平行跑道容量评估中跑道相关性的确定

2013-08-22 07:44武丁杰

交通科技与经济 2013年2期

关键词：离场管制员尾流

武丁杰

（中国民航飞行学院空中交通管理学院，四川广汉 618307）

1 各种运行模式下制约跑道容量的因素

1.1 独立平行仪表进近模式

独立平行仪表进近模式是指在相邻的平行跑道仪表着陆系统上进近的航空器之间不需要配备规定的雷达间隔时，同时进行的仪表着陆系统进近的运行模式。其理论容量应该是单条跑道容量的整倍数，而实际情况却相差甚远。主要原因有以下几点。

1）建立航向道的引导限制。在单跑道运行时，管制员引导飞机建立航向道时，指令航向与跑道延长线的夹角小于30°即可，但在平行跑道运行时，此夹角必须小于20°，而且要防止飞机进入2条跑道延长线中间的非侵入区，指挥难度更大，为避免把飞机向非侵入区引导，管制员会留出更大的进近间隔余度，导致了跑道使用效率降低。

2）目前，采用平行跑道运行的机场通常采用设置进近门的方法避免在起始进近阶段2架未建立下滑道的飞机达到同高度。飞机切入航向道的位置被进一步提前，飞机保持小进近速度飞行的时间增加，5边占用时间长，由此导致跑道使用效率降低。

3）地面交通限制。平行跑道机场的滑行道布局往往比单跑道机场复杂，甚至有穿越跑道的路线，可能导致离场航班不能及时到达起飞位置，降低离场容量。在飞机穿越跑道时要求更大的落地间隔，影响到场容量。

4）平行跑道的布局导致起飞与落地飞机间互相限制。有些平行跑道机场由于两个跑道头错开较多，导致机场只能把2条跑道当1条使用。

1.2 相关平行仪表进近模式

相关平行仪表进近模式是指在相邻的平行跑道仪表着陆系统上进近的航空器之间需要配备规定的雷达间隔时间，同时进行的仪表着陆系统的进近运行模式。

限制此模式最大容量的因素除了独立平行仪表进近模式中的几点外，主要是：最后进近间隔的放大。独立平行仪表进近模式中的间隔放大是在雷达尾流间隔的基础上管制员增加了间隔余度，它是在雷达尾流间隔和相邻的平行跑道上进近的航空器间隔中取较大值。目前的规定是，在两条相邻的仪表着陆系统航向道上同时进近的航空器之间的雷达间隔不小于4km。该模式下管制员的调整起到很关键的作用，如果管制员处理得当，将2条跑道上进近的航空器穿插起来，是可以同时满足雷达尾流间隔和“4km”的要求；但到场航班是随机的，只有提供较大的间隔余度才能将不同跑道的航班互相穿插起来，因此，间隔远远大于雷达尾流间隔。

在当前规定中，根据逆推法，进近飞机的纵向间隔要至少达到8km（见图1），才能满足前机脱离跑道、后机到达发着陆许可的最晚位置（距离跑道头4km）。因此，6km的尾流间隔几乎不会用到。

在8km间隔时，如果插入1架相邻跑道的飞机，考虑到这架飞机与前后两机的间隔余度，实际间隔一般都会达到10km。

在10km间隔时，插入1架相邻跑道的飞机，减去距前机的4km和距后机的4km，还有2km作为插入飞机的空间。

综上对平行跑道相关平行仪表进近中尾流间隔的应用，可以认为10km是平行跑道相关运行中最常用的最小间隔标准，在航班连续到达的情况下，不同跑道的飞机完全穿插起来能获得最大容量。

图1 相关进近间隔示意图

1.3 独立平行离场模式

独立平行离场模式是指离场航空器在平行跑道上沿相同方向同时起飞的运行模式。当2条平行跑道的间距小于760m，航空器可能受尾流影响时，平行跑道离场航空器的放行间隔应当按照为1条跑道规定的放行间隔执行。此模式对比单跑道，容量限制在于离场间隔更加苛刻。单跑道运行中，管制员可以将不同离场方向的航班穿插放行，飞机起飞后立即转弯，实现侧向间隔，从而将尾流影响降到最低，放行间隔可能小于尾流间隔。平行跑道运行中为避免起飞后航迹交叉的冲突，往往1条跑道只有1个特定的起飞转弯方向。同跑道连续起飞的飞机都有1段相同航迹，因此，必须严格遵守起飞尾流间隔。

