王 媛 胡明華 徐冬慧

(南京航空航天大學民航學院 南京 211106)

機場場面運行延誤特性研究

王 媛 胡明華 徐冬慧

(南京航空航天大學民航學院 南京 211106)

由于地面等待策略的原因，機場場面成為了交通擁堵、航班延誤及航班運行沖突的多發(fā)區(qū)域.通過建立實驗平臺，對場面運行各個環(huán)節(jié)從微觀角度進行分析研究.分別從放行間隔、離場隊列可等待架次數(shù)、跑道運行模式和機型混雜比四個方面進行延誤特性研究.選取其他典型復雜機場對延誤特性進行佐證，凝練出機場場面運行延誤特性，提出降低場面運行延誤策略.

場面延誤；影響程度；特性研究

0 引 言

目前，國外對場面延誤的研究主要包括延誤影響因素和延誤性能的分析研究.在延誤性能的研究中，不能簡單地根據(jù)延誤時長的長短來判斷延誤水平，應當分析影響延誤的因素和影響的程度.國內(nèi)對延誤的研究主要集中在如何通過地面等待策略和終端區(qū)域優(yōu)化等交通管理措施來降低延誤水平.Andersson等[1]通過建立樞紐機場的簡單而準確的模型可以透徹的了解機場動態(tài)，該模型還可提供運營機場改進的定量估計.提出了三個模型來捕捉繁忙的中樞機場運營的動態(tài).引入兩個簡單的排隊模型來捕獲滑入和滑出的過程.通過整數(shù)規(guī)劃模型表示航空公司決策，捕獲飛機周轉(zhuǎn)過程的動態(tài).Shumsky[2]預測離場航空器在停機位的延誤，并且通過航空公司、離場交通流密度和離場跑道等變量預測離場航空器滑行時間，同時還建立了跑道頭等待處服務隊列模型； Campanelli等[3]比較美國和歐洲空中交通網(wǎng)絡建模，分析了由于調(diào)度或干擾引起的延誤傳播問題，分析出先到先服務原則相比ATFM時隙優(yōu)化管理會造成更多擁堵和延誤；徐濤等[4-5]運用支持向量機模型，將進離場航班和航班數(shù)及航班延誤作為訓練樣本進行訓練，以預測航班延誤水平；徐肖豪等[6]在綜合考慮影響航班延誤成本的因素的基礎上，計算了明確的航班延誤成本；朱金福等[7-8]從危機管理的角度，利用擴展理論和方法分析了導致飛行計劃異常運行的危機信號的可擴展性和相關(guān)性，建立了預警模型，減少危機的損失.

綜上，機場場面運行延誤性能研究在我國還比較單一、滯后，對于延誤特性的量化規(guī)律技術(shù)研究較少，大多只局限于具體機場，沒有廣泛適用性.鑒于此，文中通過計算機仿真對機場場面影響航班運行的幾個因素進行深入研究，旨在分析出不同影響因素對復雜機場場面運行延誤的影響規(guī)律.為減少航班延誤、提高場面運行效率、提高機場管理水平提供借鑒.

1 場面交通流建模仿真

1.1 場面運行系統(tǒng)網(wǎng)絡構(gòu)建

航班進離場運行是一個具有嚴格規(guī)范約束的系統(tǒng)，各變量的隨機性導致場面運行系統(tǒng)研究的復雜性，應用線性規(guī)劃等數(shù)學建模方法進行分析不僅運算量大甚至無解，并且所給的運行數(shù)據(jù)也有限，難以達到預期結(jié)果[9].對于場面運行沖突延誤分析這種難以通過數(shù)學建模方法分析細節(jié)的問題，可以通過仿真建模實現(xiàn)場面運行細節(jié)的分析.文中通過構(gòu)建機場滑行道路徑網(wǎng)絡，以離散事件動態(tài)系統(tǒng)理論(DEDS)性能層次上的排隊網(wǎng)絡方法，能有效研究航班在場面運行中各節(jié)點的擁堵狀態(tài)及延誤時長.

