近距平行跑道配對進近安全風險分析

李一可

（中國民航大學空中交通管理學院，天津 300300）

0 引言

近年來，空中交通客流量不斷增多，據最新統計數據預測，未來20年空域流量將增加2～3倍，運輸量的增長使一些大型機場開始滿負荷運行，航班延誤現象隨之而來。為增加機場容量、緩解航班延誤以滿足不斷增長的航空運輸量，一些機場開始規劃建設或已建成近距平行跑道。由于近距平行跑道間距較小的特殊性，目前我國只可運行隔離運行模式，即一條跑道只用于進近，另一條跑道只用于離場，這種運行方式本質上仍是將雙跑道視為兩條單跑道，并不能發揮近距平行跑道的最大效用。針對近距平行跑道的運行方式，美國研究學者Hammer在20世紀末提出了配對進近的思想，此后不斷有學者對此運行模式的可行性進行深入探究。由此可見，配對進近為當前近距平行跑道運行模式中可實施性最高、效用最大的運行模式。因此對配對進近運行方式進行詳細探究，結合國內實際現狀客觀地對航空器配對進近的安全風險進行分析是必要且有意義的，該文通過詳細了解配對進近過程，對影響配對進近安全性的相關因素及其規律進行分析，從而構建近距平行跑道安全風險分析模型，隨后針對進近中的關鍵因素之一安全間隔，計算并分析縱向安全間距對風險的影響，為我國未來進行配對進近提供相應的參考。

1 近距平行跑道配對進近

1.1 近距平行跑道

根據國際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）的Doc9643號文件《平行或近平行儀表跑道同步運行手冊》規定，平行跑道是指跑道中心線平行或夾角小于15°的非交叉跑道。按照兩條跑道中心線之間距離的遠近程度可以將平行跑道分為近距、中距和遠距平行跑道。其中，近距平行跑道是指2條跑道中心線平行或跑道中心線夾角小于15°的非交叉跑道，且跑道中心線之間的距離小于762m的跑道對。

1.2 配對進近運行程序

配對進近是指在儀表氣象條件下針對近距平行跑道實施的類似于相關儀表進近運行模式的另一種進近程序。配對的2架航空器在避免碰撞和尾流的雙重風險條下一前一后地完成進近著陸[1-2]。

配對進近的過程分3個階段：在第一階段，航空器向飛行流量控制中心報告預計達到最后進近定位點的時間與速度，當2架飛機的預計到達時刻間隔小于5 min ，且滿足機載設備與速度調整的條件要求后，管制員對其配對做相應準備，確定配對順序與著陸跑道；第二階段中飛行員根據管制員指令進行安全間隔的調整，這個階段中配對兩機在縱向、側向及垂直間的間隔須滿足間隔標準。一旦前后機不滿足間隔條件，管制員需要及時取消配對，同時后機進行轉彎并爬升以規避風險；第三階段始于前機飛過FAF點，經過此點后確認后機是否飛至指定安全區域，當后機飛越FAF點時以3°偏角開始最后進近更有利于避免前機的尾流影響。前機飛至跑道入口后，后機不再負責，兩架航空器各自著陸即可，自此整個配對進近過程結束。

配對進近整個過程中航空器的速度變化如圖1所示，分為勻速、減速、以及進近3個階段。勻速階段主要為前機到達進近點前；減速階段是指到達進近點之后，將速度降低至計劃的配對進近速度；進近階段是指飛機按照進近速度開始配對進近，直到配對結束。

圖1 配對進近過程中，飛機的配對速度變化

目前平行跑道進近程序多為完全平行進近，如圖2（a）所示，這種運行方式無法完全有效地避免因尾流因素影響帶來的危險，配對進近為進一步避免尾流影響，減少飛機危險進近的發生，在進近過程中采用后機偏置3°進近的方式，如圖2（b）所示。相較完全平行進近，該程序有以下3個優勢[3]：1）后機以3°偏角偏置進近，側向間隔安全余度較直線進近更大;2）偏置3°進近使兩機安全余度更大，可更晚考慮尾流對兩機安全間隔的影響；3）后機偏置進近可有效避免配對兩機儀表著陸系統信號可能發生覆蓋的現象，更有利于避開前機的尾流。

圖2 配對進近模型圖

3 配對進近影響因素分析

配對進近中的安全風險主要是指2架航空器在配對進近過程中因間隔小于規定安全間隔而發生碰撞或者危險接近的情景，影響配對進近發生不安全事件的因素有很多，主要有以下幾種[4-8]。

