繁忙终端空域飞行冲突风险
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
第45卷第4期2013年8月 南 京 航 空 航 天 大 学 学 报JournalofNanjingUniversityo
fAeronautics&Astronautics Vol.45No.4
Aug.2013繁忙终端空域飞行冲突风险
王世锦
(南京航空航天大学民航学院,南京,210016
)摘要:为了量化繁忙终端空域的安全水平,在风险评估理论框架下,针对繁忙终端空域雷达管制运行特点,对航空器的纵向飞行冲突风险进行了研究。
建立了航空器间违反终端空域运行间隔标准的数学模型,
采用事件模型研究了航空器间违反纵向最低管制间隔产生飞行冲突的分析方法,确定了风险等级的判定方法;最后以上海终端空域2011年的飞行流量为例验证了该方法的可行性,得出了进、离场处的飞行冲突风险等级为“可容忍”水平。
研究结果使得量化繁忙终端空域的飞行冲突风险成为了可能。
关键词:终端空域;飞行冲突;风险评估;间隔;安全性
中图分类号:U8 文献标志码:A 文章编号:1005-2615(2013)04-0538-06
基金项目:中国博士后科学基金(2013M53135)资助项目;中国商飞北京民用飞机技术研究中心波音公司(2012-TR-012
)资助项目。
收稿日期:
2012-11-08;修订日期:2013-03-20 通信作者:王世锦,女,博士,讲师,1973年出生,E-mail:shijin-w
ang@nuaa.edu.cn。
F l i g h tC o n f l i c tR i s k i nB u s y T e r m i n a lA i r s p
a c e W a n g Sh i j
i n (CollegeofCivilAviation,NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing
,210016,China)A b s t r a c t :Inordertoquantifythebusyterminalairspacesafetylevel,theaircraftlongitudinalflightcon-flictriskisresearchedunderthetheoreticalframeworkofriskassessmentandinresponsetothecharac-teristicofbusyterminalairspace.Themathematicalmodelofviolationofoperationseparationstandardinterminalairspacebetweenaircraftsisestablished.Onthatbasis,themethodusingeventmodelisgiv-enforanalyzingflightconflictscausedbyviolationofminimumradarcontrolseparation.Furthermore,ajudgmentmethodofrisklevelofflightconflictisprovided.Finally,theflightflowdataofShanghaiterminalairspacein2011isusedasanexampletotestifythefeasibilityofthemethodabove-mentioned.Itisconcludedthattheflightconflictrisklevelinarrivalanddepartureisinthetolerableregion.There-searchresultsmakeitpossibletoquantifytheflightconflictriskinbusyterminalairsp
ace.K e y w o r d s :terminalairspace;flightconflict;riskassessment;separation;safety 繁忙终端空域结构复杂,
一般包括等待区即进出走廊口、标准进/离场航线、中间/最后进近航线、复飞航线和跑道等部分,见图1。
随着飞行流量的增加,管制员的工作负荷也日益加重。
