王雪瑤，呂佳航，魏志強(qiáng)

（1.北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，北京100044；2.中國(guó)民航大學(xué)a.航空工程學(xué)院；b.空中交通管理學(xué)院，天津300300）

隨著民航業(yè)高速發(fā)展，空域資源緊張和地面保障不足等問(wèn)題日漸加劇，機(jī)場(chǎng)容量和運(yùn)行效率都亟待提高[1]。機(jī)場(chǎng)容量和運(yùn)行效率與終端區(qū)飛機(jī)最小間隔密切相關(guān)，而間隔標(biāo)準(zhǔn)受限于空管監(jiān)視能力和尾流間隔[2]。在不改變其他影響機(jī)場(chǎng)容量因素的情況下，機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率主要由尾流間隔決定，縮小尾流間隔能明顯提升跑道容量[3]。

目前，國(guó)際民航組織（ICAO）尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)將機(jī)型按最大起飛重量（MTOW,maximum take-off weight）分為3 類(lèi)：輕型機(jī)（MTOW≤7 t）、中型機(jī)（7 t ＜MTOW≤136 t）、重型機(jī)（MTOW ＞136 t）。對(duì)于A380，則將其單獨(dú)劃分為超級(jí)重型機(jī)[4-5]。在保證安全的前提下，現(xiàn)行尾流標(biāo)準(zhǔn)顯得過(guò)于保守，存在縮減尾流間隔的潛力。歐洲和美國(guó)都先后提出通過(guò)調(diào)整航空器尾流間隔實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率和機(jī)場(chǎng)容量的提升，且其安全性不低于現(xiàn)行運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的尾流再分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)（RECAT,recategorization）[6]。歐洲提出的RECAT-EU 標(biāo)準(zhǔn)不僅把最大起重量作為分類(lèi)因素之一，同時(shí)還考慮了翼展的影響，且對(duì)某些特定機(jī)型還進(jìn)行了進(jìn)一步分類(lèi)。其將飛機(jī)分為6 類(lèi)：F類(lèi)（MTOW≤15 t）、E 類(lèi)（15 t ＜MTOW≤100 t，翼展≤32 m）、D 類(lèi)（15 t ＜MTOW≤100 t，翼展＞32 m）、C 類(lèi)（MTOW ＞100 t，翼展≤52 m）、B 類(lèi)（MTOW ＞100 t，60 m≤翼展≤72m）、A 類(lèi)（MTOW ＞100t，72 m ＜翼展≤80 m）。歐洲于2007年提出了尾流重新分類(lèi)的概念，尾流重新分類(lèi)初期被命名為RECAT 1，然后于2015年7月被改名為RECAT-EU 并發(fā)布了RECAT-EU 尾流分類(lèi)和進(jìn)離場(chǎng)的最小間隔文件[7]。美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA,Federal Aviation Administration）于2009年聯(lián)合多個(gè)機(jī)構(gòu)開(kāi)展了RECAT 技術(shù)的可行性研究。美國(guó)孟菲斯國(guó)際機(jī)場(chǎng)于2012年11月開(kāi)始運(yùn)行RECAT，是世界上第一個(gè)運(yùn)行RECAT 的機(jī)場(chǎng)。2010年日本啟動(dòng)了空管系統(tǒng)協(xié)同行動(dòng)，計(jì)劃2018年完成第一階段RECAT技術(shù)的跟蹤、消化和推廣應(yīng)用[8]。

