基于冲突风险评估的空域规划设计框架

基于冲突风险评估的空域规划和设计的框架第1部分分：空域域战略规规划的冲冲突风险险评估模模型Fedjja NNetjjasoov机场和空空中交通通安全，交通运运输和交交通工程程学院，贝尔格格莱德大大学，VVojvvodee Sttepee E3305，110000贝贝尔格莱莱德，塞塞尔维亚亚部文章信息息文章历史史：20100年9月月2日20122年3月月修订后后的表格格1120122年3月月14日日关键词：风险评估估航空安全全航空管制制空中交通通管理本文提出出了一种种基于空空域规划划和设计计，开发发目的是是防止飞飞机冲突突和碰撞撞冲突的的风险评评估框架架。拟议议框架的的第一步步，本文文还介绍绍了冲突突的风险险评估模模型，空空域战略略规划。该模型型是为了了便于比比较和感感性分析析不同的的流量级级别下的的空域设设计和组组织情况况。风险险评估有有两个变变量：冲冲突的概概率与观观察到的的给定情情况下的的空域冲冲突数目目。模型型是基于于概念的的关键部部分设计计的，关关键部分分是指在在水平飞飞行时所所经过的的飞机，或在爬爬升或下下降通过过这些部部分。对对于一组组给定飞飞机发生生冲突的的概率取取决于一一架飞机机自己的的轨迹，和另一一架飞机机恰巧也也在关键键部分的的条件概概率。冲冲突的数数目被定定义为冲冲突的概概率和为为给定的的气道的的估计流流量的乘乘积。冲冲突的最最终值数数字确定定需要考考虑到所所有可用用的在给给定空域域的飞行行高度层层和气道道组合。该模型型提供了了一个分分析的分分离减少少冲突风风险的影影响，可可用于在在航路和和终端机机动空域域。该模模型提供供了一个个分析的的分离减减少冲突突风险的的影响，可用于于在航路路和终端端机动空空域。1.介绍绍尽管有全全球经济济危机加加剧等制制约因素素，航空空运输预预计平均均每年增增长约44-5（SEESARR，20006，EC，20111）。欧洲航航空交通通量的增加，到20050年年预计欧欧洲委员员会（EEC）文文件“航线220500”（ECC，20011）几乎增增加了相相当于220111年三倍倍（在220500年的225万个个商业航航班相对对于9440万，预计在在20111年）。与此此同时，安全级级别的提提高既需需要通过过减少高高达800%的特特殊操作作事故率率，也需需要一定定程度上上减少人人为错误误（ECC，20011）。类似的的目标也也被定义义在美国国（JPPDO，20004年）。以前前的文件件中提到到的事实实被反对对，并且就就增加的的流量应应该不会会导致减减少安全全向科研研界提出出了重大大的挑战战。根据据“20220年远远景规划划”（OOOPECC，20001年年），新新的作战战概念的的航空交交通系统统的发展展以及发发是展的安安全防范范措施和和系统安安全性能能指标都都在预期期中。命名法则则在水平平平面内的的两个轨轨迹之间间的一个个交叉角角飞机上升升或下降降角度在水平平平面内的的临界段段长度在垂直平平面内的的临界段段长度气道i在在给定空空域的长长度可用FLL包含在在给定的的空域的的设定最小垂直直间隔气道在给定的的FL组组包含在在给定空空域的交交叉点OO在给定FFL的情情况下, 对于于某些交交点每小小时跨越越冲突的的平均数数目，可用于所所有每个个给定空空域的飞飞行高度度层冲突突的总数数在给定FFL的情情况下，每小时时指定交交点的冲冲突的平平均最大大数目冲突轨迹迹的I和和Q之间间的交点点O的平平均数量量每个给定定空域的的所有交交叉点的的交叉冲冲突的总总数每个给定定区域超超越冲突突的总数数在交点OO冲突的的总数每气道的的超越冲冲突和给给定单独独气道情情况下的的FL的的总数在水平面面上的冲冲突概率率军用飞机机1（事事件A）在水平平面内的的关键部部分的概概率飞机1在在关键部部分，且且飞机2已经在在水平平平面内（事件BB）的可可能性在垂直平平面上的的冲突概概率军用飞机机1关键键部分（事件AA）在垂垂直平面面内的概概率飞机2是是在关键键的部分分，且飞机1已经在在垂直平平面内（事件BB）的可可能性总的冲突突概率飞机进入入领空的的一段时时间内，保证与与其它飞飞机发生生冲突的的概率在交点OO的冲突突概率轨迹I和和Q之间间的冲突突概率每一个FFL气道道i的平均均最大流流量飞行高度度在给定的的FL的的情况下下，属于于参考平平面且在在给定空空域的点Ri的的组 最低水平平分离在给定的的气道ii的飞机机的平均到到达时间间之间飞机在气气道i上进入入领空的的时间飞机在气气道i上进入入关键部部分的时时间飞机在气气道i上上离开领领空的时时间输入的时时间不重重叠时，飞机22进入领空空的情况况关键部分分不重叠叠时，飞飞机2空空域进入入时移情情况的时时间段XX1关键部分分不重叠叠时，飞飞机2空空域进入入时移情情况的时时间段DDt在水平平平面内的的临界时时间军用飞机机1在气道i关关键部分分在水平平平面内内的临界界时间军用飞机机2在气道道i关键键部分在在水平平平面内的的临界时时间在垂直平平面内的的临界时时间军用飞机机1在气道i关关键部分分在垂直直平面内内的临界界时间军用飞机机2在气道道i关键键部分在在垂直平平面内的的临界时时间飞机在水水平平面面内的速速度飞机在垂垂直平面面内的速速度关键的时时间段之之间的时时间差距距生产的关关键部分分重叠且且转移空空域输入入的时间间，理论上和和运营上上来说，航空运运输系统统是一个个相当复复杂的系系统的主主要组成成部分 - 航航空公司司，机场场和空中中交通管管制服务务 - 所有和和不同层层次的相相互作用用，构成成了一个个非常复复杂的、高度分分散的网网络的人人的运营营商、程序和和技术/技术系系统。