潘衛(wèi)軍 尹子銳 王安鼎 吳天祎

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

1 引言

我國的航空運(yùn)輸總量每年都在快速增長，這種發(fā)展會對現(xiàn)在空中交通管理和即將建成的機(jī)場造成運(yùn)輸能力限制。新建跑道或者改進(jìn)跑道運(yùn)行方式都可在一定程度上提升機(jī)場的運(yùn)輸能力，但因為新建跑道耗時較長，成本也比較高，所以前人在改進(jìn)機(jī)場跑道運(yùn)行模式方面做了大量研究，通過優(yōu)化跑道運(yùn)行模式來提升機(jī)場運(yùn)行的效率。航空器尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)是影響跑道容量最直接的關(guān)鍵要素［1］，目前正在運(yùn)行的起飛以及進(jìn)近階段的尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)被認(rèn)為過于保守，因為它們是固定的，并沒有考慮當(dāng)前的氣象條件對于間隔的影響。我國目前使用的是基于距離的間隔標(biāo)準(zhǔn)（Distance Based Sepa?ration，DBS），即在飛行過程中后機(jī)與前機(jī)通過保持固定的距離來保證飛行安全，不同的前后機(jī)機(jī)型對應(yīng)著不同的距離間隔。在使用DBS標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行時，如果遭遇逆風(fēng)天氣，飛機(jī)相對地面速度會減少，由于前后機(jī)間隔是固定值，這會使得后機(jī)飛過此間隔的時間增加，導(dǎo)致跑道吞吐量減少的問題。這不僅會影響運(yùn)載能力，還會影響操作的可預(yù)測性、時間和燃油效率以及環(huán)境（污染排放）［2］。

為了解決這一問題，專家們提出了基于時間的間隔標(biāo)準(zhǔn)（Time Based Separation，TBS），即在飛行過程中后機(jī)與前機(jī)通過保持一定的時間間隔來保證飛行安全，不同的前后機(jī)機(jī)型對應(yīng)著不同的時間間隔。TBS 概念改變了跑道運(yùn)行模式，即使在逆風(fēng)條件下，跑道的吞吐量也保持相對穩(wěn)定。歐洲的單一天空計劃（SESAR）和美國的新一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)計劃（NextGen）都將TBS 作為重點研究內(nèi)容，ICAO 在2016 年發(fā)布的ASBU（航空系統(tǒng)組塊升級）的規(guī)劃中也將建立基于時間的間隔標(biāo)準(zhǔn)（TBS）作為研究重點，ICAO 最新發(fā)布的RECAT 標(biāo)準(zhǔn)中也規(guī)定了相應(yīng)前后機(jī)組合下的TBS標(biāo)準(zhǔn)。

TBS 目前已經(jīng)應(yīng)用于英國倫敦的希思羅機(jī)場并取得了良好的效果。Charles Morris 等［2］研究了TBS 標(biāo)準(zhǔn)在倫敦希思羅機(jī)場的概念驗證，包括實時仿真結(jié)果和尾流安全數(shù)據(jù)分析；研究結(jié)果表明，在弱逆風(fēng)條件下，希思羅機(jī)場典型機(jī)型組合下的進(jìn)場容量約為每小時40 架飛機(jī)，在逆風(fēng)條件中，每小時最多會減少4 架飛機(jī)的著陸率。Milan Janic 等［3］建立了TBS標(biāo)準(zhǔn)下的單跑道著陸能力計算模型，在考慮尾流影響的基礎(chǔ)上用TBS 標(biāo)準(zhǔn)來替代目前的DBS 標(biāo)準(zhǔn)；結(jié)果表明，使用TBS 標(biāo)準(zhǔn)可以增加跑道容量，且一定的逆風(fēng)可以加速尾流的衰減，從而進(jìn)一步減小前后機(jī)的間隔。近年來，我國對TBS的研究還處于起步階段，只有李冰冰等［5］建立了TBS 標(biāo)準(zhǔn)下的跑道容量模型；因此這方面的研究很有必要。

