基于几何航路汇聚点设置的骨干航路网络规划

王莉莉，吴 越，吴桐水

（中国民航大学a.空中交通管理学院；b.经济与管理学院，天津 300300）

近年来，中国的航空运输保持着高速发展的势头。2005年，中国的航空运输总周转量已经排名世界第二，此后以每年超过两位数的速度持续增长。2011年，民航业完成运输总周转量577.44亿吨公里，比上年增长7.2%；完成旅客运输量29 317万人次，增长9.5%[1]。要满足民航业务的快速增长，需要建立相应的航路网络与之相匹配。而中国现行航路网络是在五、六十年代的航路结构上逐步形成，其航路建设和运行管理相对滞后，一定程度上阻碍了航空事业发展。面对航路网络的现状以及国家交通一体化战略的规划实施，迫切需要民航工作者对航路网络结构进行调整与优化以适应中国交通事业的发展，从而能够更好的为国家的经济发展、地区间的交流以及人民群众的便利出行服务。

国内外对于航路网络也都进行了一定的研究。国外虽然提出了一些针对网络路径、容量及动态优化方面的研究[2-4]，但是缺少整体网络布局方案的研究；国内对于中国中枢网络规划提出了构想[5-7]，不过缺少对枢纽间连接方式的优化方案。文献[8]提出了中国航路航线网规划的参考意见与原则，但没有给出具体的优化方案。

本文面向中国骨干航路网络的优化问题，对枢纽机场间的航路连接方式从国境点航路、城市间流量、航路间角度、航路汇聚点的设置以及禁区的影响5方面对中国骨干航路网络进行调整优化，最终提出了一个针对空中交通现状的全国骨干航路网络建议方案。

1 枢纽选择

由于中国机场众多，在设计网络时需要筛选出重要机场作为骨干航路网络的节点。在节点选择上，根据文献[9]的内容，选择北京、上海、广州、昆明、西安等5个城市作为枢纽。因为乌鲁木齐地理位置独特，辐射范围广阔，并且是中国西北方向出境的重要点，所以应将乌鲁木齐机场作为中国民航骨干网络的组成节点。同时在中国东北方面同样需要一个枢纽节点，通过旅客吞吐量的对比选择沈阳机场作为中国民航骨干网络的组成节点。

综上所述，选取北京、广州、上海、昆明、西安、乌鲁木齐和沈阳7个城市的机场作为中国航路航线网络的一级枢纽节点。

枢纽节点及国境点的分布以及直连后的航路网络情况如图1所示。

图1 重要节点直连航路网络Fig.1 Hub nodes directly connected network

2 网络调整

鉴于中国空域资源特点，将机场及国境点间直接连接会造成网络过密、航路间交叉冲突以及禁区的冲突，并且存在很多小流量航路，故需要对网络进行进一步的优化与调整。

2.1 国境点航路调整

在枢纽节点的初步连接中，部分国境点与城市节点的直连造成了航路穿越别国领空。并且存在一些航路流量太小、距离太远，单独建设航路对于空域资源利用率不高，同时造成空域航路间的冲突。因此，需对与国境点相关航路进行调整。调整措施：将国境点SARIN与其它城市节点的连接汇集至乌鲁木齐机场，国境点SIMLI与除北京外的节点汇集至沈阳机场，国境点INTIK只与北京连接，国境点LINSO的汇集点定在昆明机场，国境点MAGOG与广州和上海连接，国境点AGAVO与乌鲁木齐机场的连接取消，国境点LAMEN与乌鲁木齐机场、沈阳机场的连接取消。调整后的航路航线网络布局如图2所示。

图2 国境点航路调整后航路航线网络Fig.2 Air route network based on adjustment of border points

2.2 基于流量调整

在国境点调整的基础上，按航段间流量精简小流量航路，进一步调整骨干航路网络。2010年的主要航段及航段间旅客人数[10]如表1所示。

表1 主要航段数据Tab.1 Data of major flight segments

由表1可以发现乌鲁木齐与其它机场间的流量小，但是乌鲁木齐覆盖了广阔的地区，并连接了中国西北方向的出境点，地理位置和政治地位十分重要。因此，暂不考虑其流量因素，在后续布局中通过设置航路汇聚点加入该节点。

而昆明—沈阳航段流量太小，没有主要的直通航段而需要通过中转连通，因此可以删除昆明—沈阳的直接航线。剩下的航段根据旅客人数降序做出折线图，如图3所示。

图3 航段间旅客人数降序图Fig.3 Descending figure of passengers’number in flight segments

依据最大航段北京—上海旅客人数的10%保留航段，即航段旅客数不满747 335人将考虑在骨干航路网络中删除该航段。依此标准将删去西安—昆明、广州—沈阳、西安—沈阳的航段。考虑到西安—昆明航段是连接西南、西北地区的主要航段，并且与最大旅客航段旅客数的10%相差不大，故应予保留。综上所述，调整后的航路网络如图4所示。

