陳芊

中國民航機場建設(shè)集團公司規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100101

機場系統(tǒng)是航空運輸系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。近年來隨著我國社會經(jīng)濟和航空業(yè)的快速發(fā)展，很多機場現(xiàn)有設(shè)施已幾近飽和，面臨新建和改擴建任務(wù)。機場系統(tǒng)規(guī)模越來越大，飛行區(qū)構(gòu)型也日趨復(fù)雜和多樣化，給機場規(guī)劃設(shè)計與管理增加了新的難度，傳統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計方式已經(jīng)難以滿足機場設(shè)計、評估、優(yōu)化的要求，無法適應(yīng)機場建設(shè)快速發(fā)展的需要。

在機場規(guī)劃設(shè)計階段，需要對飛行區(qū)系統(tǒng)資源進行合理配置和布局，既要能夠滿足未來航空業(yè)務(wù)量的發(fā)展需要，保障機場安全高效運行，又能保障提供高水平的服務(wù)質(zhì)量。計算機仿真分析是提高機場系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計與運營管理水平的重要途徑，通過建立機場飛行區(qū)及其子系統(tǒng)的仿真模型，可以預(yù)先驗證新建、擴建、改建機場的方案可行性，對代表機場系統(tǒng)運行效率的重要指標進行模擬分析和系統(tǒng)研究，從而推斷飛行區(qū)系統(tǒng)的總體性能，幫助機場規(guī)劃設(shè)計和管理決策部門做出科學(xué)的判斷和分析。

1 、飛行區(qū)規(guī)劃設(shè)計

飛行區(qū)系統(tǒng)主要包括跑道、滑行道和站坪機位三大主要功能設(shè)施，其規(guī)劃設(shè)計根據(jù)當?shù)氐匦?、氣候條件和航空需求，對跑道數(shù)量、方位和幾何構(gòu)型、滑行道結(jié)構(gòu)、機坪區(qū)布局和門位數(shù)量等進行整體布局和總體規(guī)劃。飛行區(qū)的幾何構(gòu)型在許多重要方面影響著機場的運行，飛行區(qū)的規(guī)劃設(shè)計應(yīng)能保證一定的運行效率、靈活性以及未來發(fā)展的潛力[1]。新建或擴建機場，制定的設(shè)計方案是否滿足機場安全、高效的運行需求，需要經(jīng)過程序復(fù)雜而縝密的科學(xué)論證，傳統(tǒng)論證過程和結(jié)果不直觀，效果不理想。由于機場系統(tǒng)的復(fù)雜性以及受各種不確定因素的影響，機場系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計者無法確切把握機場系統(tǒng)的運營規(guī)律以及機場系統(tǒng)的交通特性[2]，難以根據(jù)預(yù)測的航空需求做出合理的規(guī)劃設(shè)計，很難把握各個方案的實際性能，無法對不同規(guī)劃方案進行簡捷、省時的對比。

2 、計算機仿真

計算機仿真[3]是以計算機及其相應(yīng)的軟件為工具，以真實系統(tǒng)或預(yù)設(shè)系統(tǒng)的仿真模型為依據(jù)，通過對仿真試驗過程的觀察和統(tǒng)計，得到被仿真系統(tǒng)的仿真輸出信息和基本特性，實現(xiàn)對實際系統(tǒng)運行狀態(tài)和變化規(guī)律的綜合評估與預(yù)測，進而實現(xiàn)對真實系統(tǒng)設(shè)計與結(jié)構(gòu)的改善或優(yōu)化。計算機仿真在研究機場飛行區(qū)這類復(fù)雜系統(tǒng)時具有獨特的優(yōu)勢，可以最大程度地對各種復(fù)雜瑣屑的細節(jié)進行模擬，降低與實際系統(tǒng)的差別，因而可以得到更為真實的結(jié)果；它在應(yīng)用上具有安全性和經(jīng)濟性等特點，特別是對于投資大又有相當風(fēng)險的項目，可以用極小的投資換取風(fēng)險的大幅度降低。近些年來計算機仿真技術(shù)快速發(fā)展，由于它綜合集成了計算機、圖形圖像、多媒體、軟件工程、信息處理等多個高科技領(lǐng)域的知識，已經(jīng)成為研究大規(guī)模、復(fù)雜系統(tǒng)不可或缺的評價手段和有力工具。

3 、常見仿真模型

當前機場系統(tǒng)仿真評估相關(guān)研究走過了一個研究對象從少到多，研究方法從數(shù)學(xué)分析到計算機仿真，影響因素從簡單到復(fù)雜的過程。目前應(yīng)用最為廣泛的機場飛行區(qū)仿真模型主要是SIMMOD和TAAM[4,5,6]，它們都屬于微觀、動態(tài)、綜合型的全面機場仿真軟件，可以模擬飛機在空域和機場各個部分上的運行。表1對兩大主流機場系統(tǒng)仿真模型進行了簡單比較。

表1 SIMMOD和TAAM仿真模型比較

4 、設(shè)計方案仿真分析

仿真建模主要輸入數(shù)據(jù)包含以下幾方面信息：機場飛行區(qū)布局、跑道使用模式、滑行流向及速度、空域結(jié)構(gòu)、空管規(guī)則、地面運行規(guī)則、機位上下客服務(wù)時間、航班時刻表等。為更好掌握和了解機場飛行區(qū)未來運行狀況，結(jié)合機場航班歷史運行數(shù)據(jù)和航空業(yè)務(wù)量預(yù)測值，采用多套航班時刻表仿真分析不同航班需求量下飛行區(qū)系統(tǒng)運行情況。在模型中載入不同的航班時刻表，多次運行仿真模型并對仿真輸出數(shù)據(jù)進行細化分析與統(tǒng)計，分析不同航班需求量下的機場地面運行情況及延誤水平，找出潛在問題或運行瓶頸，為方案評估及優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)建議。

