蘇庭文，徐川，朱新平

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 空中交通管理學(xué)院，廣漢 618307）

0 引 言

機(jī)場(chǎng)機(jī)動(dòng)區(qū)是指除機(jī)坪之外，機(jī)場(chǎng)內(nèi)供航空器起飛、著陸、滑行的部分，又稱之為運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)。機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道運(yùn)行方案是指為航空器使用機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道資源而設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)滑行路線，需綜合考慮滑行限制、管制移交點(diǎn)設(shè)置、沖突緩解與控制等多個(gè)因素。機(jī)動(dòng)區(qū)內(nèi)航空器活動(dòng)與機(jī)坪內(nèi)航空器活動(dòng)緊密銜接，因此，機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道運(yùn)行方案的設(shè)計(jì)及評(píng)估對(duì)于促進(jìn)機(jī)場(chǎng)資源集約高效利用非常重要。尤其是近年來多跑道機(jī)場(chǎng)在我國(guó)日益增多，開展此類機(jī)場(chǎng)的機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道運(yùn)行方案設(shè)計(jì)及評(píng)估方法研究，形成具有普適性的設(shè)計(jì)范式，可促進(jìn)提升我國(guó)多跑道機(jī)場(chǎng)的機(jī)動(dòng)區(qū)管理水平。

當(dāng)前，專門針對(duì)多跑道機(jī)場(chǎng)機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道運(yùn)行方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)可分為繞行滑行道的運(yùn)行方案優(yōu)化、平行滑行道和垂直聯(lián)絡(luò)滑行道的運(yùn)行模式優(yōu)化、普通滑行道運(yùn)行方案優(yōu)化，并且通常會(huì)考慮場(chǎng)面沖突管控或跑道與滑行道運(yùn)行聯(lián)合調(diào)度來實(shí)施滑行方案優(yōu)化。但是，這些研究多針對(duì)某一多跑道場(chǎng)景且未形成具有普遍指導(dǎo)意義、面向多跑道機(jī)場(chǎng)的滑行道運(yùn)行方案設(shè)計(jì)方法。

本文研究機(jī)場(chǎng)機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道運(yùn)行方案設(shè)計(jì)及仿真評(píng)估方法，并以成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)為例進(jìn)行驗(yàn)證。給出多跑道機(jī)場(chǎng)機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道運(yùn)行方案設(shè)計(jì)原則及范式，規(guī)劃成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道多種運(yùn)行方案，并應(yīng)用AirTOp軟件建立對(duì)應(yīng)的場(chǎng)面運(yùn)行微觀仿真模型，開展基于不同運(yùn)行方案的量化分析。

1 多跑道機(jī)場(chǎng)機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道運(yùn)行方案設(shè)計(jì)原則及范式

1.1 基本原則

多跑道機(jī)場(chǎng)機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道運(yùn)行方案設(shè)計(jì)基于“固定、單向、順向、循環(huán)”的基本原則，并考慮機(jī)場(chǎng)航站區(qū)分布以及整個(gè)場(chǎng)面滑行的沖突熱點(diǎn)等因素來進(jìn)行優(yōu)化。具體包括：

（1）“固定”是指在某一跑道運(yùn)行模式下，抵離不同機(jī)坪或機(jī)位（或連續(xù)相鄰幾個(gè)機(jī)位）的航班，均設(shè)計(jì)使用同一標(biāo)準(zhǔn)路線滑行，依次占用同樣的滑行道。

（2）“單向”是指在某一跑道運(yùn)行模式下，針對(duì)同一滑行道或連續(xù)幾個(gè)滑行道而言，進(jìn)港或離港航班均設(shè)計(jì)沿著某一規(guī)定的方向來滑行。

（3）“順向”是指針對(duì)同一滑行道或連續(xù)的幾個(gè)滑行道而言，若存在進(jìn)離港航班混流的情況，均設(shè)計(jì)航班沿著同一方向滑行，以避免對(duì)頭滑行沖突的出現(xiàn)。

