基于AIXM的机场容量评估支持数据模型研究

姚光明

(中国民用航空华东地区空中交通管理局飞行服务中心 上海 200335)

1 机场容量评估概述

国际民航组织对机场容量给出了定义，即不同气象条件下可接受的单位时间内活动目标数目，主要包括：目视气象条件（Visual Meteorological Conditions，VMC）或仪表气象条件（Instrument Meteorological Conditions，IMC）下，最大小时容量；目视或仪表条件下最大日容量；机场日平均容量。该定义中隐含了风、机型组合、系统能力、工作负荷等因素。机场容量牵涉到交通量预测、运行程序、系统设施等众多因素，需要从多角度考虑，容量提升是一个辅助的系统工程。

机场容量需要从宏观战略层面、战略层面和预战术层面综合考量，其所面向的目标不同[1]。面向宏观战略是结构容量，它是从机场中长期规划的角度定义的容量极限，以机场发展规模和当地经济增长预测为基础，研究确定机场重要变革，主要聚焦于机场需求运输量的增长，从长期发展的角度确定机场容量需求，目的是满足经济增长情况下机场未来中长期容量规划[2]。面向战略是规划容量，它是针对机场航季（冬春、夏秋）航班时刻协调，需要考虑日交通需求和容量平衡问题。在国际时隙指导之下，评估机场容量和时刻需求，达到容流平衡。面向预战术是运行容量，它主要考虑日运行情况下的机场容量评估问题，通过掌握最近的限制信息，为机场安全高效运行提供战术级容流匹配指导。

为了全面准确掌握机场容量态势，需要从不同时间尺度考察容量的波动和变化情况，设计诸如小时容量、日容量、年容量等面向时间尺度的容量评估指标。小时容量是以小时或分钟为单位统计评估机场容量，目的是及时掌握航班量峰值以及持续容量保障情况，主要考虑的方面有机型混合、跑道相关性、进场和离场混合运行，以及航空器进离场间隔参数等。日容量是小时容量的加权平均，主要反映由于天气条件等因素的变化造成对容量日波动的影响。年容量主要针对机场容量规划而确定的容量评估指标，它反映了容量随航季和盛行风对机场容量变化造成的影响。

机场容量评估也需要考虑机场功能区划分，机场功能区划分为空侧、陆侧，陆侧包含航站楼和周边区域。空侧容量主要包含跑道容量、空侧周边空域容量、滑行道容量、停机位容量等。陆侧航站楼容量主要包含从进入航站楼到登机的全过程服务水平涉及的容量评估与提升，包括值机、安检、行李、边检、登机等。陆侧地面交通容量则主要从航站楼周边交通及停车位等方面考察容量评估。

机场容量评估通常从两个方面开展：一是基于仿真估计的容量，通过专用的仿真模型，在快速仿真工具或实时仿真工具的支持之下，设计交通场景，计算获得各仿真节点的容量值[3]。二是基于数据统计报告的容量，即依据历史运行数据值通过统计分析，获得各仿真节点的容量值。国际民航组织在《全球空中航行计划》（Doc 9750）和《全球空中导航系统性能手册》（Doc 9883）均制定了与机场容量评估密切相关的效能评估指标[4]，包括容量、效率和可预测性等，并且提出了航空信息数据交换模型（Aeronautical Information Exchange Model，AIXM）[5-6]，该文针对机场容量评估的需求，以AIXM为基础，研究建立了针对机场容量评估支持数据模型，为构建完整、可靠的机场容量评估提供数据环境指导。

2 机场容量度量特征

机场容量涉及空侧和陆侧相关因素，主要包括：终端区进近空域、跑道、滑行道、机坪、停机位、航站楼、行李处理和航站楼地面交通。具体如图1所示。

图1 机场容量评估考虑的因素

机场容量评估是一个分析计算过程，一般采用统计分析、容量包线和仿真3种策略，需要综合考虑未来新技术、新程序等发展，迭代分析获取，为了确保容量估计值的可信度，需要建立数据驱动的评估支持环境，图2给出了机场容量评估计算模型的一般过程。

图2 机场容量评估计算模型的一般过程

2.1 机场空侧容量

机场空侧容量主要针对的对象有跑道、滑行道和机坪/停机位容量，需要从结构容量、规划容量和运行容量3个方面考虑。

对于结构容量，从跑道、滑行道和机坪/停机位容量3个方面入手，主要考虑的因素包括：各类跑道运行模式场景；不同航季气候条件场景。其中，跑道运行模式场景，需要确定到场和离场航班跑道整体占用时间；给定尾流间隔分类情况下，整体机型组合规律；航季气候条件场景，需要确定不同航季VMC和IMC占比。滑行道容量，需要确定各跑道平行滑行道的可用性、跑道穿越运行、IMC 和VMC 下的滑行道排队，这里平行滑行道的可用性，通过度量支持跑道占用时间的跑道入口和快速脱离口的数量来确定；若出现跑道穿越运行，则需要确定整体穿越跑道运行延误时间，航空器穿越跑道的规则等；另外，针对IMC 和VMC 下的滑行道排队，需要确定在VMC 和IMC 条件下，滑行道可容纳航空器的最大数目，以及整体滑行时间；最后，机坪/停机位容量需确定航班过站时间和停机位可用性，这里航班过站时间指的是所有机坪和航班整体过站时间。