無論國外還是國內(nèi)的研究，研究者大都只將研究重點放在了進(jìn)場階段，而對于單跑道運(yùn)行來說，同時考慮進(jìn)場和離場的運(yùn)行模式才是目前研究的主流，也更符合實際。鑒于此，本文建立了同時考慮進(jìn)場和離場的單跑道容量模型，分別在TBS 和DBS標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行仿真，之后加入逆風(fēng)條件并分析了逆風(fēng)對兩種間隔標(biāo)準(zhǔn)下跑道容量的影響。

2 TBS標(biāo)準(zhǔn)

ICAO 最新發(fā)布的RECAT 規(guī)章中規(guī)定了進(jìn)離場航空器基于時間的間隔標(biāo)準(zhǔn)（TBS）。但僅限于小體量飛機(jī)跟隨大體量飛機(jī)時的標(biāo)準(zhǔn)，比如C 類跟隨B類/A類，缺少大體量飛機(jī)跟隨小體量飛機(jī)及同體量飛機(jī)組合間的間隔標(biāo)準(zhǔn)。本文根據(jù)英國希思羅機(jī)場所使用的TBS 標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行了補(bǔ)充。TBS標(biāo)準(zhǔn)如表1，表2為希思羅機(jī)場的TBS標(biāo)準(zhǔn)。

表1 TBS標(biāo)準(zhǔn)

表2 希思羅機(jī)場的TBS標(biāo)準(zhǔn)

由于其他分類的航空器在實際機(jī)場運(yùn)行中出現(xiàn)的比例太小，可忽略不計，故本文值列出了B、C、D三類航空器的間隔標(biāo)準(zhǔn)。

3 跑道容量模型

本文研究的跑道范圍如圖1所示。

圖1 跑道研究范圍

計算單跑道容量時根據(jù)相鄰航空器的速度可以分為兩種情況：

1）vi≤vj，前機(jī)速度小于等于后機(jī)。

2）vi>vj，前機(jī)速度大于后機(jī)。

前機(jī)速度小于等于后機(jī)時，前后機(jī)間的間隔會不斷縮小，在前機(jī)到達(dá)跑道入口時，兩機(jī)的間隔達(dá)到最小值。前機(jī)速度大于后機(jī)時，前后機(jī)間的間隔會不斷拉大，因此只需在進(jìn)入公共下滑道時保持最小間隔。

現(xiàn)如今的單跑道運(yùn)行模式中管制員往往通過在兩架進(jìn)場航空器之間插入離場航空器來實現(xiàn)離場操作。而進(jìn)場的航空器預(yù)計接地時刻與它前一架進(jìn)場航空器接地時刻的時間差的大小決定是否允許當(dāng)前申請起飛的航空器起飛，當(dāng)進(jìn)場的航空器滿足間隔時，管制員可根據(jù)這段時間間隙的大小，適當(dāng)?shù)卦谄渲胁迦雗架起飛航空器。若連續(xù)進(jìn)場的航空器間的間隔無法滿足離場要求，我們可以人為地拉大間隔來實現(xiàn)離場操作［4］。

3.1 DBS跑道容量模型

對于DBS標(biāo)準(zhǔn)，若要在連續(xù)進(jìn)場航空器間實現(xiàn)離場操作，進(jìn)場的航空器的間隔必須滿足下述條件：

式中，δad為連續(xù)起降航空器間的距離間隔標(biāo)準(zhǔn)；DOTi為離場飛機(jī)所需的平均跑道占用時間。

若連續(xù)進(jìn)場航空器間的間隔不滿足上式時，我們需要人為地拉大間隔，使其滿足條件。設(shè)置系數(shù)t1，滿足式（2）。

DBS的跑道容量模型如式（3）～（8）：

式中，λa為進(jìn)場跑道容量；λb為離場跑道容量；λ為總?cè)萘浚籘ij前機(jī)i 后機(jī)j 相繼通過跑道入口的時間間隔；Pij為前機(jī)i 后機(jī)j 所占的比例vi，vj為i、j最后進(jìn)近階段的平均速度；Bij為管制員和飛行員的反應(yīng)時間；ROTi為進(jìn)場飛機(jī)的平均跑道占用時間；δij為不同前后機(jī)組合的DBS 間隔標(biāo)準(zhǔn)；q 為人為拉長間隔的概率系數(shù)；Gt為一小時內(nèi)t1=0 的間隔數(shù)；nij為前機(jī)i 后機(jī)j 組合進(jìn)場間隔所能插入的離場飛機(jī)數(shù)。

