武丁杰

（中國民航飛行學(xué)院 空中交通管理學(xué)院，四川 廣漢 618307）

1 各種運(yùn)行模式下制約跑道容量的因素

1.1 獨(dú)立平行儀表進(jìn)近模式

獨(dú)立平行儀表進(jìn)近模式是指在相鄰的平行跑道儀表著陸系統(tǒng)上進(jìn)近的航空器之間不需要配備規(guī)定的雷達(dá)間隔時(shí)，同時(shí)進(jìn)行的儀表著陸系統(tǒng)進(jìn)近的運(yùn)行模式。其理論容量應(yīng)該是單條跑道容量的整倍數(shù)，而實(shí)際情況卻相差甚遠(yuǎn)。主要原因有以下幾點(diǎn)。

1）建立航向道的引導(dǎo)限制。在單跑道運(yùn)行時(shí)，管制員引導(dǎo)飛機(jī)建立航向道時(shí)，指令航向與跑道延長(zhǎng)線的夾角小于30°即可，但在平行跑道運(yùn)行時(shí)，此夾角必須小于20°，而且要防止飛機(jī)進(jìn)入2條跑道延長(zhǎng)線中間的非侵入?yún)^(qū)，指揮難度更大，為避免把飛機(jī)向非侵入?yún)^(qū)引導(dǎo)，管制員會(huì)留出更大的進(jìn)近間隔余度，導(dǎo)致了跑道使用效率降低。

2）目前，采用平行跑道運(yùn)行的機(jī)場(chǎng)通常采用設(shè)置進(jìn)近門的方法避免在起始進(jìn)近階段2架未建立下滑道的飛機(jī)達(dá)到同高度。飛機(jī)切入航向道的位置被進(jìn)一步提前，飛機(jī)保持小進(jìn)近速度飛行的時(shí)間增加，5邊占用時(shí)間長(zhǎng)，由此導(dǎo)致跑道使用效率降低。

3）地面交通限制。平行跑道機(jī)場(chǎng)的滑行道布局往往比單跑道機(jī)場(chǎng)復(fù)雜，甚至有穿越跑道的路線，可能導(dǎo)致離場(chǎng)航班不能及時(shí)到達(dá)起飛位置，降低離場(chǎng)容量。在飛機(jī)穿越跑道時(shí)要求更大的落地間隔，影響到場(chǎng)容量。

4）平行跑道的布局導(dǎo)致起飛與落地飛機(jī)間互相限制。有些平行跑道機(jī)場(chǎng)由于兩個(gè)跑道頭錯(cuò)開較多，導(dǎo)致機(jī)場(chǎng)只能把2條跑道當(dāng)1條使用。

1.2 相關(guān)平行儀表進(jìn)近模式

相關(guān)平行儀表進(jìn)近模式是指在相鄰的平行跑道儀表著陸系統(tǒng)上進(jìn)近的航空器之間需要配備規(guī)定的雷達(dá)間隔時(shí)間，同時(shí)進(jìn)行的儀表著陸系統(tǒng)的進(jìn)近運(yùn)行模式。

限制此模式最大容量的因素除了獨(dú)立平行儀表進(jìn)近模式中的幾點(diǎn)外，主要是：最后進(jìn)近間隔的放大。獨(dú)立平行儀表進(jìn)近模式中的間隔放大是在雷達(dá)尾流間隔的基礎(chǔ)上管制員增加了間隔余度，它是在雷達(dá)尾流間隔和相鄰的平行跑道上進(jìn)近的航空器間隔中取較大值。目前的規(guī)定是，在兩條相鄰的儀表著陸系統(tǒng)航向道上同時(shí)進(jìn)近的航空器之間的雷達(dá)間隔不小于4km。該模式下管制員的調(diào)整起到很關(guān)鍵的作用，如果管制員處理得當(dāng)，將2條跑道上進(jìn)近的航空器穿插起來，是可以同時(shí)滿足雷達(dá)尾流間隔和“4km”的要求；但到場(chǎng)航班是隨機(jī)的，只有提供較大的間隔余度才能將不同跑道的航班互相穿插起來，因此，間隔遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雷達(dá)尾流間隔。

