终端区点融合系统结构研究与分析

洪铭，彭雪丽，张泠昕

(中国民航飞行学院，四川广汉，618300)

0 引言

根据民航局发布的《2019年民航行业发展统计公报》，2019年全国民航运输机场完成起降架次1166.05万架次，比上年增长5.2%，呈现逐年增长状态。中国有3个机场进入世界最繁忙的机场前十名，分别是北京首都国际机场、香港国际机场与上海浦东国际机场。持续的经济增长是造成空中交通需求增长的主要因素。随着交通需求的增长，机场终端区资源紧张、交通拥堵和延误愈发严重。由于终端区空域扩张难以实现，如何改善飞机进出场结构、提高过站处理能力就显得尤为重要。

先到先服务（First Come First Service, FCFS）和雷达引导的方法是现今管理到达飞机流量的常用方法。 这个方法对于安排到达飞机的降落顺序具有良好的公平性，而且在高密度下，也利于管制员掌握并处理交通状况，但它通常会导致严重的延误。随着通信、导航和监视（Communication,Navigation and Surveillance, CNS）中新兴技术的应用，点融合系统概念的提出与实践应运而生，该系统能更加有序和高效地管理到达飞机以及提高繁忙机场吞吐量。

2006年，欧控实验中心开发出一种系统化的进场流量排序方法，即点融合（Point Merge）[1]。2011年，点融合程序在挪威OSLO机场开始实施[2]。随后，都柏林（2012）、巴黎ACC（2013）、吉隆坡（2014）、莱比锡（2015）、伦敦城市和比金山（2016）等机场陆续开始启用该程序。点融合系统作为世界领先的新航行技术于2019年12月在上海浦东、虹桥国际机场正式实施。这是中国首次实践“点融合”、“航线外等待”等程序。

点融合系统(Point Merge System, PMS )的运行理念首次提出后，2015年，Man Liang等进行了基于点融合系统的航班自主到达排序系统的开发，首次提出多层点融合系统（Muti-layer Point Merge System, ML-PMS）[3-4]；2019年，刘冰等采用了一种点融合程序与传统程序结合的方法[5]，对上海浦东国际机场的点融合进场程序进行优化。

为更好适应终端区空域限制、航线结构和终端区飞机流量等条件，国内外学者对经典点融合系统进行结构优化，下文将着重从结构的角度来分析点融合系统，为后续的实践提出改进方案。

1 经典点融合系统

1.1 经典点融合系统基础结构与原理

如图1所示，点融合系统基于一个特定的区域导航（RNAV）路线结构，主要由融合点（Merge Point）与排序弧（Sequencing Leg）组成[6]。融合点是终端区内的一个物理坐标点，该点负责将进场过程中的多个交通流进行整合；排序弧是预定义的飞行支路，用来增加航空器行程，消耗必要时间，排序弧的长度反映了所需的延迟吸收能力。排序弧一般分为内外两条，内排序弧高于外排序弧。在内外排序弧上有若干小段，每段排序弧距离融合点的位置近似相等。点融合系统优点与缺点如表1所示。

图1 点融合系统组成

表1 点融合系统的优缺点

1.2 经典点融合系统几何构型

从传统的进场方式到经典点融合系统的演变，形成了点融合系统最基础的几何构型。分别为完全分离，部分重叠和全长重叠[6-7]。在图2中，从左至右分别为传统结构、完全分离结构、部分重叠结构和全长重叠结构。图中阴影区域代表容量，程序长度间接代表效率。显而易见，传统与完全分离结构具有较高的运行效率，但系统容量相对较少，而部分重叠和完全重叠的点融合系统的容量较大，但由于其排序弧长度增加，相互干扰增大，运行效率无可避免地降低。

图2 点融合系统基础结构演变过程

排序弧全长重叠、部分重叠、完全分离这三种几何构型，为保证安全，排序弧之间需满足不小于雷达间隔的横向间隔，在垂直剖面上，内外排序弧之间需满足以下间隔标准[7]。如图3所示。

图3 三种构型垂直间隔限制

2 点融合系统衍生结构

除了前面所述的三种基础点融合系统结构之外，为了更好地适应机场终端区空域限制、飞机进场的方向与流量等因素，在实际设计应用中逐步出现了改进的结构，下文我将从结构的角度提出点融合系统的改进方式，解决点融合系统在实践应用中存在的问题，既保留点融合系统的优势又能适应实际需求。

2.1 N层点融合系统

N层点融合系统是对经典点融合系统排序弧层次的改变。从结构角度分析，多层点融合系统增加了排序弧的层次以容纳更多的飞机。从实践运用的角度分析，它可以理解为两种实现方式。