3.1 尾流因素

尾流是由于機翼上下表面壓力差在翼尖和襟翼邊緣形成下洗氣流所產生的，通過加裝翼尖小翼能一定程度上減少尾流強度或加快尾流消散，但從根本上是無法消除的。在近距平行跑道進近配對過程中，非常容易出現尾流風險。尾流是飛機在飛行過程中，發動機噴出的氣體，以及機翼和尾翼產生的渦流。當飛機飛行的時候，飛機的周圍會產生相應的閉環旋渦，當其他飛機進入該旋渦時，就會產生飛機回發生震動、旋轉、偏移以及墜落等危險，并且該現象不容易消失，因此，配對進近時，要注意尾流風險在配對進近中，對于前后兩機，后機要與前機保持一定的安全間隔，否則將會進入前機產生的尾流區域內，嚴重時會出現震動、下沉甚至滾轉等狀態，對飛行安全造成嚴重危險[9]。

配對進近安全區是指在配對進近過程中，圍繞配對后機形成一個縱向間隔保護范圍，其主要由安全前界、安全后界以及側向偏離區間組成。若配對后機與前機間的間隔始終保持在安全區域范圍內，便可避免2架航空器之間發生碰撞或危險進近事件，安全區域后界使后機免受前機尾流影響，從而可提高進近過程的安全性。安全區前界與運動軌跡、兩機位置有關，后界則與尾流因素、側向間隔以及速度有關，對安全區的確定需要集中在研究尾流的運動狀態、影響范圍以及其消散速度。

3.2 側風因素

在眾多影響飛機進近安全風險的因素中，氣象因素是需要考慮的首要因素之一，其中側風是氣象因素中對航空器在航向、尾渦以及安全間隔等方面影響最大的因素，其可能會造成飛機在配對進近過程中偏離原定航跡，或者因風阻較大未能夠達到預定速度。此外，側風與尾流息息相關，歐洲法蘭克福機場通過實踐數據研究表明隨著側風強度增大尾渦存在的時間縮短，因此在進行進近配對時，須考慮側風速度與方向，以便及時進行相應修正，從而提高配對進近的安全性。

3.3 人為因素與設備因素

其中在飛機進行進近配對時，存在的人為風險對于飛機的安全有重大的影響。飛機交通管制員的技術成熟度、飛行員的操作熟練度、進近配對反應時間等人為因素是航空安全因素的重要內容。經過研究發現，目前世界上發生的進近配對過程的安全事故，多數是由于飛行員操作和管制員的命令錯誤造成的。其中，對于飛行員的飛行技術而言是重中之重，因為飛行員對于飛機著陸儀盤的操作，能夠保證飛機飛行的安全激勵的大小，其中飛行技巧誤差對于不同飛機的進近配對過程的安全概率有較大的影響。因此，對于飛行員、管制員的上崗考驗、實際操作熟練度以及應急反應時間等內容的篩查，都需要做到事實就是。除此之外，人為因素的可靠性對于飛機進近配對安全風向有一定的影響。例如，飛機班組的完整性、班組人員的溝通能力、機場同時目標數目、工作的時間長短、工作的內容和壓力、管理程序是否合理等。

管制員與飛行員的工作熟練度、反應時間等人為因素是影響進近風險的重要因素，人為因素多為不可控因素且無規律性，對于近距平行跑道的安全運行起關鍵作用。除此之外，設備因素也是影響因素之一，首先飛機在進行進近配對的過程中，需要使用高精度的通信設備，其主要包括無線電通話系統，機載導航設備以及飛機告警系統等，管制員與飛行員基于設備做出決策，因此設備是否正常運行對于進近安全具有重要影響。目前，飛機所使用的PBN導航、星基導航以及GLS等系統，都會存在相應的導航設備誤差，從而造成了進近配對碰撞風險；另外，監視設備誤差對于飛機的進近碰撞風險也有一定的影響。對于飛機的監控設備，能夠及時掌握和了解飛機的飛行姿態和相應的進近點位置，能夠掌握飛機進近時的速度，計算飛機的尾流時間和相應的消失時間，能夠通過精準地預測，從而對進近配對的飛機組進行碰撞風險的告警，提高飛機進近配對的安全性。

4 近距平行跑配對進近碰撞風險模型

4.1 構建風險模型

該文基于偏置3°的配對進近模式，并基于以下假設構建風險模型：1）由于在實際進近過程中航空器的垂直位置變化非常快，因此該文忽略垂直方向的風險，只考慮縱向的碰撞風險。2）配對進近過程從飛機進入配對點開始，到飛機到達跑道入口結束。3）進近過程中航空器無其他飛行姿態的修正。