在當(dāng)前規(guī)定中，根據(jù)逆推法，進(jìn)近飛機(jī)的縱向間隔要至少達(dá)到8km（見圖1），才能滿足前機(jī)脫離跑道、后機(jī)到達(dá)發(fā)著陸許可的最晚位置（距離跑道頭4km）。因此，6km的尾流間隔幾乎不會(huì)用到。

在8km間隔時(shí)，如果插入1架相鄰跑道的飛機(jī)，考慮到這架飛機(jī)與前后兩機(jī)的間隔余度，實(shí)際間隔一般都會(huì)達(dá)到10km。

在10km間隔時(shí)，插入1架相鄰跑道的飛機(jī)，減去距前機(jī)的4km和距后機(jī)的4km，還有2km作為插入飛機(jī)的空間。

綜上對(duì)平行跑道相關(guān)平行儀表進(jìn)近中尾流間隔的應(yīng)用，可以認(rèn)為10km是平行跑道相關(guān)運(yùn)行中最常用的最小間隔標(biāo)準(zhǔn)，在航班連續(xù)到達(dá)的情況下，不同跑道的飛機(jī)完全穿插起來能獲得最大容量。

圖1 相關(guān)進(jìn)近間隔示意圖

1.3 獨(dú)立平行離場(chǎng)模式

獨(dú)立平行離場(chǎng)模式是指離場(chǎng)航空器在平行跑道上沿相同方向同時(shí)起飛的運(yùn)行模式。當(dāng)2條平行跑道的間距小于760m，航空器可能受尾流影響時(shí)，平行跑道離場(chǎng)航空器的放行間隔應(yīng)當(dāng)按照為1條跑道規(guī)定的放行間隔執(zhí)行。此模式對(duì)比單跑道，容量限制在于離場(chǎng)間隔更加苛刻。單跑道運(yùn)行中，管制員可以將不同離場(chǎng)方向的航班穿插放行，飛機(jī)起飛后立即轉(zhuǎn)彎，實(shí)現(xiàn)側(cè)向間隔，從而將尾流影響降到最低，放行間隔可能小于尾流間隔。平行跑道運(yùn)行中為避免起飛后航跡交叉的沖突，往往1條跑道只有1個(gè)特定的起飛轉(zhuǎn)彎方向。同跑道連續(xù)起飛的飛機(jī)都有1段相同航跡，因此，必須嚴(yán)格遵守起飛尾流間隔。

1.4 隔離平行運(yùn)行模式

隔離平行運(yùn)行模式是指在平行跑道上同時(shí)進(jìn)行的運(yùn)行，其中一條跑道只用于離場(chǎng)，另一條跑道只用于進(jìn)近。在此模式下，機(jī)場(chǎng)容量相當(dāng)于單跑道全部起飛或落地的最大容量值之和。

2 單跑道容量評(píng)估方法

目前，評(píng)估單跑道容量最經(jīng)典的方法——時(shí)間空間法是針對(duì)最小間隔下的跑道最大容量。而平行跑道容量計(jì)算，不能以最小間隔為求解目標(biāo)，而是采用規(guī)定間隔再加上管制員的間隔余度，在計(jì)算平行跑道容量時(shí)可以借鑒單跑道容量計(jì)算的思路：

時(shí)間空間法中如果2個(gè)飛機(jī)間的時(shí)間間隔是已知的，則單跑道容量Capacity為

E[h] 為飛機(jī)時(shí)間間隔的期望，即前后相繼2個(gè)飛機(jī)間的時(shí)間間隔（采用加權(quán)平均），再用給定的時(shí)間段值與其相除，即可得到在該時(shí)間段內(nèi)機(jī)場(chǎng)的最大容量。該模型中用到的變量描述如下：

