基于離散仿真分析的機場飛行區(qū)布局評價方法

趙鴻鐸，凌建明，張 朋

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804）

機場飛行區(qū)為飛機活動的地域，是機場中重要的基礎設施。機場飛行區(qū)的布局合理程度關系著飛行區(qū)運行效率和機場服務水平。飛行區(qū)的布局主要包括跑道、快速出口滑行道、平行滑行道、聯(lián)絡道、滑行通道、停機坪、等待機坪等設施的數(shù)量、類型和位置等內容。大型機場的交通量大、跑道多、飛行區(qū)布局復雜，需要合理的方法進行評價。

在傳統(tǒng)的機場規(guī)劃設計中，一般從安全、容量和延誤等角度進行飛行區(qū)的布局和評價[1]。如美國聯(lián)邦航空局（FAA，federal aviation administration）[2-3]、中國民用航空局[4]都提出了飛行區(qū)的容量和延誤計算方法。這些解析計算方法與模型，對空管條件機場狀態(tài)進行較多的簡化，一般可適應規(guī)劃層面的機場評價，以及單跑道機場的機場布局設計評價。對多跑道機場的復雜飛行區(qū)布局評價的適應性不足。

離散仿真技術由于可較真實地模擬飛行區(qū)場景、空管規(guī)則、滑行優(yōu)化等，為大型機場復雜飛行區(qū)的布局評價提供優(yōu)秀的手段[5]?？梢酝瑫r從容量、延誤和運行效率的角度進行評價分析。本文采用SIMMOD（airport and airspace simulation model）Plus 7.6.2 仿 真軟件[6]，依托揚州泰州機場和浦東國際機場，對飛行區(qū)布局評價的仿真分析方法進行闡述。為類似分析提供分析參數(shù)和案例參考。

1 飛行區(qū)仿真系統(tǒng)簡介

飛行區(qū)仿真模型采用機場專用的SIMMOD系統(tǒng)進行構建[6]。該仿真系統(tǒng)是美國FAA開發(fā)的可適用于空域和機場飛行區(qū)仿真的模擬引擎。在系統(tǒng)中把機場和空域結構抽象為由節(jié)點和連線組成的二維網(wǎng)絡，以飛機在這些節(jié)點和連線上的運動模擬實際的飛機運行與操作，包括正常飛行、減速飛行、盤旋等待、起降滑行以及在機坪的操作等。SIMMOD使用不同參數(shù)體現(xiàn)不同管制、運行策略，參數(shù)包括常量、隨機變量和控制參量。

SIMMOD Plus是ATAC在FAA研發(fā)的SIMMOD內核基礎上發(fā)展而來的可視化軟件，不僅繼承了SIMMOD引擎的功能，還提供了一整套可視化的圖形界面、輔助工具、動畫工具，能夠更快速建立機場模型并運行仿真[6]。SIMMODPlus7.6.2的界面如圖1所示。

圖1 SIMMOD Plus系統(tǒng)主界面Fig.1 Main window of SIMMOD Plus

2 飛行區(qū)仿真模型構建

2.1 飛行區(qū)網(wǎng)絡圖

在SIMMOD Plus的仿真分析中，飛機在空中和飛行區(qū)的運動簡化為在二維網(wǎng)絡上的運動。為實現(xiàn)飛行區(qū)的仿真模擬，需構建進近、起飛空域結構，以及飛行區(qū)的跑道、出口滑行道、聯(lián)絡道、平行滑行道、滑行通道、機位等網(wǎng)絡結構。一般的網(wǎng)絡節(jié)點和路線包括：

