时间间隔标准下的飞机混合起降仿真∗

潘卫军 尹子锐 王安鼎 吴天祎

（中国民用航空飞行学院空中交通管理学院 广汉 618307）

1 引言

我国的航空运输总量每年都在快速增长，这种发展会对现在空中交通管理和即将建成的机场造成运输能力限制。新建跑道或者改进跑道运行方式都可在一定程度上提升机场的运输能力，但因为新建跑道耗时较长，成本也比较高，所以前人在改进机场跑道运行模式方面做了大量研究，通过优化跑道运行模式来提升机场运行的效率。航空器尾流间隔标准是影响跑道容量最直接的关键要素［1］，目前正在运行的起飞以及进近阶段的尾流间隔标准被认为过于保守，因为它们是固定的，并没有考虑当前的气象条件对于间隔的影响。我国目前使用的是基于距离的间隔标准（Distance Based Sepa⁃ration，DBS），即在飞行过程中后机与前机通过保持固定的距离来保证飞行安全，不同的前后机机型对应着不同的距离间隔。在使用DBS标准运行时，如果遭遇逆风天气，飞机相对地面速度会减少，由于前后机间隔是固定值，这会使得后机飞过此间隔的时间增加，导致跑道吞吐量减少的问题。这不仅会影响运载能力，还会影响操作的可预测性、时间和燃油效率以及环境（污染排放）［2］。

为了解决这一问题，专家们提出了基于时间的间隔标准（Time Based Separation，TBS），即在飞行过程中后机与前机通过保持一定的时间间隔来保证飞行安全，不同的前后机机型对应着不同的时间间隔。TBS 概念改变了跑道运行模式，即使在逆风条件下，跑道的吞吐量也保持相对稳定。欧洲的单一天空计划（SESAR）和美国的新一代航空运输系统计划（NextGen）都将TBS 作为重点研究内容，ICAO 在2016 年发布的ASBU（航空系统组块升级）的规划中也将建立基于时间的间隔标准（TBS）作为研究重点，ICAO 最新发布的RECAT 标准中也规定了相应前后机组合下的TBS标准。

TBS 目前已经应用于英国伦敦的希思罗机场并取得了良好的效果。Charles Morris 等［2］研究了TBS 标准在伦敦希思罗机场的概念验证，包括实时仿真结果和尾流安全数据分析；研究结果表明，在弱逆风条件下，希思罗机场典型机型组合下的进场容量约为每小时40 架飞机，在逆风条件中，每小时最多会减少4 架飞机的着陆率。Milan Janic 等［3］建立了TBS标准下的单跑道着陆能力计算模型，在考虑尾流影响的基础上用TBS 标准来替代目前的DBS 标准；结果表明，使用TBS 标准可以增加跑道容量，且一定的逆风可以加速尾流的衰减，从而进一步减小前后机的间隔。近年来，我国对TBS的研究还处于起步阶段，只有李冰冰等［5］建立了TBS 标准下的跑道容量模型；因此这方面的研究很有必要。

无论国外还是国内的研究，研究者大都只将研究重点放在了进场阶段，而对于单跑道运行来说，同时考虑进场和离场的运行模式才是目前研究的主流，也更符合实际。鉴于此，本文建立了同时考虑进场和离场的单跑道容量模型，分别在TBS 和DBS标准下进行仿真，之后加入逆风条件并分析了逆风对两种间隔标准下跑道容量的影响。

2 TBS标准

ICAO 最新发布的RECAT 规章中规定了进离场航空器基于时间的间隔标准（TBS）。但仅限于小体量飞机跟随大体量飞机时的标准，比如C 类跟随B类/A类，缺少大体量飞机跟随小体量飞机及同体量飞机组合间的间隔标准。本文根据英国希思罗机场所使用的TBS 标准对其进行了补充。TBS标准如表1，表2为希思罗机场的TBS标准。

表1 TBS标准

表2 希思罗机场的TBS标准

由于其他分类的航空器在实际机场运行中出现的比例太小，可忽略不计，故本文值列出了B、C、D三类航空器的间隔标准。

3 跑道容量模型

本文研究的跑道范围如图1所示。

图1 跑道研究范围

计算单跑道容量时根据相邻航空器的速度可以分为两种情况：

1）vi≤vj，前机速度小于等于后机。

2）vi>vj，前机速度大于后机。

前机速度小于等于后机时，前后机间的间隔会不断缩小，在前机到达跑道入口时，两机的间隔达到最小值。前机速度大于后机时，前后机间的间隔会不断拉大，因此只需在进入公共下滑道时保持最小间隔。

