脫離道構型對機場跑道容量的影響

康 瑞，楊 凱

(1.中國民用航空飛行學院 空中交通管理學院，四川 廣漢 618307；2.四川大學 計算機學院，四川 成都 610064)

0 引 言

隨著民航運輸需求增長，越來越多的機場需要擴容增量，新修跑道投資大周期長，局部增修或調整滑行道結構及功能以提高跑道使用效率是解決問題的有效途徑。國內外學者對此進行了深入研究[1-9]，Bowen、Blumstein等構造了單跑道容量評估模型[1]；Mori構造了元胞自動機模型研究大型機場滑行擁塞形成問題[1]；Ravizza提出滑行時間優化算法，研究機動區滑行路由方法[2]；田勇等提出近距平行跑道間隔確定算法[3]；周天琦等考慮進近速度差異提出了降落容量計算模型[4]；2015年王維等研究跑道間隔、進近下滑角和機型組合對跑道容量的影響[5]；王莉莉等建立了近距平行跑道容量計算模型[6]。

以上研究僅考慮了飛行間隔或尾流間隔對跑道容量的影響，忽略了航空器接地后和抬前輪前的跑道占用時間[7]。根據我國民用航空空中交通管制規則(CCAR-93TM)，前機未離開跑道，后機不得在跑道上起飛、降落。因此關鍵滑行道的結構及位置會影響跑道占用時間進而影響跑道容量。楊凱等提出了支線機場跑道容量計算模型[8,9]，但該模型適用于只有一條滑行道的支線機場。而大中型機場建有多條滑行道供航空器進入、離開跑道，航空器脫離跑道過程、時間與脫離道結構、位置、機型密切相關，因此需重新定義脫離道使用規則并計算起飛、降落跑道占用時間。以外，大中型機場在不同時段起降比例不同，早、晚高峰時段起、降航班比例差異很大，同時為了增加旅客吞吐量大型寬體型飛機比例不斷增加，大部分機場修建了4E級跑道以滿足大型寬體型飛機起降[10]，而部分現有模型未考慮起降比例和機型比例等因素，計算結果與實際情況差異較大。

本文在滿足相關管制規則的基礎上，考慮我國大中型機場的常用跑道、滑行道結構，定義了脫離道、快速脫離道使用規則，細化航空器脫離跑道時速度、位置演化過程，結合機型比例、起降比例變化特點，分別計算航空器起飛、降落跑道占用時間，構造考慮脫離道構型的機場跑道容量評估模型。采用Visual C++平臺實現模型，并進行仿真計算，分析了關鍵參數對容量的影響，并針對脫離道位置、構型及運行參數等對提高機場吞吐量進行討論。

1 跑道、滑行道結構及運行規則

圖1 起飛(a)、降落(b)航空器運行過程

2 模型建立

2.1 起飛過程

滑行階段用時

(1)

起飛時刻

(2)

滑跑、起飛時間

（2）非心理詞典通路。根據形、音對應規則朗讀者接受書面的文字視覺刺激直接獲得語音，并直接將語音輸送至語音緩沖器。這一通路完全不需要心理詞典的信息，借助拼音文字所特有的形——音對應規則就可以獲得書面刺激的語音（畢鴻燕、翁旭初，2006）。

其中

(3)

飛越跑道時刻

(4)

2.2 降落過程

(5)

降落滑跑距離

(6)

降落時刻

(7)

(8)

若滿足

(9)

航空器可經由第j條脫離道脫離，減速時間

(10)

脫離滑行

(11)

(12)

2.3 約束條件

根據CCAR-93TM，前后機fi、fj使用同一跑道起飛、降落，設尾流間隔為Δti,j應滿足以下規則：

連續降落時，前方降落航空器脫離跑道，且滿足尾流間隔，后方降落航空器可得到著陸許可

tj,land≥ti,vacate且tj,rollend≥ti,rollend+Δti,j

(13)

先起飛后降落時，前方航空器飛越跑道末端，且滿足尾流間隔，后方降落航空器可得到著陸許可

tj,land≥ti,airborne且tj,rollend≥ti,rollstart+Δti,j

(14)