飛機(jī)按尾流分為n類，i表示第i類飛機(jī)為前機(jī)，j表示第j類飛機(jī)為后機(jī)。

DisAA[daiij]n×n落地飛機(jī)間的最小距離間隔規(guī)定，km；在獨(dú)立平行儀表進(jìn)近模式下，需在已反映出通信中延遲12s、飛行員反應(yīng)時(shí)間10s；以進(jìn)近140knots的最后進(jìn)近速度換算為1.55km，考慮到管制員余度，則在尾流間隔基礎(chǔ)上至少加2km；在相關(guān)平行儀表進(jìn)近模式，同樣增加2km間隔余度，未達(dá)到10km，取10km為最小間隔。

DisDD[ddiij]n×n：起飛飛機(jī)間最小時(shí)間間隔規(guī)定，s；取起飛尾流間隔，各種誤差只能向增加間隔的方向取。

DisAD：放行離場(chǎng)飛機(jī)時(shí)，到場(chǎng)飛機(jī)必須離開跑道的最小距離，km。

P[piij]n×n：飛機(jī)的概率矩陣；

T[tiij]n×n：飛機(jī)的時(shí)間間隔矩陣（s）；

ROTi：第i類飛機(jī)占用跑道的時(shí)間（s）；

Vi：第i類飛機(jī)的速度（km／h）；

L：進(jìn)近的長(zhǎng)度（km）；

在目前的空管規(guī)則中，對(duì)于起飛和降落飛機(jī)一般都是降落優(yōu)先，并且要求在任何瞬間只能有1架飛機(jī)占用跑道（前機(jī)接地，可以讓起飛飛機(jī)同時(shí)上跑道時(shí)除外），降落飛機(jī)距離跑道入口小于1個(gè)規(guī)定的距離時(shí)不能放行起飛飛機(jī)。因此，在落地飛機(jī)之間加起飛飛機(jī)需滿足

式中：Tij為落地飛機(jī)時(shí)間間隔，ROTAi為落地飛機(jī)占用跑道時(shí)間，ROTDi為在Tij間隔中最后1架起飛飛機(jī)的起飛滑跑時(shí)間，k為在落地飛機(jī)i與j之間插入起飛的飛機(jī)數(shù)量，E[TDi]為連續(xù)起飛間隔的期望值。

定義矩陣N[niij]n×n，nij表示在降落飛機(jī)i與j之間可插入的起飛飛機(jī)數(shù)，當(dāng)滿足（2）式時(shí)nij＝k，求出矩陣N[niij]n×n，在降落飛機(jī)間可插入的起飛飛機(jī)數(shù)就表示起飛飛機(jī)的容量，由下式得

3 平行跑道容量評(píng)估算例

在實(shí)際中，ROTAi的經(jīng)驗(yàn)值為50s，ROTDi的經(jīng)驗(yàn)值為45～50s，DisAD通常為4km，落地飛機(jī)一般要飛1min。如果嚴(yán)格按照著陸尾流時(shí)間間隔或著陸雷達(dá)尾流間隔使飛機(jī)落地，只有后機(jī)是輕型機(jī)的情況可以插入1架起飛飛機(jī)，而輕型機(jī)在各大機(jī)場(chǎng)航班中所占比例非常小，換言之，在落地飛機(jī)采用尾流間隔時(shí)，幾乎無法安排起飛飛機(jī)。只在落地飛機(jī)間隔為12km以上時(shí)才可能加入起飛飛機(jī)。

目前，平行跑道機(jī)場(chǎng)通常采用半混合運(yùn)行，即：

1）一條跑道只用于進(jìn)近，另一條跑道按照獨(dú)立平行儀表進(jìn)近模式或者相關(guān)平行儀表進(jìn)近模式用于進(jìn)近，或者按照隔離平行運(yùn)行模式用于離場(chǎng)。

2）一條跑道只用于離場(chǎng)，另一條跑道按照隔離平行運(yùn)行模式用于進(jìn)近，或者按照獨(dú)立平行離場(chǎng)模式用于離場(chǎng)。

因此，在平行跑道機(jī)場(chǎng)容量評(píng)估中最重要的數(shù)據(jù)就是：跑道全部起飛或全部落地的最大容量、跑道起降比為1∶1時(shí)的最大容量。

