CN108133623B - 一种空中交叉点分级指标建立方法 - Google Patents

Abstract

一种空中交叉点分级指标建立方法。其包括设定空中交叉点的分级指标值及其计算模型；建立复杂度计算模型，计算出空中交叉点的总体复杂度；建立碰撞风险值计算模型，计算出交叉点总的碰撞风险值；将总体复杂度和碰撞风险值代入分级指标值计算模型，计算出空中交叉点的分级指标值；根据分级指标值对空中交叉点分类，并根据分级指标值的大小确定是否搭建立交桥等步骤。本发明是根据运行复杂度(主要是流量分布)、运行风险等指标对空中交叉点进行分级，克服了仅凭单一指标，如全天过点流量统计值对空中交叉点进行分级所带有的比较笼统，不全面等缺点，并且给出了根据运行复杂度和运行风险的程度来确定是否搭建立交桥的标准。本方法实施简单、准确。

Description

一种空中交叉点分级指标建立方法

技术领域

本发明属于民用航空技术领域，特别是涉及一种空中交叉点分级指标建立方法。

背景技术

空中交叉点是航路网重要的组成部分，空中立交桥是我国管制员在调配繁忙空中交叉点冲突时的一种管制策略，用于减少不同方向过空中交叉点时同高度汇聚的概率，起到提高安全性，减轻管制员负荷的重要作用。然而，由于目前空中立交桥越搭越多，且在某些地方演变成“空中高架桥”，不考虑流量与空域结构，高度限制“一限到边界”且不断扩散，“活立交”变成“死立交”，而不能根据实际高度层占用情况，灵活进行高度层调配，从而严重地影响了空管系统的效率。

由于空中立交桥是我国空管指挥处理空中交叉点的一种方式，是我国的独有叫法。空中立交桥研究的文献只有2013年民航局空管局杨超发表的“单向循环航路改造对空中立交桥的影响”一篇文章；国外没有直接对应处理相同问题的借鉴。

目前常用的空中交叉点分级指标建立方法存在下列问题：仅凭单一指标，如全天过点流量统计值来对空中交叉点进行分级，其缺点是比较笼统，不全面，而没有考虑运行复杂度、运行风险等因素的影响。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种空中交叉点分级指标建立方法。

为了达到上述目的，本发明空提供的中交叉点分级指标建立方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)设定空中交叉点的分级指标值及其计算模型；

2)根据航路空中交叉点物理结构和运行流量分布建立空中交叉点的复杂度计算模型，并计算出空中交叉点的总体复杂度；

3)建立空中交叉点的碰撞风险值计算模型，并计算出交叉点总的碰撞风险值；

4)将上述步骤2)确定的每一空中交叉点的总体复杂度和步骤3)确定的相应交叉点总的碰撞风险值代入步骤1)中的分级指标值计算模型，计算出每一空中交叉点的分级指标值；

5)根据步骤4)确定的空中交叉点的分级指标值对空中交叉点分类，并根据分级指标值的大小确定是否搭建立交桥。

在步骤1)中，所述的空中交叉点的分级指标值由空中交叉点的复杂度和碰撞风险值确定，如下式所示：

I＝k₁·Comp+k₂·CR (1)

其中，I为空中交叉点的分级指标值；Comp和CR分别表示空中交叉点的复杂度和碰撞风险值；k₁和k₂分别为复杂度和碰撞风险值的权重，其中k₁＝0.2；k₂＝0.8。

在步骤2)中，所述的空中交叉点的复杂度计算模型如下：

Comp_q,t＝Comp_e,q,t+Comp_w,q,t (4)

其中，f_ei,q,t,l，f_ej,q,t,l分别表示在单位时间t，空中交叉点q的第i条航路在高度层l向东方向的流量和在单位时间t，空中交叉点q的第j条航路在高度层l向东方向的流量(i,j＝1,...,n)；

f_wi,q,t,l，f_wj,q,t,l分别表示在单位时间t，空中交叉点q的第i条航路在高度层l向西方向的流量和在单位时间t，空中交叉点q的第j条航路在高度层l向西方向的流量(i,j＝1,...,m)；

