王 維，熊文娟

（中國民航大學(xué)機(jī)場學(xué)院，天津 300300）

設(shè)置繞行滑行道時的機(jī)場運行效率分析

王 維，熊文娟

（中國民航大學(xué)機(jī)場學(xué)院，天津 300300）

目前,國外多個大型樞紐機(jī)場的繞行滑行道運行實例均表明,該滑行道能有效地提高機(jī)場運行效率。中國具有近距平行跑道的機(jī)場都有條件建設(shè)、運行繞滑。設(shè)置繞行滑行道能減少近距平行跑道機(jī)場的航空器跑道穿越次數(shù),提高運行安全水平和航空器地面滑行效率,降低管制員工作負(fù)荷。通過建立有繞滑條件下進(jìn)場航空器地面滑行路徑的選擇模型,并使用算例和對虹橋機(jī)場SIMMOD模擬計算證明了模型的實用性。計算分析表明,繞滑對減少航空器地面滑行時間作用顯著,且機(jī)場高峰小時架次愈高作用愈明顯。

近距平行跑道;繞行滑行道;運行效率

隨著中國民航運輸和民用機(jī)場的快速發(fā)展，機(jī)場飛行區(qū)跑道、滑行道系統(tǒng)的規(guī)劃布局也呈現(xiàn)出多樣化趨勢。在一些大型機(jī)場，如上海虹橋機(jī)場、浦東機(jī)場和重慶江北機(jī)場等，均采用了近距跑道。采用近距跑道，有利于節(jié)省機(jī)場飛行區(qū)占地、減少航空器地面滑行距離和機(jī)場節(jié)能減排，但同時也帶來了航空器跑道穿越增多、安全風(fēng)險增大等弊端[1]。為提高近距平行跑道的運行效率和安全水平，美國DFW（達(dá)拉斯福特沃斯國際機(jī)場）在2007年4月建成了世界首條繞行滑行道[2]（end-around taxiway/perimeter taxiway，以下簡稱繞滑）。上海虹橋機(jī)場在西區(qū)擴(kuò)建中也在中國首次規(guī)劃、建設(shè)了繞滑，目前已實現(xiàn)物理貫通，即將投入運行?？梢灶A(yù)見，未來中國具有近距平行跑道的機(jī)場都有可能建設(shè)、運行繞滑。因此，繞滑的使用規(guī)則及其對機(jī)場運行效率的影響值得研究。

1 繞行滑行道

繞滑旨在為航空器起飛/著陸提供一條無需穿越跑道即能到達(dá)跑道端或機(jī)坪的滑行路徑[3]。典型的繞滑通常是距跑道端一定距離、圍繞跑道端安全區(qū)的環(huán)形通道。圖1為美國達(dá)拉斯福特沃斯國際機(jī)場的跑道系統(tǒng)及繞滑，17C/35C跑道作為主降跑道，全長4 000 m，有4個快速滑行道出口。繞滑的使用，大大減少了航空器穿越跑道的次數(shù)和風(fēng)險以及飛行員-管制員間的通話量，有助于增加跑道容量和運行效率。

圖1 DFW機(jī)場的繞滑布局Fig.1 Configuration of end-around taxiway in DFW International Airport

2 繞滑運行模型

2.1 模型構(gòu)建

設(shè)近距平行跑道采用一起一降運行模式，靠近機(jī)坪的內(nèi)側(cè)跑道用于起飛，外側(cè)跑道用于著陸。一般情況下，在離場跑道無占用時，著陸航空器可直接穿越跑道駛向機(jī)坪，無需判斷是否使用繞滑，其滑行時間為滑行距離/滑行速度。在離場跑道被占用時，著陸航空器若貿(mào)然穿越跑道則可能造成跑道入侵，引發(fā)飛行安全事故[4]。此時，對于沒有繞滑的機(jī)場，著陸航空器只能等待離場跑道解除占用后方能穿越跑道；對于有繞滑的機(jī)場，既可以沿繞滑道繞過離場跑道前往機(jī)坪，也可以進(jìn)行跑道穿越。此時，如果從提高航空器地面運行效率、減少滑行時間的角度出發(fā)，則要對繞行和等待-穿越兩種方案的時間進(jìn)行比較。

