近距平行跑道机场绕行滑行道使用策略研究

李明捷, 黄欣宁

(中国民用航空飞行学院机场学院, 广汉 618307)

近年来,航空需求逐年增加,当机场的航空交通量进一步增长时,一些国家和地区采用平行跑道来应对交通需求的挑战。由于进一步征地扩建的困难,越来越多的机场不得不采用近距平行跑道[1]。为了增加跑道容量,优化机场场面运行,一些机场尝试采用端部环绕滑行道(end-around taxiway,EAT)[2-4]。研究表明,EAT有利于提升机场运行效率、运行安全、燃料经济和环境效益。根据统计,EAT安全水平在民航安全管理体系(safety management system,SMS)的可接受范围[5]。EAT可以通过减少穿越跑道次数来提高跑道的安全性[6]。McNerney等[6]研究表明, EAT对机场收入有提升作用,使用EAT可以减少航班延误,减少地面冲突。Massidda等[7]研究发现,达拉斯-沃思堡国际机场(Dallas-Fort Worth International Airport,DFW)实施EAT后,17C和17R跑道的平均最大日容量分别增加了40%和25%。此外,EAT还可以优化管制人员操作,减少燃料消耗的同时改善空气质量[8]。

如何最大限度地发挥EAT的作用,学者们从不同角度进行了探讨。Feng等[9]研究表明,使用跑道外侧起飞和EAT作为滑出路径,会在滑入和滑出性能方面产生效益。Satyamurti[10]利用SIMMOD软件进行末端绕行滑行道模拟,分析其优缺点并加以改进。Nicoletta等[11]根据机场的情况,制定出3种决策规则来减少滑行中的燃油消耗。Uday[12]研究发现,改进末端绕行滑行道的使用程序,使其环境效益最大化。熊文娟[13]研究了多种EAT布局优化问题,如多入口末端绕行滑行道和低标高末端绕行滑行道。刘晏滔[14]以保证跑道运行安全为目标,给出了运行模型建议。李龙[2]以最小的进港滑行为目标,构建了滑行道使用模型。张兆宁等[15]以优化进港航班的最佳路径为基础进行讨论。刘海文等[16]以航空器地面滑行油耗最少和滑行时间最短作为协同优化的目标,建立了航空器地面滑行策略优化模型。

基于此,为了给近距平行跑道机场制定和优化航空器场面运行策略提供理论依据,提升跑道运行安全水平和效率、减少机场运行场面冲突、降低安全隐患。以进、离港航班在近距平行跑道机场地面平均滑行时间最少作为目标建立绕滑使用决策模型。并以某一具体机场为例,分别使用数值计算和AirTOp仿真软件运行仿真进行验证,并对该机场绕滑使用频率与可穿越离港跑道频率的变化以及高峰时段进出港航班数量之间的关联性进行研究。

1 绕滑运行策略模型构建

1.1 模型原理

受气象条件、跑道道面表面状况、驾驶水平等因素影响,进港航班使用跑道着陆的时间及接地地点具有不确定性。由此,近距平行跑道机场通常将距离航站区较远的跑道作为着陆跑道,距离航站区较近的跑道作为起飞跑道使用。对于进港航空器,跑道组件的范围由其获得最晚着陆许可位置至由至航空器完全脱离跑道(机身越过跑道脱离标志)为止;对于离港航空器,跑道组件的范围由跑道外等待点开始直至起飞至昼间100 m以上、夜间150 m以上或者开始第一转弯的投影位置所构成的多边形区,如图1[17]所示。

图1 跑道组件示意图(着陆飞机)[17]Fig.1 Schematic diagram of the runway assembly (landing aircraft)[17]

对于近距平行跑道机场,当进港航班到达穿越点时,若起飞跑道组件处于空闲状态,空闲时间大于等于航班穿越所需时间时,则进港航班直接穿越起飞跑道;但若起飞跑道组件处于被占用状态,或空闲时间少于航班穿越所需时间时,通过计算进港航班穿越跑道需要的等待时间和穿越时间之和,以及与由此引发的所有离港航班损耗的等待时间和起飞时间的总和,并将两者之和与使用绕滑的滑行时间进行比较,判断采取滑行时间较小的方案,同时对跑道组件占用时间集合进行更新。