上述特点导致该空域飞行冲突,甚至碰撞事故变得日趋严重。
因此,该空域的安全问题受到了关注。
1973年,Bellantoni对航空器的着陆安全性进行了分析,
建立了航空器侧向误差、
触地时间间隔以及跑道等条件与碰撞风险之间的关系[1
];1997年,Rog
er等人提出了缩小航空器间隔的风险评估模型(Reducedaircraftseparationriskassessmentmodel,RAS-RAM),该模型结合了故障树(Faulttreeanalysis,FTA)和事件树(Eventtreeanalysis,ETA)对平行跑道的航空器从侧向、纵向和尾流3个方向研究
了进近、着陆和改出的间隔安全性[2
];2004年,Xie
与Shortle研究了在弱尾流影响下,
航空器间在跑道处的飞行冲突的分析方法[3
];2007年,Camp
os和Marques基于假设条件———两架航空器均服从高斯分布,
具有相同的位置误差,碰撞发生距离中点处,
计算了飞机以常速度在起飞与着陆阶段任意直线路径上飞行的碰撞概率[
4]。
从上述研究可以看出,目前终端区安全性研究较少且缺乏系统性,根据图1,已有研究工作还主要集中在跑道附近的飞机最后着陆阶段,缺乏对终端空域其他航段安全性的研究。
本文基于安全管理框架中风险评估理论,根据繁忙终端空域进/离场航空器运行特点,
暂不考虑人为因素的影响,运用事件模型,采用飞行冲突安全指标,系统研究终端空域中走廊入口点至起始进近定位点(不包括起始进近定位点)之间航空器飞行阶段的安全性问题。
图1 繁忙终端空域航空器运行示意图
1 研究基础
碰撞风险与飞行冲突风险均可以反映飞行的安全性。
碰撞风险是位置误差所带来的出现空中相撞的危险;飞行冲突风险是指两架航空器在空中飞行过程中,
在某一特定时间,两架航空器在3个方向上的间隔都不满足空中交通管制间隔标准的
危险。
航空器碰撞是致命事故,飞行冲突属于事故征候,它们之间的数据比例可以根据民航修正的海
因里希事故法则进行换算[
5]
,见图2。
本文采用飞行冲突风险概率指标反映终端空域航空器飞行的安全性。
图2 民航修订的海因里希事故法则
繁忙终端空域安全性分析流程见图3。
为获得繁忙机场空域最大不安全概率,统计终端空域日高峰小时流量;根据机头时距分布函数求得繁忙机场空域航空器违反运行间隔标准概率;采用终端空域安全风险分析模型计算违反国际民航组织(In-ternationalcivilaviationorganization,ICAO)规定的最小纵向安全间隔标准的飞行冲突风险概率;给出安全性分析结果。
图3 繁忙终端空域安全性分析流程
1.1 日高峰小时流量
飞行冲突与飞行流量密切相关,通常情况下,流量越大,冲突次数越多。
本文计算日高峰小时飞行流量的目的是想获得该机场空域最大飞行冲突风险概率,从而确定最大不安全水平。
根据文献[6
],可以获得所需终端机场空域年起降架次数据f 。
见图1,
目前我国机场终端空域基于安全考虑均已实现了航空器的进/离场分离,并且在入口点
及出口点绝大多数民航飞机处都采用同一高度进/离场。
则最大流量的出/入口点k 的年平均日高峰小时流量f k t 为
f k t =m ·f t /2=m ·n ·f /2(1)式中:f t 为该空域每日高峰小时总流量;m 为f k t 与f t 的比例关系;n 为f t 与f 的比例关系。
1.2 违反运行间隔概率
繁忙机场终端空域航空器到达流的概率分布
9
35第4期
王世锦:繁忙终端空域飞行冲突风险
函数Pn (t
)为[7]Pn (t )=(λt )n
n
e
-λ
t t >0,n =0,1,2,
…(2
)式中:λ为航空器到达终端空域的平均速率;e为自然对数。
可以证明连续到达的航空器的机头时距概率分布函数为
P(h ≥t )=e-λ
t P(h <t )=1-e
-λt (t >0
)(3
)式中:P(h <t )表示违反终端空域运行安全间隔的概率;t 表示实际运行时使用的雷达管制时间间隔;h 表示终端空域航空器实际产生的时间间隔。
随机航班流中,相邻两架航空器不能无间距到达,当航空器间满足ICAO规定的终端区雷达管制的最小纵向安全间隔T min时,机头时距分布服从移位负指数函数,即违反终端空域运行时间间隔标准的概率为
P(h <t )=1-e-λ'(t -T min) t ≥T min
(4
)式中λ′为
λ
'=1t -T min