1.4 隔离平行运行模式

隔离平行运行模式是指在平行跑道上同时进行的运行，其中一条跑道只用于离场，另一条跑道只用于进近。在此模式下，机场容量相当于单跑道全部起飞或落地的最大容量值之和。

2 单跑道容量评估方法

目前，评估单跑道容量最经典的方法——时间空间法是针对最小间隔下的跑道最大容量。而平行跑道容量计算，不能以最小间隔为求解目标，而是采用规定间隔再加上管制员的间隔余度，在计算平行跑道容量时可以借鉴单跑道容量计算的思路：

时间空间法中如果2个飞机间的时间间隔是已知的，则单跑道容量Capacity为

E[h] 为飞机时间间隔的期望，即前后相继2个飞机间的时间间隔（采用加权平均），再用给定的时间段值与其相除，即可得到在该时间段内机场的最大容量。该模型中用到的变量描述如下：

飞机按尾流分为n类，i表示第i类飞机为前机，j表示第j类飞机为后机。

DisAA[daiij]n×n落地飞机间的最小距离间隔规定，km；在独立平行仪表进近模式下，需在已反映出通信中延迟12s、飞行员反应时间10s；以进近140knots的最后进近速度换算为1.55km，考虑到管制员余度，则在尾流间隔基础上至少加2km；在相关平行仪表进近模式，同样增加2km间隔余度，未达到10km，取10km为最小间隔。

DisDD[ddiij]n×n：起飞飞机间最小时间间隔规定，s；取起飞尾流间隔，各种误差只能向增加间隔的方向取。

DisAD：放行离场飞机时，到场飞机必须离开跑道的最小距离，km。

P[piij]n×n：飞机的概率矩阵；

T[tiij]n×n：飞机的时间间隔矩阵（s）；

ROTi：第i类飞机占用跑道的时间（s）；

Vi：第i类飞机的速度（km／h）；

L：进近的长度（km）；

在目前的空管规则中，对于起飞和降落飞机一般都是降落优先，并且要求在任何瞬间只能有1架飞机占用跑道（前机接地，可以让起飞飞机同时上跑道时除外），降落飞机距离跑道入口小于1个规定的距离时不能放行起飞飞机。因此，在落地飞机之间加起飞飞机需满足

式中：Tij为落地飞机时间间隔，ROTAi为落地飞机占用跑道时间，ROTDi为在Tij间隔中最后1架起飞飞机的起飞滑跑时间，k为在落地飞机i与j之间插入起飞的飞机数量，E[TDi]为连续起飞间隔的期望值。

定义矩阵N[niij]n×n，nij表示在降落飞机i与j之间可插入的起飞飞机数，当满足（2）式时nij＝k，求出矩阵N[niij]n×n，在降落飞机间可插入的起飞飞机数就表示起飞飞机的容量，由下式得

3 平行跑道容量评估算例

在实际中，ROTAi的经验值为50s，ROTDi的经验值为45～50s，DisAD通常为4km，落地飞机一般要飞1min。如果严格按照着陆尾流时间间隔或着陆雷达尾流间隔使飞机落地，只有后机是轻型机的情况可以插入1架起飞飞机，而轻型机在各大机场航班中所占比例非常小，换言之，在落地飞机采用尾流间隔时，几乎无法安排起飞飞机。只在落地飞机间隔为12km以上时才可能加入起飞飞机。

目前，平行跑道机场通常采用半混合运行，即：

1）一条跑道只用于进近，另一条跑道按照独立平行仪表进近模式或者相关平行仪表进近模式用于进近，或者按照隔离平行运行模式用于离场。

2）一条跑道只用于离场，另一条跑道按照隔离平行运行模式用于进近，或者按照独立平行离场模式用于离场。

因此，在平行跑道机场容量评估中最重要的数据就是：跑道全部起飞或全部落地的最大容量、跑道起降比为1∶1时的最大容量。

取首都机场平行跑道运行时期的航班数据，设定参数如下：①起飞落地各占50%的情况下，采用平行跑道独立平行仪表进近模式和独立平行离场模式；②加入起飞飞机时，落地航空器之间使用的着陆间隔：前机为中型机时，采用最小间隔12km；前机为重型机时，采用最小间隔15km；③起飞飞机与着陆飞机间的最小间隔使用4km；④最后进近速度设定中型机为140knots；重型机为145knots。

根据统计首都机场重型机占29.22%，中型机占70.78%，轻型机为0。P[piij]n×n：飞机的概率矩阵见表1。