趙鴻鐸，凌建明，張 朋

（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804）

機(jī)場飛行區(qū)為飛機(jī)活動的地域，是機(jī)場中重要的基礎(chǔ)設(shè)施。機(jī)場飛行區(qū)的布局合理程度關(guān)系著飛行區(qū)運行效率和機(jī)場服務(wù)水平。飛行區(qū)的布局主要包括跑道、快速出口滑行道、平行滑行道、聯(lián)絡(luò)道、滑行通道、停機(jī)坪、等待機(jī)坪等設(shè)施的數(shù)量、類型和位置等內(nèi)容。大型機(jī)場的交通量大、跑道多、飛行區(qū)布局復(fù)雜，需要合理的方法進(jìn)行評價。

在傳統(tǒng)的機(jī)場規(guī)劃設(shè)計中，一般從安全、容量和延誤等角度進(jìn)行飛行區(qū)的布局和評價[1]。如美國聯(lián)邦航空局（FAA，federal aviation administration）[2-3]、中國民用航空局[4]都提出了飛行區(qū)的容量和延誤計算方法。這些解析計算方法與模型，對空管條件機(jī)場狀態(tài)進(jìn)行較多的簡化，一般可適應(yīng)規(guī)劃層面的機(jī)場評價，以及單跑道機(jī)場的機(jī)場布局設(shè)計評價。對多跑道機(jī)場的復(fù)雜飛行區(qū)布局評價的適應(yīng)性不足。

離散仿真技術(shù)由于可較真實地模擬飛行區(qū)場景、空管規(guī)則、滑行優(yōu)化等，為大型機(jī)場復(fù)雜飛行區(qū)的布局評價提供優(yōu)秀的手段[5]。可以同時從容量、延誤和運行效率的角度進(jìn)行評價分析。本文采用SIMMOD（airport and airspace simulation model）Plus 7.6.2 仿 真軟件[6]，依托揚州泰州機(jī)場和浦東國際機(jī)場，對飛行區(qū)布局評價的仿真分析方法進(jìn)行闡述。為類似分析提供分析參數(shù)和案例參考。

1 飛行區(qū)仿真系統(tǒng)簡介

飛行區(qū)仿真模型采用機(jī)場專用的SIMMOD系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建[6]。該仿真系統(tǒng)是美國FAA開發(fā)的可適用于空域和機(jī)場飛行區(qū)仿真的模擬引擎。在系統(tǒng)中把機(jī)場和空域結(jié)構(gòu)抽象為由節(jié)點和連線組成的二維網(wǎng)絡(luò)，以飛機(jī)在這些節(jié)點和連線上的運動模擬實際的飛機(jī)運行與操作，包括正常飛行、減速飛行、盤旋等待、起降滑行以及在機(jī)坪的操作等。SIMMOD使用不同參數(shù)體現(xiàn)不同管制、運行策略，參數(shù)包括常量、隨機(jī)變量和控制參量。

SIMMOD Plus是ATAC在FAA研發(fā)的SIMMOD內(nèi)核基礎(chǔ)上發(fā)展而來的可視化軟件，不僅繼承了SIMMOD引擎的功能，還提供了一整套可視化的圖形界面、輔助工具、動畫工具，能夠更快速建立機(jī)場模型并運行仿真[6]。SIMMODPlus7.6.2的界面如圖1所示。

圖1 SIMMOD Plus系統(tǒng)主界面Fig.1 Main window of SIMMOD Plus

2 飛行區(qū)仿真模型構(gòu)建

2.1 飛行區(qū)網(wǎng)絡(luò)圖

在SIMMOD Plus的仿真分析中，飛機(jī)在空中和飛行區(qū)的運動簡化為在二維網(wǎng)絡(luò)上的運動。為實現(xiàn)飛行區(qū)的仿真模擬，需構(gòu)建進(jìn)近、起飛空域結(jié)構(gòu)，以及飛行區(qū)的跑道、出口滑行道、聯(lián)絡(luò)道、平行滑行道、滑行通道、機(jī)位等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。一般的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和路線包括：