尤尤其关键键的是，在这样样一个复复杂的系系统相关关的安全全事故和和风险之之间的相相互作用用的各种种影响组组件和的的元素（Nettjassov和和亚尼奇奇，20008aa，b）。这意味味着，提提供令人人满意的的水平的的安全性性（即在空空域中低低风险的的事故），以上这些些只是保保证每个个组件和和元素安安全功能能，还远远远不够够（Bllom等等人，119988年）。由于这这种固有有的复杂杂性和事事故的严严重后果果，风险险和安全全性一直直被认为为是作为为当代航航空运输输系统的的最重要要的问题题（亚尼尼奇，220000年）。因此，这些特特性一直直是从不不同的角角度和观观点不断断研究的的问题，范围从从单纯的的技术/工艺到到严格的的机构。在一般情情况下，前者已已处理的的飞机安安全与其其他系统统的设施施和设备备的设计计的关系系。后者已经隐隐含了系系统的设设计和的的操作来来建立适适当的法法规（NNetjjasoov和亚亚尼奇，20008A，B）。该系统统基础设设施 - 机场场和空中中交通控控制/管管理（AATC / AATM）系统，虽然在在许多情情况下作作为“瓶颈”，仍可以以安全，高效，有效地地支持这这样的增增长。此此研究主主要集中中在ATCC / ATMM系统，即在空空域规划划。最终，由由于飞机机会通过过的最大大数目为为任何给给定的几几何在给给定的时时间内空空域（马马宗达等等人，220055），不不受约束束的空域域容量取取决于交交通流的的某些或或全部的的航空公公司，如如应用于于飞机的的最小间间隔。增加空空域容量量的可能能性之一一是减少少分离最最低值（莫斯克克拉贝尼尼特斯等等人，220099）。这这种方法法已通过过事实被被驱动，即合适适的通信信，导航航和监测测（COOM / NAAV / SUUR）技技术（BBlomm等人，19998）。最低间间隔减少少，一方方面能增增加流量量的吞吐吐量，但但另一方方面会影影响飞机机的安全全，且很很有可能能是减少。这就是是建立一一个模型型的原因因，这将将有助于于这种变变化中的的安全性性进行评评估，并并找到了了增加能能力及不不想安全全减少之之间的平平衡。在本文中中所描述述的研究究的目的的是制定定一个框框架，空空域规划划和设计计的基础础上冲突突风险评评估的目目的是防防止飞机机冲突和和碰撞。另一个个目的是是发展的的风险评评估模型型，考虑虑空域设设计和组组织的战战略规划划，即空空域和航航线网络络发展，空域规规划的目目的是实实施拟议议的框架架的第一一步。在在战略层层面的交交通需求求的一个个指标是是用来预预测或估估计的交交通流数数据。从从供给方方面看，关于空空域的航航路和相相应的网网络数据据会被应应用。作为代表表潜在冲冲突局势势和冲突突的可能能性的平平均数量量，飞行曝曝光的冲冲突局势势是规划风风险和安安全水平平的一个个指标。本文的结结构如下下。第2部分分是碰撞撞风险建建模方法法的概述述。第33部分是是空域规规划和设设计的基基础上冲冲突的风风险评估估的建议议框架的的描述。接下来来，第44部分解释释冲突的的风险评评估模型型的空域域战略规规划的发发展。第第5部分给给出了应应用开发发的模型型的情况况下，一一个假设设的和实实际的连连接路由由的例子子。第66节得出出结论，提出了了进一步步的研究究方向。2风险建建模方法法2.1风风险建模模方法概概述民用航空空的日常常运作中中主要关关注的问问题之一一是防止止航空器器之间的的冲突乃乃至碰撞撞，无论论是在空空中或地地面上。虽然飞飞机的碰碰撞实际际上已经经非常罕罕见的事事件且造成的的总死亡亡人数的的一个非非常小的的比例，但他们一一直比较较强造成成的影响响主要是是由于每每单一事事件死亡亡人数比比较多并并且偶尔尔所涉及及的飞机机会彻底销销毁（NNetjjasoov和亚亚尼奇，20008A，B）。在20世世纪600年代开开发风险险的方法法/模型型的主要要驱动力力是通过过降低飞飞机的最最小间隔隔，增加加空域容容量在大大西洋上上空的需需要。在在一般情情况下，分离该该机采用用空间和和时间上上的分离离标准（最低标标准）来来防止冲冲突和碰碰撞。然然而，由由于这种种分离的的减少，为了增增加空域域容量从从而应对对日益增增长的航航空运输输需求，在这种种情况下下的冲突突和碰撞撞的风险险评估已已经采用用几个重重要的方方法/模模型。方方法/模模型显示示，如果果减少的的分离和和飞行轨轨道之间间的间距距足够的的安全，即确定定适当的的间距，则可以以在轨道道之间保保证一个个给定的的安全水水平。使使用下面面的方法法/型号号分别为为（Neetjaasovv和亚尼尼奇，220088A，BB）：Reicch的标标志是在在20世世纪600年代初初，英国国皇家飞飞机建立立（Reeichh，19966年年）。它它是一种种基于假假设有随随机偏差差的飞机机的位置置和速度度的预期期。该模模型是估估计的碰碰撞风险险北大西西洋上空空的航班班，因此此才指定适适当的分分离规则则飞行轨轨迹（SShorrtlee等，20004）。该模模型计算算飞机接接近的概概率与碰撞的的条件概概率的给给定的接接近（MMachhol，19995; FAAA / EURROCOONTRROL，19998年）。MachholRReicch模型型开发后后，国际际民航组组织已建建立的NNAT SPGG（北大大西洋系系统规划划组）于于19666年Reiich的的标志模模型作为为一个可可行的工工具，以以及开发发的想法法来提高高空域的的能力。