基于上述運行規(guī)則，建立以下模型

方程（1）中，Ti表示進(jìn)場航空器i從著陸跑道至機(jī)坪機(jī)位的合計時間，tir為進(jìn)場航空器滑至穿越節(jié)點r的耗用時間，tit為進(jìn)場航空器穿越跑道的耗用時間，tiw為航空器i的等待穿越時間，tie為航空器選擇繞行滑行道的時間；方程（2）為繞滑使用判斷方程，m為選擇狀態(tài)參數(shù)，如果進(jìn)場航空器的等待—穿越時間大于繞行時間，則為1，否則為0；方程（3）為進(jìn)場航空器到達(dá)穿越節(jié)點的時刻，等于進(jìn)場航空器i到達(dá)跑道的時刻ai加上滑行至穿越節(jié)點的時間；方程（4）表示等待跑道解除占用時間與等待穿越時間的關(guān)系，t′iw為進(jìn)場航空器i的等待跑道解除占用時間，ΔT為啟停損耗時間，該模型取30 s[5]；方程（5）為繞行時間tie的計算公式，其中Leat為繞滑長度，Lir為航空器i選擇的跑道穿越節(jié)點r距繞滑入口的距離；方程（6）為進(jìn)場航空器穿越跑道耗用時間tit的計算公式，lir為穿越節(jié)點r聯(lián)絡(luò)道的長度，Vi為i航空器的平均滑行速度；方程（7）為tir計算公式，L為跑道長度，Lir為穿越節(jié)點r距離繞滑入口的距離；方程（8）為等待跑道解除占用時間。模型還引進(jìn)了參數(shù)N，表示繞滑使用次數(shù)。在有繞滑條件下的航空器地面滑行策略優(yōu)化模型如圖2所示。

圖2 滑行路徑?jīng)Q策流程圖Fig.2 Flow chart of path selection optimization model

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

設(shè)跑道關(guān)閉時間段的集合為C={[s1，e1]；[s2，e2]；…；[sn，en]}，其各元素的左區(qū)間 si為航空器i的起飛滑跑時間點，右區(qū)間ei為航空器i完成離場的時間，即跑道解除占用的時間。若C集合中的相鄰元素上、下限相隔時間過短，以至小于航空器的跑道穿越時間，則將兩個元素的時間區(qū)間做并集處理，如[s1，e1]=[10，80]，[s2，e2]=[90，130]，由于中間間隔僅為10 s，小于實際可能穿越時間，則做并集處理，即跑道關(guān)閉時間取區(qū)間[10，130]。進(jìn)場航班著陸的時間點集合為A={a1，a2，…，an}；進(jìn)場航班到達(dá)跑道穿越節(jié)點的時間點集合K={k1，k2，…，kn}，K=A+[t1r，t2r，…，tnr]。

如圖3所示，進(jìn)場航班1到達(dá)穿越點的時間為k1，但其等待時間小于繞行時間，則該航班選擇等待—穿越；進(jìn)場航班2其到達(dá)穿越點時間為k2，其未在跑道占用時段內(nèi)，且間隔時間大于其穿越時間，可直接穿越；進(jìn)場航班3，其到達(dá)穿越點時間為k3，在等待區(qū)間內(nèi)，且等待—穿越時間超過繞行時間，故該航班選擇繞滑。

圖3 進(jìn)/離場時間節(jié)點圖Fig.3 Arrival/departure time points

3 模型應(yīng)用

以達(dá)拉斯福特機(jī)場為例，結(jié)合圖1，該機(jī)場的內(nèi)側(cè)繞滑長度為2 000 m，該著陸跑道端至穿越節(jié)點的距離矩陣為Lr=[2 600，2 300，2 000，1 600]，機(jī)場某時段的進(jìn)、離場航班時刻如表1和表2所示。該時段航空器均為大型機(jī)，飛機(jī)跑道平均占用時間為60 s?；兴俣葹?00 m/min，穿越點聯(lián)絡(luò)道的長度矩陣為lr= [400，400，400，400]，A320以及B737機(jī)型降落距離都超過1 600 m，B738降落距離為2 000 m，所以在出口選擇上，前兩種機(jī)型選擇3出口，后一種機(jī)型則在1、2出口中隨機(jī)選擇。

