥＵＲＯＣＯＮＴＲＯＬ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｃｅｎｔｒｅ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｎｏｔｅ，２００５（５）：２９￣３６　［４】张新瑜，王莉莉，张兆宁．空中交通流微观跟　驰模型研究［Ｊ］．中国民航飞行学院学报，２０１１（４）　［５】Ｎｅｗｅｌｌ　Ｄ　Ｆ．Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｄｙｎａｍｉｃ　ｏｆ　Ｃａｒ－ｆｏｌｌｏｗｉｎ［Ｊ］．　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ．１　９６　１　，　９（０２）：２０９￣２２９　［６】Ａｒｏｎ　Ｍ．Ｃａｒ　ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ　ｉｎ　ａｎ　ｕｒｂａｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ：　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ［Ａ］．Ｓ　Ｄ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｆ　Ｓｅｍｉｎｎａｒ　Ｄ，ｚ６ｔｈｐｌ，ＲｅＭｅｅｔｉｎｇ［Ｃ］．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：　Ｅｌｓｅｖｉｅｒ，１　９８８．２７￣３９　【７】许伦辉，徐建闽，周其节．车辆跟驰问题的建　模及其求解［Ｊ】．华南理工大学学报（自然科学版），　１９９８（９）　【８】张兆宁，黎新华，王莉莉．基手飞行跟驰模型　的纵向安全间隔计算方法［Ｊ］．交通运输工程学报，　２００８（３）