CN111581780A - 复杂空域场景下机场群空域仿真建模与验证方法及装置 - Google Patents
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Abstract
复杂空域场景下机场群空域仿真建模与验证方法及装置，使建模过程更加透明和智能，从技术角度客观公正的评价模型的真实性和可靠性，使模型能够准确客观的反映空域的运行状态，为机场和空域规划、空域评估、机场和空域容量评估、新技术验证等提供保障。方法包括：(1)确定研究区域和评估对象，收集空域基础结构数据、运行规则数据、飞行计划数据和实际运行数据；(2)根据选择的仿真工具，将搜集的机场结构数据、空域结构数据整理成仿真工具支持的格式，导入仿真模型中；(3)航班走向整理及建模；(4)飞行计划整理及建模；(5)按机场、走向分别整理运行规则数据；(6)基线模型的运行及提取模型指标；(7)根据专家验证法和指标验证法对基线模型检验。
Description
技术领域
本发明涉及民航机场空域管理的技术领域，尤其涉及一种复杂空域场景下机场群空域仿真建模与验证方法，还涉及一种复杂空域场景下机场群空域仿真建模与验证装置。
背景技术
空中交通运输系统的发展进一步导致机场密度增加，机场群内部各机场交互影响，空域、航路、进离场程序和特定航路点等空域资源高度共享，造成严重的航班冲突(指飞机与飞机之间的距离小于规定的雷达管制间隔)和飞行延误(因为交通管制、天气等因素造成的航班实际起飞/降落时间比计划起飞/降落时间晚，从而产生延误。民航规定：航班降落时间(航班实际到港挡轮挡时间)比计划降落时间(航班时刻表上的时间)延迟15分钟以上或航班取消的情况记为延误)，使空域的整体运行效率降低。空域仿真通过仿真工具客观复现空域运行态势，逼真模拟空中交通管理全过程，能有助于有效统筹空域资源，优化空域结构，提升空域使用效率。
空域仿真基线模型通过对空域物理结构和交通流特征的模拟，以便真实的展现历史空域运行情况。基线模型的建立及其准确性，是进行机场和空域规划、调整、容量评估、运行新技术验证、战术流量等评估模型的前提。
目前国内外都开始关注机场群的发展，期望通过对机场群空域的仿真建模提升空域和机场的容量和使用效率。但是现有的仿真资料，对于基线模型建模时直接以飞行计划的起飞/降落时间建模，航班走向直接以飞行计划中的完整走向作为输入数据，对于重要输入数据的处理方式没有针对性；对于模型的校验以单一校验方法为参考，比如仅通过机场小时流量分布与实际分布对比判断模型是否可靠，或者只关注指标忽略模型与实际运行的效果差异。
中国民用航空局空中交通管理局在2009年12月1日发布了《空域建模与评估实施方法指导材料》。该指导材料说明建立基线模型首先应输入空域运行有关数据，包括空域数据、航班数据、管制数据；其次对数据进行校验，保证数据的正确性和逻辑关系；最后是分析现状，即在完成前两步骤后，利用仿真工具仿真，分析仿真结果是否能够反映空域运行现状。该文件对仿真基线模型的建立和校验的大致方法进行了介绍，但依然存在以下问题：
1、现有的建立基线模型的方法均从方法论上提出，且适用性有限，方法更多的针对单一机场或者单一管制区，无法满足大流量复杂环境机场群的建模指导。
2、用户在建立基线模型时，对于班机航线、航班计划、规则的建模方式并不清楚，对于各类数据该如何使用还很模糊，数据处理不具有针对性。
3、没有明确的模型校验评估机制，对于基线模型应该达到什么标准才符合要求没有说明。评估常以局部需求调整，弊端较多。机场群存在航空器上升、下降、汇聚、雷达引导等复杂过程，模型校验以单一方式进行并不能说明模型能反映实际空域运行状态。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种复杂空域场景下机场群空域仿真建模与验证方法，其使建模过程更加透明和智能，从技术角度客观公正的评价模型的真实性和可靠性，使模型能够准确客观的反映空域的运行状态，为机场和空域规划、空域评估、机场和空域容量评估、新技术验证等提供保障。
本发明的技术方案是：这种复杂空域场景下机场群空域仿真建模与验证方法，其包括以下步骤：