表1 到達(dá)航班信息Tab.1 Flights information of arrival aircrafts

根據(jù)模型原理和上述數(shù)據(jù)，可得出到達(dá)航班滑行策略的模型計算結(jié)果，如表3所示，其中Ti和T分別表示使用繞滑和不用繞滑（或沒有繞滑）航空器的合計滑行時間?？梢?，在上午9：00—10：00之間使用繞滑1次，與不用繞滑（或沒有繞滑）相比，航空器的合計滑行時間減少了9.1%。因此，使用繞滑完全不影響航空器離場進(jìn)程,離場跑道可按最大容量運行，同時又減少了進(jìn)場航空器的地面滑行時間。上述繞滑的使用規(guī)則降低了跑道入侵風(fēng)險，緩解了管制員壓力，提升了機(jī)場的運行安全水平。

表2 出發(fā)航班信息Tab.2 Flights information of departure aircrafts

表3 到達(dá)航班滑行策略的模型計算結(jié)果Tab.3 Results of path selection optimization model

4 虹橋機(jī)場SIMMOD模擬數(shù)據(jù)分析

SIMMOD為離散事件仿真軟件，目前被廣泛應(yīng)用于民用機(jī)場飛行區(qū)、航站樓的運行模擬中[6]。

圖4為虹橋機(jī)場的近距跑道。表4給出了該機(jī)場不同的小時進(jìn)場架次。根據(jù)上述條件和本文繞行策略模型，利用SIMMOD軟件對地面滑行時間進(jìn)行了模擬計算。由表4的計算結(jié)果可見，在相同的離場架次（21架次）的情況下，隨著小時進(jìn)場架次的增加，繞滑作用越發(fā)顯著。當(dāng)小時架次達(dá)到30時，平均每架次進(jìn)港航班的等待時間節(jié)省了將近一半（43.9%）。

圖4 虹橋機(jī)場跑道構(gòu)形Fig.4 Runway configuration of Shanghai Hongqiao Airport

表4 虹橋機(jī)場運行模擬Tab.4 Simulation results of Shanghai Hongqiao Airport

5 結(jié)語

通過建立有繞滑條件下進(jìn)場航空器地面滑行路徑選擇模型，并應(yīng)用SIMMOD軟件對虹橋機(jī)場進(jìn)行了模擬計算，驗證了模型的可行性。研究表明：

1）繞滑可有效提升機(jī)場近距平行跑道的地面運行靈活性和安全性，對減少跑道侵入、管制員工作負(fù)荷都有積極影響；

2）繞滑對減少航空器地面滑行時間作用顯著，且高峰小時架次愈高作用愈明顯。

[1]孔金鳳.預(yù)防跑道入侵策略研究[J].航空安全，2010（4）：84-86.

[2]FAA Office of Runway Safety.FAA Runway Safety Report：Runway incursion trends at Towered Airports in the United States，F(xiàn)Y 1999-2002 [R].FAA，800，Independence Avenue SW，Washington，D C.20591，2003.

[3]Satyamangalam Duraiswami Satyamurti.Runway Incursion Mitigation，Capacity Enhancement and Safety Improvement with Perimeter Taxiway Operation at Dallas Fort Worth International Airport[D].USA，Texas：University of Texas at Arlington，2007.

[4]劉 源.關(guān)于降低跑道侵入事件措施的幾點構(gòu)想[J].空中交通管制，2008（5）：13-14.

[5]鄧揚晨，張 爽.飛機(jī)地面滑行過程中最短滑跑距離的確定[J].航空計算技術(shù)，2006，36（1）：71-74.

[6]薛 磊.基于滑行道等待的地面沖突解脫策略研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

（責(zé)任編輯：楊媛媛）

Runway operation efficiency analysis for airports with end-around taxiways

WANG Wei，XIONG Wen-juan
（Airport Engineering College，CAUC，Tianjin 300300，China）

Several foreign hub airports have built the end-around taxiway，which has been proved effective.For China’s airports with closely spaced parallel runways，end-around taxiways（EAT）are ready to be built.The configuration of runways with EAT is helpful for decreasing the aircraft movements of crossing runways，improving operation safety and reducing the workload of ATC controllers.A path selection optimization model for arriving aircraft taxiing is established and validated by SIMMOD simulation software with the data of Shanghai Hongqiao International Airport.The calculation results show that the end-around taxiway has a significant effect for reducing aircraft ground taxiing time，especially in the condition of peak hours with large aircraft movement.

closely spaced parallel runway；end-around taxiway；operation efficiency

U8;V351.11

:A

:1674-5590(2015)02-0014-04

2013-09-03；

:2013-10-22

王維（1960—），男，河北豐南人，教授，碩士，研究方向為機(jī)場工程.