國(guó)內(nèi)對(duì)RECAT 技術(shù)的研究還不成熟。聶潤(rùn)兔等[9]分析了RECAT 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)跑道容量的影響；魏志強(qiáng)等[10]通過(guò)比較不同國(guó)家和地區(qū)RECAT 標(biāo)準(zhǔn)的差異，分析加權(quán)平均尾流間隔最小標(biāo)準(zhǔn)及各機(jī)型占比對(duì)機(jī)場(chǎng)容量的影響。中國(guó)民用航空局于2015年出臺(tái)了《中國(guó)民航航空系統(tǒng)組塊升級(jí)（ASBU）發(fā)展與實(shí)施策略》。該文件全面引進(jìn)了ICAO 在航空系統(tǒng)組塊升級(jí)（ASBU）中效能改進(jìn)領(lǐng)域1（機(jī)場(chǎng)運(yùn)行）有關(guān)“尾流間隔”引線（thread）對(duì)應(yīng)的全部模塊要求[11]。2019年1月23日，中國(guó)民用航空局空中交通管理局在廣州、深圳兩場(chǎng)航空器尾流再分類(lèi)管制實(shí)驗(yàn)運(yùn)行宣傳貫徹動(dòng)員工作會(huì)上，對(duì)廣州、深圳實(shí)施的尾流重新分類(lèi)方案進(jìn)行了詳細(xì)討論[12]。

為分析RECAT-EU的尾流縮減效果，首先構(gòu)建相應(yīng)的機(jī)場(chǎng)理論容量提升效果預(yù)測(cè)模型，然后開(kāi)發(fā)預(yù)期理論容量提升計(jì)算軟件。以廣州白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)（簡(jiǎn)稱(chēng)白云機(jī)場(chǎng)）航班信息數(shù)據(jù)為例，利用所開(kāi)發(fā)軟件分析了不同時(shí)間段和各類(lèi)機(jī)型數(shù)量占比變化情況下機(jī)場(chǎng)容量的提升效果，最后得出相應(yīng)結(jié)論。

1 預(yù)測(cè)模型建立

利用尾流間隔大小來(lái)反映機(jī)場(chǎng)容量提升時(shí)需做出以下假設(shè)：①飛機(jī)對(duì)跑道的請(qǐng)求是連續(xù)不斷的；②飛機(jī)的離場(chǎng)、到達(dá)概率完全是隨機(jī)的；③只有尾流間隔是變量，其他任何與機(jī)場(chǎng)容量相關(guān)的因素都是固定值。

假定某機(jī)場(chǎng)一共有M架飛機(jī)，某飛機(jī)i在到達(dá)或離場(chǎng)的飛機(jī)流中出現(xiàn)的概率為Pi，其后緊鄰的飛機(jī)j在到達(dá)或離場(chǎng)的飛機(jī)流中出現(xiàn)的概率為Pj，假設(shè)前機(jī)i與后機(jī)j的出現(xiàn)是相互獨(dú)立事件，則可得到飛機(jī)對(duì)（i，j）在到達(dá)或離場(chǎng)飛機(jī)流中出現(xiàn)的概率為

對(duì)于特定的飛機(jī)對(duì)（i，j），在相應(yīng)尾流間隔分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)下，能得到相應(yīng)飛機(jī)對(duì)的最小尾流間隔Sij，則該機(jī)場(chǎng)單位時(shí)間內(nèi)的加權(quán)平均尾流間隔為

根據(jù)RECAT-EU 和ICAO 標(biāo)準(zhǔn)可分別計(jì)算出不同的加權(quán)平均尾流間隔，假設(shè)RECAT-EU 標(biāo)準(zhǔn)下的最小加權(quán)平均尾流間隔為，ICAO 標(biāo)準(zhǔn)下的最小加權(quán)平均尾流間隔為，則機(jī)場(chǎng)容量提升量可表示為

2 軟件開(kāi)發(fā)及功能模塊

根據(jù)所建立的計(jì)算模型，利用Matlab 進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。具體運(yùn)算流程如圖1所示。

圖1 軟件運(yùn)算流程Fig.1 Software operation process

2.1 航班信息數(shù)據(jù)處理模塊

將收集的機(jī)場(chǎng)航班信息數(shù)據(jù)整理為*.CSV 文件；在Matlab 中使用fopen 函數(shù)打開(kāi)文件；然后利用textscan 函數(shù)讀取文件；最后設(shè)置相應(yīng)變量，并利用循環(huán)語(yǔ)句和ismember 函數(shù)進(jìn)行循環(huán)判斷，將每列數(shù)據(jù)讀入相應(yīng)的變量中。具體步驟如圖2所示。

