空域建模与评估实施方法指导材料

空域建模与评估实施方法指标材料1中国民用航空局空中交通管理局编号：IB-TM-2009-008部门代号：TM日期：2009年12月1日空域建模与评估实施方法指导材料§1目的§1.1随着我国运输航空和通用航空快速发展以及国防建设步伐加快，军民航空域用户对空域资源的需求都迅速加大，空域结构和使用方式也日趋复杂、多样化，简单的分析与规划已难以满足安全和效率的要求。因此，空域结构调整和运行优化将由经验为主的粗放式决策过渡到基于科学分析、评估和验证的精细化决策。§1.2开展空域建模与评估就是通过一套科学的、操作性强的方法，细致分析当前空域运行存在的问题，精确评估规划方案的安全性和效率，结合规划目标制订、比选各种可行方案，并为规避风险、制订管制保障措施提供支持。空域建模与评估可广泛应用于复杂空域调整、航路航线优化、运行方式改变、新技术应用等。§1.3本通告结合近年来开展的空域建模与评估工作，明确了空域建模的概念，介绍了空域建模与评估的一般流程以及几种常见的空域评估工具，给出了空域建模和仿真评估的具体实例，旨在为有关单位开展空域建模与评估提供方法指导。§1.4为确保本区域空域管理和使用工作精细化，空域管理部门和空中交通服务单位应当建立准确反映本地区空域运行的模型，并及时更新相关数据，确保模型的有效性。空域建模需要借助仿真工具才能实现准确、合理的评估。由于现有的空域仿真工具较多，每一种工具均有其各自的特点和适用范围，使用单位应当细致甄选，根据本地区空域环境、评估目标以及评估的侧重点等因素综合选择合适的仿真工具，也可以自行研发简单、实用的仿真工具，以便更准确地开展空域建模和评估工作。§2发送范围§2.1主送空域建模与评估实施方法指标材料2各地区空管局，各空管分局（站）。§2.2抄送民航局领导，机场司、运输司、空管行业管理办公室；各地区管理局，各运输航空公司，各机场公司；空管局领导，质量监督部、安全管理部、空中交通管制部、通信导航监视部，运行中心、技术中心。§3空域建模与评估概述§3.1重要作用。空域建模与评估是对空域运行中各单元建立模型，并利用计算机软件进行模拟评估，可以用来模拟分析现行空域运行状况，还可以用来评估空域调整后的运行变化、验证空域方案与运行程序。例如，可以通过空域建模与评估验证航路航线调整是否能够节省燃油或减轻管制员工作负荷、扇区调整及管制运行程序的改变可否带来容量的提升、交通流的增长会带来哪些新的问题等。§3.2适用范围。空域建模与评估的适用范围可以根据评估需要确定，微观范围的模拟可以是单个机场、扇区、区域管制区，宏观范围可以模拟几个管制区、全国范围内的空域、甚至是跨国范围的空域。§3.3仿真工具的作用。空域建模与评估是一套准确复现空域运行、评估空域方案安全和效率的方法和程序，是一个循环建模与评估的过程；仿真工具用于辅助实现该过程。目前，国内有多种仿真工具，仿真程度、功能性、操作性、准确性、适用范围都存在差异。§3.4重要特点。空域建模与评估是一项持续的工作，需要一定的机制和机构不断推进，以实现良性循环。美国FAA设有专门的评估机构，研发了专门的空域建模和评估工具，建立了良好的、有机场和航空公司参与的评估制度，并不断更新完善，从机制、技术和手段上为科学规划空域提供了保障。§4空域建模与评估步骤空域建模与评估的一般流程为：首先建立一个能够准确反映当前空域运行状况的基准模型，并通过仿真手段分析得出当前空域运行的各项指标；再根据空域规划目标（例如增加空域容量、提高运行效率）建立多个基于空域设计方案的评估模型，通过仿真手段评估出该设计方案实施后的各项指标数据；最后通过对比分析各项指标数据以及相互间的关系，分析出该设计方案能够实现预期目标的程度。无论是建立基准模型还是建立评估模型，主要过程包括建模目标、数据输入、模型空域建模与评估实施方法指标材料校验、仿真模拟、结果输出、数据分析等步骤，各步骤关系如下图所示：其中，建模目标贯穿整个空域建模过程始终。