（4）“循環(huán)”是指利用滑行道系統(tǒng)中平行滑行道、垂直聯(lián)絡(luò)滑行道以及機(jī)坪滑行道之間的空間連通性，設(shè)計(jì)機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道系統(tǒng)不同子區(qū)域內(nèi)的交通流，使之與其他機(jī)動(dòng)區(qū)子區(qū)域之間或鄰近機(jī)坪內(nèi)的進(jìn)離港航班交通流順次銜接。

1.2 機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道系統(tǒng)運(yùn)行方案設(shè)計(jì)范式

多跑道機(jī)場(chǎng)機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道系統(tǒng)運(yùn)行方案的設(shè)計(jì)及選擇，與跑道運(yùn)行模式、航站區(qū)布局、機(jī)場(chǎng)跑道構(gòu)型、垂直聯(lián)絡(luò)滑行道的數(shù)量等因素密切相關(guān)。目前，我國(guó)多跑道機(jī)場(chǎng)以平行跑道居多（包括跑道入口平齊和相互錯(cuò)開），僅北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)和成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)存在側(cè)向跑道，且我國(guó)平行跑道運(yùn)行多采取隔離運(yùn)行模式。歸納總結(jié)我國(guó)多跑道機(jī)場(chǎng)的機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道運(yùn)行方案設(shè)計(jì)范式，主要有以下兩種。

（1）范式1：?jiǎn)蝹?cè)運(yùn)行設(shè)計(jì)范式。該范式對(duì)應(yīng)平行跑道處于航站區(qū)一側(cè)的情形，基于該范式設(shè)計(jì)的機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道運(yùn)行一般方案如圖1所示。

圖1 基于單側(cè)運(yùn)行設(shè)計(jì)范式的機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道運(yùn)行一般方案Fig.1 General scheme of taxiway operation in maneuvering area based on unilateral operation design paradigm

該范式主要考慮：①此種情形下，通常靠近航站區(qū)的跑道（內(nèi)側(cè)跑道）用于起飛、遠(yuǎn)離航站區(qū)的跑道（外側(cè)跑道）用于著陸，故外側(cè)跑道著陸的航班需穿越內(nèi)側(cè)跑道。因此，在機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道運(yùn)行方案制定過程中，應(yīng)合理設(shè)計(jì)穿越滑行道的使用方案，通常選擇在起飛跑道的遠(yuǎn)端實(shí)行穿越；②對(duì)于平行滑行道，可基于滑行道運(yùn)行方案設(shè)計(jì)原則來設(shè)計(jì)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)滑行路線，并盡可能減少進(jìn)離港航班交通流交織。

基于范式1設(shè)計(jì)的機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道運(yùn)行方案，其優(yōu)勢(shì)在于，進(jìn)離港航班場(chǎng)面滑行交通流交叉點(diǎn)位相對(duì)較少，沖突較易控制。

（2）范式2：雙側(cè)運(yùn)行設(shè)計(jì)范式。該范式對(duì)應(yīng)平行跑道處于航站區(qū)兩側(cè)的情形。該情形下，機(jī)場(chǎng)通常會(huì)修建垂直聯(lián)絡(luò)滑行道。依據(jù)不同場(chǎng)景下垂直聯(lián)絡(luò)滑行道的數(shù)量和位置，可設(shè)計(jì)機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道運(yùn)行一般方案，具體如圖2所示。

場(chǎng)景①：僅航站區(qū)一端存在垂直聯(lián)絡(luò)滑行道。該情形下，基于范式2設(shè)計(jì)的機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道運(yùn)行一般方案如圖2（a）所示。主要考慮：①對(duì)于機(jī)動(dòng)區(qū)平行滑行道，可依據(jù)單側(cè)運(yùn)行設(shè)計(jì)范式來為其制定運(yùn)行方案，便于進(jìn)離港航班及時(shí)抵離相應(yīng)機(jī)坪；②對(duì)于垂直聯(lián)絡(luò)滑行道（通常有兩條），宜分別將其用于進(jìn)港航班和離港航班使用，實(shí)現(xiàn)進(jìn)離港航班分流。

該方案的特點(diǎn)是：航班滑行距離相對(duì)較長(zhǎng)，個(gè)別路段存在進(jìn)離港航班混流；此外，個(gè)別滑行道交叉口由于進(jìn)離港航班流交叉，存在潛在的沖突點(diǎn)位。