先降落后起飛時，降落航空器飛越跑道頭后起飛航空器可進入跑道，根據目視或前方降落航空器報告確認脫離跑道，后方航空器可以起飛滑跑

tj,enter≥ti,rollend且tj,rollstart≥ti,vacate

(15)

連續起飛時，先起飛航空器已飛越跑道末端，且滿足尾流間隔，后方航空器可以起飛滑跑

tj,rollstart≥max(ti,rollstart+Δti,j,ti,airborne)

(16)

2.4 跑道容量計算

先降落后起飛

(17)

連續降落

(18)

連續起飛

(19)

先起飛后降落

(20)

跑道容量可以抽象為單位時間T與跑道占用時間期望值之比[10]

(21)

其中，rD為起飛比例，1-rD為降落比例，N為仿真運行的航空器總架次，T為單位時間3600 s。

3 仿真運行及數據分析

設機場飛行區為4E級，跑道全長L=3800 m，寬w=45 m，Lenter=90 m，道面干且剎車效應好f=0.5。脫離道與跑道夾角90°，最大脫離速度15 km/h，快速脫離道與跑道夾角30°，最大脫離速度30 km/h，滑行減速度ai=0.65 m/s2，以上參數設置均符合文獻[7,8]的統計值。根據CCAR-93TM，最大滑行速度Vmax=50 km/h，前機H型且后機為M型時尾流間隔Δti,j=120 s。將常用航空器類型按尾流等級分為H和M兩類，表1給出兩類型航空器起降性能等參數。利用VC++編程建立機場跑道、滑行道結構，并仿真航空器起降、滑行過程。圖2給出仿真運行時，不同時刻起降航空器關鍵位置及狀態。

表1 機型分類

圖2 仿真運行

圖2分別給出仿真運行過程中航空器進入、脫離跑道的關鍵位置，圖2(a)描述了起飛航空器(編號0011)經由滑行道上跑道的過程，圖2(b)描述了降落航空器(編號1003)在跑道上進行90°轉彎經由脫離道離開跑道過程，圖2(c)描述了航空器(編號1001)進行30°轉彎后進入快速脫離道離開跑道的過程，圖2(d)描述了航空器(編號1006)經由跑道末端脫離道離開跑道過程。仿真過程中記錄每架航空器起飛、降落跑道占用時間，令N=3000，即仿真3000架航空器起降過程后按照式(21)計算跑道容量。為了消除隨機影響將仿真過程重復10遍，得到10個數據樣本的平均值。

圖3 快速脫離道(a)和脫離道(b)構型下隨rm、n變化趨勢

以三亞鳳凰機場為例對本文模型進行驗證。三亞鳳凰機場已開通航線287條，是我國主要干線機場。機場飛行區為4E級，滿足波音747、空客340等大型飛機全載起降的要求。機場跑滑結構如圖4所示，跑道長3400 m，寬45 m，滑行道A為主滑行道，與跑道兩端連接，跑道運行方向為08(起飛著陸方向自西向東)時，航空器經由西側滑行道A上跑道，降落航空器經由距08跑道頭1800 m、2250 m、2700 m、3350 m的D、C、B和東側滑行道A脫離跑道，跑道運行方向為26(起飛著陸方向自東向西)時，航空器經由東側滑行道A上跑道，經由距26跑道頭2100 m、2650 m、3350 m的E、F和西側滑行道A脫離跑道。其中A、E、D為脫離道與跑道中線成90°，C、B、F為快速脫離道與跑道中線成30°。由此可知不同方向運行時，跑道脫離道位置和構型不同，利用本文模型計算機場跑道容量，并分析關鍵因素的影響。rD為起飛航空器比例，rM為M型航空器比例，圖5(a)、圖5(b)給出機場跑道08方向與26方向運行時跑道容量隨rD、rM的變化趨勢。