为了保证建模的准确性，数据输入与模拟仿真需要反复进行以便准确核对，这两项任务是建模过程的重要基础工作。§4.1建立基准模型§4.1.1输入数据建立基准模型，就是将现行空域运行中的有关数据以一定的格式细致、准确的存储起来，建立一个准确反映当前空域运行状况的数据库。必须要有完善的数据准确反映空域系统内部各组成之间的关系，数据提供得越完整，仿真模拟的过程就越精准，不完整的数据会导致不断地调整、更改模型，从而使建模的成本上升。数据信息应分门别类，精度要求按照《民用航空使用空域办法》（民航总局令第122号）执行。主要数据如下：1、空域数据：导航台（呼号、经纬度），重要点（五字码和P字码表示的），航路/航线(使用导航台和重要点描述)，进离场航线(使用导航台、重要点、高度和速度限制描述)，管制区/扇区(使用边界点经纬度、高度描述)，限制性区域（使用边界点经纬度、高度和限制时间），机场（名称、中心点经纬度），跑道（跑道号、跑道中心点经纬度、跑道长度和宽度）等。2、航班数据：航班号，机尾号，起飞和落地机场，预计起飞和落地时间，备降机场，城市对班机航线，班机航线各点飞行高度，航空器类型及性能数据（主要指升降、速度和转弯性能）。该类数据应与现行航班时刻数据相符。3、管制数据：各管制区管制间隔，管制区之间的移交间隔和高度，管制冲突调配措施（上升、下降、偏航或改航等）及采取这些措施的条件。§4.1.2校验数据由于空域建模涉及的数据众多，数据来源以及产生的时间不能完全统一，因此需要对数据正确性及逻辑关系进行校验。数据校验是一个反复更迭的过程，可通过数值核对3空域建模与评估实施方法指标材料4和逻辑检验的方法来完成。数值核对是数据校验的基础阶段，主要通过数据录入人员人工核查数据的正确性与精度。逻辑检验可以发现数据之间的内在问题，这种方式需要业务人员结合使用建模工具或自动检查工具来完成，以确保深层次数据内容的有效性，例如通过分析航班飞行时间和距离可以检查飞行计划路径是否存在错误。数据及时更新是空域建模的重要环节，也是空域建模准确性的重要保障。建模单位应当将数据库的维护过程规范化，并做好记录工作，尤其是班机航线和时刻数据。附件2列出了部分数据的存储样例。§4.1.3分析现状基准模型建好后，可以利用仿真工具进行模拟仿真，根据输出结果提取反映当前空域运行状况的重要指标，如机场或跑道的日起降架次、空域单元日流量和小时高峰、流量密度分布、机型分布等。通过分析这些指标能够量化空域运行现状，有助于识别存在的问题。§4.2建立评估模型在基准模型的基础上，分析空域系统的问题所在，依据目标需求研究提出空域规划方案，并据此制定建模计划：根据空域方案研究设定多个空域运行场景，针对每一个场景构建一个评估模型，同时确定一系列能够充分反映空域运行安全、容量、效率和用户影响等方面的评估指标，通过对比分析这些指标评估该空域方案是否达到了预期目标。可以根据评估结果进一步改进空域方案，并重新建立模型进行评估。每一个评估模型的构建遵循确定指标、调整数据、验证模型、模拟仿真等步骤。4.2.1确定指标如何根据空域规划目标来确定评估指标是构建评估模型的重要内容之一。模型将从安全、容量、效率和用户影响等方面来描述现行空域运行状况，并通过对一系列评估指标的定量和定性分析来评估复杂的空域运行状况，例如飞行距离和时间分析、飞行延误分析、交通负荷和交通需求分析、冲突分析和管制员工作负荷分析等。根据评估目的和范围的不同，必须从现行经验和发展预测两方面来确定评估指标，现行经验指标将如实描述现行系统运行状况，发展预测指标将反映新措施的引入对系统的影响。§4.2.2调整数据在基准模型的基础上调整数据的目是为了建立符合不同运行场景的模型，应根据设定的空域运行场景输入或调整所需的各项数据，准确描述未来或规划空域的改变情况，包括空域数据、航班数据、管制间隔和调配规则数据。各项数据的内容与格式要求应与空域建模与评估实施方法指标材料5基准模型的数据保持一致。应建立一套有效的数据调整程序，确保数据调整过程中输入和存储的准确性。