1）空域節(jié)點：可設置間隔要求、等待類型、通過規(guī)則和到達與等待策略。

2）空域路線：可設置飛行速度分布（按機型或其它）、通過規(guī)則、飛行規(guī)則、風的影響、超越和尾流擾動的影響。

3）地面節(jié)點：可設置間隔要求、防止沖突的等待策略、通過規(guī)則、節(jié)點同時所能容納的飛機數(shù)量。

4）地面路線：可設置滑行速度分布、通過規(guī)則、穿越跑道耗時分布、高速出口滑行道、滑行路線。

特殊的節(jié)點和路線：

1）跑道：一系列節(jié)點和路線的組合，擁有兩個使用方向，需要定義跑道上滑行的時間、穿越跑道的時間、跑道占用規(guī)則等。

2）滑行道：包括各種類型的滑行道，一般沒有特殊的限制。需要指出的是：到達/出發(fā)飛機在滑行道系統(tǒng)的不同部分上使用不同的滑行速度；動態(tài)單向滑行道，即同一時刻只允許單向滑行的滑行道。

3）機位：門位包括節(jié)點和與此節(jié)點直接相連的路線。節(jié)點的定義包括門位所有權、服務時間分布、門位選擇和等待策略；路線的定義包括允許雙向進出門位和門位使用過程中的路線封鎖等。

揚州泰州機場和浦東國際機場的仿真網(wǎng)絡圖如圖2和圖3所示。

圖2 揚州泰州機場網(wǎng)絡圖Fig.2 Network of Yangzhou Taizhou Airport

圖3 浦東國際機場網(wǎng)絡圖Fig.3 Network of Pudong International Airport

2.2 飛機及交通量

參照國內外的飛機參數(shù)[7]，在仿真分析中按照飛機的最大起飛重量，可劃分成通用飛機、小型飛機、大型飛機和重型飛機，其重量劃分標準如表1所示。

表1 仿真中的飛機分類Tab.1 Aircraft size groups in simulation

根據(jù)規(guī)劃，揚州泰州機場近期至2020年的高峰小時交通量為12架次/h。近期主要運行屬于小型飛機的B類飛機和屬于大型飛機的C類飛機。其中B類飛機占15%，C類飛機占85%。在SIMMOD Plus的仿真分析中采用自動隨機產生飛機交通量的方式進行模擬。為了更好地模擬高峰小時的交通量，擬連續(xù)模擬3 h，每個小時的起飛架次均為高峰小時架次，將中間1 h的數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)。

浦東國際機場的交通量，采用2008年4月某一天的實際航班數(shù)據(jù)。當天共起降773架次，其中高峰小時為12：00—13：00共起降51架次，其中出港航班27架次，進港航班24架次。為了充分分析高峰小時的飛行區(qū)延誤，仿真分析了11：00—14：00點之間的機場運行情況。分析中對到達后繼續(xù)起飛的飛機，按照實際航班時間考慮該飛機在機位的?？?。

2.3 空中運行參數(shù)

在機場飛行區(qū)的仿真中需模擬飛機的進近和離場的飛機行為，在這段過程中需要根據(jù)要求確定不同飛機之間的間隔要求。根據(jù)中國民用航空局在《中國民用航空空中交通管理規(guī)則》中的規(guī)定，尾流間隔的最低標準根據(jù)機型種類而定[8]。

使用同一跑道的非雷達間隔的尾流間隔時間規(guī)定為[8]：

1）當前后起飛離場的航空器為重型機和重型機、重型機和輕型機、中型機和輕型機時，前后航空器間非雷達間隔的尾流隔時間不得少于2 min；

2）當前后進近著陸的航空器為重型機和中型機時，其非雷達間隔的尾流間隔時間不得少于2 min；

3）當前后進近著陸的航空器分別為重型機和輕型機、中型機和輕型機時，其非雷達間隔的尾流間隔時間不得少于3 min。

參照中國民用航空局在《中國民用航空空中交通管理規(guī)則》中的規(guī)定，本文采用同一跑道上雷達間隔的尾流間隔最低標準如表2所示。

表2 尾流間隔標準Tab.2 Separation requirements

2.4 飛行區(qū)運行參數(shù)