1）空域節(jié)點：可設(shè)置間隔要求、等待類型、通過規(guī)則和到達(dá)與等待策略。

2）空域路線：可設(shè)置飛行速度分布（按機(jī)型或其它）、通過規(guī)則、飛行規(guī)則、風(fēng)的影響、超越和尾流擾動的影響。

3）地面節(jié)點：可設(shè)置間隔要求、防止沖突的等待策略、通過規(guī)則、節(jié)點同時所能容納的飛機(jī)數(shù)量。

4）地面路線：可設(shè)置滑行速度分布、通過規(guī)則、穿越跑道耗時分布、高速出口滑行道、滑行路線。

特殊的節(jié)點和路線：

1）跑道：一系列節(jié)點和路線的組合，擁有兩個使用方向，需要定義跑道上滑行的時間、穿越跑道的時間、跑道占用規(guī)則等。

2）滑行道：包括各種類型的滑行道，一般沒有特殊的限制。需要指出的是：到達(dá)/出發(fā)飛機(jī)在滑行道系統(tǒng)的不同部分上使用不同的滑行速度；動態(tài)單向滑行道，即同一時刻只允許單向滑行的滑行道。

3）機(jī)位：門位包括節(jié)點和與此節(jié)點直接相連的路線。節(jié)點的定義包括門位所有權(quán)、服務(wù)時間分布、門位選擇和等待策略；路線的定義包括允許雙向進(jìn)出門位和門位使用過程中的路線封鎖等。

揚州泰州機(jī)場和浦東國際機(jī)場的仿真網(wǎng)絡(luò)圖如圖2和圖3所示。

圖2 揚州泰州機(jī)場網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 Network of Yangzhou Taizhou Airport

圖3 浦東國際機(jī)場網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 Network of Pudong International Airport

2.2 飛機(jī)及交通量

參照國內(nèi)外的飛機(jī)參數(shù)[7]，在仿真分析中按照飛機(jī)的最大起飛重量，可劃分成通用飛機(jī)、小型飛機(jī)、大型飛機(jī)和重型飛機(jī)，其重量劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 仿真中的飛機(jī)分類Tab.1 Aircraft size groups in simulation

根據(jù)規(guī)劃，揚州泰州機(jī)場近期至2020年的高峰小時交通量為12架次/h。近期主要運行屬于小型飛機(jī)的B類飛機(jī)和屬于大型飛機(jī)的C類飛機(jī)。其中B類飛機(jī)占15%，C類飛機(jī)占85%。在SIMMOD Plus的仿真分析中采用自動隨機(jī)產(chǎn)生飛機(jī)交通量的方式進(jìn)行模擬。為了更好地模擬高峰小時的交通量，擬連續(xù)模擬3 h，每個小時的起飛架次均為高峰小時架次，將中間1 h的數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)。

浦東國際機(jī)場的交通量，采用2008年4月某一天的實際航班數(shù)據(jù)。當(dāng)天共起降773架次，其中高峰小時為12：00—13：00共起降51架次，其中出港航班27架次，進(jìn)港航班24架次。為了充分分析高峰小時的飛行區(qū)延誤，仿真分析了11：00—14：00點之間的機(jī)場運行情況。分析中對到達(dá)后繼續(xù)起飛的飛機(jī)，按照實際航班時間考慮該飛機(jī)在機(jī)位的?？俊?/p>

2.3 空中運行參數(shù)

在機(jī)場飛行區(qū)的仿真中需模擬飛機(jī)的進(jìn)近和離場的飛機(jī)行為，在這段過程中需要根據(jù)要求確定不同飛機(jī)之間的間隔要求。根據(jù)中國民用航空局在《中國民用航空空中交通管理規(guī)則》中的規(guī)定，尾流間隔的最低標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)機(jī)型種類而定[8]。

使用同一跑道的非雷達(dá)間隔的尾流間隔時間規(guī)定為[8]：

1）當(dāng)前后起飛離場的航空器為重型機(jī)和重型機(jī)、重型機(jī)和輕型機(jī)、中型機(jī)和輕型機(jī)時，前后航空器間非雷達(dá)間隔的尾流隔時間不得少于2 min；

2）當(dāng)前后進(jìn)近著陸的航空器為重型機(jī)和中型機(jī)時，其非雷達(dá)間隔的尾流間隔時間不得少于2 min；

3）當(dāng)前后進(jìn)近著陸的航空器分別為重型機(jī)和輕型機(jī)、中型機(jī)和輕型機(jī)時，其非雷達(dá)間隔的尾流間隔時間不得少于3 min。

參照中國民用航空局在《中國民用航空空中交通管理規(guī)則》中的規(guī)定，本文采用同一跑道上雷達(dá)間隔的尾流間隔最低標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Separation requirements

2.4 飛行區(qū)運行參數(shù)

