Flexsim仿真在浦东机场地面滑行优化中的运用

周锐涵，唐小卫

（南京航空航天大学民航学院，南京 211100）

当前，随着旅客出行需求和货邮运输量的日益增长，浦东机场作为中国的大型门户枢纽机场，对航班量的需求愈益增加。然而，有限的空域资源和地面设施正逐渐成为约束航班量增长的瓶颈。浦东机场跑滑系统规模相对较大，但由于局部构型设置不合理，其航班在地面运行过程中的滑行效率问题逐渐凸显，这无疑会对航班放行正常性、机场塔台调度指挥以及机场整体运行效率造成一定程度的影响[1]。在现有运行条件下，对浦东机场的跑道、滑行道构型和运行模式进行研究分析，结合实际运行数据，提出可行的改进方案，并使用Flexsim仿真工具加以比较，将切实有效地提高机场航班的地面运行效率，提高机场放行正常水平，同时兼顾运行安全[2-3]。

1 浦东机场飞行区运行情况

浦东机场飞行区目前拥有4条平行跑道，分别组成两组近距平行跑道，其中1号、2号跑道（17L/35R、16R/34L）主要用于起飞，3号、4号跑道（17R/35L、16L/34R）用于降落，另有8条主要平行滑行道和一对垂直联络道，以及若干机坪滑行通道等[4]。

针对航班在2号跑道北端滑行道部分以及T2航站楼北部周边停机坪和6号机坪（远机坪）组成的停机坪区域的地面运行效率进行研究分析。研究涉及的滑行道和停机坪所处区域为塔台管制盲区，即该区域处于塔台目视受到遮蔽的范围内，这意味着航班在该区域运行时，需对其进行分区管理，严格遵守滑行指令，按照规定的滑行路线、从固定的机坪进出道口运行。这将导致该区域的地面滑行效率明显降低、地面滑行等待时间增加，最终影响航班放行正常率。

T2航站楼周边、2号跑道北端及6号机坪之间区域的跑滑系统设置存在一定缺陷，如图1所示。目前运行方案为：6号机坪的航班使用L18进出机坪，A、B区（50/51/52/53/54/56/58/60/62/64/801-805停机位号）航班从E7道口进，E6道口出；C区（55/57/59/61/63/65/806-809号停机位）航班从R6道口进、E5道口出。飞机由北向南运行时，使用16R跑道起飞，若此时C、D区域有航空器起飞也使用16R跑道，按照机坪运行规则，需从E5道口滑出并加入F滑行道（以下简称“F滑”），一般F滑上会有较多使用16R跑道等待起飞的航空器以及进港后需要停靠至相应区域的航空器，首先产生的问题就是起飞排队空间不足；其次，C区域滑出航空器不容易尽快加入F滑，容易造成E滑或E5道口的堵塞。再加上A、B区、6号机坪若有离港航班使用西侧跑道起飞，需使用E滑滑行，更加剧了此处的拥堵，导致地面滑行时间增加。随着F滑和E滑堵塞的加剧，进一步导致出港航班被压制在机坪中无法推出、停靠该区域机位的进港航班无法顺畅滑入。这将导致该区机坪内进出港飞机形成对头冲突，以及滑出后的出港航班与E滑上活动的飞机形成T字型冲突。

图1 2号跑道北端及6、7号停机坪局部示意图Fig.1 Diagrammatic sketch of Runway 2 and Apron 6&7

2 地面运行分析及优化方案

放行正常率可以直接反映机场运行效率的高低，继而间接反映出航班地面滑行效率的高低，用以评价机场的跑道滑行道和机坪设置合理与否[5]。

根据浦东机场2017年7月1日～10日的机场放行正常率统计，得到首次计算起飞时间（CTOT，calculated take off time）正常率、最后CTOT正常率和实际放行正常率分别为72.62%、61.51%和53.99%。理论与实际放行率之间的差距可能是因为飞机在实际地面保障环节中没有衔接顺畅，但很大程度上还是由于飞机推出机位开车滑行到离地起飞过程中的地面滑行耗时过长导致的，这与滑行道设置、机坪构型等有着直接联系，在上文对T2航站楼北端区域的运行环境分析中有具体讨论。通过对现场采集的数据进行分析，分别得到使用1号、3号跑道和2号、4号跑道的航班平均进出港滑行时间和放行正常率。为了更好地反映地面滑行效率，出港滑行时间取开车滑行时间和离地时间的差值，结果如表1所示。可以看出，使用2号、4号跑道的航班地面滑行效率明显不如1号、3号跑道。尤其是由北向南运行时，T2航站楼北端区域机坪进出港航班和F滑上出港排队航班之间的矛盾冲突尤为严重。