§4.2.3验证模型模型构建完成后，应利用仿真工具验证模型建立的准确性，这里提供两种建议的方法。1、经验指标验证。根据现行历史数据或统计分析的结果，验证模拟仿真的输出结果是否准确，例如，可以分析某个机场的延误是否与实际情况相符等。2、运行指标验证。依靠空管人员的经验判断输出结果是否与设定的空域运行场景相符，分析扇区或航路流量就是其中的一种重要方法。例如，实际运行中某扇区或航路对航空器飞行高度或速度有限制，这就直接影响进入该扇区或航路的流量，验证这些扇区或航路流量是否与实际运行相符合，就能核查这些扇区或航路的限制条件是否在模型中产生了作用。采用运行和经验指标验证的方式来验证模型的准确性不等同于初始阶段的数据校验。数据校验是初始阶段根据仿真工具的数据输入要求准备好原始数据，并确保数据的完整性和连续性。§4.2.4模拟仿真在确保建立了准确的评估模型后，可以使用仿真工具进行空域运行过程的仿真模拟。根据各个仿真工具工作原理及功能的不同，仿真工具在模拟过程中将不同程度的记录各个模拟环节的运行数据，并可以采用图形或文字的方式显示该模拟过程，自动输出模拟仿真结果，一般不需要人工干预。仿真过程中，高级的仿真工具支持随机输入扰动，更能准确模拟实际运行中随机事件发生对系统运行的影响。§4.3评估分析仿真完成后，提取仿真工具输出的仿真运行数据，有时需要进行数据挖掘，得出一系列重要评估指标，以分析空域调整后的性能改变，例如交通流量统计、飞行距离与持续时间分析、航班延误分析、冲突分析、管制员负荷分析等。根据建模目标的不同可以对分析的重点进行调整，形成最终的空域建模评估报告，从而完成建模的全部过程。§5空域仿真评估工具简介§5.1美国联邦航空局的SIMMOD软件美国联邦航空局于1978年推出了机场和空域仿真模型（AirportandAirspaceSimulationModel，SIMMOD），并以软件包的形式发布。该软件经过多次版本更新后，空域建模与评估实施方法指标材料6发展为可用于机场运行规划、航路、空域设计、空中交通管制部门使用的仿真评估工具，因此无论空中交通规划人员或航线运行分析人员，还是机场设计者和管理者都可以运用SIMMOD从自己的角度建立系统仿真模型。SIMMOD还提供了对仿真脚本语言的支持，可以实现模拟过程的动态调整，支持地面活动、意外事件（天气、跑道关闭等）、人员活动等动态评估功能。§5.2美国波音公司的TAAM软件TAAM（TOTALAIRSPACE&AIRPORTMODELLER）已历经十几年的不断更新与完善，即能仿真整个空中交通运行，也能模拟具体的一个环节，可用于分析与研究ATM方案。该系统通过设定不同的场景，能够很细致的模拟ATM的各项环节，进行门到门全过程仿真，实现各种方案的对比分析与评估。TAAM仿真需要输入飞行计划、环境变量、管制指挥规则等重要数据，用以模拟机场和指定空域的运行，并根据系统已有的算法和用户定义的规则生成各项评估指标，供比较分析。TAAM系统工具模块包含互动式的平面或三维仿真视图显示、实时仿真监控、图表报告分析等。用户可以根据需要随时中断或继续模拟仿真，并随时更改仿真参数，例如管制调配规则库、机场或空域使用现状等，系统可以依据修改后的参数继续模拟。仿真过程中，各项数据会被记录下来，用于统计与分析，并按用户要求输出图表或纯文本报告。§5.3欧洲RAMSPlus软件RAMS（ReorganizedATCMathematicalSimulator）是一套成熟的ATM环境仿真系统，包括集成的编辑与演示环境以及数据处理工具。其主要功能包括四维飞行轨迹计算、四维空间冲突探测、三维扇区划分、多种间隔策略与优先级配置、智能冲突规避、动态任务分配、空中与地面交通情况仿真、按要求随机生成空中交通飞行流，以及图形动画演示等。根据输入的空域数据，经过处理后，系统可以生成详细的分析结果，评估航线和扇区结构特性、冲突与间隔关系、管制员工作负荷、空中与地面延误、动态密度与系统复