因此，国际民民航组织织NATT SPPG通过过分离两两架飞机机（Maachool，119755年，119955年）的的损失的的碰撞风风险阈值值来计划划。路口型号号属于最最简单的的碰撞风风险模型型。它们们是基于于假设，这架飞飞机按照照预先确确定的交交叉轨迹迹恒定速速度。每每条轨迹迹上，飞飞机的速速度与气气道的几几何形状状（Siiddiiqeee，19973年年，19977年年，施密密特许，19881年格格伊辛格格，19985年年巴尼特特，20000年年）的交交叉点来来计算流流量的强强度碰撞撞的概率率。路口模型型几何冲冲突模式式是相似似的。在在这些模模型中（20世世纪900年代开开发的）的任何何两个飞飞机的速速度是恒恒定的，但它们们的初始始的三维维位置是是随机的的。冲突突发生时时，两架架飞机的的距离比比规定的的分离规规则更接接近（PPaieellii厄兹伯伯格，119977年，119999年的欧欧文，220022年阿拉拉姆等人人，20009年年Chaalouuloss 等，20110）。广义的RReicch模型型是由通通过从Reiich模模型的基基础上没没有充分分涵盖一一定的空空中交通通情况来来假设发展展的。这这种广义义的碰撞撞模型在在20世世纪900年代开开发的，并一直直在使用用的TOOPAZZ（交通通优化和和扰动分分析仪）的方法法（Bllom等等人，119988年，220033年Shhorttle等等，20004年年，巴克克和Bllom，19993年;布洛姆姆和BAAKKEER，220022年，贝贝克等人人，20000）。碰撞危险险方法/模式已已逐渐被被开发，从Marrks, Reeichh和Maachool的最最新版本本的在TTOPAAZ方法法使用。这项模模式的主主要目的的始终保保持在系系统的规规划和发发展过程程中，通通过风险险评估和和安全性性的的拟拟议变化化（无论论是在现现有的或或新的系系统）来来支持决决策过程程。2.2国国际民航航组织接接受的风风险建模模方法国际民用用航空组组织（IICAOO）已开开发出碰碰撞危险险模型（CRMM）作为为一种数数学工具具，用于于预测的的空中相相撞的危危险。CCRM ICAAO在开开发过程程中采用用了Reeichh（19966年年）和HHsu（19881）公公式（IICAOO，19998年年，20002年年，20009年年），进进一步明明确了统统一的框框架碰撞撞风险模模型的推推导，被被称为水水稻公式式（Meehaddhebbi和LLazaaud，20004年，国际民民航组织织，20009年年）。从从水稻公公式，它它可以得得到Reeichh和Hsuu式（MMehaadheebi和和Lazzaudd，20004年年）。国际民航航组织已已采纳的的的CRRM模型型作为空空域规划划方法测测定的间间隔标准准（ICCAO，19998年）的一个重重要组成成部分。该方法法的主要要目的是是基于碰撞撞风险模模型的基基础上确确定最小小间隔。基于CCRM的的计算碰碰撞概率率比较与与参考系系统（如如果存在在的话），或用用于对阈阈值来对对安全性性（TLLS）的的目标水水平的系系统风险险进行评评估。根据国际际民航组组织的通通告3119（220099），碰碰撞风险险模型的的目的是是在模型型的连锁锁事件标标准的背背景下，确定最最低间隔隔，导致致一对最最初分离离的飞机机碰撞。国际民民航组织织CRMM的横向向或垂直直重叠的的概率在在给定的的概率密密度函数数的位置置误差和和给定的的时刻计计算的碰碰撞概率率，（位位置误差差取决于于对路径径定义误误差，飞飞行技术术误差，导航系系统误差差和监视视错误）（Meehaddhebbi和LLazaaud，20004年，藤田，20009年）。然而而，Meehaddhebbi（220077）指出出，CRRM的国国际民航航组织DDoc 96689（19998年）在建立所所有的情情况下是是不够的的，特别别是操作作失误。3空域规规划和设设计的基基础上冲冲突的风风险评估估框架本文提出出的研究究的基本本思想是是ATCC / ATMM不同的的规划水水平需要要不同的的模型进进行风险险评估。他们的的主要目目的是通通过评估估风险和和安全支支持决策策过程系系统的规规划和发发展过程程中的的的拟议变变化（无无论是在在现有的的或新的的系统）。一般而言言，在空空域设计计空域规规划和设设计过程程中需要要遵循标标准，如如容量的的增加和和/或减减少空中中交通管管制员的的工作量量。这里里有一个个额外的的步骤介介绍 - 风险险和安全全评估，用来进行行安全分分析师通通常遵循循风险降降低标准准（图11），并并提供有有用的反反馈信息息（包括括正面的的和负面面的）空空域设计计师对安安全问题题的解决决方案（Bloom等人人，19998）。本文的研研究提出出了风险险评估模模型框架架，其中中包括三三个规划划层次（战略，战术和和运作）。所提提出的框框架的设设计是互互补国际际民航组组织的标标准物质质（即可可用于在在业务层层面的建建议的框框架），而不是是取代它它。拟议议的办法法和国际际民航组组织CRRM之间间的主要要区别有有以下几几点：空域设计计师 安全全分析师师所提出出的框架架考虑发发生冲突突的风险险，而IICAOO方法考考虑风险险的碰撞撞。所提出出的方法法考虑空空域设计计，对于于给定的的间隔最最低标准准的基础础上冲突突的风险险，而CCRM决决定进一一步允许许的最小小间隔的的空域容容量增加加碰撞风风险。