Comp_e,q,t表示t时间内，向东方向汇聚在空中交叉点q处的复杂度；

Comp_w,q,t表示t时间内，向西方向汇聚在空中交叉点q处的复杂度；

Comp_q,t表示t时间内，空中交叉点q整体的复杂度；

k_t表示t时间内，根据流量情况所赋予的复杂性权重；

Comp_q表示空中交叉点q的总体复杂度。

在步骤3)中，所述的建立空中交叉点的碰撞风险值计算模型，并计算出交叉点总的碰撞风险值的方法包括：

3.1定义碰撞风险区

3.2确定两架飞机之间碰撞风险概率

3.3根据上述两架飞机碰撞风险概率的最大值确定单种交叉或汇聚飞行的碰撞风险值

3.4根据上述两架飞机碰撞风险概率的最大值确定单个高度层的碰撞风险值

3.5根据上述单个高度层的碰撞风险值确定交叉点总的碰撞风险值。

在步骤5)中，所述的根据步骤4)确定的空中交叉点的分级指标值对空中交叉点分类，并根据分级指标值的大小确定是否搭建立交桥的具体方法如下：

(1)若某一空中交叉点的分级指标值I小于100，此空中交叉点处不必要搭建立交桥；

(2)若某一空中交叉点的分级指标值I大于等于100而小于200，原则上此空中交叉点处不需要搭建立交桥；

(3)若某一空中交叉点的分级指标值I大于等于200而小于400，建议在此空中交叉点处搭建立交桥；

(4)若某一空中交叉点的分级指标值I大于等于400，必须在此空中交叉点处搭建立交桥。

本发明提供的空中交叉点分级指标建立方法具有如下有益效果：

本发明是根据运行复杂度(主要是流量分布)、运行风险等指标对空中交叉点进行分级，克服了仅凭单一指标，如全天过点流量统计值对空中交叉点进行分级所带有的比较笼统，不全面等缺点，并且给出了根据运行复杂度和运行风险的程度来确定是否搭建立交桥的标准。本方法实施简单、准确。

附图说明

图1为空中交叉点航空器向东运行示意图。

图2为空中交叉点航空器向西运行示意图。

图3为航路空中交叉点示意图。

图4为交叉飞行碰撞风险区示意图。

图5为汇聚飞行碰撞风险区示意图。

图6为单种交叉飞行示意图。

图7为单个高度层运行情况示意图。

图8为多个高度层航路交叉点示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的空中交叉点分级指标建立方法进行详细说明。

本发明提供的空中交叉点分级指标建立方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)设定空中交叉点的分级指标值及其计算模型；

为了对空中交叉点进行分级，首先设定空中交叉点的分级指标值。该分级指标值由空中交叉点的复杂度和碰撞风险值确定，如下式所示：

I＝k₁·Comp+k₂·CR (1)

其中，I为空中交叉点的分级指标值；Comp和CR分别表示空中交叉点的复杂度和碰撞风险值；k₁和k₂分别为复杂度和碰撞风险值的权重(k₁＝0.2；k₂＝0.8)。

2)根据航路空中交叉点物理结构和运行流量分布建立空中交叉点的复杂度计算模型，并计算出空中交叉点的总体复杂度；

在影响空中交叉点复杂度的因素中，对管制员指挥影响最大的是组成空中交叉点的每条航段的每小时流量。因此，空中交叉点的复杂度主要通过空中交叉点处每条航段的小时流量来体现。由于飞机在空中运行时遵行“东单西双”的高度层运行规则，所以对同一个空中交叉点，根据航空器运行方向，分别对东向复杂度与西向复杂度进行建模。如图1所示，n条航路向东汇聚于空中交叉点q；如图2所示，m条航路向西汇聚于空中交叉点q。

