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民航运行模拟仿真在机场运行效能提升中的应用

随着民航的发展,很多机场的容量已经突破极限,机场资源显得更加紧张,一般来说,机场通过改扩建,增补机位来解决这个问题,但耗资巨大。为此,中国民航科学技术研究院航空安全新技术研究所(以下称“航行所”)开发了“民航运行模拟仿真技术软件”,实现了机场现有资源的优化与潜力挖掘,为机场在短期内解决容量极限提供了良好的方案。

在2017年航空安全新技术机场应用专题研讨会上,航行所工程师张旭婧博士就该款软件进行了详细介绍,并就民航运行模拟仿真技术在机场运行效能提升中的应用做了精彩演讲。

一、我国民航运输机场运行概况

据统计,截止2016年底,我国民用运输机场数量达到218个,比2015年增加了8个。根据民航十三五规划,预计到2020年,民用运输机场将达到260个左右。

2016年底,全国多跑道运输机场有14个,其中,双跑道机场有11个,三跑道机场有2个,四跑道机场1个;旅客吞吐量超千万人次机场共有28个,占全国机场吞吐量的79.1%,其中,北京、上海、广州三大城市的机场旅客吞吐量占全国的26.2%。

随着机场业务量规模的不断的扩大,大型复杂机场的数量呈现增长的趋势。同时,旅客出行需求也呈现持续增长的态势,这均对机场的运行效率和运行品质提出了更高的要求。因此需要机场对内部的运行效率进行提升,对运行能力进行挖掘。也就是说,机场的运行管理方向要从原来的粗放式向精细化方式转变。

众所周知,机场的运行是一个庞大的系统,包括航站楼、航空器运行、地面保障等多个子系统的运行和各子系统之间的协作。要提升整体的运行效率,那就需要对机场整体的运行流程进行科学性和有效性地预判。所以,仿真模拟就应运而生。

二、运行模拟仿真工具与方法

运行模拟仿真的概念和基本流程

运行模拟仿真(simulate)是指对实际和抽象的系统建立模型,并在数学计算机上运行模型,分析输出结果的学科。模拟仿真在现实世界中的使用是广泛的,例如风洞试验、沙盘推演等等,都是通过科学的方法对未来进行模拟。

航科院的“民航运行模拟仿真系统”利用计算机实现机场运行的仿真,将机场各种复杂的现象进行尽可能逼真地映射为仿真模型。通过面向对象的思想和分析设计方法为实现对复杂系统的仿真提供了直接、有效的途径。

其具体的过程是,确定评估目标和对象——>采集现场的数据清单——>对现场业务部门进行调研——>回收数据采集清单和问卷——>整理数据——>进行资料反馈与订正,问题补充等——>通过对数据的理解和吸收,构建仿真的基本模型——>模型测试、对比验证——>进行场景仿真——>仿真模拟的图表数值记录与统计——>得出结论分析与建议。

模拟仿真工具在民航领域的应用从20世纪60年代开始,主要应用于分析航空器的延误情况,后来逐渐扩展到对整个机场地面和空域运行管理等各个方面。截止目前,国际上正式发布的机场空域仿真模型工具有上百个之多。对机场系统的模拟仿真,其关键是建立整个机场系统全部或者局部的仿真模型。其中,可以应用到机场地面运行仿真并且使用较为广泛的、开发比较成熟的主要有:澳大利亚开发的TAAM软件、比利时开发的AIRTOP软件、美国开发的Simmod软件等。模型包括机场空运、航站楼以及地面车辆的仿真软件等。

 

运行模拟仿真的范围包括:空侧范围、空域范围、陆侧范围,还包括机场地面关键资源,如:航站楼的值机环节和安检环节、边检、海关等。随着机场业务量规模的发展,机场地面资源成为运行的关键资源。

航行所是目前国内唯一一家同时从事空管、航空公司和机场运行方面研究的机构,研究业务涵盖了北斗技术应用、飞行程序设计、ARINC424导航数据服务、机场电磁环境仿真分析与评估、产品设备研发、航空咨询等,在运行仿真与优化方面取得了比较突出的发展。 

三、民航运行仿真的应用

【机坪运行优化】

 

机坪运行优化方案模拟仿真技术以提升机场的运行效率和机坪的安全为主要目标,解决影响航空及地面运行效率的主要问题。主要围绕机坪运行的主要冲突进行优化,设计不同优化方案,解决影响航空器地面运行效率的主要问题。

比如:在机场改扩建项目中,涉及到很多不同的方案,如增加或拆除航站楼、机位调整等等。在实际工作中,这些方案内容千头万绪,机场没有太多的时间和条件去针对每个项目或每个方案进行推演,如果采用了航行所的仿真技术手段就可以发现哪个方案最为适合,也就是说可以在不同的方案之间找到最优的选择。同时,机场管理方也可以针对不同的优化方案进行运行模拟仿真,来查看实际的运行效果,并从模拟仿真中对项目运行的情况和项目结果的情况得出预判。

