王 維，熊文娟

（中國(guó)民航大學(xué)機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津 300300）

設(shè)置繞行滑行道時(shí)的機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率分析

王 維，熊文娟

（中國(guó)民航大學(xué)機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津 300300）

目前,國(guó)外多個(gè)大型樞紐機(jī)場(chǎng)的繞行滑行道運(yùn)行實(shí)例均表明,該滑行道能有效地提高機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率。中國(guó)具有近距平行跑道的機(jī)場(chǎng)都有條件建設(shè)、運(yùn)行繞滑。設(shè)置繞行滑行道能減少近距平行跑道機(jī)場(chǎng)的航空器跑道穿越次數(shù),提高運(yùn)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(guò)建立有繞滑條件下進(jìn)場(chǎng)航空器地面滑行路徑的選擇模型,并使用算例和對(duì)虹橋機(jī)場(chǎng)SIMMOD模擬計(jì)算證明了模型的實(shí)用性。計(jì)算分析表明,繞滑對(duì)減少航空器地面滑行時(shí)間作用顯著,且機(jī)場(chǎng)高峰小時(shí)架次愈高作用愈明顯。

近距平行跑道;繞行滑行道;運(yùn)行效率

隨著中國(guó)民航運(yùn)輸和民用機(jī)場(chǎng)的快速發(fā)展，機(jī)場(chǎng)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(shì)。在一些大型機(jī)場(chǎng)，如上海虹橋機(jī)場(chǎng)、浦東機(jī)場(chǎng)和重慶江北機(jī)場(chǎng)等，均采用了近距跑道。采用近距跑道，有利于節(jié)省機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)占地、減少航空器地面滑行距離和機(jī)場(chǎng)節(jié)能減排，但同時(shí)也帶來(lái)了航空器跑道穿越增多、安全風(fēng)險(xiǎn)增大等弊端[1]。為提高近距平行跑道的運(yùn)行效率和安全水平，美國(guó)DFW（達(dá)拉斯福特沃斯國(guó)際機(jī)場(chǎng)）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(jiǎn)稱繞滑）。上海虹橋機(jī)場(chǎng)在西區(qū)擴(kuò)建中也在中國(guó)首次規(guī)劃、建設(shè)了繞滑，目前已實(shí)現(xiàn)物理貫通，即將投入運(yùn)行。可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)中國(guó)具有近距平行跑道的機(jī)場(chǎng)都有可能建設(shè)、運(yùn)行繞滑。因此，繞滑的使用規(guī)則及其對(duì)機(jī)場(chǎng)運(yùn)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(wú)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(guó)達(dá)拉斯福特沃斯國(guó)際機(jī)場(chǎng)的跑道系統(tǒng)及繞滑，17C/35C跑道作為主降跑道，全長(zhǎng)4 000 m，有4個(gè)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(xiǎn)以及飛行員-管制員間的通話量，有助于增加跑道容量和運(yùn)行效率。

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

2 繞滑運(yùn)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(yùn)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(chǎng)跑道無(wú)占用時(shí)，著陸航空器可直接穿越跑道駛向機(jī)坪，無(wú)需判斷是否使用繞滑，其滑行時(shí)間為滑行距離/滑行速度。在離場(chǎng)跑道被占用時(shí)，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(shí)，對(duì)于沒(méi)有繞滑的機(jī)場(chǎng)，著陸航空器只能等待離場(chǎng)跑道解除占用后方能穿越跑道；對(duì)于有繞滑的機(jī)場(chǎng)，既可以沿繞滑道繞過(guò)離場(chǎng)跑道前往機(jī)坪，也可以進(jìn)行跑道穿越。此時(shí)，如果從提高航空器地面運(yùn)行效率、減少滑行時(shí)間的角度出發(fā)，則要對(duì)繞行和等待-穿越兩種方案的時(shí)間進(jìn)行比較。