將機場場面運行系統(tǒng)抽象為一有向圖集合G=(V,E).其中：V為各節(jié)點的集合；E為各有向邊的集合.l(m,n)為節(jié)點m到節(jié)點n之間的距離.設F={f1,f2,…，fn}為網(wǎng)絡系統(tǒng)中航空器的集合；Fa?F為進場航空器集合；Fd?F為離場航空器的集合；Ri為航空器fi所對應的滑行路徑集合，該滑行路徑共有ki個節(jié)點，Ri={μi1,…，μiki}；μ為各個節(jié)點；Lci為各個節(jié)點的容量，t時刻節(jié)點隊列長；Qi(t)為t時刻節(jié)點的積壓；μl(i)=Lci-Qi(t)為t時刻節(jié)點i還可接收的航空器架次數(shù).

1.2 場面運行系統(tǒng)實驗平臺

根據(jù)航空器運行網(wǎng)絡模型構(gòu)建，無論采用哪種滑行路徑方法，都可將航空器運行過程視作該系統(tǒng)的節(jié)點網(wǎng)絡的輸入、輸出過程.運用實驗室Visual C#開發(fā)系統(tǒng)實驗平臺進行實驗仿真.機場場面網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)建模模塊可以對任意機場場面結(jié)構(gòu)進行快速建模仿真.依據(jù)機場CAD總平面圖，將機場平面圖長和寬輸入系統(tǒng)中，依照CAD圖畫出機場場面圖，再輸入跑道始末端經(jīng)緯度信息，用戶再將場面參數(shù)設置輸入即可.當場面基礎數(shù)據(jù)無誤、系統(tǒng)正確完成初始化后，用戶便可進行后續(xù)實驗研究.實驗系統(tǒng)根據(jù)航空器運行情況，最終生成航班流數(shù)據(jù)[10-11].利用生成航班流數(shù)據(jù)對單位時間航班架次和航班延誤進行分析研究.

2 機場場面運行延誤特性實例分析

2.1 典型機場選取及模型驗證對比

選取杭州蕭山國際機場作為實例分析.杭州機場為雙跑道運行，模式為隔離平行運行，共有122個正常機位，分為7個機坪.選取2015年8月6日的航班計劃作為仿真評估模型數(shù)據(jù)源.

由于場面監(jiān)視雷達數(shù)據(jù)的封閉性，目前難以獲取航班在場面運行數(shù)據(jù)，從可獲取的數(shù)據(jù)看，航班歷史飛行計劃數(shù)據(jù)，可作為模型仿真結(jié)果可靠性的佐證之一；由于真實運行過程的相關(guān)數(shù)據(jù)缺乏，故通過輸入的航班計劃和輸出的航班流分布進行驗證分析.將選取的典型航班日的航班計劃數(shù)據(jù)及運行規(guī)則導入實驗系統(tǒng)，統(tǒng)計比較實際運行與仿真結(jié)果的航班流分布及滑行時間，以驗證仿真結(jié)果的可靠性.

圖1為實際航班流分布與仿真航班流分布對比圖，進離場架次以航空器達到跑道頭或降落跑道為統(tǒng)計標準.圖1a)為實際航班流分布圖，其中進場航班341架次，離場航班330架次，總共671架次；圖1b)為仿真航班流分布圖，其中進場航班350架次，離場航班330架次，總共680架次.仿真航班流較實際航班流增加了9架次，是因為實際航班流位統(tǒng)計超過24:00之后的航班.對比圖1a)～b)可知，仿真航班流與實際航班流分布特點基本一致，進場航空器與離場航空器起飛的時間分布具有一定可靠性.

圖1 航班流分布對比

2.2 機場場面運行延誤特性分析

2.2.1 放行間隔

由于離場航班跑道占用時間只對連續(xù)起飛航班及前序航班起飛后續(xù)航班降落的組合產(chǎn)生影響.一般規(guī)定放行間隔最小為2 min，遠大于起飛跑道占用時間，因此，起飛跑道占用時間一般不會對場面運行情況產(chǎn)生很大影響.本文將進場航班視為離場航班場面運行的干擾因素處理，所以不討論著陸跑道占用時間，僅討論離場航班的放行間隔對整體場面運行延誤的影響規(guī)律.