(1)确定研究区域和评估对象，收集空域基础结构数据、运行规则数据、飞行计划数据和实际运行数据；
(2)根据选择的仿真工具，将搜集的机场结构数据、空域结构数据整理成仿真工具支持的格式，导入仿真模型中；
(3)将航班走向数据按照仿真工具要求的格式录入仿真模型；
(4)将飞行计划数据按照仿真工具要求的格式录入仿真模型；
(5)按机场、走向分别整理运行规则数据；
(6)仿真模型的运行及提取模型指标；
(7)根据专家验证法和指标验证法对基线模型检验。
本发明首先确定研究区域和评估对象，收集空域基础结构数据、运行规则数据、飞行计划数据和实际运行数据，根据选择的仿真工具，将搜集的机场结构数据、空域结构数据整理成仿真工具支持的格式，导入仿真模型中，然后执行航班走向整理及建模，飞行计划整理及建模，按机场、走向分别整理运行规则数据，基线模型的运行及提取模型指标，最后根据专家验证法和指标验证法对基线模型检验，因此将大流量复杂机场群建模流程化，使建模过程更加透明和智能，提出针对基线模型校验的方法，包括专家验证法校验清单和指标校验法评估指标体系，从技术角度客观公正的评价模型的真实性和可靠性，使模型能够准确客观的反映空域的运行状态，为机场和空域规划、空域评估、机场和空域容量评估、新技术验证等提供保障。
还提供了一种复杂空域场景下机场群空域仿真建模与验证装置，其包括：
数据收集模块，其配置来确定研究区域和评估对象，收集空域基础结构数据、运行规则数据、飞行计划数据和实际运行数据；
基础数据整理建模模块，其配置来根据选择的仿真工具，将搜集的机场结构数据、空域结构数据整理成仿真工具支持的格式，导入仿真模型中；
班机航线整理建模模块，其配置来进行航班走向整理及建模；
飞行计划整理建模模块，其配置来进行飞行计划整理及建模；
规则梳理建模模块，其配置来按机场、走向分别整理运行规则数据；
仿真计算模块，其配置来执行基线模型的运行及提取模型指标；
模型校验模块，其配置来根据专家验证法和指标验证法对基线模型检验。
附图说明
图1是一个飞行计划数据示例。
图2是一个雷达轨迹数据示例。
图3是根据本发明的复杂空域场景下机场群空域仿真建模与验证方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
如图3所示，这种复杂空域场景下机场群空域仿真建模与验证方法，其包括以下步骤：
(1)确定研究区域和评估对象，收集空域基础结构数据、运行规则数据、飞行计划(飞行计划：是指向空中交通服务单位提供有关航空器完成一次飞行的飞行资料，一个飞行计划基本的部分有：航班号，机型，机尾号，起始机场和目的机场，出发和到达时间，途径航路点，飞行高度等基础数据)数据和实际运行数据；
(2)根据选择的仿真工具(常用的仿真工具包括Jeppesen公司开发的空域与机场建模工具TAAM、Airtopsoft公司开发的全空域快速仿真工具AirTOP)，将搜集的机场结构数据、空域结构数据整理成仿真工具支持的格式，导入仿真模型(根据真实数据，利用仿真工具搭建的复现实际空域场景的计算机系统)中；
(3)将航班走向数据按照仿真工具要求的格式录入仿真模型；
(4)将飞行计划数据按照仿真工具要求的格式录入仿真模型；
(5)按机场、走向分别整理运行规则数据；
(6)能够准确反映当前空域运行状况的仿真模型的运行及提取模型指标；
(7)根据专家验证法和指标验证法对基线模型检验。
本发明首先确定研究区域和评估对象，收集空域基础结构数据、运行规则数据、飞行计划数据和实际运行数据，根据选择的仿真工具，将搜集的机场结构数据、空域结构数据整理成仿真工具支持的格式，导入仿真模型中，然后执行航班走向整理及建模，飞行计划整理及建模，按机场、走向分别整理运行规则数据，基线模型的运行及提取模型指标，最后根据专家验证法和指标验证法对基线模型检验，因此将大流量复杂机场群建模流程化，使建模过程更加透明和智能，提出针对基线模型校验的方法，包括专家验证法校验清单和指标校验法评估指标体系，从技术角度客观公正的评价模型的真实性和可靠性，使模型能够准确客观的反映空域的运行状态，为机场和空域规划、空域评估、机场和空域容量评估、新技术验证等提供保障。
