近距平行跑道機場繞行滑行道使用策略研究

李明捷, 黃欣寧

(中國民用航空飛行學院機場學院, 廣漢 618307)

近年來,航空需求逐年增加,當機場的航空交通量進一步增長時,一些國家和地區采用平行跑道來應對交通需求的挑戰。由于進一步征地擴建的困難,越來越多的機場不得不采用近距平行跑道[1]。為了增加跑道容量,優化機場場面運行,一些機場嘗試采用端部環繞滑行道(end-around taxiway,EAT)[2-4]。研究表明,EAT有利于提升機場運行效率、運行安全、燃料經濟和環境效益。根據統計,EAT安全水平在民航安全管理體系(safety management system,SMS)的可接受范圍[5]。EAT可以通過減少穿越跑道次數來提高跑道的安全性[6]。McNerney等[6]研究表明, EAT對機場收入有提升作用,使用EAT可以減少航班延誤,減少地面沖突。Massidda等[7]研究發現,達拉斯-沃思堡國際機場(Dallas-Fort Worth International Airport,DFW)實施EAT后,17C和17R跑道的平均最大日容量分別增加了40%和25%。此外,EAT還可以優化管制人員操作,減少燃料消耗的同時改善空氣質量[8]。

如何最大限度地發揮EAT的作用,學者們從不同角度進行了探討。Feng等[9]研究表明,使用跑道外側起飛和EAT作為滑出路徑,會在滑入和滑出性能方面產生效益。Satyamurti[10]利用SIMMOD軟件進行末端繞行滑行道模擬,分析其優缺點并加以改進。Nicoletta等[11]根據機場的情況,制定出3種決策規則來減少滑行中的燃油消耗。Uday[12]研究發現,改進末端繞行滑行道的使用程序,使其環境效益最大化。熊文娟[13]研究了多種EAT布局優化問題,如多入口末端繞行滑行道和低標高末端繞行滑行道。劉晏滔[14]以保證跑道運行安全為目標,給出了運行模型建議。李龍[2]以最小的進港滑行為目標,構建了滑行道使用模型。張兆寧等[15]以優化進港航班的最佳路徑為基礎進行討論。劉海文等[16]以航空器地面滑行油耗最少和滑行時間最短作為協同優化的目標,建立了航空器地面滑行策略優化模型。

基于此,為了給近距平行跑道機場制定和優化航空器場面運行策略提供理論依據,提升跑道運行安全水平和效率、減少機場運行場面沖突、降低安全隱患。以進、離港航班在近距平行跑道機場地面平均滑行時間最少作為目標建立繞滑使用決策模型。并以某一具體機場為例,分別使用數值計算和AirTOp仿真軟件運行仿真進行驗證,并對該機場繞滑使用頻率與可穿越離港跑道頻率的變化以及高峰時段進出港航班數量之間的關聯性進行研究。

1 繞滑運行策略模型構建

1.1 模型原理

受氣象條件、跑道道面表面狀況、駕駛水平等因素影響,進港航班使用跑道著陸的時間及接地地點具有不確定性。由此,近距平行跑道機場通常將距離航站區較遠的跑道作為著陸跑道,距離航站區較近的跑道作為起飛跑道使用。對于進港航空器,跑道組件的范圍由其獲得最晚著陸許可位置至由至航空器完全脫離跑道(機身越過跑道脫離標志)為止;對于離港航空器,跑道組件的范圍由跑道外等待點開始直至起飛至晝間100 m以上、夜間150 m以上或者開始第一轉彎的投影位置所構成的多邊形區,如圖1[17]所示。

圖1 跑道組件示意圖(著陸飛機)[17]Fig.1 Schematic diagram of the runway assembly (landing aircraft)[17]

對于近距平行跑道機場,當進港航班到達穿越點時,若起飛跑道組件處于空閑狀態,空閑時間大于等于航班穿越所需時間時,則進港航班直接穿越起飛跑道;但若起飛跑道組件處于被占用狀態,或空閑時間少于航班穿越所需時間時,通過計算進港航班穿越跑道需要的等待時間和穿越時間之和,以及與由此引發的所有離港航班損耗的等待時間和起飛時間的總和,并將兩者之和與使用繞滑的滑行時間進行比較,判斷采取滑行時間較小的方案,同時對跑道組件占用時間集合進行更新。

