机场场面运行延误特性研究

王 媛 胡明华 徐冬慧

(南京航空航天大学民航学院 南京 211106)

机场场面运行延误特性研究

王 媛 胡明华 徐冬慧

(南京航空航天大学民航学院 南京 211106)

由于地面等待策略的原因，机场场面成为了交通拥堵、航班延误及航班运行冲突的多发区域.通过建立实验平台，对场面运行各个环节从微观角度进行分析研究.分别从放行间隔、离场队列可等待架次数、跑道运行模式和机型混杂比四个方面进行延误特性研究.选取其他典型复杂机场对延误特性进行佐证，凝练出机场场面运行延误特性，提出降低场面运行延误策略.

场面延误；影响程度；特性研究

0 引 言

目前，国外对场面延误的研究主要包括延误影响因素和延误性能的分析研究.在延误性能的研究中，不能简单地根据延误时长的长短来判断延误水平，应当分析影响延误的因素和影响的程度.国内对延误的研究主要集中在如何通过地面等待策略和终端区域优化等交通管理措施来降低延误水平.Andersson等[1]通过建立枢纽机场的简单而准确的模型可以透彻的了解机场动态，该模型还可提供运营机场改进的定量估计.提出了三个模型来捕捉繁忙的中枢机场运营的动态.引入两个简单的排队模型来捕获滑入和滑出的过程.通过整数规划模型表示航空公司决策，捕获飞机周转过程的动态.Shumsky[2]预测离场航空器在停机位的延误，并且通过航空公司、离场交通流密度和离场跑道等变量预测离场航空器滑行时间，同时还建立了跑道头等待处服务队列模型； Campanelli等[3]比较美国和欧洲空中交通网络建模，分析了由于调度或干扰引起的延误传播问题，分析出先到先服务原则相比ATFM时隙优化管理会造成更多拥堵和延误；徐涛等[4-5]运用支持向量机模型，将进离场航班和航班数及航班延误作为训练样本进行训练，以预测航班延误水平；徐肖豪等[6]在综合考虑影响航班延误成本的因素的基础上，计算了明确的航班延误成本；朱金福等[7-8]从危机管理的角度，利用扩展理论和方法分析了导致飞行计划异常运行的危机信号的可扩展性和相关性，建立了预警模型，减少危机的损失.

综上，机场场面运行延误性能研究在我国还比较单一、滞后，对于延误特性的量化规律技术研究较少，大多只局限于具体机场，没有广泛适用性.鉴于此，文中通过计算机仿真对机场场面影响航班运行的几个因素进行深入研究，旨在分析出不同影响因素对复杂机场场面运行延误的影响规律.为减少航班延误、提高场面运行效率、提高机场管理水平提供借鉴.

1 场面交通流建模仿真

1.1 场面运行系统网络构建

航班进离场运行是一个具有严格规范约束的系统，各变量的随机性导致场面运行系统研究的复杂性，应用线性规划等数学建模方法进行分析不仅运算量大甚至无解，并且所给的运行数据也有限，难以达到预期结果[9].对于场面运行冲突延误分析这种难以通过数学建模方法分析细节的问题，可以通过仿真建模实现场面运行细节的分析.文中通过构建机场滑行道路径网络，以离散事件动态系统理论(DEDS)性能层次上的排队网络方法，能有效研究航班在场面运行中各节点的拥堵状态及延误时长.

将机场场面运行系统抽象为一有向图集合G=(V,E).其中：V为各节点的集合；E为各有向边的集合.l(m,n)为节点m到节点n之间的距离.设F={f1,f2,…，fn}为网络系统中航空器的集合；Fa⊆F为进场航空器集合；Fd⊆F为离场航空器的集合；Ri为航空器fi所对应的滑行路径集合，该滑行路径共有ki个节点，Ri={μi1,…，μiki}；μ为各个节点；Lci为各个节点的容量，t时刻节点队列长；Qi(t)为t时刻节点的积压；μl(i)=Lci-Qi(t)为t时刻节点i还可接收的航空器架次数.