在开展运行模拟仿真的过程中,航行所会针对一些关键的指标进行一些分析。包括:当前机场离场的延误水平、放行正常率、滑行时间等等。通过运行模拟仿真方案优化之后,就可以对机位进行调整、优化滑行路线,从而有效地解决机场运行冲突,提升机场的运行水平。同时,对于机场未来运行新增的部分(包括改扩建新增的机位、航站楼等),机场管理人员可以从模拟仿真里看到未来新增部分投入运行后有可能在哪些点产生冲突和等待等等,这对于机场可以起到有效的指导作用。

此外,模拟仿真对航空器在跑道等待的架次、针对不同的机位与停放机型的考虑也相应的设置。

【机场及空域联合运行模拟仿真】

机场及空域模拟仿真模型是基于仿真平台,建立起包括跑道、滑行道、停机位、机坪等的机场基础设施资源,以及空域结构、飞行程序、运行规则等空域运行资源在内的机场仿真运行模型。

如上图,针对广州白云机场空域的模拟仿真,航行所构建了包括空域范围和机场范围,从天空到地面的运行全过程。左下图是航空器在地面滑行的路线,右边是一个小时内架次量情况。

【机场机位资源模拟分配仿真】

随着民航的发展,很多机场的容量已经突破极限,机场资源显得更加紧张,一般来说,机场通过改扩建,增补机位来解决这个问题,但耗资巨大。航行所开发的此款软件,可以为机场提供短期内解决的良好方案,也可看做是一个内部挖潜的方案,保障机场安全、顺畅运行。当然,长期的话还要通过别的途径来解决。

通过机位运行模拟仿真软件,即将现有的机型、机位号等作为原始数据,输入软件中,保证机场所需要的资源情况都可以呈现出来,包括机位的周转情况等,同时,协调机场内外部的资源,调整停机位分配的不同的模式,从而保证机场安全顺利运行。
【航站楼旅客全流程仿真】

 当前,民航旅客对旅行的“安全、便捷、舒适”要求逐年提升,在航班延误的情况下,所造成的社会舆论和影响比较大,所以对旅客出行体验的关注度也是民航工作的重点之一。对保障旅客流程环节多、面积大等情况,有必要进行运行模拟仿真。

航行所开展航站楼的旅客全流程仿真,可以模拟出港旅客流程图、旅客到达、经过安检到达登机口等所有环节,通过各个流程、数据分析,获得旅客流程数据达标的情况,输出给机场管理者,从而可以分析出航站楼运营后旅客安检时的排队时长,以及每个旅客排队长度等等,供机场管理者参考。

【塔台选址方案模拟仿真验证比选】

 塔台是确保机场和空管运行的关键基础设施,新建的塔台的选址和设计高度既要考虑工作的位置,其高度和位置要以便于管制员能看到飞行区的范围,又要考虑塔台本身作为遮蔽物对飞行的影响,其本身不能过高,过高会影响机场的运行。

为此,航行所的机场塔台选址方案模拟仿真验证比选首先考虑的是遮蔽分析,解决空管对可视性的要求,通过三维技术仿真模拟塔台运行环境,比选、验证选址方案的优劣,并给出管制员一个运行环境的直观感受。通过以上的分析和计算机的选址方案来保证机场的空管和航行运行安全,提高运行效率。目前该系统已服务的机场包括南京禄口、重庆江北、青岛新机场和成都新机场等。 

【场内车辆保障能力仿真模拟】

 随着机场航班运输量迅猛增长,这对保障航空器和旅客的场内车辆提出了更为严格的要求。千万级机场的保障车辆种类多达几十种,数量多达几千辆,由于缺乏有效地技术手段,场内车辆保障不及时等制约因素尤为突出,当前,提升场内车辆保障能力是众多机场的一项重要任务。

针对如此庞大类别和数量的车辆,航行所场内车辆保障能力仿真模拟技术对机场在不同业务量水平下,对保障车辆种类及数量的需求进行了预判。这样机场就可以根据预判及时发现保障车辆是否不足的问题。

【机场除冰效率仿真模拟】

 在东北地区及乌鲁木齐等地区,冬季机场除冰显得尤为重要。目前在机场的除冰方式上有以下几种:区域式除冰、定点慢车、混合除冰模式。区域式除冰是比较传统的模式,缺乏统一的指挥和协调,不能保证飞机在除冰后立刻起飞。定点慢车方式,让发动机处于慢车状态,进行作业,相对于区域式除冰,减少了关闭发动机的环节,节省了时间,提高了机场的效率。机场除冰效率仿真模拟可以通过设置不同的除冰规则,模拟不同除冰模式下的机场运行情况,来分析不同除冰模式下机场运行效率。
总之,在未来的机场发展中,运行模拟仿真技术所发挥的作用将会更大。

来源:机场安全  微信订阅号

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