图4 流量调整后航路结构Fig.4 Air route network after flow adjustment

2.3 基于角度调整

如果两条航路彼此非常接近，那么作为骨干航路网络，设立这样两条相近航路同时存在的意义不大，并且互相接近的航路会造成相互干扰，影响航空器的安全高效运行。因此在这里添加航路间的夹角限制进行进一步的网络优化调整。

各条航路之间的夹角可以用余弦定理计算。通过3个节点的经纬度求出它们彼此之间的距离，这样就可以给出这两条高速路之间的夹角θ，有

按照中国现有的空中规则与空中交通服务手册[11]中的规定，航空器使用导航设备汇集或者分散飞行，航空器间的航迹夹角不得小于15°。参考规定可设置15°作为航路调整的判定值，通过夹角的限制，去除相隔比较近的线路。

在根据角度选择航路的同时也应考虑距离的增加，如果在合并航路后到达预计节点距离比原航路增加20%以上则应考虑保留原航路。

经过计算可去除北京至昆明的直接航路、北京至国境点LAMEN的直接航路、昆明至国境点LAMEN的直接航路、广州至国境点LAMEN的直接航路、广州至国境点AGAVO的直接航路、西安至国境点LAMEN的直接航路、昆明至国境点AGAVO的直接航路。角度调整后的骨干航路网如图5所示。

图5 角度调整后骨干航路网Fig.5 Air route network after angle adjustment

2.4 航路汇聚点设置

在完成以上调整后考虑乌鲁木齐节点的加入。但是乌鲁木齐机场节点与其它城市节点间流量较少，所以不在乌鲁木齐与其它城市间设立直连航路，而在北京—西安—乌鲁木齐区域设立汇聚点，通过航路汇聚点将乌鲁木齐机场引入全国骨干网络。在该区域的汇聚点设置中，考虑到乌鲁木齐机场与其它机场相距较远，同时兰州机场在该区域发挥重要作用，故在设置区域航路汇聚点时考虑兰州机场的影响。并且，在上海—广州—昆明—西安区域、北京—西安—上海—国境点AGAVO区域设立交叉航路汇聚点，方便航空器在繁忙网络的运行。

汇聚点的选取依托于全国PBN导航技术的实施，即认为新的导航技术可以最大程度地消除地形对于汇聚点的影响。在汇聚点的选择上根据几何位置设置汇聚点，即选取到区域内各枢纽机场距离和最小的点作为区域的航路汇聚点。目标表达式为

式中，d1、d2、d3、d4分别为汇聚点到区域枢纽机场的距离。根据几何定理可以求得3个区域汇聚点在区域的位置。经过计算，汇聚点的位置为：上海—广州—昆明—西安区域汇聚点坐标为北纬28°14′52.30″，东经111°25′39.34″。北京—西安—上海—国境点AGAVO区域汇聚点坐标：北纬 36°28′9.18″，东经 118°45′41.81″。北京—西安—乌鲁木齐区域汇聚点为北纬36°49′48.00″，东经 104°33′28.80″。根据几何位置设置的 3个主要区域的汇聚点及航路网络如图6所示。

2.5 禁区的规避

图6 几何位置汇聚点及航路网络连接Fig.6 Route crossing waypoint network based on geometric method

经过上述调整后考虑禁区对飞行的影响。从文献可知，中国的禁区分别位于北京及沈阳附近，加入禁区对目前设计的骨干航线网产生直接影响的只有北京到西安的航路。而依据中国有关规定[12]，航路至禁区要有10 km间隔，受到间隔影响的有北京到汇聚点3的航路、北京到广州的航路以及沈阳到国境点SIMLI的航路。在航路设计时，可以考虑依据禁区的几何形状，保持10 km间隔对禁区绕行。

3 结语

本文针对中国民航业的高速发展与现行航路网络间的不协调问题对中国骨干航路网规划方法进行讨论。在中国骨干航路网设计中，考虑国境点航路的限制、节点间的流量、航路间的限制、网络的便利性及禁区限制等方面条件，提出了中国骨干航路网络的一种规划方案。

本文规划思路基于星基导航，而不依赖于地面导航台，故不考虑网络覆盖下地形地貌的限制。星基导航技术已趋于成熟，中国已经出台PBN部署方案，正在实施星基导航标准。在空域方面只考虑了禁区的限制，而没有加入限制区与危险区。然而，在航线规划中，如遇到限制区与危险区可以沿两区边沿规避，两区对于骨干航路网络的走向影响不大；并且空域的动态使用与分时共享是未来空域的发展方向，两区对于民航航线的影响也将越来越小。综上所述，设计的骨干航路网络存在现实的意义。

本方案的规划是一项探讨性的工作，为决策提供了一种参考意见。在实际实施中还要依据实际条件进行调整，整个航路网络的规划还要进一步研究。

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