飛機在配對進近過程中可能會受到因飛行員、管制員操作不當或機載設備出錯等問題的影響，進而導致位置誤差。假設飛機在t時刻的縱向位置誤差ξl（t）服從相正態分布Nl（u，σ2）：

式中：l代表前機與后機，取值為1表示前機，取值為2表示后機；σ2為在縱向方向飛機實際位置與標稱位置偏離距離的方差；u表示實際位置與標稱位置偏離距離的均值。dl（t）為在時刻t時飛機距跑道入口的距離，d1（t）-d2（t）為前機1與后機2在縱向的實際位置Xl（t）如公式（2）所示。

兩機之間的實際間隔如公式（3）所示。

式中：X1（t）為1號機實際位置，X2（t）為2號機實際位置，ξ1（t）、ξ2（t）為t時刻1、2號機的定位縱向誤差，t時刻的縱向距離L（t），u1、u2為1、2號機的均值，、為1、2號機的方差。由于在配對進近過程中不考慮飛機其他姿態的調整，且達到配對進近初始點時，配對兩機之間的存在尾流安全區，因此縱向碰撞風險如公式（4）所示。

式中：Px為碰撞風險，L1、L2為兩機的位置距離，x代表兩機的距離，Lx（t）表示兩機在進近配對過程中的縱向距離，根據飛機運動學理論模型進行求解，s1、s2的分別代表飛機1與飛機2之間的最小與最大縱向距離。

前后飛機到達進近點的位置不同、速度不同會導致配對進近過程中兩機間的間距發生變化，有時前機速度大于后機速度，有時前機速度小于或等于后機速度，該文將配對進近過程分以下2種：1）前機速度大于后機速度。2）前機速度小于或等于后機速度。

4.1.1 前機速度大于后機速度

式（5）中：

D為飛機1和飛機2剛開始時的距離；Vli是指前機剛開始時的速度；Vmi為后機初始進近速度；Vlf前機進行進近時的速度；al機進行減速時的加速度；Vmf為后機進行最后進近時的速度；am是指后機進行減速時的加速度，L是指飛機進行進近配對時距離進近點的位置，t為時間。

4.1.2 前機速度等于或小于后機速度

式（6）中：

4.2 實例分析

以我國有近距平行跑道的上海虹橋為例，跑道間距H為365m，跑道寬57.6m，偏置3°的進近位置距離跑道1600m，在就該位置變為平行進近選取的飛機。前機1的進近時初始速度為90m/s，進近結束時的速度為72m/s，前機的加速度為-1m/s，飛機機身44m，寬34m；后機初始進近速度為88m/s，進近結束時的速度為76m/s，前機的加速度為-1m/s，機身長44m，寬度34m；而后機剛開始的安全距離為1km，風速為20m/s，定位誤差均值為0，方差為45，風向為60°。根據上述參數，會會考慮到安全風險隨著飛機的速度和進近配對飛機之間的起始安全距離，從而研究飛機進近配對過程中的安全風險。

在安全距離方面，選取0.8km、0.9km、1km 3個值，速度均方差為45，以此進行分析計算，得出配對進近的碰撞風險概率（縱坐標）變化如圖3所示。

圖3 不同的安全距離情況下，飛機的碰撞風險概率

由圖3可以看出，飛機在配對進近過程中，安全距離越高，發生碰撞風險的概率越小，同時說明了若前機進近速度大于后機進近速度，可以更好地確保安全距離，與實際運行相符。

在速度方面，選取速度均方差分別為40、50、60等3個值，并將間隔選為1 km，得出碰撞風險概率（縱坐標）的變化如圖4所示。

圖4 不同的速度均方差下，飛機的碰撞風險概率

從計算結果中可以看出，速度方差越大，縱向碰撞風險發生的可能性較高。

另外，在上述條件下，該文選用前機為中型機，后機分別為重型機、中型機和輕型機進行仿真計算，求解不同機型對應的安全距離，如表1所示。

表1 不同機型的安全距離

可以看出，飛機的質量越大，進近所需要的安全間隔越遠，發生碰撞的概率也越大。

5 結語

從長遠看，近距平行跑道能夠緩解機場日益繁重的運輸量、提高運行效率，對近距平行跑道配對進近的安全風險進行客觀分析和研究，也有助于我國未來標準的制定與實施。該文通過對近距平行跑道與配對進近運行方式進行分析，建立配對進近碰撞風險模型，并對安全間隔、飛機速度及機型等因素進行分析，計算求解其與飛機配對進近碰撞風險概率的關系，并得出碰撞風險與安全間隔成反比，與速度均方差成正比的結論。旨在未來將配對進近技術合理運用到飛機進近過程中，從而提高我國機場運行效率，不斷推動我國民航運輸的發展。