1.2 模型构建

以进离港航班平均地面滑行时间最短作为优化目标,通过分析不同场面运行情况下的进离港航班滑行过程,以动态选择的方式构建绕滑运行策略模型,为进港航班选择最优的滑行策略。

目标函数为

(1)

约束条件如下。

(1)跑道组件约束。将航班j从跑道外等待点滑入至跑道安全区的时刻记为跑道组件关闭的起始时刻;将航班起飞完成离场的时刻记为跑道组件关闭的终止时刻。则将跑道组件的起始时刻记为Tbj(j=0,1,2,…,n);跑道组件的终止时刻记为Toj(j=0,1,2,…,n);跑道组件的占用时间集为C=[(Tb1,To1);(Tb2,To2);…;(Tbn,Ton)]。

(2)进港航班使用绕滑的滑行时间约束。进港航班选择绕滑进入机坪的时间约束为

(2)

(3)进港航空器选择穿越或等待穿越的时间约束。进港航班到达穿越点时刻的集合为K=[Tk1,Tk2,…,Tkm]。

Tki=ai+tie+tir

(3)

式(3)中:ai为进港航班的接地时刻;tir为快滑脱离位置至穿越节点r所滑行的时间。

(4)

式(4)中:Vex为进港航班转出跑道时的速度;Vba为航空器在跑道上建立稳定刹车状态时的速度,Vba=Vth+at,其中Vth为跑道入口速度;a为减速度,取1.5 m/s2;Δt1为着陆飞机从跑道转出至快滑脱离位置的地面滑行时间,取15～20 s。

(5)

进港航班i根据其到达穿越节点r的时刻K不同,使用绕滑有两种情况:一是直接穿越,二是等待跑道组件清空后穿越。

(6)

tic=tir+tit

(7)

式中:tic为进港航班从快滑脱离点至完成跑道穿越时间;tit为进港航班i从穿越节点r处开始至穿越跑道完成的时间;tif为进港航班i从穿越完成到某机坪管制进港移交点完成移交的时间;tiw为进港航班i在穿越节点r等待时间;tjw为离港航班j在跑道外等待点等待的时间。

(8)

(9)

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

(10)

(3)离港航班滑出时间的约束条件为

tje=tjh+tjw

(11)

(12)

(13)

式中:tje为离港航班j离开机坪管制出港移交点滑行至起飞跑道外等待点的滑行时间,包括滑行时间tjh和平均等待时间tjw;Ljh为某离港移交点至跑道外等待点的距离。

应将第j个离港航班作为第n个受到影响的离港航班的等待-起飞时间。根据模型原理和上述公式,得出进港航班的滑行方式决策系统图如图2所示。

图2 进港航班滑行方式决策系统程序框图Fig.2 Block diagram of inbound flight taxiing mode decision-making system.

2 案例验证

以某机场两近距平行跑道在ETA模式下的运行为例,该机场大部分着陆飞机需穿越起飞跑道前往2号航站楼区域,如图3所示。节点1和节点2对应的快滑出口位置距离36R跑道入口分别为2 000、2 350 m,快滑长450 m,36L跑道宽60 m,节点3,4对应的穿越联络道长度120 m,小环绕滑长1 730 m。节点5为进港移交点,节点6、节点7、节点8和节点9为出港移交点,与36L跑道外等待点距离分别为1 400、1 200、1 000、850 m;该机场C、D、E类航空器(按翼展宽度划分)在场面中的平均滑行速度如表1所示。

表1 各类航空气场面滑行平均速度Table 1 Average taxiing speeds for all types of aircraft on the field

航空器启停损耗时间为30 s, 离港平均排队时间3.5 min。该机场某高峰小时进离港航班共计55架次,具体信息如表2所示。

2.1 数值计算验证

利用本文模型,借助计算机JAVA SE13对该时段内进港飞机滑行方式决策程序进行计算,整理得绕滑运行前后进离港航班滑行策略如表3所示

表3 绕滑运行前后进离港航班运行策略结果比较Table 3 Comparison of inbound and outbound flight operation strategies