建立空中交叉点的复杂度计算模型如下：

Comp_q,t＝Comp_e,q,t+Comp_w,q,t (4)

其中，f_ei,q,t,l，f_ej,q,t,l分别表示在单位时间t，空中交叉点q的第i条航路在高度层l向东方向的流量和在单位时间t，空中交叉点q的第j条航路在高度层l向东方向的流量(i,j＝1,...,n)。

f_wi,q,t,l，f_wj,q,t,l分别表示在单位时间t，空中交叉点q的第i条航路在高度层l向西方向的流量和在单位时间t，空中交叉点q的第j条航路在高度层l向西方向的流量(i,j＝1,...,m)。

Comp_e,q,t表示t时间内，向东方向汇聚在空中交叉点q处的复杂度。

Comp_w,q,t表示t时间内，向西方向汇聚在空中交叉点q处的复杂度。

Comp_q,t表示t时间内，空中交叉点q整体的复杂度。

k_t表示t时间内，根据流量情况所赋予的复杂性权重。

Comp_q表示空中交叉点q的总体复杂度。

原则说明：

i，j的确定准则：当两条航路间交角小于30°时，算作同一条航路(流量计算到一条)；

l即取值范围为1～9，即向西可用高度层为9层(7200米含以上)，向东可用高度层为9层(7500米含以上)；

t的选取：最繁忙一天中从世界协调时00:00到23:00的单位小时。

3)建立空中交叉点的碰撞风险值计算模型，并计算出交叉点总的碰撞风险值；

3.1定义碰撞风险区

两架飞机在同一高度层过空中交叉点时，有两种可能，一种是交叉飞行，一种是汇聚飞行，如图3所示。

两架飞机在同一高度层交叉飞行时，在空中交叉点周围定义一个碰撞风险区，如图4所示，称四边形ABCD为该空中交叉点的碰撞风险区。S为航路上规定的最小侧向间隔，碰撞风险区的大小由最小侧向间隔S确定。坐标轴的方向是相对方向，不代表磁航向。

在图4中，因为∠AOB＜90°,所以

因为∠BOC≥90°,所以，OB₂＝OC₁＝S,同理得OC₂＝OD₁＝S,

OA＝max{OA₁,OA₂},OB＝max{OB₁,OB₂}OC＝max{OC₁,OC₂}OD＝max{OD₁,OD₂}。

两架飞机在同一高度层汇聚飞行时，在汇聚点周围定义一个碰撞风险区，如图5所示，称三角形ABC为该空中交叉点的碰撞风险区。S为航路上规定的最小侧向间隔，碰撞风险区的大小由最小侧向间隔S确定。

在图5中，OA＝S,若∠BOC≥90°，则OB＝OC＝S；若∠BOC＜90°，则

3.2确定两架飞机之间碰撞风险概率

两架飞机在飞行过程中，飞机会受到CNS性能、人为因素、天气因素、防撞设备精度等因素的影响，使得飞行状态呈现不确定性，而这种不确定性波动强度较大时则会使得飞机实际位置与理论位置产生一定的位置误差，从而导致出现碰撞风险。

对于纵向碰撞风险，纵向位置误差服从：

飞机i在t时刻纵向位置误差为

i＝1,2。i＝1表示第1架飞机，i＝2表示第2架飞机，x表示纵向。其中ε_ix为飞机i的纵向位置误差，μ_ix是飞机i纵向位置误差的平均距离，

是飞机i纵向位置误差的方差。在t时刻，d_ix(t)为飞机i距离某一参考点的纵向距离，则在t时刻，飞机i在纵向的实际位置X_i(t)＝d_ix(t)+ε_ix(t)，则这两架飞机的实际纵向间隔为：

X₁(t)-X₂(t)＝(d_1x(t)+ε_1x(t))-(d_2x(t))+ε_2x(t)) (7)