圖2為不同放行間隔下平均離場延誤對比圖和地面延誤對比圖.放行間隔時長與航空器延誤時長有強烈相關(guān)性.隨放行間隔增大，離場延誤與地面延誤均逐漸增大，放行間隔為2，2.5 min時，14:00后場面運行延誤可將高峰時延誤波及抵消，而放行間隔為3，3.5 min時，后續(xù)運行延誤不能抵消，延誤越來越大，一直延續(xù)到次日.

圖2 不同放行間隔延誤對比

圖3為不同放行間隔下，一天運行時段各航班在跑道頭離場隊列排隊等待延誤趨勢圖.放行間隔時長主要影響離場隊列等待時長，圖3a)～d)均表現(xiàn)出07:00之前，場面航班量小，產(chǎn)生延誤很小，07:00之后，開始高峰運行時段，離場隊列等待延誤陡增，隨放行時間間隔增加，延誤時長基本翻倍增長，導致大量航班延誤到次日運行.

圖3 不同放行間隔離場隊列等待延誤

放行時間間隔過長會導致離場航班流浪費過多的時間間隙，雖然減輕了管制員的工作符合，但空域資源浪費過多，最終使機場場面航班量大大減少.對于基準機場運行環(huán)境而言，放行時間間隔的縮小可以帶來機場容量的提升，運行延誤能夠大大減小.放行間隔每增加0.5 min，場面延誤基本上是翻倍增長.正常運行過程中，放行間隔主要對離場航空器運行的影響，直接影響了場面運行效率.

2.2.2 離場隊列可等待架次數(shù)

圖4為5種情況下跑道頭離場隊列的等待延誤時長分布圖.當離場隊列可等待架次為1架時，意味著只有前一架飛機進入跑道后，第二架航班才可以滑入跑道等待位置，航班量增大后，導致大量航班只能在停機位等待，由于機場停機位有限，最終出現(xiàn)進場航空器無機位可停，離場航空器不能離場，致使整個場面運行進入死鎖狀態(tài)，運行到12:00便終止運行，一天只運行了153架次航班；離場隊列排隊架次為2架次時，航空器等待仍然處于飽和狀態(tài)，延誤仍然不可接受；增加到3個架次時，等待延誤明顯減小，并且12:00后延誤明顯減緩，最高延誤為60 min；繼續(xù)增加到4架、5架等待航班時，離場隊列延誤趨勢基本相同，最高延誤為40 min，可知離場隊列可等待架次至少可等待4架時，離場隊列等待數(shù)與機位釋放才能達到相對平衡狀態(tài)，場面運行效率才能得到提升.

不同離場隊列等待架次延誤對比見圖5，其中圖5a)為2～5架次可等待架次下地面平均延誤對比圖，圖5b)為2～5架次可等待架次下離場平均延誤對比圖.地面平均延誤趨勢與離場平均延誤趨勢基本一致.離場隊列可等待架次為2架時，離場平均延誤大于地面平均延誤，因為離場隊列可等待架次數(shù)變少，排隊航班量變少，離場航班產(chǎn)生延誤波及，而進場航班延誤相對較小，所以整個場面的地面平均延誤相比離場平均延誤小.隨可等待架次增多，地面平均延誤逐漸減小，離場隊列可等待數(shù)為1～3架次時，離場隊列始終處于飽和狀態(tài)，當增加到4架時，離場隊列達到了供需平衡狀態(tài)，基本上滿足離場航班的需求，使場面達到較穩(wěn)定狀態(tài).離場隊列可等待數(shù)為5架次時，離場隊列開始有空閑位置，時刻滿足離場需求，因此離場隊列可等待數(shù)為4、5架次時，地面平均延誤與離場平均延誤趨勢線基本上完全吻合，所以杭州機場跑道頭可等待架次數(shù)至少要為4架或以上.