对于规划容量，也从上述3个方面入手，主要考虑的因素包括：各类跑道运行模式场景、各类跑道降级运行场景、季节气候条件场景。其中，跑道运行模式场景，需要确定各类跑道运行模式下到场和离场航班跑道占用时间，给定尾流间隔分类情况下，机型组合规律，航季通用航空和运输航空占比，航季通用航空和运输航空占比，降低噪声的限制，对机场运行航空器类型和运行量的政策性限制、空域限制和航班放行限制等；跑道降级运行场景，则需要确定跑道维护计划、跑道关闭因素、进近灯光和跑道灯光失效因素、监视和导航系统失效因素等；季节气候条件场景，则需要确定VMC，包括Ⅱ类和Ⅲ类条件下的IMC，各类恶劣天气条件，包括降雪、结冰、逆风、跑道摩擦系数等。滑行道容量，需要确定各跑道平行滑行道的可用性、跑道穿越运行、IMC 和VMC 下的滑行道排队、滑行道降级运行场景。这里，平行滑行道的可用性，需确定的参数有各类跑道运行模式下特定的到场和离场跑道占用时间；若存在跑道穿越运行，则需要确定各类跑道运行模式下跑道穿越造成的平均延误；针对IMC和VMC下的滑行道排队，需确定的参数涵盖在VMC 和IMC 条件下，同时考虑低能见度运行程序下，滑行道可容纳航空器的最大数目，进一步考虑牵引车运行程序，以及从停机坪、滑行道、跑道的平均滑行时间等；针对滑行道降级运行场景，需要考虑：滑行道定期维护造成的服务水平降级，主滑行道关闭造成的服务水平降级。机坪/停机位容量，主要因素是过站时间和停机位可用性。这里，过站时间需确定机坪和远机位平均过站时间；停机位可用性，则需确定机型组合和机位可用性，以及过夜机位和拖车可用性。

对于运行容量，与上述相同，主要考虑的因素包括：各类跑道运行模式场景；不同跑道降级运行场景和恢复时间；气象条件场景。其中，跑道运行模式场景，需确定的参数有：各类跑道运行模式下到场和离场航班跑道占用时间、尾流间隔分类和机型组合情况下，最新小时飞行计划；由FPL 数据确定的通用航空和运输航空数量，降低噪声的限制，对机场运行航空器类型和运行量的政策性限制、实际空域限制和航班放行限制，塔台ATC管制人力资源，其他影响空中交通的因素等；针对跑道降级运行场景和恢复时间，需要确定跑道维护计划、跑道关闭因素、进近灯光和跑道灯光失效因素、监视和导航系统失效因素等。在气象条件场景中，需要考虑：VMC 预测，包括Ⅱ类和Ⅲ类条件下的IMC预测，各类恶劣天气条件，包括降雪、结冰、逆风、跑道摩擦系数等。滑行道容量需要确定各跑道平行滑行道的可用性、跑道穿越运行、IMC 和VMC 下的滑行道排队、滑行道降级运行场景。这里，平行滑行道的可用性，确定需考虑低能见度运行的各类跑道运行模式条件下，到场和离场1 h 内跑道占用时间；若存在跑道穿越运行，则需要确定各类跑道运行模式下1 h内跑道穿越所占时间。针对IMC和VMC下的滑行道排队，考虑的参数包含：在VMC 和IMC 条件下，同时考虑低能见度运行程序下，1 h 内滑行道可容纳航空器的最大数目；进一步考虑牵引车运行程序、人力资源限制，以及在VMC和IMC条件下从机坪到跑道的1 h内平均滑行时间。针对滑行道降级运行场景，考虑的因素有：滑行道定期维护造成的服务水平降级，主滑行道关闭造成的服务水平降级。机坪/停机位容量需确定过站时间和停机位可用性，这里过站时间主要从机坪和远机位平均过站时间，以及地面服务人力资源3 个方面着手确定；而停机位可用性，则确定机型组合和机位可用性、过夜机位和拖车可用性。

2.2 陆侧航站楼容量

陆侧航站楼容量主要从出港旅客和到港旅客服务水平两个方面考虑，主要包括国内出港、国际出港和到港这3 种流量。陆侧航站楼容量以运行效率衡量，即可提供的服务水平。IATA定义了服务水平等级，采用指定区域内旅客密度指标，通常需确定如下参数：最短/最长等待时间，特别是指定高峰小时旅客量作为参考值；出行旅客值机时长，一般以计划离岗时间作为基准，设定值机柜台开放时长、到达旅客离开航站楼持续时长、中转过程持续时长等。