1.2 模型構建

以進離港航班平均地面滑行時間最短作為優化目標,通過分析不同場面運行情況下的進離港航班滑行過程,以動態選擇的方式構建繞滑運行策略模型,為進港航班選擇最優的滑行策略。

目標函數為

(1)

約束條件如下。

(1)跑道組件約束。將航班j從跑道外等待點滑入至跑道安全區的時刻記為跑道組件關閉的起始時刻;將航班起飛完成離場的時刻記為跑道組件關閉的終止時刻。則將跑道組件的起始時刻記為Tbj(j=0,1,2,…,n);跑道組件的終止時刻記為Toj(j=0,1,2,…,n);跑道組件的占用時間集為C=[(Tb1,To1);(Tb2,To2);…;(Tbn,Ton)]。

(2)進港航班使用繞滑的滑行時間約束。進港航班選擇繞滑進入機坪的時間約束為

(2)

(3)進港航空器選擇穿越或等待穿越的時間約束。進港航班到達穿越點時刻的集合為K=[Tk1,Tk2,…,Tkm]。

Tki=ai+tie+tir

(3)

式(3)中:ai為進港航班的接地時刻;tir為快滑脫離位置至穿越節點r所滑行的時間。

(4)

式(4)中:Vex為進港航班轉出跑道時的速度;Vba為航空器在跑道上建立穩定剎車狀態時的速度,Vba=Vth+at,其中Vth為跑道入口速度;a為減速度,取1.5 m/s2;Δt1為著陸飛機從跑道轉出至快滑脫離位置的地面滑行時間,取15～20 s。

(5)

進港航班i根據其到達穿越節點r的時刻K不同,使用繞滑有兩種情況:一是直接穿越,二是等待跑道組件清空后穿越。

(6)

tic=tir+tit

(7)

式中:tic為進港航班從快滑脫離點至完成跑道穿越時間;tit為進港航班i從穿越節點r處開始至穿越跑道完成的時間;tif為進港航班i從穿越完成到某機坪管制進港移交點完成移交的時間;tiw為進港航班i在穿越節點r等待時間;tjw為離港航班j在跑道外等待點等待的時間。

(8)

(9)

tiw=min{(To1-Tki),(To2-Tki),…,
(Ton-Tki)},tiw≥0

(10)

(3)離港航班滑出時間的約束條件為

tje=tjh+tjw

(11)

(12)

(13)

式中:tje為離港航班j離開機坪管制出港移交點滑行至起飛跑道外等待點的滑行時間,包括滑行時間tjh和平均等待時間tjw;Ljh為某離港移交點至跑道外等待點的距離。

應將第j個離港航班作為第n個受到影響的離港航班的等待-起飛時間。根據模型原理和上述公式,得出進港航班的滑行方式決策系統圖如圖2所示。

圖2 進港航班滑行方式決策系統程序框圖Fig.2 Block diagram of inbound flight taxiing mode decision-making system.

2 案例驗證

以某機場兩近距平行跑道在ETA模式下的運行為例,該機場大部分著陸飛機需穿越起飛跑道前往2號航站樓區域,如圖3所示。節點1和節點2對應的快滑出口位置距離36R跑道入口分別為2 000、2 350 m,快滑長450 m,36L跑道寬60 m,節點3,4對應的穿越聯絡道長度120 m,小環繞滑長1 730 m。節點5為進港移交點,節點6、節點7、節點8和節點9為出港移交點,與36L跑道外等待點距離分別為1 400、1 200、1 000、850 m;該機場C、D、E類航空器(按翼展寬度劃分)在場面中的平均滑行速度如表1所示。

表1 各類航空氣場面滑行平均速度Table 1 Average taxiing speeds for all types of aircraft on the field

航空器啟停損耗時間為30 s, 離港平均排隊時間3.5 min。該機場某高峰小時進離港航班共計55架次,具體信息如表2所示。

2.1 數值計算驗證

利用本文模型,借助計算機JAVA SE13對該時段內進港飛機滑行方式決策程序進行計算,整理得繞滑運行前后進離港航班滑行策略如表3所示

表3 繞滑運行前后進離港航班運行策略結果比較Table 3 Comparison of inbound and outbound flight operation strategies