4.1 容量和延誤

對機場系統(tǒng)而言，容量和延誤是衡量機場運行效率的兩個最重要的指標。在不考慮延誤水平且航班起降存在連續(xù)需求情況下，機場系統(tǒng)在單位時間內(nèi)可以服務(wù)的最大飛機起降架次，稱為機場系統(tǒng)的最大容量或極限容量。實際運行容量是指在單位時間內(nèi)（通常為1小時），對應(yīng)某一航班延誤水平，機場系統(tǒng)所能服務(wù)的飛機起降架次。機場系統(tǒng)實際運行容量與延誤水平直接相關(guān)。通過仿真模擬得到未來不同航班需求量下飛行區(qū)系統(tǒng)的高峰小時運行架次如圖1所示，可見隨著日航班量的增加離港高峰、進港高峰以及高峰小時運行架次均有所增加，航班量增加10%后，機場實際運行容量上升空間有限，高峰小時起降架次基本保持穩(wěn)定。圖2顯示了仿真模擬中得到的離港航班平均地面延誤時間及延誤增長趨勢，離港航班延誤增幅大于航班量的增幅，從中可得某可接受延誤水平下對應(yīng)的實際運行容量。

圖1 進離港高峰起降架次

圖2 離港地面平均延誤趨勢

4.2 地面運行時間

飛機平均滑行時間/距離是反映飛機滑行便利條件的重要參數(shù)。在不考慮任何干擾和阻礙下情況，進港或離港航班在機場地面的必要滑行時間通常受到飛行區(qū)地面設(shè)施整體布局的限制，該時間與航班量的多少無關(guān)，僅反映飛行區(qū)規(guī)劃設(shè)計方案的物理布局特性。實際上，航空器在飛行區(qū)內(nèi)的運行還會與其他航空器間存在的運行沖突和相互干擾，地面滑行實際用時則包含必要滑行時間和延誤時間。通過對仿真結(jié)果數(shù)據(jù)的統(tǒng)計得到進、離港航班的地面滑行時間如圖3所示。不同航班運量下，進、離港航班的必要滑行時間基本保持不變。離港航班地面滑行實際用時則隨著航班量的增加而增大，主要是由于地面延誤時間的增加造成的；進港航班的地面延誤時間很小，因此進港地面滑行實際用時變化不大。

圖3 進、離港航班滑行時間統(tǒng)計

4.3 停機位使用

停機位是機場運行的重要資源之一，是實現(xiàn)航班快速安全?？?、保證航班間有效銜接、提高整個機場系統(tǒng)容量和服務(wù)效率的一個關(guān)鍵因素。停機位利用率和航班靠橋率，在一定程度上反映了機場航空運輸保障能力和機位系統(tǒng)服務(wù)水平。停機位利用率，是指機位被航班占用的時間與總運行時間的百分比；航班靠橋率，是指?？拷鼨C位的航班占航班總運行架次的百分比。通過仿真模擬得到停機位利用率和航班靠橋率的統(tǒng)計情況如表2所示，可見不同航班需求量時航班靠橋率均達86%以上；近、遠機位的利用率隨著航班量的增加均有所增大，當航班量增加15%時靠橋率略有下降，此時遠機位被大量占用。

表2 機位利用率和靠橋率統(tǒng)計

5 、結(jié)束語

計算機仿真是分析評價復(fù)雜系統(tǒng)運行狀態(tài)或設(shè)計優(yōu)化未來系統(tǒng)性能與功能的一種重要技術(shù)手段，已經(jīng)逐漸成為機場規(guī)劃設(shè)計環(huán)節(jié)中的重要組成部分，改進了傳統(tǒng)的機場規(guī)劃設(shè)計方法。在機場飛行區(qū)規(guī)劃設(shè)計過程中，通過建立計算機仿真模型，對機場主要規(guī)劃設(shè)計方案進行模擬試驗，輸出仿真運行結(jié)果數(shù)據(jù)，以便對設(shè)計方案及潛在問題進行分析和判斷，達到對已有方案進行驗證和對未來運行狀況進行預(yù)測的目的，實現(xiàn)最優(yōu)配置情況下的最優(yōu)狀況，滿足機場規(guī)劃設(shè)計的要求，適應(yīng)機場建設(shè)快速發(fā)展的需要。

[1]理查德·德·紐弗威爾，阿米第R.歐都尼.機場系統(tǒng)：規(guī)劃、設(shè)計和管理 [M].中國民航出版社.2006

[2]倪桂明，楊東援.機場系統(tǒng)計算機仿真研究的應(yīng)用與發(fā)展 [J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2002，14(1):1-4

[3]Law A M, Kelton W D . Simulation modeling and analysis [M]. McGraw Hill, Inc, 1991

[4]CACI Products Company, Inc. SIMMOD The Federal Aviation Administration Airport and Airspace Simulation Model: Information Brief[M]. US Department of Transportation, Federal Aviation Administration, Atlantic City, NJ. 1990

[5]Jasenka Rakas, Airport-Airspace Simulations[C].TRB 81st Annual Meeting Workshop, January 13,2002

[6]田勇，付建軍，王艷軍.機場地面容量評估研究 [J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2006，38(5)：619-622