(5
)式中t 为平均机头时距,则
P(h <t )=1-e-
t -T min
t -T min
t ≥T min(6
)1.3 飞行冲突风险概率
事件模型是2003年英国的Brooker提出的,
分别于2003年[8]和2006年[9]
将其应用于航空器
侧向和洋区纵向的碰撞风险分析。
见图4,事件模型是指相邻航迹上有两架航空器1和2,在航空器1的位置处模拟出一个2倍飞机尺寸的长方体的盒子A ,其长、宽和高分别表示飞机的纵向、侧向和垂直方向的长度;在飞机2的位置点B 的周围定义了一个间隔薄片。
如果碰撞盒A 与飞机2的位置B 点相遇,则称一个碰撞发生;碰撞盒A 与飞机2的位置点小于标准间隔,则称一个飞行冲突发生。
首先给出航空器终端空域纵向飞行冲突风险
模型建立的假设条件[10-11]:(1)
飞行冲突风险是发生在临近两架航空器之间,不考虑更多架航空器飞行冲突风险情况;(2)各航空器之间的位置彼此相互独立;
(3
)每个航空器的侧向、纵向和垂直方向的图4 航空器间的飞行冲突示意图
位置彼此相互独立。
则单位时间内发生飞行冲突的概率N为
N=P(C /S)·P(S)
(7
)式中:P(S)为航空器纵向冲突概率;P(C /S)为航空器纵向存在冲突时的侧向与垂直方向的重叠概率,其为侧向重叠概率Py (0)和垂直重叠概率Pz (0
)的乘积,即P(C /S)=Py (
0)·Pz (0)(8
) 令违反纵向运行间隔标准时发生飞行冲突的概率为L (S),服从(μ,σ)正态分布的航空器间的纵向距离的概率密度为f (x )
,则P(S)=P(h <t )×L (
S)(9
) 那么,
低于ICAO规定的终端空域航空器纵向安全间隔的飞行冲突风险概率N为
N=P(h <t )·Py (0)·Pz (0)·L (S)=P(h <t )·Py (0)·Pz (0
)·12√
πσ∫
+Smin
-Smin
e
-
(x -μ)
22σ
2dx
(10
)式中:P(h <t )由式(6)确定;μ为终端区采用的雷达管制下的运行距离间隔标准;Smin为ICAO规定的雷达管制终端空域的航空器最低安全间隔标准。
1.4 安全性分析
根据安全评估理论,待评估风险需要从可能性和严重性两个方面综合考虑,
确定其在风险矩阵中的位置,即综合等级,根据各国的容忍度标准确定安全水平,对于不可容忍的风险需要提出相应的建设建议。
从表1~3可知,
我国根据自己的国情特点,在ICAO建议标准下,对可能性、严重性以及风险容忍矩阵均进行了修订,提出了适合我国空管运行的一系列安全标准。
根据式(10)计算结果,对照表1中数据标准,可以得到航空器发生飞行冲突风险的可能性等级;客观评价航空器发生飞行冲突应该是导致“
间隔丧失较大”,对应严重性风险等级为“C”;最后,根据表1和表2结论,对照表3确定该风险的可容忍性。
0
45南 京 航 空 航 天 大 学 学 报第45卷
表1 风险可能性等级
可能性文献[12](每运行小时)文献[13]等级频繁空域系统和ATC运行:≥1×10-3运行寿命内可能多次发生5可能空域系统和ATC运行:≥1×10-5且<1×10-3运行寿命内有时发生4很少空域系统和ATC运行:≥1×10-7且<1×10-5运行寿命内不太可能发生3罕见空域系统和ATC运行:≥1×10-9且<1×10-7运行寿命内非常不可能发生2极不可能空域系统和ATC运行:<1×10-9运行寿命内几乎不可能发生1
表2 风险严重性等级
严重性文献[12]文献[13]等级灾难性航空器相撞设施损毁或多人死亡A有危害安全间隔丧失间隔几乎丧失B重大间隔丧失较大间隔丧失较大C较小间隔发生些许缩小运行受限D可忽略间隔发生细微缩小基本无影响E
表3 风险容忍标准
建议标准文献[14]文献[13]
不可接受区域5A,5B,5C,5D,4A,4B,4C,3A,3B,2A5A,5B,5C,4A,4B,3A
可容忍区域5E,4D,3C,2B,1A5D,5E,4C,4D,4E,3B,3C,3D,2A,2B,2C可接受区域4E,3D,3E,2C,2D,2E,1B,1C,1D,1E3E,2D,2E,1A,1B,1C,1D,1E
2 实证分析
从历年机场起降架次数据可知,北京、上海和广州一直是我国3大繁忙终端空域,又由于上海有虹桥和浦东两个国际机场,因此上海终端空域为我国最繁忙空域。
本文以上海终端空域为例,采用上述分析方法,计算2011年上海终端空域的飞行冲突风险概率。