通過對以上計算結果的對比分析,高峰小時該機場進港25架航班中有9架選擇使用繞滑,占比36%;繞滑運行前后,航班平均滑行時間分別為431 s和300 s,減少30.4%;進港穿越航班中等待穿越架次分別為24架和15架,減少37.5%;平均滑入時間分別為540 s和262 s,減少51.5%;起飛延誤的離港航班數量分別為29架和17架,減少40.0%,平均滑出時間分別為338 s和328 s,減少2.8%。

2.2 運行仿真驗證

2.2.1 場面運行仿真建模

采用快時仿真軟件AirTOp對該機場場面運行進行仿真。AirTOp軟件以其操作頁面簡潔、內置數據完備、運行貼合實際、數據便于收集等優點被廣泛用于國內外機場及空域仿真?；贏irTOp軟件建立場面運行仿真模型如圖4所示。

圖4 使用繞滑前后場面運行仿真模型Fig.4 Simulation model of field operations before and after using the EAT at the airport

仿真模型參數設置為:①跑道運行模設定為近距平行跑道隔離運行模式,36L跑道用于起飛,36R跑道用于著陸;②航空器滑行速度按照機場相關數據設定;③滑行間隔:航空器滑行縱向間隔50 m;④機坪運行:機坪內的行線路、進出機位方式、及停機位分配方式依據該機場運行細則設置;⑤仿真航班制定:根據第2節中的機場高峰小時航班信息制定相應的航班仿真計劃。

2.2.2 仿真運行結果分析

交通負載指的是某一時段內,航班在場面滑行的各滑行道及跑道的交通量統計。機動區交通負載均勻分布可優化場面運行效率及緩解場面擁堵。利用AirTOp仿真得到的機動區滑行道交通負載分布如圖5所示,滑行道對應位置上顏色越深代表仿真過程中通過相應位置的航空器數量越多,交通負載越大[18]。由圖5該機場使用繞滑后,部分航班選擇使用繞滑,跑道與垂直聯絡道的沖突明顯減少。該機場使用繞滑后有利于減少沖突與延誤,有利于實現場面交通負載均衡分布。

通過繞滑設置前后仿真運行和數據結果可知,在該機場的高峰小時內共有8架進港航班選擇繞行滑行道。繞滑設置前后,航班平均滑行時間分別為482、332 s,減少了31.1%;平均滑入時間分別為594、311 s,減少47.6%;平均滑出時間為369、353 s,減少4.3%。起飛離港航班延誤分別是28架次和14架次。

該機場運用繞滑使用策略決策模型后,分別采用數值計算和模擬仿真兩種方式驗證,該機場相關指標對比如圖6所示。

圖6 某機場繞滑設置前后對比Fig.6 Comparison of EAT before and after operation at the airport

3 機場繞滑使用策略研究

為探討繞滑使用策略與起飛跑道可穿越頻次、進離港航班數量間的內在定量化關系,本文分別對繞滑使用率與起飛跑道可穿越頻次變化以及高峰小時進離港航班架次變化進行相關性分析。

3.1 進港航班穿越跑道頻次對繞滑使用率影響分析

將起飛跑道密度分別設置為10、15、20、25、30 架次/h,依次計算穿越跑道頻率變化下繞滑使用次數,進而計算得到繞滑使用率,并將計算結果繪制曲線如圖7所示?？梢钥闯?繞滑使用率與進港航班穿越跑道頻次呈正相關關系,當離港航班數量不變情況下,繞滑使用率隨穿越跑道頻次增加而緩慢增長。

圖7 小時穿越跑道頻次變化下的繞滑使用結果Fig.7 The usage of EAT under the frequencyvariation of the crossing runway

由圖7可知,繞滑使用率與進港航班穿越跑道頻次呈正相關關系,當離港航班數量不變的情況下,繞滑使用率隨穿越跑道頻次增加而緩慢增長。當起飛密度設置為15、20、25 架次/h時,雖然繞滑使用率隨穿越跑道頻次增加而緩慢增長,但整體處在較低水平。而當起飛密度增加至30 架次/h時,其繞滑使用率與穿越跑道頻次的正相關關系更加明顯,且整體繞滑使用率水平較高。