表1 滑行时间和放行正常率对比Tab.1 Contrast of taxiing time and normality rate

基于以上讨论和分析，提出两个较为贴合实际的优化方案。

方案一：①在6号机坪内增设1条机坪滑行通道，由F滑向北延伸，与现有的L18跑道平行，命名为L19；②增加3条同时垂直于L18和L19的滑行道，如图2所示。

图2 优化方案一示意图Fig.2 Sketch map of Plan 1

该方案的优点主要体现在：①增加了1条平行于L18的机坪滑行通道之后，大大提高了6号机坪航班滑行的灵活度。原有的单条机坪滑行通道，严重限制了航班在机坪内只能单向滑行，而拥有2条平行的机坪滑行通道和3条进行联通的滑行道之后，可以有效吸收对头冲突，从而实现航班在6号机坪的同时滑进、滑出。②为7号机坪A、B区域出港航班增加了排队空间。2017年7月1日～10日期间，该区共15个机位日均进出港航班为156架次，而整个T2航站楼周边共58个机位日均进出港航班为548架次，可见目前A、B区机位的使用频率相对较高，航班量高于平均水平。该区域航班若前往2号跑道起飞，则需要由E6道口滑出，在F滑上排队，但此区域空间有限，拥堵后会影响其他进出航班，增加L19后，可充分利用其长度，供排队队列使用，以保持E滑的畅通。③有利于优化C区机位的滑出道口，使得滑入、滑出的航班方向一致。将目前C区机位的滑出道口由E5改为E6，不仅可以避免机坪内滑行通道的对头冲突，也可以避免原先出港航班从E5道口滑出后与在E滑上运行的航班形成的T字型冲突。现有冲突情况如图3所示。④双向排队起飞，缓解对R5道口、T4联络道的影响。南向运行时，F滑上起飞和进港航班混流，特别是起飞排队使进港航班无法快速滑入机坪。塔台视情况使用E滑，但若E滑繁忙，F滑上将积聚较多飞机，影响使用R5道口滑入的航班，影响范围甚至会波及到T4联络道。

方案一也存在一定缺陷，当北向运行时，L19滑行道上的飞机将穿透2条跑道的起飞爬升面，针对该缺陷的应对方法为：①北向运行时，关闭L19滑行道；②由相关部门组织专家严格评估起飞爬升面对L19滑行道的影响，视情况使用部分L19滑行道。

方案二：①将2号跑道向北延伸200 m；②增加1条跑道入口滑行道，如图4所示。

图3 C区航班冲突示意图Fig.3 Sketch map of conflicts in Area C

图4 优化方案二示意图Fig.4 Sketch map of Plan 2

方案二的优点为：将跑道向北延长，2号跑道将有3处入口滑行道，扩大了2号跑道排队空间。但是因此产生的缺点较多。首先，经过前期与塔台的深入交流，在这样的构型下，塔台极少会同时使用3处跑道入口，因为跑道侵入的风险将明显增大。其次，浦东机场高位运行的局面还将持续，但是跑道延长施工的影响非常大，机场较难承受这种改造压力。而且跑道延长影响的范围也非常广。最后，新增加的跑道入口进一步压缩了A、B区和6号机坪出港航班的排队空间，而原先的排队空间已经相对紧张，造成这些区域的航班进一步被压制在机坪内的状况。