通过对以上计算结果的对比分析,高峰小时该机场进港25架航班中有9架选择使用绕滑,占比36%;绕滑运行前后,航班平均滑行时间分别为431 s和300 s,减少30.4%;进港穿越航班中等待穿越架次分别为24架和15架,减少37.5%;平均滑入时间分别为540 s和262 s,减少51.5%;起飞延误的离港航班数量分别为29架和17架,减少40.0%,平均滑出时间分别为338 s和328 s,减少2.8%。

2.2 运行仿真验证

2.2.1 场面运行仿真建模

采用快时仿真软件AirTOp对该机场场面运行进行仿真。AirTOp软件以其操作页面简洁、内置数据完备、运行贴合实际、数据便于收集等优点被广泛用于国内外机场及空域仿真。基于AirTOp软件建立场面运行仿真模型如图4所示。

图4 使用绕滑前后场面运行仿真模型Fig.4 Simulation model of field operations before and after using the EAT at the airport

仿真模型参数设置为:①跑道运行模设定为近距平行跑道隔离运行模式,36L跑道用于起飞,36R跑道用于着陆;②航空器滑行速度按照机场相关数据设定;③滑行间隔:航空器滑行纵向间隔50 m;④机坪运行:机坪内的行线路、进出机位方式、及停机位分配方式依据该机场运行细则设置;⑤仿真航班制定:根据第2节中的机场高峰小时航班信息制定相应的航班仿真计划。

2.2.2 仿真运行结果分析

交通负载指的是某一时段内,航班在场面滑行的各滑行道及跑道的交通量统计。机动区交通负载均匀分布可优化场面运行效率及缓解场面拥堵。利用AirTOp仿真得到的机动区滑行道交通负载分布如图5所示,滑行道对应位置上颜色越深代表仿真过程中通过相应位置的航空器数量越多,交通负载越大[18]。由图5该机场使用绕滑后,部分航班选择使用绕滑,跑道与垂直联络道的冲突明显减少。该机场使用绕滑后有利于减少冲突与延误,有利于实现场面交通负载均衡分布。

通过绕滑设置前后仿真运行和数据结果可知,在该机场的高峰小时内共有8架进港航班选择绕行滑行道。绕滑设置前后,航班平均滑行时间分别为482、332 s,减少了31.1%;平均滑入时间分别为594、311 s,减少47.6%;平均滑出时间为369、353 s,减少4.3%。起飞离港航班延误分别是28架次和14架次。

该机场运用绕滑使用策略决策模型后,分别采用数值计算和模拟仿真两种方式验证,该机场相关指标对比如图6所示。

图6 某机场绕滑设置前后对比Fig.6 Comparison of EAT before and after operation at the airport

3 机场绕滑使用策略研究

为探讨绕滑使用策略与起飞跑道可穿越频次、进离港航班数量间的内在定量化关系,本文分别对绕滑使用率与起飞跑道可穿越频次变化以及高峰小时进离港航班架次变化进行相关性分析。

3.1 进港航班穿越跑道频次对绕滑使用率影响分析

将起飞跑道密度分别设置为10、15、20、25、30 架次/h,依次计算穿越跑道频率变化下绕滑使用次数,进而计算得到绕滑使用率,并将计算结果绘制曲线如图7所示。可以看出,绕滑使用率与进港航班穿越跑道频次呈正相关关系,当离港航班数量不变情况下,绕滑使用率随穿越跑道频次增加而缓慢增长。

图7 小时穿越跑道频次变化下的绕滑使用结果Fig.7 The usage of EAT under the frequencyvariation of the crossing runway

由图7可知,绕滑使用率与进港航班穿越跑道频次呈正相关关系,当离港航班数量不变的情况下,绕滑使用率随穿越跑道频次增加而缓慢增长。当起飞密度设置为15、20、25 架次/h时,虽然绕滑使用率随穿越跑道频次增加而缓慢增长,但整体处在较低水平。而当起飞密度增加至30 架次/h时,其绕滑使用率与穿越跑道频次的正相关关系更加明显,且整体绕滑使用率水平较高。