在飛行區(qū)運行中，飛機(jī)的滑行需要遵循飛行區(qū)的運行規(guī)則：

1）假定飛機(jī)從南向北運行。浦東國際機(jī)場的第一跑道僅供起飛，第三跑道僅供降落。

2）起降飛機(jī)的優(yōu)先規(guī)則和選擇服務(wù)順序。對于前者，一般規(guī)定到達(dá)飛機(jī)優(yōu)先，但不是絕對優(yōu)先，在比較等待起/降隊列的長度之后可以選擇是否繼續(xù)遵循到達(dá)優(yōu)先原則；對于后者，一般使用先到先服務(wù)的原則。

3）脫離/進(jìn)入跑道、進(jìn)入門位、推出、開車、開始地面滑行/結(jié)束地面滑行、開始起飛滑行等。SIMMOD Plus主要通過安排飛機(jī)排隊起飛順序、調(diào)節(jié)滑行飛機(jī)的啟動和停止、調(diào)節(jié)飛行滑行速度、指定門位等并結(jié)合定義地域路線來模擬對地面飛機(jī)的管制。飛機(jī)在飛行區(qū)活動的滑行速度如表3所示。

表3 飛機(jī)在飛行區(qū)活動時的滑行速度Tab.3 Taxi speed of aircraft

2.5 機(jī)位參數(shù)

揚州泰州機(jī)場近期共規(guī)劃了12個停機(jī)位，其中近機(jī)位7個，遠(yuǎn)機(jī)位5個。包括11個C類機(jī)位和1個B類機(jī)位。仿真分析中假定浦東國際機(jī)場的客運飛機(jī)全部?？縏1航站樓，包括28個近機(jī)位和11個遠(yuǎn)機(jī)位，貨運飛機(jī)停靠T1航站樓北側(cè)的貨運機(jī)位。停機(jī)位的分配采用動態(tài)隨機(jī)策略。各類飛機(jī)在登機(jī)橋上下飛機(jī)的操作時間如表4所示。

表4 飛機(jī)操作所需的時間概率Tab.4 Operating time probability of aircraft

3 仿真結(jié)果分析

3.1 評價指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)

在仿真分析中主要對飛機(jī)的延誤時間進(jìn)行評價，根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)以延誤不超過4 min作為飛行區(qū)運行效率評價標(biāo)準(zhǔn)[3]。

3.2 揚州泰州機(jī)場仿真分析

根據(jù)上述的仿真參數(shù)，在SIMMOD Plus中建立揚州泰州機(jī)場的平面模型。并由程序隨機(jī)產(chǎn)生高峰小時的航空交通量。到港航班的滑行時間如圖4所示，離港航班的滑行時間如圖5所示。到港航班的平均滑行時間為4 min，離港航班的平均滑行時間為5 min。各個航班的延誤時間如圖6所示，平均的延誤時間為1 min，最大的延誤時間約4 min。因此，當(dāng)高峰小時的起降架次為12次時，揚州泰州機(jī)場的飛行區(qū)布局和停機(jī)位的設(shè)置是合理的。

圖4 到港航班滑行時間Fig.4 Taxi time for arrival flights

圖5 離港航班滑行時間Fig.5 Taxi time for departure flights

圖6 航班的延誤時間Fig.6 Delay of flights

3.3 浦東國際機(jī)場仿真分析

通過對浦東國際機(jī)場2008年4月某一天11：00—14：00間實際航班的仿真模擬，截取12：00—13：00的高鋒時段進(jìn)行分析。該時段到達(dá)航班的飛行區(qū)滑行時間如圖7所示，平均滑行時間為303 s。該時段出發(fā)航班的飛行區(qū)滑行時間如圖8所示，平均滑行時間為440 s。該時段到達(dá)航班的飛行區(qū)總延誤如圖9所示，平均延誤時間為20.7 s。該時段出發(fā)航班的飛行區(qū)延誤時間如圖10所示，平均延誤為61.1 s。從分析的結(jié)果來看，如果按照第一跑道起飛，第三跑道降落的運行方案，并且飛機(jī)均?？縏1航站樓，該航空交通量可以在該機(jī)場得到很好的運行，運行效率高，延誤小，因此其飛行區(qū)布局能滿足該航空交通量的要求。