本文提提出的方方法认为为禁止飞飞机周围围的体积，而CRRM考虑虑飞机的的物理尺尺寸。本文建建议的方方法采用用基于距距离的间间隔最低低标准，而CRRM的使使用距离离和时间间。该框架的的目的是是为示意意图的安安全分析析师1使使用。对对于三个个规划水水平中的的每一个个，必须须要（不不是详尽尽无遗的的）输入入被列出出可能模模型的类类型（表表1，图图2）。在下面面的文字字中，框框架将分别描描述各规规划水平平。3.1风风险评估估模型应应用的战战略规划划ATC / AATM规规划的目目的是在在战略层层面（提提前一年年或一年年以上），用预测（估计值值）的流流量数据据来作为为交通需需求的指指标。另另一方面面，在供供给侧空空域的几几何形状状所表示示（部门或或终端机机动区 - TTMAss）的可可用飞行行高度层层（FLL），其其特点是是可用的的航空公公司的数数量和空空间分布布。空域域容量近近似于流量上上的一些些或所有有的气道道，这依依赖于所所施加的的分离规规则。人人类的影影响 - 运营营商（飞飞行员，空中交交通管制制等）不不纳入考虑虑。在战略规规划层面面，它是是可以考考虑在给给定空域域冲突的的情况下下的总风风险。一一个模型型可以用用于替代代空域的的设计方方案（例例如，ssecttoriisattionn）的评评价和比比较，以以及从风风险和安安全的角角度考虑虑来比较较替代气气道网络络。用于于计算风风险值进进行比较较的参考考系统。该模型型的输出出是一个个评价空空域场景景（A11，A22，.，AAn）的的选择要要使用的的水平（图2）上的战战术规划划的列表表。3.2在在战术规规划的层层面上应应用的风风险评估估模型ATC / AATM规规划的目目的，是是在战术术层面（例如，从一个个星期到到一个赛赛季提前前）将关关于季节节性流量量的数据据，即指指定的飞飞机类型型、航班班时刻表表，用来来作为交交通需求求的指标标。为供供应方的的代表是是空域几几何（气气道数量量和长度度以及呼呼吸道标标题）。在这个个水平，不考虑虑人类和和运营商商（飞行行员，空空中交通通管制等等）的影影响。表1输入风险险评估与与规划水水平规划水平平输入飞行行路径特点模型的性性质战略- 给定定气道/轨迹网网络- 假假设飞机机机队- 气气道的流流量估计计每- 平均均地面交交通流的的速度为为每- 给定定分离标标准（水水平和垂垂直）- 意向向书基于于点（飞飞行计划划）- 线性性传播分析模型型战术-给定气气道/轨轨迹网络络-已知的的机队-已知的的气道上上时间和和空间分分布的飞飞机-平均每每型飞机机地面的的速度-分离标标准（水水平和垂垂直）-意向书书的基础础（飞行行计划）-线性传传播简单的仿仿真模型型运作-气道/轨道网网络（固固定/自自由飞行行）-已知的的机队-已知的的气道上上的时间间和空间间分布的的飞机- 平均均每型飞飞机地面面的速度度- 分离离标准（水平和和垂直）- 地面面和机载载系统故故障率- 操作作程序（空管与与飞行员员）- 人因因素问题题包括（形势的的认识，工作量量，疲劳劳等。）- 天气气条件- 冲突突检测与与消解算算法-基于状状态的-线性传传播复杂仿真真分析模模型（例例如，网网下黄玉玉方法或或国际民民航组织织的）战略规划划水平战战术规划划水平 运作规规划水平平 目目前的工工作几年前 直到一一个季度度前 直到一一周前 目前Fig 2 规规划水平平的风险险评估模模型框架架在战术层层面，我我们关注注的是在在冲突情情况下（表示时时间的单单一或所所有冲突突的情况况下）和和严重冲冲突的情情况下（表示间间距在最最接近点点之间的的两架飞飞机）的的暴露。对于一一个给定定的领空空飞行计计划，一一个模型型可以评评价和比比较不同同的飞行行计划，设想某某个分区区或比较较不同的的分区方方案双方方的风险险和安全全的角度度。计算算风险值值进行比比较的参参考系统统。该模模型的输输出是一一个清单单评估方方案（BB1, B2, . . . ,BBm; wheere m n froom tthe strrateegicc pllannningg leevell），选择用用于运行行计划阶阶段（图图2）。3.3风风险评估估模型的的应用在在业务规规划水平平在业务层层面（一一个或多多个天前前）实际际交通数数据（飞飞机类型型，进入入/退出出时间/从空域域）被用用作交通通需求指指标。此此外，飞飞机行为为在飞行行过程中中、飞机机零件可可靠性技技术等数数据也被被纳入应应用。供供应方面面的代表表是领空空几何，类似以以前的规规划水平平，而且且还通过过特征的的通讯/导航/在系统统设备（技术特特点和可可靠性）。系统统容量近近似于交通流流的部分分或所有有的气道道，这取取决于应应用分离离极小。人类的的影响运行者者（飞行行员，空空中交通通管制员员等）在在这一水水平是考考虑他们们的行为为和状态态（情境境意识，工作量量等）。在业务层层面我们们关注暴暴露（表表示时间间的单一一或所有有冲突的的情况下下）和严严重的冲冲突情况况（表示示最接近近点的两两架飞机机之间）。一个个模型可可以从风风险和安安全的角角度评价价和比较较不同的的替代方方案（不不同的分分离规则则、责任任代表团团飞行员员和管制制员采用用不同的的地面和和/或空空气为基基础的决决策支持持系统和和工具等等）。计计算风险险值被用用作进行行比较的的参考系系统或对对安全阈阈值（例例如，目目标安全全水平协议）。该模模型的输输出是一一个列表表（C11, CC2, . . . ,Ckk; 当当 k mm 时从从战略规规划水平平）选择择用于当当前操作作（图22）。