由于d_1x,d_2x为两架飞机在各自航线到同一参考点的纵向距离，则d_1x-d_2x就是两架飞机在t时刻的纵向距离L_x(t)；由于

那么

则在t时刻，两架飞机纵向实际距离又可以表示为：

则两架飞机t时刻纵向碰撞风险概率为：

同理可得，在t时刻，两架飞机的侧向碰撞风险概率为：

如果两架飞机存在碰撞风险，那么它们一定是在侧向、纵向和垂直方向同时发生重叠，所以，两架飞机在进近时碰撞风险的大小是由侧向、纵向和垂直方向的碰撞风险决定，侧向、纵向和垂直方向的碰撞风险相互独立。在空中交叉点时，假设同一高度层上的飞机垂直方向碰撞风险为1，在不同高度层上的飞机垂直方向碰撞风险为0，则在t时刻两架飞机的碰撞风险概率为：

P(t)＝P_X(t)×P_Y(t) (11)

取两架飞机碰撞风险概率的最大值P_MAX＝max{P(t)}；

3.3根据上述两架飞机碰撞风险概率的最大值确定单种交叉或汇聚飞行的碰撞风险值

单种交叉或汇聚飞行形成的飞机对数表示为：

N＝N_KN_L (12)

其中：N_K为碰撞风险区内航段K上每小时的流量；

N_L为碰撞风险区内航段L上每小时的流量。

则单种交叉或汇聚飞行的碰撞风险值可表示为(单位：次数/小时)：

P₁＝2NP_MAX (13)

3.4根据上述两架飞机碰撞风险概率的最大值确定单个高度层的碰撞风险值

如图7所示，交叉点同一高度层上可形成多种形式的交叉或汇聚(假设有m种)。

根据概率论原理，P(A∪B)＝P(A)+P(B)-P(AB),若两个事件发生的概率很小，即P(AB)的数量级远小于P(A)或P(B)，则可得出：

P(A∪B)＝P(A)+P(B)

即单个高度层的碰撞风险值可由该高度层上多种不同形式的汇聚或交叉飞行的碰撞风险值求和得到。

则单个高度层的碰撞风险值可表示为(单位：次数/小时)：

3.5根据上述单个高度层的碰撞风险值确定交叉点总的碰撞风险值

如图8所示，交叉点可能占用多个高度层(假设有q个)。根据概率论原理，交叉点总的碰撞风险可由各个高度层碰撞风险值求和得到。

则交叉点总的碰撞风险值可表示为(单位：次数/小时)：

4)将上述步骤2)确定的每一空中交叉点的总体复杂度和步骤3)确定的相应交叉点总的碰撞风险值代入步骤1)中的分级指标值计算模型，计算出每一空中交叉点的分级指标值；

5)根据步骤4)确定的空中交叉点的分级指标值对空中交叉点分类，并根据分级指标值的大小确定是否搭建立交桥；

具体方法如下：

(1)若某一空中交叉点的分级指标值I小于100，将这类空中交叉点称为一般空中交叉点。由于一般空中交叉点的复杂程度以及管制负荷均较低，故此空中交叉点处不必要搭建立交桥。

(2)若某一空中交叉点的分级指标值I大于等于100而小于200，将这类空中交叉点称为繁忙空中交叉点。由于繁忙空中交叉点的复杂程度一般、交通流量较大，管制负荷中等，建议对此类空中交叉点加大监控，及时进行流量预测和评估，原则上不需要搭建立交桥。

(3)若某一空中交叉点的分级指标值I大于等于200而小于400，将这类空中交叉点称为复杂空中交叉点。由于复杂空中交叉点的复杂程度以及管制负荷均较高，故建议在此空中交叉点处搭建立交桥。

(4)若某一空中交叉点的分级指标值I大于等于400，将这类空中交叉点称为枢纽空中交叉点。由于枢纽空中交叉点的复杂程度以及管制负荷均高，往往是航路网中主干航路的交叉之处，故必须在此空中交叉点处搭建立交桥。