优选地，所述步骤(1)中，空域基础结构数据包括机场群内的机场中心经纬度，机场跑道编号、位置、跑道长度及宽度，跑道保护区的大小，停机位，滑行道，进离场程序、扇区结构，航路点，航路航线；实际运行数据为所收集的飞行计划在机场群内的真实雷达数据；运行规则数据包含跑道使用规则、进离场程序使用规则、进离场航空器间隔、飞行间隔、移交间隔(移交间隔定义了飞机进入扇区或者从一个管制扇区移交至另一个管制扇区的时间和距离要求)、移交高度、扇区雷达间隔、移交点的移交间隔和移交高度。
优选地，所述步骤(3)中，航班走向包括走向的名称和走向点串，航班走向点串应根据机场群建模的范围进行处理。
优选地，所述步骤(3)包括：班机航线(班机航线，规定了飞机的飞行方向、起讫点和经停点)裁剪和班机航线外延。
优选地，所述步骤(4)中，飞行计划数据至少包括：航班号，机型，机尾号，起飞机场，起飞时间，降落机场，降落时间，航班走向名称，航班走向，巡航高度，航班出现点，航班出现的时间，飞行计划类型。
优选地，所述步骤(4)包括飞行计划分类和飞行计划参考时间优化。
优选地，所述步骤(5)中，管制运行规则针对每个移交点进行整理航班在该点应满足的高度和间隔要求，对于多个机场共用相同离场点的情况根据实际管制运行中航班流的分配比例和指挥原则，在模型中采用流量管理的方式体现。
优选地，所述步骤(6)中，模型指标包括：机场小时流量分布和高峰小时流量、机场延误、跑道的小时/日起降架次、跑道延误、扇区的小时流量分布。
优选地，所述步骤(7)中，专家验证法是通过邀请管制专家，结合验证清单，利用实际运行经验，对模拟仿真的效果和指标是否接近实际进行评判；运行指标验证是通过模拟仿真提取的指标与现行历史数据统计分析的结果对比，根据其差异程度评定基线模型的效果。
本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括上述实施例方法的各步骤，而所述的存储介质可以是：ROM/RAM、磁碟、光盘、存储卡等。因此，与本发明的方法相对应的，本发明还同时包括一种复杂空域场景下机场群空域仿真建模与验证装置，该装置通常以与方法各步骤相对应的功能模块的形式表示。该装置包括：
数据收集模块，其配置来确定研究区域和评估对象，收集空域基础结构数据、运行规则数据、飞行计划数据和实际运行数据；
基础数据整理建模模块，其配置来根据选择的仿真工具，将搜集的机场结构数据、空域结构数据整理成仿真工具支持的格式，导入仿真模型中；
班机航线整理建模模块，其配置来进行航班走向整理及建模；
飞行计划整理建模模块，其配置来进行飞行计划整理及建模；
规则梳理建模模块，其配置来按机场、走向分别整理运行规则数据；
仿真计算模块，其配置来执行基线模型的运行及提取模型指标；
模型校验模块，其配置来根据专家验证法和指标验证法对基线模型检验。
本发明的有益效果如下：
机场群的发展对于机场布局的优化、运行效率的提高有重要作用。机场群环境复杂，运行流量大，传统的基于经验的分析和规划并不能有效的保障空域的安全运行，仿真评估为科学分析空域运行状况、评估空域运行效率提供了手段。
基线模型是建立仿真评估的基础，其准确性决定了评估模型的可信度和有效性。本方法对仿真基线模型建立的流程和细节明确说明，并提出一套科学、直接、可实施的模型校验评估体系，为高质量的仿真评估提供保障。
模型的输入决定了模型的输出。通过对输入数据的严格定义和说明，从源头上保证模型的真实性。
通过专家验证和指标验证双重校验评估，评估结果科学、客观、可信，同时适用于各类明航空域仿真基线模型校验。
以下更详细地说明本发明的实施例。
1、选取研究区域，确认研究对象：选取粤港澳大湾区机场群内的广州、深圳、珠海、澳门、香港五大机场为研究对象，广州和香港飞行情报区为研究区域。