取首都機(jī)場(chǎng)平行跑道運(yùn)行時(shí)期的航班數(shù)據(jù)，設(shè)定參數(shù)如下：①起飛落地各占50%的情況下，采用平行跑道獨(dú)立平行儀表進(jìn)近模式和獨(dú)立平行離場(chǎng)模式；②加入起飛飛機(jī)時(shí)，落地航空器之間使用的著陸間隔：前機(jī)為中型機(jī)時(shí)，采用最小間隔12km；前機(jī)為重型機(jī)時(shí)，采用最小間隔15km；③起飛飛機(jī)與著陸飛機(jī)間的最小間隔使用4km；④最后進(jìn)近速度設(shè)定中型機(jī)為140knots；重型機(jī)為145knots。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)首都機(jī)場(chǎng)重型機(jī)占29.22%，中型機(jī)占70.78%，輕型機(jī)為0。P[piij]n×n：飛機(jī)的概率矩陣見表1。

表1 飛機(jī)概率矩陣

3.1 全部落地時(shí)獨(dú)立平行儀表進(jìn)近模式下的最大容量

最小距離間隔規(guī)定表2

時(shí)間間隔矩陣表3

3.2 全部落地時(shí)相關(guān)平行儀表進(jìn)近模式下的最大容量

DisAA[daij]n×n：落地飛機(jī)間的最小距離間隔規(guī)定（見表4），km。

表4 落地飛機(jī)間的最小距離間隔規(guī)定

T[tij]n×n：飛機(jī)的時(shí)間間隔矩陣（見表5），s。

表5 飛機(jī)的時(shí)間間隔矩陣

3.3 全部起飛時(shí)獨(dú)立平行離場(chǎng)模式下的最大容量

表6 起飛間隔矩陣

3.4 起飛落地各占50%情況下，采用平行跑道獨(dú)立平行儀表進(jìn)近模式和獨(dú)立平行離場(chǎng)模式時(shí)的最大容量

DisAA[daiij]n×n：落地飛機(jī)間的最小距離間隔規(guī)定（見表7），km。

表7 落地飛機(jī)間的最小距離間隔

表8 落地飛機(jī)的時(shí)間間隔

落地容量為20，起飛容量20。平行跑道最大容量為80。

4 結(jié)束語

北京首都機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程指揮部曾使用美國波音公司的TAAM軟件對(duì)首都機(jī)場(chǎng)容量進(jìn)行了評(píng)估，本文的假設(shè)條件與當(dāng)時(shí)的仿真假設(shè)相同，結(jié)論與仿真結(jié)果誤差不超過2%?？梢?，在認(rèn)清平行跑道的相關(guān)性后，尤其是將這種相關(guān)性正確反映在間隔當(dāng)中，可以用單跑道容量的評(píng)估思路對(duì)平行跑道進(jìn)行評(píng)估。

[1] Antonio Dr，Trani A.Quick Renew of Airport Runway Capacity[D].Blacksburg：Virginia Polytechnic Institute and State University，2003.

[2] 胡明華，劉松，蘇蘭根.基于統(tǒng)計(jì)分析的單跑道容量估計(jì)模型研究[J].數(shù)據(jù)采集與處理，2000，15（1）：74.

[3] 陳勇，曹義華.北京首都國際機(jī)場(chǎng)理論容量曲線的研究[J].中國民航飛行學(xué)報(bào)，2005，16（3）：3.

[4] 劉偉.成都雙流國際機(jī)場(chǎng)空地聯(lián)合容量評(píng)估系統(tǒng)[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2005.

[5] 蔣兵，胡明華，田勇，等.機(jī)場(chǎng)跑道容量評(píng)估模型和估計(jì)方法的進(jìn)一步研究[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2003，3（2）：80－83.

[6] 劉松.機(jī)場(chǎng)空中交通容量估計(jì)系統(tǒng)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，1999.

[7] 彭莉娟，吳鵬，余靜.機(jī)場(chǎng)跑道最大容量評(píng)估模型的研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，43（5）：1018－1022.

[8] 余江，蒲云.跑道著陸容量的數(shù)學(xué)模型及其分析[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，39（1）：42－46.