場(chǎng)景②：航站區(qū)的兩端均存在垂直聯(lián)絡(luò)滑行道。該情形下，基于雙側(cè)運(yùn)行設(shè)計(jì)范式的機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道運(yùn)行一般方案如圖2（b）所示。主要考慮：①對(duì)于機(jī)動(dòng)區(qū)平行滑行道，可依據(jù)單側(cè)運(yùn)行設(shè)計(jì)范式來為其制定運(yùn)行方案，便于進(jìn)離港航班及時(shí)抵離相應(yīng)機(jī)坪；②對(duì)于垂直聯(lián)絡(luò)滑行道（通常有四條），應(yīng)均衡相應(yīng)滑行道上的交通負(fù)載，并盡可能地實(shí)現(xiàn)進(jìn)離港航班交通流分離；③鑒于此時(shí)平行滑行道、垂直聯(lián)絡(luò)滑行道構(gòu)成“回”字形連通結(jié)構(gòu)，應(yīng)實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)上航班交通流與機(jī)坪內(nèi)部交通流的循環(huán)銜接，同時(shí)，還應(yīng)考慮管制員指揮的便利性。該方案的特點(diǎn)在于：運(yùn)行方案較復(fù)雜，個(gè)別機(jī)坪的進(jìn)離港航班滑行距離相對(duì)較長(zhǎng)，潛在沖突點(diǎn)位較多。

圖2 基于雙側(cè)運(yùn)行設(shè)計(jì)范式的機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道運(yùn)行一般方案Fig.2 General scheme of taxiway operation in maneuvering area based on bilateral operation design paradigm

2 成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)滑行道運(yùn)行方案設(shè)計(jì)

成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)是國(guó)家級(jí)國(guó)際航空樞紐，一期建成三條跑道、兩個(gè)航站樓，滿足年旅客吞吐量4 000萬人次，其飛行區(qū)布局如圖3所示。三條跑道包括兩條寬距平行跑道、一條交叉跑道，具有獨(dú)有的構(gòu)型和運(yùn)行特點(diǎn)。

圖3 成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)場(chǎng)區(qū)布局Fig.3 Chengdu Tianfu International Airport flight area ground layout

基于成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)平行跑道采用隔離平行運(yùn)行、獨(dú)立平行離場(chǎng)，北跑道僅用于自西向東起飛的基本運(yùn)行模式，采用滑行路徑規(guī)劃算法（比如，基于遺傳算法的初始路徑規(guī)劃算法）得到航班滑行備選路徑庫(kù)，綜合運(yùn)用多跑道機(jī)場(chǎng)機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道運(yùn)行方案設(shè)計(jì)原則及范式，針對(duì)該機(jī)場(chǎng)向北運(yùn)行，給出3種機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道運(yùn)行方案，具體思路如圖4所示，運(yùn)行方案如圖5所示。

圖4 滑行道運(yùn)行備選方案生成過程Fig.4 Process for generating taxiway operation scheme

圖5 成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道運(yùn)行方案Fig.5 Taxiway operation scheme of Chengdu Tianfu International Airport

備選方案1如圖5（a）所示。首先，利用基于Petri網(wǎng)和GA的初始滑行路徑規(guī)劃算法，生成備選路徑庫(kù)；然后，基于“固定、循環(huán)”原則，從備選路徑庫(kù)中，設(shè)置由垂直聯(lián)絡(luò)滑行道T1、平行滑行道D、垂直聯(lián)絡(luò)滑行道T5、平行滑行道A滑，以及一部分C滑（C2滑至T1之間、L7滑至C1之間），構(gòu)成環(huán)形滑行路線（簡(jiǎn)稱“外環(huán)”），外環(huán)上的航空器滑行路線設(shè)計(jì)呈“順時(shí)針”狀；垂直聯(lián)絡(luò)滑行道T4、平行滑行道G、垂直聯(lián)絡(luò)滑行道T2、平行滑行道B滑，構(gòu)成環(huán)形滑行路線（簡(jiǎn)稱“內(nèi)環(huán)”），內(nèi)環(huán)上的航空器滑行路線設(shè)計(jì)呈“逆時(shí)針”狀?？傮w上，機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道系統(tǒng)整體的滑行路線方案呈“外順內(nèi)逆”的特征?；诓煌呐艿肋\(yùn)行方向，“內(nèi)環(huán)”和“外環(huán)”滑行道的運(yùn)行均遵循上述規(guī)律。