1.2 场面运行系统实验平台

根据航空器运行网络模型构建，无论采用哪种滑行路径方法，都可将航空器运行过程视作该系统的节点网络的输入、输出过程.运用实验室Visual C#开发系统实验平台进行实验仿真.机场场面网络结构建模模块可以对任意机场场面结构进行快速建模仿真.依据机场CAD总平面图，将机场平面图长和宽输入系统中，依照CAD图画出机场场面图，再输入跑道始末端经纬度信息，用户再将场面参数设置输入即可.当场面基础数据无误、系统正确完成初始化后，用户便可进行后续实验研究.实验系统根据航空器运行情况，最终生成航班流数据[10-11].利用生成航班流数据对单位时间航班架次和航班延误进行分析研究.

2 机场场面运行延误特性实例分析

2.1 典型机场选取及模型验证对比

选取杭州萧山国际机场作为实例分析.杭州机场为双跑道运行，模式为隔离平行运行，共有122个正常机位，分为7个机坪.选取2015年8月6日的航班计划作为仿真评估模型数据源.

由于场面监视雷达数据的封闭性，目前难以获取航班在场面运行数据，从可获取的数据看，航班历史飞行计划数据，可作为模型仿真结果可靠性的佐证之一；由于真实运行过程的相关数据缺乏，故通过输入的航班计划和输出的航班流分布进行验证分析.将选取的典型航班日的航班计划数据及运行规则导入实验系统，统计比较实际运行与仿真结果的航班流分布及滑行时间，以验证仿真结果的可靠性.

图1为实际航班流分布与仿真航班流分布对比图，进离场架次以航空器达到跑道头或降落跑道为统计标准.图1a)为实际航班流分布图，其中进场航班341架次，离场航班330架次，总共671架次；图1b)为仿真航班流分布图，其中进场航班350架次，离场航班330架次，总共680架次.仿真航班流较实际航班流增加了9架次，是因为实际航班流位统计超过24:00之后的航班.对比图1a)～b)可知，仿真航班流与实际航班流分布特点基本一致，进场航空器与离场航空器起飞的时间分布具有一定可靠性.

图1 航班流分布对比

2.2 机场场面运行延误特性分析

2.2.1 放行间隔

由于离场航班跑道占用时间只对连续起飞航班及前序航班起飞后续航班降落的组合产生影响.一般规定放行间隔最小为2 min，远大于起飞跑道占用时间，因此，起飞跑道占用时间一般不会对场面运行情况产生很大影响.本文将进场航班视为离场航班场面运行的干扰因素处理，所以不讨论着陆跑道占用时间，仅讨论离场航班的放行间隔对整体场面运行延误的影响规律.

图2为不同放行间隔下平均离场延误对比图和地面延误对比图.放行间隔时长与航空器延误时长有强烈相关性.随放行间隔增大，离场延误与地面延误均逐渐增大，放行间隔为2，2.5 min时，14:00后场面运行延误可将高峰时延误波及抵消，而放行间隔为3，3.5 min时，后续运行延误不能抵消，延误越来越大，一直延续到次日.

图2 不同放行间隔延误对比

图3为不同放行间隔下，一天运行时段各航班在跑道头离场队列排队等待延误趋势图.放行间隔时长主要影响离场队列等待时长，图3a)～d)均表现出07:00之前，场面航班量小，产生延误很小，07:00之后，开始高峰运行时段，离场队列等待延误陡增，随放行时间间隔增加，延误时长基本翻倍增长，导致大量航班延误到次日运行.

图3 不同放行间隔离场队列等待延误

放行时间间隔过长会导致离场航班流浪费过多的时间间隙，虽然减轻了管制员的工作符合，但空域资源浪费过多，最终使机场场面航班量大大减少.对于基准机场运行环境而言，放行时间间隔的缩小可以带来机场容量的提升，运行延误能够大大减小.放行间隔每增加0.5 min，场面延误基本上是翻倍增长.正常运行过程中，放行间隔主要对离场航空器运行的影响，直接影响了场面运行效率.

2.2.2 离场队列可等待架次数

图4为5种情况下跑道头离场队列的等待延误时长分布图.当离场队列可等待架次为1架时，意味着只有前一架飞机进入跑道后，第二架航班才可以滑入跑道等待位置，航班量增大后，导致大量航班只能在停机位等待，由于机场停机位有限，最终出现进场航空器无机位可停，离场航空器不能离场，致使整个场面运行进入死锁状态，运行到12:00便终止运行，一天只运行了153架次航班；离场队列排队架次为2架次时，航空器等待仍然处于饱和状态，延误仍然不可接受；增加到3个架次时，等待延误明显减小，并且12:00后延误明显减缓，最高延误为60 min；继续增加到4架、5架等待航班时，离场队列延误趋势基本相同，最高延误为40 min，可知离场队列可等待架次至少可等待4架时，离场队列等待数与机位释放才能达到相对平衡状态，场面运行效率才能得到提升.