3.4 总结结这显然是是从拟议议的模型型框架来来使业务务规划水水平的风风险评估估模型变变得更加加详细和和复杂（即抽象象程度较较小的原原因提供供具体的的信息），包含含它们的的性质变变化（分分析与仿仿真）。所有模模型都可可以用于于航路和和/或抗抗体空域域。4冲突风风险评估估模型的的空间战战略规划划4.1目目的和假假设本研究的的主要目目的是建建立一个个风险评评价方法法，可用用于估计计替代解解决空域域（重新新）设计计来增加可可用的空空域容量量。主要要出发点点是风险险在于领领空几何何（静态态元素）和空中中交通使使用（动态因因素）。由于其其固有的的通用结结构，这这个模型型可以用用于如下下：规划的的目的在在战略层层面，即即初步评评估风险险和对从从目前过过渡到未未来空域域的安全全性轻微微修改（在这个个过程中中规划和和设计的的特定领领空）。评价技技术/技技术可行行性替代代空域设设计，支支持特定定的技术术。以下假设设是在发展展中国家家介绍的安安全评价价方法：没有交交通就没没有风险险风险值值不是常常数。风险值值与交通需需求和消消极的空空域容量量呈正相相关。对发展中中国家的的安全评评估的主要输输入方法法是：领空几几何特征征（数量量和长度度的航空空公司、数量的的交叉点点、可飞飞行的水水平等）。交通特特征（分分布的交交通流量量、比例例的水平平飞行与与爬升/下降飞飞行、飞飞机的具具体类别别股份总总交通量量）。人工操操作问题题（飞行行员和空空中交通通管制员员）不纳纳入考虑虑。4.2发发展模式式本研究制制定的模模式本质质上是宏宏观的。它着着眼于一一个给定定的部分分（或终终端空域域航路机机动区抗体）并关注注一个气气道的几几何。此此外，它它使用数数据来预测具具体气道道上的交交通流。让我们考考虑给定定领空（部门）的Dii的气道道i (i = 1,. . . ,n)。它包含含的飞行行水平(FL) (rr = 1,. . . , s)以10000英尺尺垂直分分隔。航航空公司司可以是是单向或或双向的的。应用用水平分分离（纵纵向和横横向）是是smiin和垂垂直hmmin。此外，我们认认为，飞飞机编队队飞行空空域的飞飞机是通通过这类类（尾流流类）和和他们的的飞行路路线i在水平平飞行（巡航阶阶段）或或他们降降低。该模型是是基于确确定的冲冲突局势势和潜在在冲突发发生概率率的计算算上的。冲冲突识别别的关键键部分可可以通过过它的长长度和飞飞行时间间（关键键时刻）的定义义来实现现。我们要要认识到到关键时时间和飞飞行时间间通过给给定的领领空可以以计算冲冲突概率率。平均均每小时时的冲突突数目可可以通过过获得概概率每小小时流量量通过交交叉或不不交叉的的航空公公司的乘乘积来获获得。4.2.1 临界段段长度一个冲突突局势的的情况是是两架飞飞机靠近近超过指指定的最最小距离离在水平平和垂直直平面。为了确定定是否或或不冲突突的情况况下存在在一个圆圆筒形的的禁止止卷 （保护护区 （多多尔克等等人20001；阿拉姆姆等人220099）是是指周围围的飞机机，其中中的尺寸寸确定的的最低水水平smmin和和垂直分分离hmmin（图3）。如果果两架飞飞机进入入其他禁禁止体积积，一个潜潜在的冲冲突将会会存在于他们之间间。冲突突可以是是跨越或或超越式式，这取决于于飞机轨轨迹的关关系。4.2.1.11关键部部分在水水平面长长度。让让我们考考虑一下下情况，两架飞飞机飞行行在同一一水平上上，并且且他们的的轨迹相相交的平平面与交交叉角（图44）。让让飞行器器速度是是v1hh和v22h（vv1h = vv2h）。出现现的问题题，如果果飞机11在交叉叉点，飞飞机2应应在同一一时间（ssidddiqeee，119744）：一一个潜在在的冲突突并不是是发生在在这一刻刻，不会会发展一一些进一一步的时时刻；如如果不是是发生在在以前的的一些时时刻？为为了回答答这些问问题的细细节，我我们假定定它的长长度是确确定的。其长度度取决于于飞机上上的潜在在冲突发发生（水水平或垂垂直）和和飞行相相结合（水平飞飞行，爬爬升，下下降）。飞机的禁禁止体积积在图4中中的一个个关键部部分在水水平平面面（水平平飞行和和水平飞飞行）显显示。临临界段长长度为这这种情况况可以计计算出使使用下列列表达式式：前面的表表达式是是有效的的交叉角角度选择择（arrbittrarrelyy）是。在选择择代表iin-ttraiil情况况，即超超越冲突突，而在在代表正面面冲突。为inn-trraill和正面面的情况况下表达达的关键键部分长长度应使使用：4.2.1.22关键部部分长度度的垂直直平面。让我们们考虑以以下情况况在垂直直平面。飞机11下降角1和飞机机2爬升升角2。飞飞机2位位置满足足前面提提到的问问题，外面的的关键部部分的轨轨迹飞机机1。关关键的部部分是以以线。本本线的长长度等于线的的长度（图5）。关键键部分的的长度是是由下面面的表达达式：4.2.2关键键时刻4.2.2.11关键时时刻在水水平面时时。在一一般情况况下，如如果我们们假设平平均地面面飞机的的速度是是，然后飞飞机将穿穿越临界界段长度度平均临临界时间间短一些些的情况况时，飞飞机正飞飞行在同同一水平平（水平平面）的的关键时时刻，可可估计如如下（图图4）：如果我们们假设流流量均匀匀分布沿沿气道ii，和给定定FL时时飞机飞飞行的平平均地面面速度，然后平平均交通通流量的的估计是是以下方方程：图4关键键部分是是在水平平面图5关键键部分在在垂直平平面在是平均均到达间间隔时间间连续飞飞机上气气道。这这个在表表达（33）以下下的表达达关键时时刻对气气道i获得：4.2.2.22关键时时刻，在在垂直平平面。