在飛行區(qū)運行中，飛機的滑行需要遵循飛行區(qū)的運行規(guī)則：

1）假定飛機從南向北運行。浦東國際機場的第一跑道僅供起飛，第三跑道僅供降落。

2）起降飛機的優(yōu)先規(guī)則和選擇服務順序。對于前者，一般規(guī)定到達飛機優(yōu)先，但不是絕對優(yōu)先，在比較等待起/降隊列的長度之后可以選擇是否繼續(xù)遵循到達優(yōu)先原則；對于后者，一般使用先到先服務的原則。

3）脫離/進入跑道、進入門位、推出、開車、開始地面滑行/結束地面滑行、開始起飛滑行等。SIMMOD Plus主要通過安排飛機排隊起飛順序、調節(jié)滑行飛機的啟動和停止、調節(jié)飛行滑行速度、指定門位等并結合定義地域路線來模擬對地面飛機的管制。飛機在飛行區(qū)活動的滑行速度如表3所示。

表3 飛機在飛行區(qū)活動時的滑行速度Tab.3 Taxi speed of aircraft

2.5 機位參數(shù)

揚州泰州機場近期共規(guī)劃了12個停機位，其中近機位7個，遠機位5個。包括11個C類機位和1個B類機位。仿真分析中假定浦東國際機場的客運飛機全部?？縏1航站樓，包括28個近機位和11個遠機位，貨運飛機停靠T1航站樓北側的貨運機位。停機位的分配采用動態(tài)隨機策略。各類飛機在登機橋上下飛機的操作時間如表4所示。

表4 飛機操作所需的時間概率Tab.4 Operating time probability of aircraft

3 仿真結果分析

3.1 評價指標與標準

在仿真分析中主要對飛機的延誤時間進行評價，根據(jù)國際標準以延誤不超過4 min作為飛行區(qū)運行效率評價標準[3]。

3.2 揚州泰州機場仿真分析

根據(jù)上述的仿真參數(shù)，在SIMMOD Plus中建立揚州泰州機場的平面模型。并由程序隨機產生高峰小時的航空交通量。到港航班的滑行時間如圖4所示，離港航班的滑行時間如圖5所示。到港航班的平均滑行時間為4 min，離港航班的平均滑行時間為5 min。各個航班的延誤時間如圖6所示，平均的延誤時間為1 min，最大的延誤時間約4 min。因此，當高峰小時的起降架次為12次時，揚州泰州機場的飛行區(qū)布局和停機位的設置是合理的。

圖4 到港航班滑行時間Fig.4 Taxi time for arrival flights

圖5 離港航班滑行時間Fig.5 Taxi time for departure flights

圖6 航班的延誤時間Fig.6 Delay of flights

3.3 浦東國際機場仿真分析

通過對浦東國際機場2008年4月某一天11：00—14：00間實際航班的仿真模擬，截取12：00—13：00的高鋒時段進行分析。該時段到達航班的飛行區(qū)滑行時間如圖7所示，平均滑行時間為303 s。該時段出發(fā)航班的飛行區(qū)滑行時間如圖8所示，平均滑行時間為440 s。該時段到達航班的飛行區(qū)總延誤如圖9所示，平均延誤時間為20.7 s。該時段出發(fā)航班的飛行區(qū)延誤時間如圖10所示，平均延誤為61.1 s。從分析的結果來看，如果按照第一跑道起飛，第三跑道降落的運行方案，并且飛機均?？縏1航站樓，該航空交通量可以在該機場得到很好的運行，運行效率高，延誤小，因此其飛行區(qū)布局能滿足該航空交通量的要求。