備選方案2如圖5（b）所示。其“內(nèi)環(huán)”滑行道運(yùn)行方案同方案1；“外環(huán)”滑行道運(yùn)行方案不同于方案1，進(jìn)一步考慮“單向”原則，設(shè)置為：（1）T1滑（C8至G之間）僅供離港航空器使用；（2）開放D19滑用于進(jìn)港，關(guān)閉D17至D18之間的G滑；（3）關(guān)閉B17滑。相對(duì)方案1，該方案有利于進(jìn)港航班快速匯入T3滑行道，同時(shí)避免了機(jī)坪內(nèi)L7滑行道上的潛在對(duì)頭沖突。

備選方案3如圖5（c）所示。其“內(nèi)環(huán)”滑行道運(yùn)行方案與方案1相同；“外環(huán)”滑行道運(yùn)行方案不同于方案2，開放T1滑（C8至G之間）供進(jìn)港航空器使用。相對(duì)方案2，該方案將原經(jīng)由T4滑行至2號(hào)航站樓的進(jìn)港航班改至經(jīng)過T1滑行，以促進(jìn)場(chǎng)面滑行道資源負(fù)載均衡。

3 成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)仿真建模

目前Air TOp已成為民用機(jī)場(chǎng)及空域運(yùn)行仿真的主流軟件之一。采用AirTOp軟件對(duì)成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道運(yùn)行備選方案進(jìn)行仿真評(píng)估。

仿真過程針對(duì)向北運(yùn)行展開。其中，跑道使用模式采取平行跑道（01/02）為隔離平行運(yùn)行、獨(dú)立平行離場(chǎng)，側(cè)向跑道（11跑道）僅用于起飛；機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道運(yùn)行方案即為第2節(jié)所給三種備選方案；機(jī)坪內(nèi)航空器滑行及機(jī)位進(jìn)出方案依據(jù)機(jī)場(chǎng)機(jī)坪塔臺(tái)工作細(xì)則設(shè)定，如圖6所示。

圖6 成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)機(jī)坪運(yùn)行方案Fig.6 Apron operation scheme of Chengdu Tianfu International Airport

機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道的航空器平均滑行速度設(shè)定為30 km/h，機(jī)坪滑行道滑行速度設(shè)定為10 km/h，機(jī)位推出速度設(shè)定為3 km/h，飛行區(qū)內(nèi)航班滑行縱向間隔按50 m控制，管制運(yùn)行間隔參考成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)起降間隔設(shè)置，暫不考慮空域限制因素。基于成都地區(qū)的歷史航班數(shù)據(jù)特征，比如各航空公司航班量占比、機(jī)型比例、時(shí)刻分布等，分別構(gòu)建270、600、900架次/日的仿真航班時(shí)刻表。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 航班地面滑行延誤

航班地面滑行延誤是指離港航班從機(jī)位推出至進(jìn)入跑道頭等待隊(duì)列期間所產(chǎn)生的延誤，或進(jìn)港航班從跑道脫離至進(jìn)入機(jī)位期間所產(chǎn)生的延誤。

地面滑行延誤降低比例：

式中：為兩種方案對(duì)比，總地面滑行時(shí)間延誤降低比例；分別為某兩種方案總的地面滑行延誤時(shí)間。

針對(duì)三種機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道運(yùn)行備選方案，在不同的日航班量仿真過程中，得到航班總的地面滑行延誤如圖7所示。

圖7 3種滑行道運(yùn)行方案下，不同的日航班量所對(duì)應(yīng)的航班總地面滑行延誤Fig.7 Under the three taxiway operation schemes，the total ground taxi delays corresponding to different daily flight volumes