一一般来说说，一个个垂直速速度受飞飞机飞行行对气道道可以表表示为一一个函数数的水平平速度和和角度代代表一个个轨迹在在垂直平平面（图图5）：关键时刻刻的表达达式，垂垂直平面面上气道道i是以下下（图55）：4.2.3 冲突概概率4.2.3.11 冲冲突在水水平面。让我们们假设飞飞机1飞飞行距离离D1与气道道i中的速速度V1h 。它进进入领空空是时间间，在时时间进入入临界区区且在时时间离开开，时间间公式是是（图66）在时刻，飞机22进入领领空，在在气道jj上，距距离为DD2，且且速度满满足，在在时刻进进入临界界区，且且在时刻刻离开，公式是是（图66），一一般情况况下，进进入时间间相对于飞飞机1，飞机22可以在在飞机11之前进入入临界区区，但但它也可可以之前前离开（情况，图6）。也可可能是飞飞机2进入和和离开临临界区都都在飞机机1之前（飞飞机的情情况，图图6）。最后，飞机22可以在在飞机11 也在在的情况况下进入入和离开开临界区区（情况况，图66）。图6当飞飞行器速速度1小于或或等于22的速度度时，对气气道i和气道jj中水平平面关键键时间之之间的关关系在两架飞飞机（从从气道ii到j）都在临临界区相相应气道道时，冲冲突也有有可能发发生。水平面冲冲突概率率可以被被定义为为概率的的产物，飞机11在关键键部分（事件AA）的概概率，飞飞机2也也在关键键部分的的概率，且飞机11已经在在其内（事事件B）：以下的表表达（图图6）给给出了飞飞机1架架（事件件个别飞飞机占领领临界长长度）在在关键部部分内的的概率：下面的表表达式给给出了飞飞机1已已经在关关键部分分且飞机机2（飞飞机事件件二飞机对对同时占占据临界界长度）也在关键键部分的的概率：实际上，表达（8）表表明，三三个相互互排斥的的情况下下导致冲冲突的存存在（图图6研发情情况）。这些情情况应被被视为确确定条件件概率。现在，我我们可以以推出以以下设置置的表达达式（112）（155）：在D 11和D 2之间间距离的的飞行空空域的切切入点和和切入点点的关键键部分（图6）；下面的表表达式取取代以往往的表达达方式（7）和和（8）：替换表达达式（116）和和（177）到（9）的的表达，获得冲冲突概率率的表达达式：以前的表表达定义义为。在在内部或正正面冲突突情况下下，假定定，相应的的表达（18）成为：最后得出出的冲突突概率函函数的影影响因素素有切入入点进入入领空，飞机的的飞行速速度，距距离之间间的切入入点进入入领空和和切入点点进入临临界，以以及飞机机的平均均到达间间隔时间间。公式（118）和和（199）在图图6情况况下是有有效的。如果发发生两架架飞机没没有冲突突，这并并不肯定定意味着着不可能能发生冲冲突。如如果飞机机2以较小小的概率率且在特定定时间内内进入领领空，冲冲突是可可能的。因此，根据这这一假设设，有必必要改正正表达式式（188）和（19）。这些些更正是是因为有有可能飞飞机进入入到空气气在一定定时间内内，它将将直接进进入与其其他飞机机发生冲突突（图77）。图中介绍绍的情况况是，飞机机没有在在冲突和和特定时时间差，且关键时时刻的价价值x11存在的情情况。图示的的是飞机机2的时时间周期期x1转转移.现现在，新新的进入入时间是是。这一转转变的结果是是关键时时刻相邻邻，但没没有冲突突。如果果飞机进进入领空空比晚，冲突情况况可能会发发生，这这种可能能持续到到到时刻刻。在那一一刻（图图7c）关键的的时间段段将再次次相邻，冲突会会消失。因此，显而易易见的是是，如果果飞机进进入领空空2的时时见在和和之间，冲突将将存在。在图77中，飞飞机将进进入领空空且在一一定时间间内肯定定与其他他飞机发发生冲突突的概率表表达式为为：下面的表表达式将将取代表表达式（4）到（220）：或在内部部或正面面冲突的的情况下下：现在，当当我们知知道进入入领空的的飞机在在时间DDt的概概率（表表达式（21）和（222），我们们可以更更正冲突突概率表表达式，用（118）更更正（221），用（119）更更正（222）。为此，有必要要确定飞飞机进入入时间并并尽量减减小偏移移距离，直到它它在给定定的时间间段：之中。4.2.3.22冲突在在垂直平平面。计计算冲突突概率的的垂直平平面与在水平平面相似似。表达达在垂直直平面的的冲突概概率是通通过采用用同样的的在水平面面的方法法。让我们假假设飞机机1飞行行气道ii并且降降距为DD 1 / ccos1（图图5）。它进入入领空的的时刻是是。在时时刻进入入临界面面且在时时刻离开开。关键键的时间间如下（图图8）：图7关键键的部分分不重叠叠时，关键键时间对对气道ii和j中情况况之间的的关系。在时刻，飞机22进入领领空和爬爬上了气气道J距距离D 2 / coos2 .飞机在在时刻进进入临界界面且在在时刻离离开，表表达式为为相对于飞飞机1，飞机22可以在在飞机11 之前前或之后后进入临临界区，也包括括飞机11仍然在在临界区区段（同同样水平平的情况况）。两两架飞机机（从气气道i到到j）都都在相应应气道临临界区时时，冲突突会发生生。现在给出出概率占占领关键键部分的的公式：垂直平面面的冲突概概率表达达式如下下：同样的推推理在可可以横向向冲突情情况中，需要在在这里改改正表达达式（266）。4.2.3.33 总总的冲突突概率在在固定网网络。总总冲突概概率的定定义为冲冲突概率率的水平平和垂直直平面的的产物：4.2冲冲突的风风险当飞机飞飞行轨迹迹i处在临临界长度度的轨迹迹j的情况况时，一一个可能能发生冲冲突的情情况将会会在气道道j上存存在。