基于事件模型的碰撞风险评估与应用研究

作     者：鲁胜男 

作者单位：中国民航大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王莉莉

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：碰撞风险 Event模型 位置误差模型 ADW窗 动态间隔 

摘      要：随着航空运输业的快速发展,机场终端区所服务的航班数量同样呈现飞速增长,伴随航班基数的增长,机场通行效率的提高变得尤为迫切,但无论是通过跑道结构的优化还是管制运行方式的改变来提高运行容量,都必须将安全作为运行的前提。因此,对碰撞风险评估的研究在未来航空运行中依旧具有重要的研究价值和实际意义。第一,平行跑道碰撞风险评估方面。本论文对航空器平行进近偏航情况下偏航角度对碰撞风险的影响进行了研究,首次基于Event模型和概率论理论,建立了平行进近偏航碰撞风险模型。通过分析偏航时碰撞盒体型的变换,得到扩展碰撞盒截面随时间t以及偏航角?的变化规律。以北京首都机场外侧跑道平行进近偏航情况为例,计算结果表明:当给定飞机尺寸与跑道间隔时,偏航角度?在[0,?/2]范围内增大飞机对碰撞风险也越大;当飞机进近偏航的角度小于61°时,两机之间的碰撞风险满足安全目标水平。第二,交叉跑道碰撞风险评估方面。本论文针对北京大兴机场建立并投入使用的侧向跑道,对航空器在侧向跑道模式下的安全运行进行了碰撞风险研究。首先,建立了动态Event运动间隔层;其次,对侧向跑道上飞机对的理论相对位置进行分段研究,提出了飞机对动态间隔计算方法,并利用位置误差模型对碰撞盒重叠概率进行了分析;然后,基于碰撞概率关系比建立了完整的侧向跑道动态碰撞风险模型;最后,提取北京首都机场6个月雷达数据分别对模型中的三个参数展开分析,包括侧向重叠概率、纵向重叠概率和碰撞概率关系比。结果表明,交叉角度的增大将导致侧向重叠概率的减小,起飞后57s左右出现峰值;垂直重叠概率与交叉角度无明显相关性,最大垂直重叠概率集中出现在飞机进近改复飞阶段（40s-57s）;碰撞概率关系比（R）的分析显示动态模型相比经典模型更精确反应了风险随交叉角度的实时变化。跑道交叉角度与碰撞风险存在负相关关系,增大跑道交叉角可明显降低运行碰撞风险;以大兴机场侧向跑道布局为背景,但是将跑道交叉角度作为变量的仿真环境下,跑道交叉角度需大于68°风险将满足ICAO规定安全目标水平。第三,风险评估模型改进方面。本论文对经典事件模型的结构进行改进,用球形曲面间隔层代替传统的平面间隔层,结合扩展碰撞盒概率关系比计算冲突风险,提高了模板与实际航空器运行状态的切合度。第四,碰撞风险应用研究方面,本论文提出了国内首套侧向跑道ADW窗的确定方法。以北京大兴国际机场为背景,本文对侧向跑道与平行跑道之间的运行冲突进行了分析,并给出控制安全风险建议。为了解决平行跑道复飞飞机与侧向跑道上离场飞机之间的运行冲突,基于到达起飞窗（ADW窗）的概念,首次给出基于碰撞风险理论的ADW窗确定方法和实际计算值,并已在北京大兴国际机场使用,起到控制运行风险的目的。首先,以北京大兴国际机场侧向跑道为研究对象,结合其跑道布局、飞机运行特点和飞行程序,分析确定了存在运行风险的可能性和冲突区位置范围;其次,基于飞机运动学模型,结合侧向跑道上飞机对的相对位置变化特点,构建了两机实时动态间隔计算模型;然后,建立了基于位置误差理论的碰撞风险计算模型;紧跟着设计了阶段式求解算法,反推出到达起飞窗边界;最后,借鉴首都国际机场半年期的实际运行数据进行了ADW窗位置计算,并进行了管制模拟机验证。模拟机验证和实际运行结果表明,所提方法和模型能量化确定ADW窗的位置,有效管控侧向跑道与平行跑道之间运行风险。