3.2 起飛跑道交通密度對繞滑使用率影響分析

分別設定該機場某時段的穿越跑道頻率為10、15、20、25、30 架次/h,通過改變起飛跑道交通密度,分析在穿越跑道頻率一定的情況下,即進港航班數量不變時,定量分析起飛跑道密度變化對繞滑使用次數的影響,計算得到繞滑使用率與離港航班數量的關系,并將計算結果繪制成圖8。

圖8 起飛跑道交通密度變化下的繞滑使用結果Fig.8 Use of EAT under a change in traffic density of the takeoff runway

對比繞滑使用率曲線(圖8)的斜率可知,起飛跑道交通密度小于15 架次/h,在穿越跑道頻次增加情況下,繞滑使用率隨之增長,但整體較為平緩;而起飛跑道交通密度在15～25 架次/h范圍內時,繞滑使用率穩步上升,但由于在起飛跑道上起飛航班與穿越跑道航班的時刻分布的協調與沖突,因此會產生繞滑使用率的小范圍波動;當起飛跑道交通密度在25 架次/h及以上時,超過該機場的起飛跑道容量,為避免因穿越跑道所造成的起飛航班延誤,因此繞滑使用率快速增加。

相比跑道穿越頻率,起飛跑道交通密度與繞滑使用率之間的正相關關系更為緊密,原因在于影響繞滑使用策略的決定性因素為起飛跑道組件資源的占用情況。當起飛跑道組件資源時間占用較長時,則空閑時間減少,穿越航班與離場航班沖突必然增加,同時等待-穿越時間明顯高于繞滑滑行時間,此時進港航班選擇繞滑有利于提高機場整體運行效率。

3.3 起降比和高峰小時航班數量變化對繞滑使用率影響分析

基于繞滑使用模型,分別計算航班起降架次為35、40、45、50、55、60 架次/h時,不同起降比下即起飛跑道交通密度分別為20%、40%、60%、80%時的繞滑使用次數,進而得到繞滑使用率,將計算結果繪制成圖9。

圖9 起降比變化和離港航班密度變化的繞滑使用結果Fig.9 Use of EAT with changes in takeoff and landing ratios and outbound flight density

如圖9所示,當離港跑道占比在20%～40%時,且總跑道起降架次設定為50、55 架次/h時,雖然離港航班比例逐漸上升,但仍未達到起飛跑道容量上限,因此允許穿越跑道的航班量變化幅度較小。同時,離港比例的增加,使得進港飛機航班量減少,因此此時的繞滑使用率增長緩慢甚至出現下降的趨勢。但當離港航班占比達到40%及以上時,起飛跑道空閑間隔極小,為保障航班安全、減少離港航班延誤,此時到港飛機都會選擇繞滑,繞滑使用率急劇上升。

同樣,由運行結果可得,航班起降架次為35～40架次/h,繞滑使用率增長較為平緩;航班起降架次為50 架次/h及其以上時,繞滑使用率加快。此時,若航班序列中離港航班占比大于40%,繞滑使用率的曲線斜率顯著增加。

3.4 繞滑使用策略分析

針對實例中的機場,在給定的跑滑構型下,繞滑使用策略如下。

(1)當小時起降架次在35架次以內且離港占比低于40%時,所有進港航空器均采用直接穿越或等待穿越,完全不使用繞滑。

(2)當小時起降架次在35架次且離港航班占比超過40%,或小時起降架次在35～60架次且離港航班占比低于80%時,進港航班選擇直接穿越,等待穿越和部分使用繞滑。

(3)當小時起降架次在50架次及其以上且離港航班占比處較高水平,即達到80%時,進港航班全部使用繞滑。

4 結論

為節省建設成本,提高航班地面運行效率,設有近距平行跑道的機場應根據本場運行的主要機型、起降比、高峰小時起降架次、飛行程序設計、終端區導航設施、凈空條件、用地限制等因素合理規劃跑滑構型。雖然繞滑的設置會增加離港航班的地面滑行路徑長度,但通過對機場高峰小時起降架次、起降比與繞滑使用率的量化關系的分析可知,合理制定繞滑運行策略可有效減少進離港航班的地面運行時間,從而達到提升機場地面運行整體效率的目標。