3.2 起飞跑道交通密度对绕滑使用率影响分析

分别设定该机场某时段的穿越跑道频率为10、15、20、25、30 架次/h,通过改变起飞跑道交通密度,分析在穿越跑道频率一定的情况下,即进港航班数量不变时,定量分析起飞跑道密度变化对绕滑使用次数的影响,计算得到绕滑使用率与离港航班数量的关系,并将计算结果绘制成图8。

图8 起飞跑道交通密度变化下的绕滑使用结果Fig.8 Use of EAT under a change in traffic density of the takeoff runway

对比绕滑使用率曲线(图8)的斜率可知,起飞跑道交通密度小于15 架次/h,在穿越跑道频次增加情况下,绕滑使用率随之增长,但整体较为平缓;而起飞跑道交通密度在15～25 架次/h范围内时,绕滑使用率稳步上升,但由于在起飞跑道上起飞航班与穿越跑道航班的时刻分布的协调与冲突,因此会产生绕滑使用率的小范围波动;当起飞跑道交通密度在25 架次/h及以上时,超过该机场的起飞跑道容量,为避免因穿越跑道所造成的起飞航班延误,因此绕滑使用率快速增加。

相比跑道穿越频率,起飞跑道交通密度与绕滑使用率之间的正相关关系更为紧密,原因在于影响绕滑使用策略的决定性因素为起飞跑道组件资源的占用情况。当起飞跑道组件资源时间占用较长时,则空闲时间减少,穿越航班与离场航班冲突必然增加,同时等待-穿越时间明显高于绕滑滑行时间,此时进港航班选择绕滑有利于提高机场整体运行效率。

3.3 起降比和高峰小时航班数量变化对绕滑使用率影响分析

基于绕滑使用模型,分别计算航班起降架次为35、40、45、50、55、60 架次/h时,不同起降比下即起飞跑道交通密度分别为20%、40%、60%、80%时的绕滑使用次数,进而得到绕滑使用率,将计算结果绘制成图9。

图9 起降比变化和离港航班密度变化的绕滑使用结果Fig.9 Use of EAT with changes in takeoff and landing ratios and outbound flight density

如图9所示,当离港跑道占比在20%～40%时,且总跑道起降架次设定为50、55 架次/h时,虽然离港航班比例逐渐上升,但仍未达到起飞跑道容量上限,因此允许穿越跑道的航班量变化幅度较小。同时,离港比例的增加,使得进港飞机航班量减少,因此此时的绕滑使用率增长缓慢甚至出现下降的趋势。但当离港航班占比达到40%及以上时,起飞跑道空闲间隔极小,为保障航班安全、减少离港航班延误,此时到港飞机都会选择绕滑,绕滑使用率急剧上升。

同样,由运行结果可得,航班起降架次为35～40架次/h,绕滑使用率增长较为平缓;航班起降架次为50 架次/h及其以上时,绕滑使用率加快。此时,若航班序列中离港航班占比大于40%,绕滑使用率的曲线斜率显著增加。

3.4 绕滑使用策略分析

针对实例中的机场,在给定的跑滑构型下,绕滑使用策略如下。

(1)当小时起降架次在35架次以内且离港占比低于40%时,所有进港航空器均采用直接穿越或等待穿越,完全不使用绕滑。

(2)当小时起降架次在35架次且离港航班占比超过40%,或小时起降架次在35～60架次且离港航班占比低于80%时,进港航班选择直接穿越,等待穿越和部分使用绕滑。

(3)当小时起降架次在50架次及其以上且离港航班占比处较高水平,即达到80%时,进港航班全部使用绕滑。

4 结论

为节省建设成本,提高航班地面运行效率,设有近距平行跑道的机场应根据本场运行的主要机型、起降比、高峰小时起降架次、飞行程序设计、终端区导航设施、净空条件、用地限制等因素合理规划跑滑构型。虽然绕滑的设置会增加离港航班的地面滑行路径长度,但通过对机场高峰小时起降架次、起降比与绕滑使用率的量化关系的分析可知,合理制定绕滑运行策略可有效减少进离港航班的地面运行时间,从而达到提升机场地面运行整体效率的目标。