不同离场队列等待架次延误对比见图5，其中图5a)为2～5架次可等待架次下地面平均延误对比图，图5b)为2～5架次可等待架次下离场平均延误对比图.地面平均延误趋势与离场平均延误趋势基本一致.离场队列可等待架次为2架时，离场平均延误大于地面平均延误，因为离场队列可等待架次数变少，排队航班量变少，离场航班产生延误波及，而进场航班延误相对较小，所以整个场面的地面平均延误相比离场平均延误小.随可等待架次增多，地面平均延误逐渐减小，离场队列可等待数为1～3架次时，离场队列始终处于饱和状态，当增加到4架时，离场队列达到了供需平衡状态，基本上满足离场航班的需求，使场面达到较稳定状态.离场队列可等待数为5架次时，离场队列开始有空闲位置，时刻满足离场需求，因此离场队列可等待数为4、5架次时，地面平均延误与离场平均延误趋势线基本上完全吻合，所以杭州机场跑道头可等待架次数至少要为4架或以上.

图4 不同离场队列等待架次-离场队列等待延误

图5 不同离场队列等待架次延误对比图

2.2.3 跑道运行模式

图6为不同跑道运行模式下平均延误对比图，其中图6a)为地面平均延误图，图6b)为离场平均延误图，图6c)为离场队列平均延误图.由图6可知，隔离运行模式延误较大，对应左侧坐标轴，相关运行模式、独立运行模式延误相对较小，对应右侧坐标轴.隔离运行场面运行延误约是相关运行、独立运行场面运行延误的2倍.其中离场队列平均延误隔离运行约是相关运行、独立运行的3倍.因此隔离运行离场队列等待延误更为突出.综上所述，在条件允许情况下，尽可能使用相关运行模式或独立运行模式，不仅容量增大，场面运行延误也能大大降低.

图6 各跑道运行模式平均延误对比

2.2.4 机型混杂比

根据民航航班正常统计办法通知可知，机场场面过站时间是按座位数进行划分.所以实验将地面机型分组按照座位数分组，分为五组：PAS60，PAS150，PAS250，PAS500.PAS60为60座以下机型，PAS150为61～150座，其他以此类推，见表1.由于过站时间主要针对联程离场航班，所以机型混杂比主要对联程航班机型比例考虑，不考虑始发航班.

表1 典型机型比例分布实验分组 %

按照座位数从少到多排序，全天平均延误折线图见图7，图7a)为全天地面平均延误图，图7b)为全天平均离场延误图.由图7可知，基本上座位数少的即最少过站时间短的机型比例占比多的整体延误偏小，座位数多的即过站时间较长的机型比例占比多的整体延误偏大.但并不是全部为PAS500机型时，平均延误时长就最长.

图7 地面延误-离场延误

各编组全天离场队列等待平均延误分布图见图8.由图8可知，机型全部为PAS250时，平均延误最大.而图8中G3比G4全天平均离场队列等待延误时间少.可知在其他参数不变的情况下，PAS250最少过站时间相对于PAS500过站时间较短，占用停机位时间也较短，所以只要满足了过站时间，离场等待队列未饱和情况下，航班便会推出滑向跑道头，单位时间内推出率达、场面航班量多，冲突便增多，包括机位冲突及滑行冲突；而PAS500最少过站时间较长，占用停机位时间也较长，单位时间内航班推出率较少，单位时间内场面航班较少，冲突相对较少，停机坪延误及滑行延误便会减少，所以场面的滑行延误有所减缓，因此场面航班全部是PAS250机型时航班的平均延误比全部是PAS500机型时航班的平均延误略大.