上海终端空域进出港点的设定较好地做到了进出流分离,保证安全的同时有利于流量管理。
其管制范围如图5中边界粗线所示:VMB—PIKAS—NTG—UDOXI—JBEGI—EMSAN—
BONGI—岱山—AND—NXD—VMB连线范围内,高度6000m(含)以下至虹桥、浦东两机场塔台管制边界;进港点为:DUMET,PINOT,VMB,AND;出港点为:NXD,HSN,PIKAS,ODULO,EMSAN。
其中VMB,AND是主要的进港点,HSH为主要的出港点。
2.1 日高峰小时流量
2011年上海虹桥国际机场的起降架次为22.98万架次,上海浦东国际机场的起降架次为34.41万架次[6],则
f2011=22.98+34.41=57.39
从文献[6]可以获知,其进场与离场航空器流量相差不大;再由文献[15]可知,目前上海终端空域流量最大的为入口点AND,且
n=f t/f=0.00018
m=fAnd/f t=0.413
根据式(1),2011年平均最大日高峰小时流量fAndt为
fAndt=0.413×0.00018×57.39×104/2≈
21.3
2.2 违反纵向运行间隔概率
ICAO规定了终端雷达管制空域下的最小纵向安全间隔S
min=3nm
,最小时距T
min=81s。
为降低实际运行风险,各地区管制部门都放宽了最小运行安全间隔距离。
假设上海终端空域最小实际运行间隔标准为5nm,约为2.25m。
根据式(4~6),同航迹上的相继两架航空器满足Smin=3nm,
而违反5nm的实际运行间隔的概率P
2011
为t=60/21.3=2.83,λ'=
1
2.83-81/60
≈0.68,P2011(h<2.25)=1-e-0.68(2.25-81/60)≈0.54。
2.3 纵向飞行冲突风险概率
由文献[11]和文献[16]知:
Py(0)=0.043,Pz(0)=0.45,δ=0.5102 根据式(10),违反ICAO最小纵向安全间隔标
准的飞行冲突风险概率N
2011
为
1
4
5
第4期王世锦:繁忙终端空域飞行冲突风险
图5 上海终端空域管制范围示意图
N2011=P·
Py (0)·Pz (0)·12√
πσ∫
+Smin
-Smin
e
-
(x -μ)
22σ
2dx =
0.54·0.043·0.45·12√π
·0.5102∫
+3-3e-(x -5)22·0.51022dx = 4
.62×10-
7。
2.4 安全性分析
根据表1~3,对飞行冲突风险进行安全性分
析,见表4。
表4 飞行冲突风险结果
文献[12
]文献[13]可能性等级3
(很少)3
(很少)严重性等级C(重大)C(重大)飞行冲突风险
3C(
可容忍)3C(
可容忍) 从表4的分析结果可以看出,
根据文献[12,13],上海终端空域的飞行冲突风险等级均为3C,是“可容忍”的水平,但仍具有一定的危险性。
上海终端空域作为我国空中交通流量最大的繁忙机场空域,由于实现进、离场航空器的分离,提高了该空域的飞行安全水平。
管制员在关注航空器进、离场的同时,可以将更多的精力投入到起始进近定位点至接地点之间的航段。
另一方面,该空域的空中交通流量在逐年快速递增的趋势下,飞行冲突风险等级将会恶化,达到4C———“不可接受”程度。
为保证该航段的安全性,势必增加管制员更多的工作负荷。
因此,相关部门需制定有效方案,
及早采取相应措施,将该空域的风险控制在可接受水平。
3 结束语
根据ICAO对民航空管运行的系统化安全管理要求的思想,采用风险评估理论,分析了终端空域航空器到达流服从移位负指数分布,
并且采用事件模型,对繁忙终端空域进、离港点至起始进近定位点飞行阶段进行了飞行冲突风险研究,建立了违反ICAO雷达管制间隔标准的纵向飞行冲突风险模型,提出了根据风险可能性以及风险严重性的标准,
确定评估风险矩阵的位置,对应我国民航安全管理体系及ICAO要求,获知安全水平等级方法。
本文仅研究了终端空域进、离港管制移交点至起始进近定位点航段的安全性,
起始进近定位点处航空器汇聚以及起始进近定位点至接地点航段的安全性是进一步研究的重点。
参考文献:
[1] B
ellantoniJF.Thecalculationofaircraftcollisionprobabilities[J].TransportationScience,1973,7(37):317-339.