圖2 航班信息數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)流程Fig.2 Working process of flight information data processing module

2.2 時(shí)間數(shù)據(jù)處理模塊

對(duì)于時(shí)間數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行了兩種形式處理：①讀取航班信息數(shù)據(jù)中的時(shí)間參數(shù)，按年、月、日、時(shí)分開(kāi)存儲(chǔ)；②將時(shí)間參數(shù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)整數(shù)，用于后續(xù)進(jìn)行篩選和對(duì)比。具體處理過(guò)程如圖3所示。

圖3 時(shí)間處理模塊實(shí)現(xiàn)流程Fig.3 Working process of time processing module

2.3 標(biāo)準(zhǔn)間隔數(shù)據(jù)整理與讀取模塊

對(duì)于同一種機(jī)型，其在RECAT-EU 與ICAO 中的類(lèi)型及尾流間隔存在差異。因此，需要把航班信息數(shù)據(jù)中的所有機(jī)型在RECAT-EU 與ICAO 標(biāo)準(zhǔn)下的分類(lèi)都整理出來(lái)，然后存儲(chǔ)在EXCEL 表中；然后在Matlab中利用xlsread 函數(shù)讀取EXCEL 文件；最后設(shè)置相應(yīng)變量分別用于存儲(chǔ)RECAT-EU 和ICAO 的機(jī)型類(lèi)別和尾流間隔。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)間隔數(shù)據(jù)整理與讀取流程Fig.4 Sorting and fetching process of separation standard data

2.4 預(yù)期容量提升計(jì)算模塊

為計(jì)算加權(quán)平均間隔，分別編寫(xiě)了機(jī)型數(shù)量占比函數(shù)和加權(quán)平均間隔函數(shù)。通過(guò)外部輸入相應(yīng)的時(shí)間，篩選出該時(shí)間段內(nèi)的機(jī)型種類(lèi)，并計(jì)算出這些機(jī)型的數(shù)量占比；利用數(shù)量占比來(lái)反映機(jī)型出現(xiàn)的概率；將所有機(jī)型兩兩組對(duì)計(jì)算出其組合概率。通過(guò)查找RECATEU 和ICAO 標(biāo)準(zhǔn)下的尾流間隔，利用組合概率乘以尾流間隔就得到此種組合下的加權(quán)間隔；再將所有飛機(jī)組合所得加權(quán)間隔求和就得到機(jī)場(chǎng)的RECAT-EU 和ICAO 的加權(quán)平均尾流間隔；最后利用式（3）可求得機(jī)場(chǎng)容量的提升量。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖5所示。

圖5 容量提升計(jì)算的實(shí)現(xiàn)流程Fig.5 Working process of capacity increase calculation

2.5 軟件界面設(shè)計(jì)

為了方便用戶(hù)使用機(jī)場(chǎng)預(yù)期容量提升計(jì)算軟件，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件界面。用戶(hù)只需在軟件界面中加載相應(yīng)的機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)和時(shí)間，就能得到該機(jī)場(chǎng)在相應(yīng)時(shí)間內(nèi)使用RECAT-EU 標(biāo)準(zhǔn)后的容量提升數(shù)據(jù)。具體軟件界面如圖6所示。

圖6 軟件界面Fig.6 Software interface

3 基于RECAT-EU 技術(shù)下的效果分析

3.1 不同時(shí)間尺度下效果分析

為了分析不同時(shí)間尺度下使用RECAT-EU 時(shí)的機(jī)場(chǎng)預(yù)期容量提升效果。利用收集的白云機(jī)場(chǎng)2018年1月17日—1月31日的航班信息數(shù)據(jù)，對(duì)RECATEU 尾流間隔縮減效果進(jìn)行計(jì)算分析。首先以時(shí)間為變量進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算分析，分別計(jì)算白云機(jī)場(chǎng)進(jìn)港航班在1月17日—1月31日（15 d），1月18日—1月24日（7 d），1月18日—1月22日（5 d），1月18日當(dāng)天（1 d），1月18日10點(diǎn)—22點(diǎn)（12 h）及1月18日11點(diǎn)—12點(diǎn)（1 h）不同時(shí)間段內(nèi)的容量提升效果，結(jié)果如表1所示。