图8 离场队列等待延误

图9为G6和G4离场队列延误分布图，由图9可知，G6的全天平均离场队列等待延误最小，G4全天平均离场队列等待延误最大.G6机型组合为PAS150：50%、PAS250:50%，G4为机型全部为PAS500.因为PAS500大多为重型机、部分为中型机，跑道占用时间较长，单位时间内起飞航班量较少，所以机型全部为PAS500时，离场队列等待时长最长.而G1机型全部为PAS60，而离场队列等待延误时长并不是最小，原因是PAS60基本上为轻型机，即联程航班全部为轻型机，其他离场航班和进场航班主要为中型机和重型机，根据表1可知，只要有轻型机则进离场时间间隔就会很长，在156～187s之间，所以轻型机占比会明显影响机场容量.当机型全部为PAS60时，机场全天总运行量仅为555架次，相比其他机型组合共减少124架次，容量大大减少.依据文中参数设置，航班一般为连续起飞或着陆，而进离场间隔变长，所以离场等待等待时间也变长.G6机型比例较适中，所以离场队列等待延误时长最短.

图9 G6和G4离场队列延误分布

综上所述，不考虑PAS60机型情况下，PAS150占比较大，PAS250及PAS500占比小的情况下，场面延误越小，但依据实际运行情况，中型机较多，以及依据各编组的延误走势图，可看出G6,G10和G11的延误是较优的，即PAS150和PAS250占比较大时，延误较少.

3 横向对比分析

2015年郑州新郑机场和沈阳桃仙机场旅客吞吐量分别为1 729.74万人次和1 268.01万人次，分列全国17和24位.选择郑州及沈阳机场作为作为横向对比分析机场.通过分析实验数据，可得出各影响因素对机场场面运行延误的宏观影响规律是一致的，影响因素的重要性次序也普遍相同.考虑到文章的篇幅限制和内容相似性，本文仅列郑州新郑机场场面运行的相关实验结果作为验证数据.实验结果见图10～13.

图10 不同放行间隔延误对比

图11 各跑道运行模式延误对比

图12 不同离场队列等待架次延误对比图

图13 各机型组合地面延误-离场延误

4 结 论

1) 航空器离场放行时间间隔对场面运行延误的影响程度是比较明显的，随着离场航班放行间隔的增大，场面运行延误时长逐步增大，因此在实际运行情况允许的情况下，尽量缩短航班放行间隔.例如优化前后机型组合，优化各航向的放行顺序，或多机场协同放行等改进措施.

2) 离场队列可等待架次数较多的情况下，能够尽量避免跑道时隙资源的浪费，但并不是等待航空器架次越多越好，等待时间越长，航空器燃油消耗越大.若风向改变，需要临时更改跑道方向，若离场队列等待架次过多，转换跑道运行方向则很困难.若离场队列可等待架次过少，则场面运行延误将会增大很多，并且机场运行容量也大大减少.结合上述实验研究，杭州机场跑道头离场队列最佳可等待架次为4～5架次.

3) 在进场航路结构没有明显变化的情况下，修建跑道可以使机场容量大大增加，双跑道运行会比单跑道运行的运行能力显著提高.相关运行与隔离运行相比，场面运行延误大大减小，独立运行模式运行效率更高.因此在空间允许的情况下双跑道运行模式尽量使用相关运行或独立运行模式，不仅增加了容量，航班延误也大大减少.

4) 机场PAS60占比很小，实际运行情况下不会超过5%，PAS500占比通常也在10%以下，按照实际运行航班计划，地面平均延误为2.2 min，离场平均延误2.8 min，依据市场经济的发展机场PAS60比例的增加有限，随着中远程航线的开拓及中短程黄金航线时刻资源的紧缺，航空公司也越来越倾向于投入大型客机缓解资源的需求与矛盾.从图5.12中可看出，PAS500机型的占比的增大，反而减少了场面运行延误，并且PAS500运行比例的增加可以加强机场的旅客运送能力，因此依据现有的运行情况，合理增加PAS500机型的比例可以有效提升机场的运送能力.

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Research on Delay Characteristics of Airport Operation

WANG Yuan HU Minghua XU Donghui

(College of Civil Aviation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China)

As a result of the ground holding strategy, traffic congestion, flight delay and confliction occur frequently on airport surface. By establishing an experimental platform, this paper performs microcosmic analysis of the airport operation. The delay characteristics are studied from release interval, the number of departure queue waiting, runway operation mode and aircraft model mixed ratio. Finally, other typical complex airports are selected to verify the delay characteristics, and the characteristics of airport delay are concluded. In addition, the strategy of reducing the delay of operation is put forward.

ground delay; effect degree; characteristics research

2017-04-11

U8

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.018

王媛(1990—)：女，硕士生，主要研究领域为空中交通运输规划与管理