Claims (5)

1.一种空中交叉点分级指标建立方法，其特征在于：所述的空中交叉点分级指标建立方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)设定空中交叉点的分级指标值及其计算模型；

2)根据航路空中交叉点物理结构和运行流量分布建立空中交叉点的复杂度计算模型，并计算出空中交叉点的总体复杂度；

3)建立空中交叉点的碰撞风险值计算模型，并计算出交叉点总的碰撞风险值；

4)将上述步骤2)确定的每一空中交叉点的总体复杂度和步骤3)确定的相应交叉点总的碰撞风险值代入步骤1)中的分级指标值计算模型，计算出每一空中交叉点的分级指标值；

5)根据步骤4)确定的空中交叉点的分级指标值对空中交叉点分类，并根据分级指标值的大小确定是否搭建立交桥。

2.根据权利要求1所述的空中交叉点分级指标建立方法，其特征在于：在步骤1)中，所述的空中交叉点的分级指标值由空中交叉点的复杂度和碰撞风险值确定，如下式所示：

I＝k₁·Comp+k₂·CR (1)

其中，I为空中交叉点的分级指标值；Comp和CR分别表示空中交叉点的复杂度和碰撞风险值；k₁和k₂分别为复杂度和碰撞风险值的权重，其中k₁＝0.2；k₂＝0.8。

3.根据权利要求1所述的空中交叉点分级指标建立方法，其特征在于：在步骤2)中，所述的空中交叉点的复杂度计算模型如下：

Comp_q,t＝Comp_e,q,t+Comp_w,q,t (4)

其中，f_ei,q,t,l，f_ej,q,t,l分别表示在单位时间t，空中交叉点q的第i条航路在高度层l向东方向的流量和在单位时间t，空中交叉点q的第j条航路在高度层l向东方向的流量(i,j＝1,...,n)；

f_wi,q,t,l，f_wj,q,t,l分别表示在单位时间t，空中交叉点q的第i条航路在高度层l向西方向的流量和在单位时间t，空中交叉点q的第j条航路在高度层l向西方向的流量(i,j＝1,...,m)；

Comp_e,q,t表示t时间内，向东方向汇聚在空中交叉点q处的复杂度；

Comp_w,q,t表示t时间内，向西方向汇聚在空中交叉点q处的复杂度；

Comp_q,t表示t时间内，空中交叉点q整体的复杂度；

k_t表示t时间内，根据流量情况所赋予的复杂性权重；

Comp_q表示空中交叉点q的总体复杂度。

4.根据权利要求1所述的空中交叉点分级指标建立方法，其特征在于：在步骤3)中，所述的建立空中交叉点的碰撞风险值计算模型，并计算出交叉点总的碰撞风险值的方法包括：

3.1定义碰撞风险区

3.2确定两架飞机之间碰撞风险概率

3.3根据上述两架飞机碰撞风险概率的最大值确定单种交叉或汇聚飞行的碰撞风险值

3.4根据上述两架飞机碰撞风险概率的最大值确定单个高度层的碰撞风险值

3.5根据上述单个高度层的碰撞风险值确定交叉点总的碰撞风险值。

5.根据权利要求1所述的空中交叉点分级指标建立方法，其特征在于：在步骤5)中，所述的根据步骤4)确定的空中交叉点的分级指标值对空中交叉点分类，并根据分级指标值的大小确定是否搭建立交桥的具体方法如下：

(1)若某一空中交叉点的分级指标值I小于100，此空中交叉点处不必要搭建立交桥；

(2)若某一空中交叉点的分级指标值I大于等于100而小于200，原则上此空中交叉点处不需要搭建立交桥；

(3)若某一空中交叉点的分级指标值I大于等于200而小于400，建议在此空中交叉点处搭建立交桥；

(4)若某一空中交叉点的分级指标值I大于等于400，必须在此空中交叉点处搭建立交桥。

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