圖7 浦東到港航班的飛行區(qū)滑行時間Fig.7 Taxi time for arrival flights at Pudong

圖8 浦東離港航班的飛行區(qū)滑行時間Fig.8 Taxi time for departure flights at Pudong

圖9 浦東到港航班的延誤時間Fig.9 Delay of arrival flights at Pudong

3.4 浦東國際機場飛行區(qū)未來適應性評價

根據(jù)浦東國際機場2004年的規(guī)劃，2015年的客流量將達到6 000萬人次/年，高峰小時的起降架次為134次，分別由4條平行跑道承擔。根據(jù)預測，2015年重型飛機（E類和F類）的比例約占42.5%，大型飛機（C類和D類）的比例約占57.5%，其高峰小時的架次分別為57和77架次。假定在跑道1、3組合和跑道2、4組合承擔的飛機起降架次相同，到達和出發(fā)航班量相等。因此，在仿真中僅考慮機場西側的情況，即跑道1和跑3道，航站樓T1和航站樓S1，其承擔的高峰小時起降架次為重型飛機28架次和40架次。假定高峰小時出現(xiàn)在12：00—13：00，前后各1 h內輸入和高峰小時同樣的交通量，分析高峰小時的飛機運行狀況。

圖10 浦東離港航班的延誤時間Fig.10 Delay of departure flights at Pudong

12：00—13：00之間的航班無障礙平均滑入和滑出時間分別為351 s和366 s，與2008年的運行狀況接近。由于S1衛(wèi)星航站樓的啟用，使得從S1出發(fā)的起飛滑行距離縮短，因此使得平均滑出時間縮短。該時段到達航班的延誤情況如圖11所示。由圖可知航班延誤主要為滑行道穿越跑道引起的跑道穿越延誤。因此，在運行組織中應加強對跑道穿越的管理和從跑道端部繞行的指引管理。該時段出發(fā)航班的延誤情況如圖12所示。由圖可知，延誤由兩部分組成：滑行時為了保證安全間隔造成的滑行等待延誤，以及在跑道端部等待起飛造成的等待延誤。該時段出發(fā)飛機的平均延誤為343.9 s，超過了4 min延誤的一般國際標準。造成這種延誤主要原因是起飛時的管制間隔要求，以及到達飛機穿越跑道造成的影響。需要在后續(xù)的運行中采取適當?shù)拇胧┻M行改進。

圖11 到港航班的總延誤Fig.11 Total delay of arrival flights at Pudong

圖12 離港航班的總延誤Fig.12 Total delay of departure flights at Pudong

4 結語

本文對基于離散仿真分析的機場飛行區(qū)布局評價方法進行了討論，小結如下：

1）依托江南的兩大機場，給出了在中國采用SIMMOD進行仿真分析時，建議的空中交通管理、飛機操作、滑行速度等的參數(shù)取值；

2）對揚州泰州機場的單跑道飛行區(qū)布局進行了評價分析，結果表明延誤均小于4 min，運行效率較好；

3）對浦東國際機場的飛行區(qū)進行了現(xiàn)狀和未來適應性評價分析。結果表明在現(xiàn)階段機場的運行效率較高。但為了適應未來的航空交通量，需采取適當?shù)倪\行管理優(yōu)化措施，使延誤時間控制在4 min以下。

[1]趙鴻鐸，談至明，張?zhí)m芳.大型航空港設計布局評價指標的探討[J].交通與運輸（學術版），2007（12）：93-95.

[2]US Federal Aviation Administration Advisory Circular.150/5060-5，Airport Capacity and Delay[S].WashingtonDC：USGovernmentPrinting Office，1983.

[3]NORMAN J ASHFORD，SALEH MUMAYIZ，PAUL H WRIGHT.Airport Engineering：Planning，Design and Development of 21st Century Airports[M].Hoboken，New Jersey：John Wiley & Sons Inc，2011.

[4]中國民用航空總局.MH 5001—2006，民用機場飛行區(qū)技術標準[S].北京：中國民用航空總局，2006.

[5]李浩瀚.跑道容量的仿真模型分析[J].交通科技與經(jīng)濟，2009，11（3）：1-3.

[6]ATAC.Simmod PLUS!Reference Manual Version 7.6.2[G].Sunnyvale，CA：ATAC Corporation，2011.

[7]談至明，趙鴻鐸，張?zhí)m芳.機場規(guī)劃與設計[M].北京：人民交通出版社，2010.

[8]中國民用航空總局.CCAR—93TM-R3，中國民用航空空中交通管理規(guī)則[S].北京：中國民用航空總局，2007.