（1）由内外（N=2）排序弧变为N层排序弧

在经典点融合系统中，内外排序弧考虑多个进场方向需求。在满足横向间隔与垂直间隔的前提下，N的取值可以为1,2,3…，当N=1时，为单层点融合系统，也是一种结构化等待进场程序，可以有效针对进场方向单一、但流量密集的终端区；当N>=2时，可以在一定程度上将更多的进场飞机纳入管理范畴，当然N的取值不能无限大，它受制于空域、点融合系统包络面积、下降高度等。

（2）重型、中型、轻型机分层

重型、中型、轻型飞机的尾流间隔不同，在不分层混合飞行的情形下有效尾流间隔会增加，造成系统容量减少，且不利于管制员把控飞机之间距离，情景意识降低。对此，可以将民航运输的常用机型在点融合系统排序弧中进行分层飞行。其平面和高度示意结构以及间隔标准如图 4所示。

图4 多层点融合系统平面与高度结构示意图

由于民航运输飞机少有轻型机，所以将不予考虑。对于同一来向的重型机和中型机，在进入点融合系统时，分层进入内弧（外弧）的高度层H2（H4）与H1（H3），沿所在排序弧高度层飞行，等待管制员直飞融合点指令。程序运行步骤如图5所示。

图5 机型分层PMS运行步骤示意图

N层点融合系统的目的是进一步缓解交通拥堵，使进场飞机更高效、有序与安全地降落。对于N层点融合系统的设计，必须考虑排序弧的高度层是否可用且合理。在机场终端区，能用于设计多层排序弧的高度空间有限，如果设计高度层过低，那么飞机需要消耗更多的燃油才能保证其在排序弧上的飞行，不利于燃油政策，同时噪声增加，不利于环保；如果设计过高，处于最高层的飞机，不易有效下降到融合点，影响航班排序效果。N层点融合系统可以适应不同终端区的飞机流量，增加系统容量，但相应会需要更多的空域资源。N层点融合结构更适合空域有限，进场繁忙的机场。

2.2 点融合系统与传统程序的结合

（1）点融合系统与等待程序结合

在经典点融合系统结构当中，有时系统进入点为飞机流量汇聚点，易产生冲突问题，因此需要在系统进入点拉开飞机间隔，以避免冲突。此时可以采取将点融合系统与传统等待程序结合的方式，保证进入点融合系统的前、后机具有足够时间或空间间隔。程序结构示例如图6所示。

图6 点融合系统与等待程序结合

（2）点融合系统与S程序结合

点融合系统与S程序结合的结构方式既可以沿用点融合系统的优势，又可以解决进场飞机因航线结构与空域限制而产生的下降率过大问题。它是在排序弧外侧设置类似S型的传统程序结构，以增加飞机的飞行距离，保证足够的下降空间。对于S型的间隔设计，横向间隔未给出具体标准，为了安全考虑，一般为2倍雷达间隔。平面示意图如图7所示。

图7 点融合系统与S型程序的结合

S弧上的飞机可以在下降后进入外排序弧，也可以在内外排序弧均不存在飞机或高度冲突的情况下，在S弧上合适位置转向直飞融合点，减少绕飞距离。程序运行步骤如图8所示。

图8 结合S程序的点融合系统运行步骤示意图

点融合系统与S程序结合的思路是增加飞行路径一消失高度，同时也可以分散点融合系统的进入点，避免关键点的瓶颈问题。S弧程序既是用于下降的补充程序，也是点融合系统排序弧的一种特殊形式。这种结构比较适合的终端区情形：1）某一方向的进场飞机流量密集，占比大；2）从航路结构下降进入到外排序弧时，由于高度差较大，下降率过大，不利于飞行安全。

3 结论与展望

经典点融合系统（排序弧全长重叠、部分重叠、完全分离）是常用的结构形式。为了在不同机场终端区进行更好的应用，在国内外学者的研究基础上，提出了点融合系统结构的改进，一是N层点融合系统结构，它可以适应不同飞机流量密度的机场。当N=1时，适合进场方向单一、流量密度较大的终端区，当N>1时，对于空域有限、进场繁忙的机场，能够有效改善进场处理能力；二是点融合系统与传统程序的结合，为存在系统进入点冲突和下降率过大问题的终端区提出改进思路。

本文主要站在进场管理问题的角度上来分析点融合系统的结构，忽略了离场飞机所需空间和离场飞机对进场点融合结构的交叉影响。现在，研究热点多为到达管理系统（AMAN）与离场管理系统（DMAN）的集成问题[10]，考虑到离场飞机带来的影响，点融合系统结构会存在怎样的发展将会是后续会考虑的问题。