如如果交通通流的轨轨迹更高高，这也也会更高高。如果果我们考考虑到交交通流量量的轨迹，这种情情况会恶恶化。在给定的的FL，通过称称为平均均最大流流量的轨轨迹和 ，我们们可以估估算给定定交汇点点平均每每小时的的交通冲冲突最大大量 ：产品的流流量在表表达代表表机队（一驾飞飞机属于于流量ii，其他他属于流流量j）最大数数的表达达式，且且可以进进入一个个交叉冲冲突局势势。在这项研研究中，风险被被认为是是一个组组合的概概率（或或出现频频率）和和规模后果（或或程度）的危险险事件（巴尔，19997）。根据这这一定义义，它是是假定代代表冲突突的危险险的每小时时交叉冲冲突（）的平均数数量的。这也符符合以往往的研究究结果，例如，辛格（19885）。4.2.5模型型扩展4.2.5.11多轨迹迹的交叉叉点。如如果相交交的轨迹迹数在一一个点的的增加，那么冲冲突局势势变得更更加复杂杂。飞机机之间的的冲突可可以发生生在任何何可能的的交叉点点相交气气道。图8 飞机11的速度度小于等等于速度度2时，气道ii和j垂垂直平面面关键时时刻间的的关系 图9O是是三个入入站和两两个出站站轨迹的的交点。流量的的依赖的（交叉叉）。图9给出出了解释释。对应应于一个个单一的的FL，、和代表相相应的入入站轨道道交点OO和之间间的夹角角出境的的轨迹之之间的角角度。代代表空域域进入点点，代表表空域退退出点。可以估计计对于每每一个气气道的冲冲突概率率。在给给定的FFL的情情况下，可以使使用下面面的表达达式估计计总交点点O的冲冲突概率率：其中是轨轨迹i和之间的的冲突概概率。冲突的总总数可近近似作如如下估计计：其中是轨轨迹的II和之间间的交点点O冲突突的平均均数。4.2.5.22依赖和和独立的的气道。一一般，在在一个给给定的空空域众多多依赖气气道出现现，创建建了一个个有限数数量的交交叉点的的集合。因此，交叉冲冲突可以以发生在在每一个个交叉点点。每个个给定空空域的所所有交叉叉点的交交叉冲突突的总数数可以使使用下面面的表达达式估计计：图10独独立的（不相交交）流动动的空域域。其中，IINT是是交叉点点O包含含在给定定的空域域给定FFL的一一组集合合。图9中给出出了图示示。超越冲突突可能会会出现在在每个独独立的气气道。一一个相关关参考平平面被建建立来验验证超车车冲突（亚尼奇奇和托西西奇，119911年）。每个气气道的超超越冲突突总数可可用如下下式子表表示：是给定的的FL和独独立的气气道的情情况下超超越气道道i冲突突的总数数; RRP是一一组在给给定的空空域，在在给定的的FL情况况下属于于参考平平面的点的集合合。图10中中给出了了图示且且对应于于一个单单一的FFL。流流量代表表参考平平面的入入站流量量，和代表出出站流量量。和代表空空域的入入口点，而和代表空域域出口点点。4.2.5.33飞行高高度层的的数目。考虑一一个气道道包含几几个航班班的水平平r的情情况，可可以使用用下面的的表达式式估计每每个给定定空域所所有可用用的飞行行高度层层总人数数的冲突突：其中F是是包含在在给定的的空域中中可用的的FLss的集合合。5插图的的模型应应用为了说明明发展的的模型，考虑以以下两个个例子：（a）假假设的航航路部门门进行敏敏感性分分析;并并且（b）一一个真正正的航路路扇区被被用于在在一个给给定的空空域的峰峰值小时时期间来来计算风风险。5.1假假设的途途中部门门扇区（图图11）包含两两个单向向和一个个双向气气道以及及四个飞飞行高度度层（例例如，FFL3220，3330，3400，3550）。通过特特定的部部门的总总流量为为Q =28架架/ hh，其中中气道AAWY11和AWWY2上上Q1 = QQ2 =10架架/ hh， AAWY33上Q3= 8架架/小时时，并且且其中有有一半向向东一半半向西。气道是是相互依依存的，形成两个个交点和和（图111）。气道AAWY11，AWWY2和和AWYY3的长长度分别别是：1180 NM，1955 NMM和2110 NNM。平均飞机机地面速速度对AAWY11和AWWY2是是4500 KTT的，对对AWYY3则是是4000KT。机机构以分分析需求求变化的的影响（交通流流量）和和供应（部门几几何）敏敏感性分分析的基基准的方方式对进进一步情情况进行行界定。飞机上上在每个个气道上上的FLL分布在在表2中中给出。5.1.1方案案1 - 需求求变化通过AWWY3上上交通流流的多样样化来看看需求变变化风险险值的敏敏感度。为了说说明，假假定流量量值Q33 =44，8和和12架架/小时时。Smmin的的值各不不相同，分别是是10，5，33海里，而HMMIN不不变（110000英尺）。给定的扇扇区按小小时（风风险）的的冲突数数量依赖赖于AWWY3的的交通流流量，图图示12。我们可以以从图中中观察到到的增加加的流量，以及SSminn的产生生导致的的每小时时增加的潜潜在冲突突数。这这其实是是根据以以前的一一些文件件（达塔塔和奥利利弗，119911年舍拉拉利等人人，20000; Wiilleemaiin，220033年）的的结论。图11 扇形形几何图12 给定定AWYY3的交通流流量的部部门依赖赖的每小小时冲突突数目（风险）。5.1.2 方案22供给变变化AWY33长度是是用来表表示在供供应方面面的变化化。改变变AWYY3的长长度，则假定空空域的形形状也改改变了（图133）。长长度D33= 2210和和D3 = 2240 （向西扩展展AWYY3）可用用于说明明。分离离极小值值与1相相同。