圖4 不同離場隊列等待架次-離場隊列等待延誤

圖5 不同離場隊列等待架次延誤對比圖

2.2.3 跑道運行模式

圖6為不同跑道運行模式下平均延誤對比圖，其中圖6a)為地面平均延誤圖，圖6b)為離場平均延誤圖，圖6c)為離場隊列平均延誤圖.由圖6可知，隔離運行模式延誤較大，對應左側(cè)坐標軸，相關(guān)運行模式、獨立運行模式延誤相對較小，對應右側(cè)坐標軸.隔離運行場面運行延誤約是相關(guān)運行、獨立運行場面運行延誤的2倍.其中離場隊列平均延誤隔離運行約是相關(guān)運行、獨立運行的3倍.因此隔離運行離場隊列等待延誤更為突出.綜上所述，在條件允許情況下，盡可能使用相關(guān)運行模式或獨立運行模式，不僅容量增大，場面運行延誤也能大大降低.

圖6 各跑道運行模式平均延誤對比

2.2.4 機型混雜比

根據(jù)民航航班正常統(tǒng)計辦法通知可知，機場場面過站時間是按座位數(shù)進行劃分.所以實驗將地面機型分組按照座位數(shù)分組，分為五組：PAS60，PAS150，PAS250，PAS500.PAS60為60座以下機型，PAS150為61～150座，其他以此類推，見表1.由于過站時間主要針對聯(lián)程離場航班，所以機型混雜比主要對聯(lián)程航班機型比例考慮，不考慮始發(fā)航班.

表1 典型機型比例分布實驗分組 %

按照座位數(shù)從少到多排序，全天平均延誤折線圖見圖7，圖7a)為全天地面平均延誤圖，圖7b)為全天平均離場延誤圖.由圖7可知，基本上座位數(shù)少的即最少過站時間短的機型比例占比多的整體延誤偏小，座位數(shù)多的即過站時間較長的機型比例占比多的整體延誤偏大.但并不是全部為PAS500機型時，平均延誤時長就最長.

圖7 地面延誤-離場延誤

各編組全天離場隊列等待平均延誤分布圖見圖8.由圖8可知，機型全部為PAS250時，平均延誤最大.而圖8中G3比G4全天平均離場隊列等待延誤時間少.可知在其他參數(shù)不變的情況下，PAS250最少過站時間相對于PAS500過站時間較短，占用停機位時間也較短，所以只要滿足了過站時間，離場等待隊列未飽和情況下，航班便會推出滑向跑道頭，單位時間內(nèi)推出率達、場面航班量多，沖突便增多，包括機位沖突及滑行沖突；而PAS500最少過站時間較長，占用停機位時間也較長，單位時間內(nèi)航班推出率較少，單位時間內(nèi)場面航班較少，沖突相對較少，停機坪延誤及滑行延誤便會減少，所以場面的滑行延誤有所減緩，因此場面航班全部是PAS250機型時航班的平均延誤比全部是PAS500機型時航班的平均延誤略大.

圖8 離場隊列等待延誤

圖9為G6和G4離場隊列延誤分布圖，由圖9可知，G6的全天平均離場隊列等待延誤最小，G4全天平均離場隊列等待延誤最大.G6機型組合為PAS150：50%、PAS250:50%，G4為機型全部為PAS500.因為PAS500大多為重型機、部分為中型機，跑道占用時間較長，單位時間內(nèi)起飛航班量較少，所以機型全部為PAS500時，離場隊列等待時長最長.而G1機型全部為PAS60，而離場隊列等待延誤時長并不是最小，原因是PAS60基本上為輕型機，即聯(lián)程航班全部為輕型機，其他離場航班和進場航班主要為中型機和重型機，根據(jù)表1可知，只要有輕型機則進離場時間間隔就會很長，在156～187s之間，所以輕型機占比會明顯影響機場容量.當機型全部為PAS60時，機場全天總運行量僅為555架次，相比其他機型組合共減少124架次，容量大大減少.依據(jù)文中參數(shù)設置，航班一般為連續(xù)起飛或著陸，而進離場間隔變長，所以離場等待等待時間也變長.G6機型比例較適中，所以離場隊列等待延誤時長最短.