现如今的单跑道运行模式中管制员往往通过在两架进场航空器之间插入离场航空器来实现离场操作。而进场的航空器预计接地时刻与它前一架进场航空器接地时刻的时间差的大小决定是否允许当前申请起飞的航空器起飞，当进场的航空器满足间隔时，管制员可根据这段时间间隙的大小，适当地在其中插入n架起飞航空器。若连续进场的航空器间的间隔无法满足离场要求，我们可以人为地拉大间隔来实现离场操作［4］。

3.1 DBS跑道容量模型

对于DBS标准，若要在连续进场航空器间实现离场操作，进场的航空器的间隔必须满足下述条件：

式中，δad为连续起降航空器间的距离间隔标准；DOTi为离场飞机所需的平均跑道占用时间。

若连续进场航空器间的间隔不满足上式时，我们需要人为地拉大间隔，使其满足条件。设置系数t1，满足式（2）。

DBS的跑道容量模型如式（3）～（8）：

式中，λa为进场跑道容量；λb为离场跑道容量；λ为总容量；Tij前机i 后机j 相继通过跑道入口的时间间隔；Pij为前机i 后机j 所占的比例vi，vj为i、j最后进近阶段的平均速度；Bij为管制员和飞行员的反应时间；ROTi为进场飞机的平均跑道占用时间；δij为不同前后机组合的DBS 间隔标准；q 为人为拉长间隔的概率系数；Gt为一小时内t1=0 的间隔数；nij为前机i 后机j 组合进场间隔所能插入的离场飞机数。

3.2 TBS跑道容量模型

对于TBS标准，若要在连续进场航空器间实现离场操作，进场的航空器间隔必须满足下述条件：

若连续进场航空器间的间隔不满足上式时，我们需要人为地拉大间隔，使其满足条件。设置系数t2，满足：

TBS的跑道容量模型如式（11）～（16）：

式中，tij为进场TBS时间间隔标准；Gt为一小时内t2=0的间隔数。

4 仿真过程及结果分析

本文以成都双流国际机场某日0h到正午12h，02R 跑道的所有到达飞机为计算数据，应用我国现行基于距离的间隔标准（DBS）和基于时间的间隔标准（TBS）计算同时考虑起降的混合容量。

统计到的各机型出现的概率如表3。

表3 各机型的出现概率的统计结果

各机型最后进近阶段的平均速度如表4 所示，逆风条件选择风速为25kn的逆风天气。

表4 各机型各机型最后进近阶段的平均速度

其他所需的数据，进场与离场航空器的平均跑道占用时间均取60s；δad取5km；q取0.5；反应时间Bij取20s；公共下滑道的长度为12.3km。

本文目前只考虑在两架进场航空器间插入一架离场航空器的情况。通过上述数据进行仿真，结果如图2 所示。无风时，DBS 标准下的跑道容量为43.39 架次/h，TBS 标准下的跑道容量为45.14 架次/h。当遭遇风速25kn的逆风时，DBS标准下的跑道容量为38.55 架次/h，TBS 标准下的跑道容量为45.14架次/h。

由仿真结果可知，即使是在无风条件下TBS标准下的跑道容量也是优于DBS 标准下的跑道容量的，相比DBS 标准提升了1.76 架次/h，占比4.1%。而这种情况在逆风条件下则更为明显，当遭遇风速25kn的逆风时，TBS标准下的跑道容量基本维持不变，但DBS 标准下的跑道容量大幅减少，相比于无风条件下本身减少了4.84架次/h，占比11.2%；而相比于TBS 标准下的结果更是减少了6.6 架次/h，占比15.2%。

5 结语

本文对基于时间的间隔标准（TBS），结合混合起降的跑道容量模型进行了计算，研究得出了以下结论：

1）运行TBS 标准可以在一定程度上提升跑道容量，相比于DBS标准可提升4.1%。

2）运行TBS 标准可以基本排除逆风天气对跑道容量的影响，在大逆风条件下，TBS 标准相比于传统的DBS标准跑道容量可提升15.2%。

3）运行TBS 标准可以提高跑道运行的效率并减少污染排放，实现高效、绿色的运行模式。