表1 不同時(shí)間段下的提升效果變化Tab.1 Increasing effect vs.time period

從表1 中可看出，在不同時(shí)間段的情況下，容量提升效果也會(huì)發(fā)生變化，但基本穩(wěn)定在5.6%～6.4%。這是由于每個(gè)時(shí)間段內(nèi)機(jī)型不同，每種機(jī)型飛機(jī)數(shù)量不一樣導(dǎo)致其容量提升效果產(chǎn)生變化。

3.2 改變機(jī)型數(shù)量占比下的效果分析

將白云機(jī)場(chǎng)中的各類(lèi)機(jī)型數(shù)量都以1%的間隔從0 增加到10%，同時(shí)保持其他機(jī)型數(shù)量不變，分析機(jī)場(chǎng)容量提升效果的變化，結(jié)果如圖7所示。

圖7 改變機(jī)型數(shù)量占比下的提升效果變化Fig.7 Increasing effect vs.aircraft type

從圖7 可看出，當(dāng)增加B、C 類(lèi)機(jī)型數(shù)量占比時(shí)，容量提升效果逐漸增大；C 類(lèi)飛機(jī)對(duì)應(yīng)的直線斜率大于B 類(lèi)飛機(jī)，反映出C 類(lèi)飛機(jī)對(duì)機(jī)場(chǎng)容量提升效果影響更大，這是由于C 類(lèi)飛機(jī)最大起飛重量小于B 類(lèi)飛機(jī)，在RECAT-EU 標(biāo)準(zhǔn)下C 類(lèi)飛機(jī)的尾流間隔縮減程度大于B 類(lèi)飛機(jī)；當(dāng)增加A、D、E、F 類(lèi)機(jī)型數(shù)量占比時(shí)，容量提升效果都呈下降趨勢(shì)，也呈線性關(guān)系；當(dāng)F 類(lèi)機(jī)型數(shù)量占比超過(guò)飛機(jī)總量的7%時(shí)，RECAT-EU 不但沒(méi)有提升機(jī)場(chǎng)容量，反而降低了機(jī)場(chǎng)容量。RECATEU 考慮到輕型飛機(jī)重量過(guò)輕，若其處在重型機(jī)與中型機(jī)的尾流區(qū)域中，會(huì)受到極大影響。因此，在ICAO的尾流間隔之上增加了輕型機(jī)的尾流間隔。但在實(shí)際情況下，一般大型機(jī)場(chǎng)的輕型機(jī)數(shù)量占比通常在1%以下，因此，RECAT-EU 不會(huì)出現(xiàn)使機(jī)場(chǎng)容量提升為負(fù)的情況，且大型機(jī)場(chǎng)的提升效果要好于小型機(jī)場(chǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析可得出以下結(jié)論：

1）ICAO 中現(xiàn)存尾流間隔分類(lèi)過(guò)于保守，RECATEU 標(biāo)準(zhǔn)下機(jī)場(chǎng)容量會(huì)在原有基礎(chǔ)上顯著提升，約在6%左右；

2）時(shí)間尺度和機(jī)型數(shù)量占比都會(huì)影響RECATEU 的實(shí)施效果；

3）當(dāng)B、C 類(lèi)機(jī)型數(shù)量占比提升時(shí)，使用RECATEU會(huì)使容量提升效果更理想；當(dāng)A、D、E、F 類(lèi)機(jī)型數(shù)量占比提升時(shí)，RECAT-EU 的容量提升效果會(huì)變差；容量提升與機(jī)型數(shù)量的改變呈線性關(guān)系；

4）由于大型機(jī)場(chǎng)B、C 類(lèi)機(jī)型數(shù)量占比最大，且F類(lèi)機(jī)型數(shù)量極少，幾乎可以忽略，因此大型機(jī)場(chǎng)使用RECAT-EU 技術(shù)，其容量提升效果會(huì)更加明顯。