從圖7可以看出：當(dāng)航班量為270架次/日時(shí)，方案2對(duì)應(yīng)的總地面滑行延誤較方案1、方案3分別降低了16%、39%；當(dāng)航班量增長(zhǎng)到600、900架次/日時(shí)，方案3對(duì)應(yīng)的總地面滑行延誤較方案1分別降低了26%和8%，較方案2分別降低了10%和4.4%。因此，總體來看，方案3在日航班量較多時(shí)，航班的總地面滑行延誤時(shí)間較少，更有利于提高場(chǎng)面資源利用效率。

4.2 航班滑行沖突等待時(shí)間

航班滑行沖突等待時(shí)間是指離港航班從機(jī)坪開始滑行，至進(jìn)入跑道頭等待隊(duì)列期間，或進(jìn)港航班從跑道脫離至進(jìn)入機(jī)位期間，由于滑行沖突所致航班等待的時(shí)間。

依據(jù)沖突發(fā)生位置不同，滑行沖突等待時(shí)間：

式中：為機(jī)坪內(nèi)滑行沖突等待時(shí)間；為機(jī)動(dòng)區(qū)滑行沖突等待時(shí)間。

針對(duì)3種滑行道運(yùn)行備選方案，在不同的日航班量仿真過程中，得到對(duì)應(yīng)的航班滑行沖突等待時(shí)間如表1所示，可以看出：在架次較少時(shí)（270架次/日），方案2對(duì)應(yīng)的機(jī)動(dòng)區(qū)滑行沖突等待時(shí)間（）較??；架次較多時(shí)，方案3對(duì)應(yīng)的總沖突等待時(shí)間（）相對(duì)較小，同時(shí)，對(duì)應(yīng)的機(jī)動(dòng)區(qū)滑行沖突等待時(shí)間與方案2差別不大，因此，架次較多時(shí)，方案3較優(yōu)。

表1 3種滑行道運(yùn)行方案下，不同的日航班量所對(duì)應(yīng)的航班等待時(shí)間Table 1 The flight waiting time corresponding to different daily flight volume under three taxiway operation schemes

4.3 航班滑行沖突占比

航班滑行沖突占比是指航班滑行過程中遭遇的沖突次數(shù)與總航班滑行沖突次數(shù)的比值，可表示為

式中：為機(jī)坪內(nèi)沖突次數(shù)或機(jī)動(dòng)區(qū)內(nèi)沖突次數(shù)；為總航班滑行沖突次數(shù)。由式（3）可得不同區(qū)域的沖突占比。

針對(duì)3種滑行道運(yùn)行備選方案，在不同的日航班量仿真過程中，得到航班滑行沖突占比如表2所示，可以看出：對(duì)進(jìn)港航班而言，方案3對(duì)應(yīng)的機(jī)動(dòng)區(qū)內(nèi)滑行沖突占比相對(duì)較小，其所含進(jìn)港航班滑行方案設(shè)計(jì)較優(yōu)；對(duì)離港航班而言，方案2對(duì)應(yīng)的機(jī)動(dòng)區(qū)內(nèi)滑行沖突占比相對(duì)較小，其所含的離港航班滑行方案設(shè)計(jì)較優(yōu)。

表2 3種滑行道運(yùn)行方案下，不同的日航班量所對(duì)應(yīng)的航班滑行沖突占比Table 2 The proportion of flight taxi conflicts corresponding to different daily flight volumes under three taxiway operation schemes

5 結(jié) 論

（1）“固定、單向、順向、循環(huán)”的多跑道機(jī)場(chǎng)機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道運(yùn)行方案設(shè)計(jì)基本原則，以及對(duì)應(yīng)的單側(cè)運(yùn)行方案設(shè)計(jì)范式、雙側(cè)運(yùn)行方案設(shè)計(jì)范式有助于緩解航班滑行延誤、沖突等待時(shí)間以及沖突占比。

（2）將“航班滑行備選路徑庫(kù)”和本文所給“多跑道機(jī)場(chǎng)機(jī)動(dòng)區(qū)滑行道運(yùn)行方案設(shè)計(jì)基本原則和范式”兩者結(jié)合，可用于輔助開展多跑道機(jī)場(chǎng)滑行道運(yùn)行方案優(yōu)化。

下一步將考慮構(gòu)建更科學(xué)全面的滑行道運(yùn)行方案評(píng)估體系，支持開展運(yùn)行方案仿真評(píng)估。