3 航空器地面运行仿真建模

根据进、离港流程分析和飞行区各功能单元使用说明，建立了飞行区仿真模型。研究所涉及的停机位为6号机坪（16个）以及T2航站楼北端的A、B、C区域机位（25个）。

建立仿真系统，需要对系统参数进行设置。主要包括：①典型日航班时刻表，包括航空公司、航班号、机型、计划进离港时间、停机位、进离港跑道编号；②跑道占用时间（ROT）；③进出港安全间隔；④飞机滑行速度；⑤停机位的使用按照飞机机型、航空公司来分配；⑥跑道同时只能被1架飞机占用；⑦航空器在飞行区的其他运行标准参考相关规定；⑧飞行区AutoCAD布局图。

仿真系统主要分为机场模型生成模块、信息读取模块、航班生成模块、跑道使用控制模块、运行冲突控制模块、停机位控制模块、仿真显示与控制模块以及仿真结果统计与分析模块。

4 航空器地面运行仿真结果分析

通过对当前运行模式下典型日的现有运行方案和两种优化运行方案的仿真模拟，首先针对F滑最长排队架次、最长排队时间、平均排队时间、机坪道口的平均滞留时间等指标进行统计，如表2所示。其次，仿真得到了进离港滑行时间，考虑到机场未来旅客的吞吐量将继续增长，通过合理增加航班密度，分别模拟了旅客年吞吐量为7 500万人次和9 000万人次运行压力下的地面运行[6]，结果如表3所示。注：研究暂不考虑未来随着吞吐量的增长，机场将开放第5号、第6号条跑道的情况。

表2 两种优化方案的仿真指标对比Tab.2 Contrast of simulation indices of two plans

表3 两种优化方案进离港滑行时间的仿真对比Tab.3 Contrast of taxiing time of two plans

根据仿真所得结果，方案一和方案二的出港滑行F滑最长排队架次分别比现有运行模式减少了2架和1架；方案一和方案二的F滑最长排队时间相似，比现有运行模式减少了9.09%；方案一和方案二的F滑平均排队时间分别比现有运行模式减少了24.53%和11.32%；方案一和方案二的总出港滑行时间分别比现有运行模式减少了8.43%和3.21%。进港滑行时，方案一的机坪道口平均滞留时间比现有模式减少了33.33%，而方案二几乎没有变化；方案一和方案二的平均进港滑行时间分别比现有运行模式减少了3.82%和2.29%。随着旅客吞吐量的增长，方案一的滑行时间增加比例低于当前模式和方案二。综合来看，方案一的优化效果明显优于方案二。

5 结语

对浦东机场的飞行区整体情况进行了介绍，重点分析了包含2号跑道北端、F滑、T2航站楼北端周边停机坪及6号远机坪在内的区域航班地面运行存在的问题，提出了两个优化方案。结合典型航班日的航班运行数据，应用Flexsim仿真软件对不同方案下的机场地面运行效率进行了模拟；通过建立Flexsim仿真模型，开发地面运行仿真系统，结合实际运行数据，对不同优化方案下的地面运行进行模拟。统计得到的数据显示：方案一对航班进、离港滑行时间、F滑的排队等待时间和最长排队架次、机坪道口滞留时间的优化效果总体优于方案二，且随着航班量的增加，方案一的滑行时间增加比例与当前模式和方案二比较，相对较小。

综合上述理论分析和仿真所得数据，推荐采用优化方案一，目前该方案已被浦东机场认可，相应的改造工程也将展开。

参考文献：

[1]LI XIONG,CHEN XIAOQING,WEI DONGXUAN.Ground Operation Efficiency Analysis of a Large Airport Airfield Based on Computer Simulation[C]//InternationalConferenceonCivil,ArchitectureandEnvironmental Engineering.2017：1411-1416.

[2]邢志伟,李世皎.基于Flexsim的机场场面交通仿真[J].中国民航大学学报,2017,35(1)：22-25.

[3]王 琪.复杂机场多跑道运行调度方案评估研究[D].南京：南京航空航天大学,2016.

[4]杨 磊.机场场面运行优化技术研究[D].南京：南京航空航天大学,2012.

[5]郭海琦.机场飞行区运行仿真建模与系统开发[D].南京：南京航空航天大学,2009.

[6]吴浩宁,郭雁池,牧 彤,等.北京新机场站坪滑行道运行模式仿真研究[J].交通运输系统工程与信息,2016,16(3)：214-220.