[2] ShepherdR,CassellR,Thap
aR,etal.Areducedaircraftsep
arationriskassessmentmodel[R].245南 京 航 空 航 天 大 学 学 报第45卷
AIAA-97-3735,1997.
[3] XieY,ShortleJF.Airportterminal-approachsafetyandcapacityanalysisusinganagent-basedmodel[C]∥Proceedingsofthe2004WinterSimulationConfer-ence.WashingtonDC:IEEE,2004:1349-1357.[4] CamposLMBC,MarquesJMG.Ontheprobabili-tyofcollisionbetweenclimbinganddescendingair-craft[J].JournalofAircraft,2007,44(2):550-557.[5] FAA.Airtrafficorganizationsafetymanagementsystemmanual[R].Washington:FAA,2008.[6] 中国民用航空局发展计划司.从统计看民航[M].北京:中国民航出版社,2012.
[7] 钟育鸣,韩松臣,张旭婧.机场容量评估中仿真飞机流的设计与实现[J].交通与计算机,2008,26(6):120-123.
ZhongYuming,HanSongchen,ZhangXujing.De-signandimplementationofaircraftsflowingsimula-tioninarrportcopacityevaluation[J].Computerand
Communications,2008,26(6):120-123.
[8] BrookerP.Lateralcollisionriskinairtrafficsys-tems:a‘post-reich’eventmodel[J].Journalof
Navigation,2003,56(3):399-409.
[9] BrookerP.LongitudinalcollisionriskforATCtracksystems:ahazardouseventmodel[J].Journalof
Navigation,2006,59(1):55-70.
[10]王世锦.空域分类关键技术及应用研究[D].南京:南京航空航天大学,2011.
WangShijin.ResearchonkeytechnologiesandtheiraApplicationinairspaceclassifcation[D].Nanjing:NangjingUniversityofAeronauticsandAstronau-tics,2011.
[11]李冬宾.飞行间隔安全评估模型和方法研究[D].南京:南京航空航天大学,2008.
LiDongbin.Safetyassessmentmodelsandmethodsresearchonflightseparation[D].Nanjing:Nanjing
UniversityofAeronauticsandAstronautics,2008.[12]中国民用航空局.空域安全评估方法指导材料[S].IB-TM-2010-002,2010.
[13]ICAO.DOC9859:Safetymanagementmanual(SMM)[S].2ndEdition.Montreal:InternationalCivilAviationOrganization,2009.
[14]中国民用航空局.民航空管安全管理体系建设指导手册[S].MD-TM-2009-004,2009.
[15]胡明华.多跑道运行技术研究[R].北京:国家空中交通管制委员会,2012.
[16]MoekG,LutzE,MosbergW.RiskassessmentofRNP10andRVSMinthesouthatlanticflightidenti-ficationregions[R].ARINC-20899,2001.
3
4
5
第4期王世锦:繁忙终端空域飞行冲突风险。