圖9 G6和G4離場隊列延誤分布

綜上所述，不考慮PAS60機型情況下，PAS150占比較大，PAS250及PAS500占比小的情況下，場面延誤越小，但依據(jù)實際運行情況，中型機較多，以及依據(jù)各編組的延誤走勢圖，可看出G6,G10和G11的延誤是較優(yōu)的，即PAS150和PAS250占比較大時，延誤較少.

3 橫向?qū)Ρ确治?/h2>

2015年鄭州新鄭機場和沈陽桃仙機場旅客吞吐量分別為1 729.74萬人次和1 268.01萬人次，分列全國17和24位.選擇鄭州及沈陽機場作為作為橫向?qū)Ρ确治鰴C場.通過分析實驗數(shù)據(jù)，可得出各影響因素對機場場面運行延誤的宏觀影響規(guī)律是一致的，影響因素的重要性次序也普遍相同.考慮到文章的篇幅限制和內(nèi)容相似性，本文僅列鄭州新鄭機場場面運行的相關(guān)實驗結(jié)果作為驗證數(shù)據(jù).實驗結(jié)果見圖10～13.

圖10 不同放行間隔延誤對比

圖11 各跑道運行模式延誤對比

圖12 不同離場隊列等待架次延誤對比圖

圖13 各機型組合地面延誤-離場延誤

4 結(jié) 論

1) 航空器離場放行時間間隔對場面運行延誤的影響程度是比較明顯的，隨著離場航班放行間隔的增大，場面運行延誤時長逐步增大，因此在實際運行情況允許的情況下，盡量縮短航班放行間隔.例如優(yōu)化前后機型組合，優(yōu)化各航向的放行順序，或多機場協(xié)同放行等改進措施.

2) 離場隊列可等待架次數(shù)較多的情況下，能夠盡量避免跑道時隙資源的浪費，但并不是等待航空器架次越多越好，等待時間越長，航空器燃油消耗越大.若風向改變，需要臨時更改跑道方向，若離場隊列等待架次過多，轉(zhuǎn)換跑道運行方向則很困難.若離場隊列可等待架次過少，則場面運行延誤將會增大很多，并且機場運行容量也大大減少.結(jié)合上述實驗研究，杭州機場跑道頭離場隊列最佳可等待架次為4～5架次.

3) 在進場航路結(jié)構(gòu)沒有明顯變化的情況下，修建跑道可以使機場容量大大增加，雙跑道運行會比單跑道運行的運行能力顯著提高.相關(guān)運行與隔離運行相比，場面運行延誤大大減小，獨立運行模式運行效率更高.因此在空間允許的情況下雙跑道運行模式盡量使用相關(guān)運行或獨立運行模式，不僅增加了容量，航班延誤也大大減少.

4) 機場PAS60占比很小，實際運行情況下不會超過5%，PAS500占比通常也在10%以下，按照實際運行航班計劃，地面平均延誤為2.2 min，離場平均延誤2.8 min，依據(jù)市場經(jīng)濟的發(fā)展機場PAS60比例的增加有限，隨著中遠程航線的開拓及中短程黃金航線時刻資源的緊缺，航空公司也越來越傾向于投入大型客機緩解資源的需求與矛盾.從圖5.12中可看出，PAS500機型的占比的增大，反而減少了場面運行延誤，并且PAS500運行比例的增加可以加強機場的旅客運送能力，因此依據(jù)現(xiàn)有的運行情況，合理增加PAS500機型的比例可以有效提升機場的運送能力.

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Research on Delay Characteristics of Airport Operation

WANG Yuan HU Minghua XU Donghui

(College of Civil Aviation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China)

As a result of the ground holding strategy, traffic congestion, flight delay and confliction occur frequently on airport surface. By establishing an experimental platform, this paper performs microcosmic analysis of the airport operation. The delay characteristics are studied from release interval, the number of departure queue waiting, runway operation mode and aircraft model mixed ratio. Finally, other typical complex airports are selected to verify the delay characteristics, and the characteristics of airport delay are concluded. In addition, the strategy of reducing the delay of operation is put forward.

ground delay; effect degree; characteristics research

2017-04-11

U8

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.018

王媛(1990—)：女，碩士生，主要研究領(lǐng)域為空中交通運輸規(guī)劃與管理