陆侧航站楼容量主要组成有：值机容量、登机口容量、国内安检容量、国际边检容量和行李处理容量。其

中，值机容量需确定值机柜台，包括传统值机柜台、自助值机终端和快速值机柜台，这里关键参数是值机柜台的最大容量和高峰期值机柜台的可用性；登机口容量需确定登机口数据和服务能力；国内安检容量需确定安检通道及其设施自动化程度，包括金属探测门、手持式探测装置、X光检测、传送带、证照检查方式、IT设施等，关键参数有小时安检服务人数、旅客平均过安检时间、安检通道数量、高峰小时安检服务能力等；国际边检容量需确定入境边检和出境边检的服务能力，关键参数是95%小于10 min 或15 min 边检通过人数；行李处理容量需确定离港值机行李处理、托运行李安检处理、托运行李打包处理、到港行李分发处理以及中转行李处理容量等，主要涵盖：离港值机行李处理容量主要考虑值机口行李处理服务能力。托运行李安检处理针对标准和超标行李安检设备服务能力。托运行李打包处理主要考虑行李分拣转盘和分拣传送带服务能力，到港行李分发处理主要考虑到港行李转盘服务能力，中转行李处理主要考虑中转行李自动或半自动转运服务能力。

3 机场容量评估数据模型

如前所述，机场空侧和陆侧容量评估根据不同的需求，需要确定大量的参数，即针对基于历史统计数据、理论模型计算、快速仿真、实时仿真等容量评估方法，需要建立基础数据环境，从而客观真实地评估和预测机场容量。该文借鉴国际民航组织推荐的AIXM的理念，设计面向机场容量评估的数据概念模型。数据概念模型从总体上分为3种，第一种是特征类数据，原型为《Features》，描述实际存在的数据实体；第二种是公有属性数据类，原型为《Object》；第三种是抽象类数据，原型为《Object》，为区别于第二种，数据原型增加《Metaclass》。该数据类的设计主要是考虑到概念数据到逻辑数据（XML-Schema）的映射关系，从而能够方便地将数据组织到XML表达。

3.1 机场空侧场面数据模型

该类数据模型主要面向影响机场运行效率，分为3 种类型，分别是：机场空侧容量数据模型、机场可用性数据模型和机场机动区可用性数据模型。该文以机场空侧容量数据模型为例来阐述，主要包含机场空侧场面容量评估的基本数据要素，具体见图3。该数据概念模型参数参见表1。

图3 机场空侧容量数据概念模型

表1 机场空侧容量数据类型

3.2 机场空侧周边空域数据模型

机场周边空域结构特别是飞行程序将直接引线机场空侧容量，该文主要考虑的数据模型包括：机场空域运行程序、机场仪表进近程序、机场标准离场程序和机场标准进场程序。这里以机场空域运行程序为例来阐述数据概念模型。机场空域运行程序数据概念模型具体见图4。该数据概念模型参数参具体见表2。

图4 机场空域运行程序数据模型

表2 机场空域运行程序数据类型

3.3 机场服务数据模型

机场容量的确定与其所提供服务能力和水平密切相关，需要从机场间隔保障服务和机场地面服务两个方面考虑。其中，机场间隔保障服务包括空中交通管制服务和地面交通管制服务、机场地面服务包括旅客服务、航空器地面保障服务、机场补给保障服务和机场许可发布服务等。图5 给出了机场服务数据概念模型。该数据概念模型参数参见表3。

图5 机场服务数据模型

表3 机场服务数据类型

3.4 机场陆侧航站楼数据模型

机场陆侧航站楼服务能力是机场容量评估考虑的一个重要因素，它包括：机场值机、旅客安检、行李安检、行李出港、旅客航站楼等待、国际到港、行李提取、登机口等服务。考虑到机场航站楼服务具有的随机排队的性质，一般建立面向各类服务的排队数学模型，该文建立了机场陆侧航站楼服务模型数据概念描述，具体见图6。该数据概念模型参数参见表4。

图6 机场陆侧航站楼服务描述数据模型

表4 机场服务数据类型

需要针对不同的服务，进一步建立相应的服务描述数据概念模型，这里以旅客安检服务为例阐述，旅客安检服务数据概念模型见图7。该数据概念模型参数参见表5。

图7 旅客安检服务数据模型

表5 旅客安检服务数据类型

4 结语

针对机场容量评估问题，研究了机场容量度量特征，给出了机场容量评估考虑的因素以及相应的评估计算模型的一般过程，分别针对机场空侧和陆侧航站楼容量评估，详细阐述了开展容量评估的核心需求。针对机场容量评估核心需求，借鉴国际民航组织航空信息交换模型的理念，采用UML 研究从4 个方面建立支持机场容量评估的数据概念模型，并说明了相关的数据类型，为科学合理地开展机场容量评估提供支持。