2、确定研究时间，收集数据：确定基线模型仿真的时间段，收集该时间段内的空域基础数据、运行规则数据、飞行计划数据和实际运行数据。空域基础结构数据包括机场群内的所有机场数据(机场中心经纬度，机场跑道编号、位置、跑道长度及宽度，跑道保护区的大小，停机位，滑行道，进离场程序)、空域结构(扇区结构，航路点，航路航线)。实际运行数据即所收集的飞行计划在机场群内的真实雷达数据。运行规则数据包含机场规则(跑道使用规则，进离场程序使用规则，进离场航空器间隔等)、终端区运行规则(飞行间隔，移交间隔，移交高度)、区域运行规则(扇区雷达间隔，移交点的移交间隔和移交高度)。其中，基础结构数据可通过AIP(航行资料汇编,Aeronautical Information Publication,是根据国际民航公约，由国家发行或国家授权发行，保障航空器在该国安全运行的所必需的持久性航行资料，并且也是长期存在的重要航行信息的基本来源。一般包括总则(GEN)、航路(ENR)、机场(AD)三部分，包括了航路点、航路航线、机场、程序，管制区等信息)数据获得，运行规则数据、飞行计划数据和实际运行数据需协调管制单位获取。
3、基础数据整理与建模：基础数据包括机场结构数据和空域结构数据。根据选择的仿真工具，将搜集的机场结构数据、空域结构数据整理成仿真工具支持的格式，导入仿真模型中。
4、整理航班走向及建模：
航班走向包括走向的名称和走向点串。考虑到不同仿真建模软件对数据的支持程度的差异，走向的命名建议为“起飞机场_降落机场[_编号]”，此种命名方法可简单直观的通过航班走向的名称，判别航班的起降城市对。
收集的飞行计划包含有该计划对应的航班走向，但该走向为起飞机场至降落机场的完整走向，但建模范围限定于特定机场群，对机场群外的走向和规则关注较少，不能直接以此数据建模，需要根据研究区域进行裁剪，得到最终的航班走向。裁剪的走向建议保留研究区外至少两个点，便于在扇区边界进行高度的移交并保证足够的移交间隔。
5、整理飞行计划及建模：
根据飞行计划数据和实际运行数据整理建模输入的飞行计划。飞行计划数据应至少包括航班号，机型，机尾号，起飞机场，起飞时间，降落机场，降落时间，航班走向名称，航班走向，巡航高度，航班出现点，航班出现的时间，飞行计划类型。飞行计划分为3类数据：起飞航班、降落航班和飞越航班。起飞航班指从机场群内的某一个机场起飞，降落航班是指飞行计划的降落机场属于机场群中的某一个机场，既不从机场群起飞也不降落于机场群的航班为飞越航班。起飞航班的航班出现时间以飞行计划的实际起飞时间为准；降落和飞越航班的出现时间以航班走向的第一个点的实际过点时间为参考。实际中会因为雷达数据的缺失，导致无法获取航班在出现点的准确过点时间。此时，可根据BADA(飞机性能数据库，Baseof Aircraft Data,Bada，数据库中集成了不同机型的空气动力、发动机性能、重量、速度、高度、油耗率、运行环境等相关的飞机性能数据，由飞机性能模型、航空公司程序模型和飞机特征数据三部分结构组成)性能，通过已有的雷达过点时间和高度数据，推理航班在出现点的时间，用于建模。
6、规则的梳理与录入：按机场、走向分别整理运行规则数据。管制运行规则需要针对每个移交点进行整理航班在该点应满足的高度和间隔要求，对于多个机场共用相同离场点，在建模时应提前充分考虑延误手段。
7、基线模型的运行及指标提取：参照表1根据选取区域特点和用户关注方向，选取数据进行指标计算。
表1
8、根据专家验证法和指标校验法对基线模型检验：
基线模型的校验分为两个方面，一是专家验证，二是运行指标验证。专家验证法和指标验证法同时符合要求时，基线模型建模完成。
专家验证法，通过邀请管制专家，利用实际运行经验，对模拟仿真的效果和指标是否接近实际进行评判。专家验证项按照下表逐一检查各机场、各管制扇区的运行是否符合实际，并按照A(与实际运行情况非常接近)/B(满意)/C(一般)/D(不符合实际运行情况)四个等级评分。如表2所示。
表2
专家验证法各验证项的评分等级应该集中于A和B等级，允许少量的C等级。一般情况下，专家验证领域如果有出现等级为C和D的项目，应该根据专家意见对模型进行修正。除非因仿真软件平台的限制，而导致出现不符合实际运行的情况，但也不应该超过验证项的5％。如表3所示。
表3
| 评分级别 | 说明 | 数量占比 |
| A | 与实际运行情况非常接近 | 不少于30％ |
| B | 满意 | |
| C | 一般 | 不超过20％ |
| D | 不符合实际运行情况 | 不超过5％ |