圖7 浦東到港航班的飛行區(qū)滑行時間Fig.7 Taxi time for arrival flights at Pudong

圖8 浦東離港航班的飛行區(qū)滑行時間Fig.8 Taxi time for departure flights at Pudong

圖9 浦東到港航班的延誤時間Fig.9 Delay of arrival flights at Pudong

3.4 浦東國際機(jī)場飛行區(qū)未來適應(yīng)性評價

根據(jù)浦東國際機(jī)場2004年的規(guī)劃，2015年的客流量將達(dá)到6 000萬人次/年，高峰小時的起降架次為134次，分別由4條平行跑道承擔(dān)。根據(jù)預(yù)測，2015年重型飛機(jī)（E類和F類）的比例約占42.5%，大型飛機(jī)（C類和D類）的比例約占57.5%，其高峰小時的架次分別為57和77架次。假定在跑道1、3組合和跑道2、4組合承擔(dān)的飛機(jī)起降架次相同，到達(dá)和出發(fā)航班量相等。因此，在仿真中僅考慮機(jī)場西側(cè)的情況，即跑道1和跑3道，航站樓T1和航站樓S1，其承擔(dān)的高峰小時起降架次為重型飛機(jī)28架次和40架次。假定高峰小時出現(xiàn)在12：00—13：00，前后各1 h內(nèi)輸入和高峰小時同樣的交通量，分析高峰小時的飛機(jī)運行狀況。

圖10 浦東離港航班的延誤時間Fig.10 Delay of departure flights at Pudong

12：00—13：00之間的航班無障礙平均滑入和滑出時間分別為351 s和366 s，與2008年的運行狀況接近。由于S1衛(wèi)星航站樓的啟用，使得從S1出發(fā)的起飛滑行距離縮短，因此使得平均滑出時間縮短。該時段到達(dá)航班的延誤情況如圖11所示。由圖可知航班延誤主要為滑行道穿越跑道引起的跑道穿越延誤。因此，在運行組織中應(yīng)加強(qiáng)對跑道穿越的管理和從跑道端部繞行的指引管理。該時段出發(fā)航班的延誤情況如圖12所示。由圖可知，延誤由兩部分組成：滑行時為了保證安全間隔造成的滑行等待延誤，以及在跑道端部等待起飛造成的等待延誤。該時段出發(fā)飛機(jī)的平均延誤為343.9 s，超過了4 min延誤的一般國際標(biāo)準(zhǔn)。造成這種延誤主要原因是起飛時的管制間隔要求，以及到達(dá)飛機(jī)穿越跑道造成的影響。需要在后續(xù)的運行中采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行改進(jìn)。

圖11 到港航班的總延誤Fig.11 Total delay of arrival flights at Pudong

圖12 離港航班的總延誤Fig.12 Total delay of departure flights at Pudong

4 結(jié)語

本文對基于離散仿真分析的機(jī)場飛行區(qū)布局評價方法進(jìn)行了討論，小結(jié)如下：

1）依托江南的兩大機(jī)場，給出了在中國采用SIMMOD進(jìn)行仿真分析時，建議的空中交通管理、飛機(jī)操作、滑行速度等的參數(shù)取值；

2）對揚州泰州機(jī)場的單跑道飛行區(qū)布局進(jìn)行了評價分析，結(jié)果表明延誤均小于4 min，運行效率較好；

3）對浦東國際機(jī)場的飛行區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)狀和未來適應(yīng)性評價分析。結(jié)果表明在現(xiàn)階段機(jī)場的運行效率較高。但為了適應(yīng)未來的航空交通量，需采取適當(dāng)?shù)倪\行管理優(yōu)化措施，使延誤時間控制在4 min以下。

[1]趙鴻鐸，談至明，張?zhí)m芳.大型航空港設(shè)計布局評價指標(biāo)的探討[J].交通與運輸（學(xué)術(shù)版），2007（12）：93-95.

[2]US Federal Aviation Administration Advisory Circular.150/5060-5，Airport Capacity and Delay[S].WashingtonDC：USGovernmentPrinting Office，1983.

[3]NORMAN J ASHFORD，SALEH MUMAYIZ，PAUL H WRIGHT.Airport Engineering：Planning，Design and Development of 21st Century Airports[M].Hoboken，New Jersey：John Wiley & Sons Inc，2011.

[4]中國民用航空總局.MH 5001—2006，民用機(jī)場飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國民用航空總局，2006.

[5]李浩瀚.跑道容量的仿真模型分析[J].交通科技與經(jīng)濟(jì)，2009，11（3）：1-3.

[6]ATAC.Simmod PLUS!Reference Manual Version 7.6.2[G].Sunnyvale，CA：ATAC Corporation，2011.

[7]談至明，趙鴻鐸，張?zhí)m芳.機(jī)場規(guī)劃與設(shè)計[M].北京：人民交通出版社，2010.

[8]中國民用航空總局.CCAR—93TM-R3，中國民用航空空中交通管理規(guī)則[S].北京：中國民用航空總局，2007.