圖4 三亞鳳凰機場跑道、滑行道結構

圖5 不同方向運行時，機場跑道容量隨rD、rM變化趨勢

當運行方向為08和26時，機場跑道容量均隨rD增大而增大，這是由于兩個方向運行時，起飛航空器可經由滑行道A上跑道，跑道占用時間較小，因此當rD較大時跑道容量較大。跑道容量隨rM增加先減少后增大，這是由于當前后機為H、M機型時，由于約束條件(13)～(16)，滿足尾流間隔后機才可得到起飛許可或著陸許可，因此跑道使用效率降低，當rM=[0.4,0.6]時，前后機為H、M的比例較大，跑道容量明顯降低。由于起飛占用跑道時間較短，當rD較大時容量值受rM影響變化更明顯。統計秋冬季航班時刻可知，三亞鳳凰機場運行機型rM≈0.9，但進入春節假期，航空公司會提高大型寬體客機比例以增加運量，rM值減小會使跑道容量減小，特別在早高峰時段rD≈0.8，若rM=0.5，08、26方向跑道容量分別下降9.9%、8.4%，說明早高峰時段機場服務能力受機型影響明顯，當兩種機型比例接近時，起飛跑道占用時間差異較大，管制工作負荷增加，必要時應采取地面等待等流量管理措施優化放行順序減少起飛延誤。

對比圖5(a)、圖5(b)兩圖可發現，相同條件下08方向跑道容量大于26方向，且容量差值與rD呈反比，與rM呈正比，說明當降落比例或M機型比例較大時，跑道以08方向運行能提供更大的容量。這是由于08方向運行時M型航空器可經由快速脫離道C脫離跑道，而26方向運行時部分M型航空器需繼續滑行至F才能脫離跑道，跑道占用時間較長，因此M型或降落比例越大，26方向跑道容量越小。據統計，08方向容量平均值為40架次，標準差為6.37。26方向容量平均值為36.86架次，標準差為7.38。因此08方向運行能提供較高且穩定的服務水平。而鳳凰機場僅為08跑道配置了I類精密進近燈光系統，并以08方向為主要運行方向，由此說明本文模擬仿真結論與實際運行情況相符。

圖6 各脫離道使用率隨rM變化趨勢

圖6給出兩個方向運行時各脫離道、快速脫離道使用率λ隨rM變化趨勢。由圖6可知，無論運行方向是08還是26，距離跑道頭較近的脫離道E、快速脫離道C使用率隨rM增加而增加，較遠處的快速脫離道F及B、脫離道A使用率隨rM增加而減少，由于航空器減速至15 km/h時距離跑道頭已超過1800 m，因此脫離道D使用率為0。跑道末端脫離道A使用率僅在rM較小時大于0，說明只有少數滑跑距離長的H型航空器從跑道末端脫離，由于08方向在2700 m處設置了快速脫離道B，A使用率很小。同時，隨rM增加，08方向快速脫離道C的使用率由0增長至1，快速脫離道B的使用率由97.3%減少至0，26方向脫離道E的使用率由0增長至63.7%，快速脫離道F使用率由86.1%減少至38.3%，由此可知08方向上兩個快速脫離道C、B除了能加速脫離跑道過程，還能根據機型對降落航班進行分流，管制員可根據機型準確判斷脫離道口，及時發布管制指令，并根據脫離后位置合理分配滑行路徑，加速機動區運行效率。

以上仿真實例說明本文模型能精細化再現航空器占用跑道進行起飛、降落、滑行等運動特征，能量化脫離道位置、快速脫離道結構對脫離跑道時間的影響，進而能合理評估機場跑道容量。

4 結束語

合理增加機場跑道吞吐量，識別制約跑道運行效率的關鍵因素，是我國民用航空研究熱點問題。本文深入分析了不同脫離滑行道結構對降落航空器運行效率的影響，量化了航空器起飛、降落及滑行的跑道占用時間，建立了考慮脫離道結構的跑道容量評估模型。為了進一步分析起降比例、機型比例等重要參數對機場跑道容量的影響，本文進行了多次計算機數值模擬仿真，并就各相關參數的作用及影響范圍進行了分析對比。仿真驗證結果表明，本文模型能合理量化脫離道構型、位置、機型、起降比例等關鍵因素對跑道占用時間的影響，能量化評估機場容量，能對機場脫離道結構設計及運行參數選擇提供技術支持。