基于上述運(yùn)行規(guī)則，建立以下模型

方程（1）中，Ti表示進(jìn)場(chǎng)航空器i從著陸跑道至機(jī)坪機(jī)位的合計(jì)時(shí)間，tir為進(jìn)場(chǎng)航空器滑至穿越節(jié)點(diǎn)r的耗用時(shí)間，tit為進(jìn)場(chǎng)航空器穿越跑道的耗用時(shí)間，tiw為航空器i的等待穿越時(shí)間，tie為航空器選擇繞行滑行道的時(shí)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(chǎng)航空器的等待—穿越時(shí)間大于繞行時(shí)間，則為1，否則為0；方程（3）為進(jìn)場(chǎng)航空器到達(dá)穿越節(jié)點(diǎn)的時(shí)刻，等于進(jìn)場(chǎng)航空器i到達(dá)跑道的時(shí)刻ai加上滑行至穿越節(jié)點(diǎn)的時(shí)間；方程（4）表示等待跑道解除占用時(shí)間與等待穿越時(shí)間的關(guān)系，t′iw為進(jìn)場(chǎng)航空器i的等待跑道解除占用時(shí)間，ΔT為啟停損耗時(shí)間，該模型取30 s[5]；方程（5）為繞行時(shí)間tie的計(jì)算公式，其中Leat為繞滑長(zhǎng)度，Lir為航空器i選擇的跑道穿越節(jié)點(diǎn)r距繞滑入口的距離；方程（6）為進(jìn)場(chǎng)航空器穿越跑道耗用時(shí)間tit的計(jì)算公式，lir為穿越節(jié)點(diǎn)r聯(lián)絡(luò)道的長(zhǎng)度，Vi為i航空器的平均滑行速度；方程（7）為tir計(jì)算公式，L為跑道長(zhǎng)度，Lir為穿越節(jié)點(diǎn)r距離繞滑入口的距離；方程（8）為等待跑道解除占用時(shí)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(shí)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(shí)間點(diǎn)，右區(qū)間ei為航空器i完成離場(chǎng)的時(shí)間，即跑道解除占用的時(shí)間。若C集合中的相鄰元素上、下限相隔時(shí)間過(guò)短，以至小于航空器的跑道穿越時(shí)間，則將兩個(gè)元素的時(shí)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(shí)際可能穿越時(shí)間，則做并集處理，即跑道關(guān)閉時(shí)間取區(qū)間[10，130]。進(jìn)場(chǎng)航班著陸的時(shí)間點(diǎn)集合為A={a1，a2，…，an}；進(jìn)場(chǎng)航班到達(dá)跑道穿越節(jié)點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)集合K={k1，k2，…，kn}，K=A+[t1r，t2r，…，tnr]。

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

圖3 進(jìn)/離場(chǎng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)圖Fig.3 Arrival/departure time points

3 模型應(yīng)用

以達(dá)拉斯福特機(jī)場(chǎng)為例，結(jié)合圖1，該機(jī)場(chǎng)的內(nèi)側(cè)繞滑長(zhǎng)度為2 000 m，該著陸跑道端至穿越節(jié)點(diǎn)的距離矩陣為L(zhǎng)r=[2 600，2 300，2 000，1 600]，機(jī)場(chǎng)某時(shí)段的進(jìn)、離場(chǎng)航班時(shí)刻如表1和表2所示。該時(shí)段航空器均為大型機(jī)，飛機(jī)跑道平均占用時(shí)間為60 s。滑行速度為500 m/min，穿越點(diǎn)聯(lián)絡(luò)道的長(zhǎng)度矩陣為lr= [400，400，400，400]，A320以及B737機(jī)型降落距離都超過(guò)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(jì)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(méi)有繞滑）航空器的合計(jì)滑行時(shí)間?？梢?jiàn)，在上午9：00—10：00之間使用繞滑1次，與不用繞滑（或沒(méi)有繞滑）相比，航空器的合計(jì)滑行時(shí)間減少了9.1%。因此，使用繞滑完全不影響航空器離場(chǎng)進(jìn)程,離場(chǎng)跑道可按最大容量運(yùn)行，同時(shí)又減少了進(jìn)場(chǎng)航空器的地面滑行時(shí)間。上述繞滑的使用規(guī)則降低了跑道入侵風(fēng)險(xiǎn)，緩解了管制員壓力，提升了機(jī)場(chǎng)的運(yùn)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(jì)算結(jié)果Tab.3 Results of path selection optimization model

4 虹橋機(jī)場(chǎng)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(chǎng)飛行區(qū)、航站樓的運(yùn)行模擬中[6]。

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

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

表4 虹橋機(jī)場(chǎng)運(yùn)行模擬Tab.4 Simulation results of Shanghai Hongqiao Airport

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立有繞滑條件下進(jìn)場(chǎng)航空器地面滑行路徑選擇模型，并應(yīng)用SIMMOD軟件對(duì)虹橋機(jī)場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，驗(yàn)證了模型的可行性。研究表明：

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

2）繞滑對(duì)減少航空器地面滑行時(shí)間作用顯著，且高峰小時(shí)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(diǎn)構(gòu)想[J].空中交通管制，2008（5）：13-14.

[5]鄧揚(yáng)晨，張 爽.飛機(jī)地面滑行過(guò)程中最短滑跑距離的確定[J].航空計(jì)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?yàn)闄C(jī)場(chǎng)工程.