3.2 TBS跑道容量模型

對于TBS標(biāo)準(zhǔn)，若要在連續(xù)進(jìn)場航空器間實現(xiàn)離場操作，進(jìn)場的航空器間隔必須滿足下述條件：

若連續(xù)進(jìn)場航空器間的間隔不滿足上式時，我們需要人為地拉大間隔，使其滿足條件。設(shè)置系數(shù)t2，滿足：

TBS的跑道容量模型如式（11）～（16）：

式中，tij為進(jìn)場TBS時間間隔標(biāo)準(zhǔn)；Gt為一小時內(nèi)t2=0的間隔數(shù)。

4 仿真過程及結(jié)果分析

本文以成都雙流國際機(jī)場某日0h到正午12h，02R 跑道的所有到達(dá)飛機(jī)為計算數(shù)據(jù)，應(yīng)用我國現(xiàn)行基于距離的間隔標(biāo)準(zhǔn)（DBS）和基于時間的間隔標(biāo)準(zhǔn)（TBS）計算同時考慮起降的混合容量。

統(tǒng)計到的各機(jī)型出現(xiàn)的概率如表3。

表3 各機(jī)型的出現(xiàn)概率的統(tǒng)計結(jié)果

各機(jī)型最后進(jìn)近階段的平均速度如表4 所示，逆風(fēng)條件選擇風(fēng)速為25kn的逆風(fēng)天氣。

表4 各機(jī)型各機(jī)型最后進(jìn)近階段的平均速度

其他所需的數(shù)據(jù)，進(jìn)場與離場航空器的平均跑道占用時間均取60s；δad取5km；q取0.5；反應(yīng)時間Bij取20s；公共下滑道的長度為12.3km。

本文目前只考慮在兩架進(jìn)場航空器間插入一架離場航空器的情況。通過上述數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖2 所示。無風(fēng)時，DBS 標(biāo)準(zhǔn)下的跑道容量為43.39 架次/h，TBS 標(biāo)準(zhǔn)下的跑道容量為45.14 架次/h。當(dāng)遭遇風(fēng)速25kn的逆風(fēng)時，DBS標(biāo)準(zhǔn)下的跑道容量為38.55 架次/h，TBS 標(biāo)準(zhǔn)下的跑道容量為45.14架次/h。

由仿真結(jié)果可知，即使是在無風(fēng)條件下TBS標(biāo)準(zhǔn)下的跑道容量也是優(yōu)于DBS 標(biāo)準(zhǔn)下的跑道容量的，相比DBS 標(biāo)準(zhǔn)提升了1.76 架次/h，占比4.1%。而這種情況在逆風(fēng)條件下則更為明顯，當(dāng)遭遇風(fēng)速25kn的逆風(fēng)時，TBS標(biāo)準(zhǔn)下的跑道容量基本維持不變，但DBS 標(biāo)準(zhǔn)下的跑道容量大幅減少，相比于無風(fēng)條件下本身減少了4.84架次/h，占比11.2%；而相比于TBS 標(biāo)準(zhǔn)下的結(jié)果更是減少了6.6 架次/h，占比15.2%。

5 結(jié)語

本文對基于時間的間隔標(biāo)準(zhǔn)（TBS），結(jié)合混合起降的跑道容量模型進(jìn)行了計算，研究得出了以下結(jié)論：

1）運(yùn)行TBS 標(biāo)準(zhǔn)可以在一定程度上提升跑道容量，相比于DBS標(biāo)準(zhǔn)可提升4.1%。

2）運(yùn)行TBS 標(biāo)準(zhǔn)可以基本排除逆風(fēng)天氣對跑道容量的影響，在大逆風(fēng)條件下，TBS 標(biāo)準(zhǔn)相比于傳統(tǒng)的DBS標(biāo)準(zhǔn)跑道容量可提升15.2%。

3）運(yùn)行TBS 標(biāo)準(zhǔn)可以提高跑道運(yùn)行的效率并減少污染排放，實現(xiàn)高效、綠色的運(yùn)行模式。