依赖于气气道长度度D3的每小时时的冲突突数目，见图114。可可以看出出，增加加了气道道的长度度与减少ssminn一样，都会在在需求不不变的情情况下使使每小时时冲突减减少。这这一事实实也与以以前工作作的结论相符符（塔和和奥利弗弗，19991；sheeralli等人人20000）。图13空空域形状状变化影影响AWWY3长度增增加实验结果果表明：不改变变基础设设施（部部门和气气道长度度）情况况下，增增加交通通需求会会导致更高风险险的冲突突。不改变变交通需需求情况况下，增增加部门门和气道道长度可可以减少少冲突风风险。根据这些些结果可可以得出出结论，平衡的的基础设设施的变变化与交交通需求求的变化化可能导导致减少少冲突风风险，且且同时增增加空域域容量。5.2真真正的航航路部门门东北界塞塞尔维亚亚共和国国领空选选择可以以用于说说明在给定的的领空给给定的时时间段时时风险的的确定。气道结结构、入境/出境点点以及交交通负荷荷见图155。选择择22架架飞机每每小时的的交通负负荷来代代表20005年年高峰日日的最高高每小时时负荷。图14特特定区域域的依赖赖长度DD3的每小时时冲突数数目（风风险）图15东东北区域域（塞尔尔维亚共共和国领领空）表3气道和FFL的交交通分布布选定其中中一天来来分析流流量，在在不改变变飞行FFL情况况下可以以确定飞飞机的平平均速度度是4330KTT。表33中给出出的流量量分布的的上气道和FLLs，以以及气道道的长度度。此外外，气道道上的潜潜在冲突突和熟悉悉度的分分布结果果列于表表4。结果列于于表5中中。此表表包含每每个气道道过境点点和冲突突风险的的机率为为Smiin的各各种值（10，5和和3 NNM）。假设风险险是累积积性的，计算每每个部门门的总风风险（MMehaadheebi和和Lazzaudd，20004年年坎贝尔尔，20005年年）。显然表55中的某某些气道道交叉点点有没有有发生冲冲突的风风险，因因为没有有交通。然而，流量波波动让我我们得出出结论，风险值值不是恒恒定的：他们随时间波波动。在在表5中中的概率率数字也也可以用用来确定定气道交交叉最高高冲突概概率，也也就是说说，发生生冲突的的风险最最高。因因此，给给定的气气道网络络的个人人（每个个气道交交叉点的的风险）时，随随着时间间的推移移产生通通讯流量量的变化化，总风风险值的的变化以以及风险险分配的的变化。计算风风险值（包括个个人和总总风险值值）应被被理解为为相对路路径，即即适用于于众多的的时间表表的情况况比较，没有与与TLSS国际法法规比较较（布鲁鲁克，BB，20004年年，20005年年）。表4气道口岸岸和FLLs的潜在的的冲突分分布。表5冲突的可可能性和和风险的的最小间间隔。所分析的的扇区被被选为方方案，在在该方案案中给定定扇区被被分成两两个较小小的扇区区来表示示一个参参考情景景。可以以分为（图166）：方案AA：东部部和西部部部门。方案BB：北部部和西部部部门。方案CC：西北北和东南南部门。图16东东北区 - 可可分为两两个部门门。输入内容容与参考考情景中中的相同同。图117是计计算出的的每种情情况下的的风险。根据个个人（每每扇区）和总风风险值（空域），方案案A可以以选择最最合适的的部门分分为两块块。方案案B和CC有较高高的风险险值，这这使得他他们不作作进一步步审议（图188）。从图177和188可能会会错误地地得出结结论：减减少最小小间隔可可以使风风险降低低。事实实是，因因为较低低的冲突突概率与与较小的的最小间间隔，在在这种情情况下，长度较较短的关关键部分分引起的的风险值值会较低。从理论论上讲，在最小小间隔变变得无限限小时，冲突突概率将将成为碰碰撞概率率；冲突的的风险将将成为发发生碰撞撞的风险险。在这这里，使使用的最最小间隔隔仅作说说明用途途。此外，方方案A分分析流量量的增加加如何影影响总的的风险值值。为了了这个目目的，11-8，6-44和9-4的航航线上每每小时的的流量从从1增加加到2。进行了了下列实实验：5的的流量的的增加（增加的的交通流流路线上上1-88）;10的流量量增加（增加交交通流路路线1-8和66-4）;15流量的的增加（增加11-8，6-44和9-4航线线上的交交通流）。结果见图图19.很显然然，流量量的增加加导致总总风险值值增加。此事实实证明，风险不不具有恒恒定的值值的假设设。图17对对于不同同的场景景和分离离的风险险值最小小应用。图18不不同的场场景和最最低间隔隔标准应应用的总总风险值值的比较较。图19方方案A和和增加流流量的总总风险值值的比较较。6 结结论本文提出出了一种种基于空域域规划和和设计的的基础上上为了防防止防止止飞机冲冲突和碰碰撞冲突突的风险险评估框框架。所所提出的的框架的的设计与与国际民民航组织织的碰撞撞风险模模型是互互补的，且本质上上是分层层次的，包含三三个规划划层次：战略，战术和和运作。作为拟议议框架的第一步步，本文文还介绍绍了冲突突的风险险评估模模型和空空域战略略规划。在战略略规划层层面的风风险评估估模型主主要是用用于比较较的。在在空域设设计和组组织的过过程中，空域的的设计师师都试图图找到更更高的容容量与更更低冲突突风险的概概率。该该模型是是基于三三个主要要假设：（a）没有流流量就没有任任何风险险;（bb）风险险值是恒恒定的;（c）风险值值呈正相相关的交交通需求求和负空空域。发展模型型允许对对沿着气气道的交交点处冲冲突和冲突概概率进行行数值的的估计。此外，该模型型还允许许确定最最合适的的组合的的需求和和供给平平衡风险险和容量量需求（更小风险险，更大大容量）。该模