运行指标验证即通过模拟仿真提取的指标与现行历史数据统计分析的结果对比，根据其差异程度(差异度由空域专家确定)评定基线模型的效果。指标应首先满足运行安全的要求，且延误时间应符合各机场的规定。运行指标验证根据下表从安全、成本、流量和延误四个方面对模型评定，按照满分10分的标准对各指标评分，最终合格的模型各指标项的评分应保证在6分(含)以上，所有指标的平均分应达到7.5分及以上标准。如表4所示。
表4
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.复杂空域场景下机场群空域仿真建模与验证方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)确定研究区域和评估对象，收集空域基础结构数据、运行规则数据、飞行计划数据和实际运行数据；
(2)根据选择的仿真工具，将搜集的机场结构数据、空域结构数据整理成仿真工具支持的格式，导入仿真模型中；
(3)将航班走向数据按照仿真工具要求的格式录入仿真模型；
(4)将飞行计划数据按照仿真工具要求的格式录入仿真模型；
(5)按机场、走向分别整理运行规则数据；
(6)仿真模型的运行及提取模型指标；
(7)根据专家验证法和指标验证法对基线模型检验。
2.根据权利要求1所述的复杂空域场景下机场群空域仿真建模与验证方法，其特征在于：所述步骤(1)中，空域基础结构数据包括机场群内的机场中心经纬度，机场跑道编号、位置、跑道长度及宽度，跑道保护区的大小，停机位，滑行道，进离场程序、扇区结构，航路点，航路航线；实际运行数据为所收集的飞行计划在机场群内的真实雷达数据；运行规则数据包含跑道使用规则、进离场程序使用规则、进离场航空器间隔、飞行间隔、，移交间隔、移交高度、扇区雷达间隔、移交点的移交间隔和移交高度。
3.根据权利要求2所述的复杂空域场景下机场群空域仿真建模与验证方法，其特征在于：所述步骤(3)中，航班走向包括走向的名称和走向点串，航班走向点串应根据机场群建模的范围进行处理。
4.根据权利要求3所述的复杂空域场景下机场群空域仿真建模与验证方法，其特征在于：所述步骤(3)包括：班机航线裁剪和班机航线外延。
5.根据权利要求4所述的复杂空域场景下机场群空域仿真建模与验证方法，其特征在于：所述步骤(4)中，飞行计划数据至少包括：航班号，机型，机尾号，起飞机场，起飞时间，降落机场，降落时间，航班走向名称，航班走向，巡航高度，航班出现点，航班出现的时间，飞行计划类型。
6.根据权利要求5所述的复杂空域场景下机场群空域仿真建模与验证方法，其特征在于：所述步骤(4)包括飞行计划分类和飞行计划参考时间优化。
7.根据权利要求6所述的复杂空域场景下机场群空域仿真建模与验证方法，其特征在于：所述步骤(5)中，管制运行规则针对每个移交点进行整理航班在该点应满足的高度和间隔要求，对于多个机场共用相同离场点的情况根据实际管制运行中航班流的分配比例和指挥原则，在模型中采用流量管理的方式体现。
8.根据权利要求7所述的复杂空域场景下机场群空域仿真建模与验证方法，其特征在于：所述步骤(6)中，模型指标包括：机场小时流量分布和高峰小时流量、机场延误、跑道的小时/日起降架次、跑道延误、扇区的小时流量分布。
9.根据权利要求8所述的复杂空域场景下机场群空域仿真建模与验证方法，其特征在于：所述步骤(7)中，专家验证法是通过邀请管制专家，结合验证清单，利用实际运行经验，对模拟仿真的效果和指标是否接近实际进行评判；运行指标验证是通过模拟仿真提取的指标与现行历史数据统计分析的结果对比，根据其差异程度评定基线模型的效果。
10.复杂空域场景下机场群空域仿真建模与验证装置，其特征在于：其包括：
数据收集模块，其配置来确定研究区域和评估对象，收集空域基础结构数据、运行规则数据、飞行计划数据和实际运行数据；
基础数据整理建模模块，其配置来根据选择的仿真工具，将搜集的机场结构数据、空域结构数据整理成仿真工具支持的格式，导入仿真模型中；
班机航线整理建模模块，其配置来进行航班走向整理及建模；
飞行计划整理建模模块，其配置来进行飞行计划整理及建模；
规则梳理建模模块，其配置来按机场、走向分别整理运行规则数据；
仿真计算模块，其配置来执行基线模型的运行及提取模型指标；
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