近距平行跑道相關(guān)進近模式容量分析

陶 媚，聶潤兔，趙緯經(jīng)

（中國民航大學(xué) 空中交通管理學(xué)院,天津 300300）

近距平行跑道相關(guān)進近模式容量分析

陶 媚*，聶潤兔，趙緯經(jīng)

（中國民航大學(xué) 空中交通管理學(xué)院,天津 300300）

目前近距平行跑道隔離運行下的跑道容量已經(jīng)得到廣泛重視，而運行潛力更大的相關(guān)進近模式下的跑道容量分析研究較少.本文借鑒國外近距平行跑道相關(guān)進近的運行理念，根據(jù)近距平行跑道運行的管制規(guī)定，通過引入符合近距平行跑道相關(guān)進近的時序圖，構(gòu)建相關(guān)進近模式下近距平行跑道的兩種主要運行模式的容量模型.以上海浦東機場為例對模型進行驗證，并對關(guān)鍵參數(shù)包括機型比例、相關(guān)進近航空器之間的斜距對跑道容量的影響進行分析.結(jié)果表明，本文方法準(zhǔn)確把握了運行特征，計算結(jié)果對空管運行有很大的指導(dǎo)意義.

航空運輸；跑道容量；解析模型；近距平行跑道；相關(guān)進近程序

1 引 言

隨著航班流量的迅猛增長，部分繁忙機場的容量逐漸達到飽和狀態(tài)，為了緩解這種供需不平衡的局面，國內(nèi)外很多大型機場采用平行跑道構(gòu)型來增加跑道容量，由于土地資源的限制，越來越多的機場選擇修建近距平行跑道來增加機場的容量，如德國法蘭克福國際機場、英國倫敦希斯羅國際機場和美國費城國際機場，中國的上海浦東機場、虹橋機場、深圳寶安機場、重慶江北機場等.由于跑道間隔較小，同時進近的航空器不可避免的產(chǎn)生相互干擾，因此平行跑道容量不是兩條跑道容量的簡單相加，而是與進近方式、進場機型密切相關(guān)的一個復(fù)雜參數(shù).

以單跑道容量分析模型為基礎(chǔ)，國內(nèi)外學(xué)者對近距平行跑道的容量進行了分析研究，F(xiàn)AA在2004年機場容量的研究報告中對近距平行跑道隔離運行的容量進行了分析，并指出在儀表氣象條件(IFR)下采用隔離運行模式的容量和目視氣象條件(VFR)下獨立平行運行的容量相比下降50%[1]，因此如何增加IFR下近距平行跑道的容量引起了研究者的重視；Barrer N J在對復(fù)雜機場的跑道容量分析中研究了隔離運行模式下不同運行方式的容量[2]；Milan Janic研究了近距平行跑道采用錯列進近和大下滑角進近條件下的容量模型[3]；Mundra A對近距平行跑道配對進近的容量和潛在效益進行了分析[4].FAA發(fā)布了近距平行跑道(間隔小于2 500 ft)的1.5NM相關(guān)進近文件[5]，表明美國已開始正式授權(quán)一些建有近距平行跑道的機場實施相關(guān)平行進近.國內(nèi)對近距平行跑道的容量研究相對較少，郭海琦等利用雙排隊系統(tǒng)理論與邏輯推理方法，建立近距平行跑道隔離運行容量與平均延誤水平模型[6]；王維等建立了近距平行跑道一起一降模式下的容量模型[7]；徐肖豪等分析了低能見度下近距平行跑道不同運行模式下跑道理論容量[8].綜合分析已有研究成果，可以看出近距平行跑道隔離運行下的跑道容量已經(jīng)得到廣泛的重視，而運行潛力更大的相關(guān)進近模式?jīng)]有得到應(yīng)有的重視.因此本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)介紹近距平行跑道相關(guān)進近運行模式，利用時序圖分析起飛和著陸航器之間的關(guān)系，建立相關(guān)進近運行模式下近距平行跑道的容量模型，并對相關(guān)參數(shù)進行靈敏度分析，從而為增加近距平行跑道容量提供理論分析基礎(chǔ).

2 相關(guān)進近模式下的理論容量模型分析

2.1 近距平行跑道相關(guān)進近模式

近距平行跑道是指跑道中心線間距小于760 m的平行跑道，根據(jù)《平行跑道同時儀表運行管理規(guī)定》第10條，對于近距平行跑道，航空器可能受尾流影響，平行跑道離場航空器的放行間隔應(yīng)當(dāng)按照一條跑道規(guī)定的放行間隔執(zhí)行；同時根據(jù)民航局86號令第46條的規(guī)定，對于近距平行跑道，應(yīng)為前后進近著陸的航空器配備雷達間隔的尾流間隔.該規(guī)定決定了現(xiàn)階段我國近距平行跑道只能采用隔離平行運行模式，即一條跑道用于起飛，另一條跑道用于降落.與FAA推薦的相關(guān)平行進行方式相比，我國的運行模式保留了較大的安全裕度，但同時也帶來了效率的降低.

FAA提出的相關(guān)平行進近如圖1所示，在整個相關(guān)進近階段，為避開尾流影響，必須使后機在前機下滑道剖面上方飛行，即兩條下滑道在距前機跑道入口7 nm處的參考點上要存在一個高度差，該高度差可以通過兩條跑道的下滑角不同而獲得.近距平行跑道相關(guān)進近只適用于ILS I類進近，有終端進近雷達，適用于I類天氣標(biāo)準(zhǔn)，且必須滿足相關(guān)進近對中的前機必需是輕型機、中型機（不包括B757）,后機可以是任何機型，前機必須指定為低邊進近，并且必須在后機之前建立航向道，相關(guān)進近對航空器之間提供1.5 nm斜距.

圖1 近距平行跑道相關(guān)平行進近示意圖Fig.1 Closely-spaced parallel runways using dependent approach procedures

2.2 理論容量模型

跑道理論容量是指在不考慮延誤水平的連續(xù)需求情況下，跑道系統(tǒng)在單位時間內(nèi)(1 h)可以服務(wù)的最大航空器起降架次.近距平行跑道的總?cè)萘繛榈竭_容量和起飛容量之和.為了方便容量模型的建立，將配備一定斜距的兩架相關(guān)進近航空器定義為一個到達單元，容量模型的建立基于下述的假設(shè)：

①航空器沿指定航徑進場，能夠到達管制員期望的位置，即系統(tǒng)無誤差；

②各類航空器的進近速度是給定的，且在公共進近階段勻速飛行；

③ATC采用雷達間隔；

④天氣標(biāo)準(zhǔn)滿足機場I類最低著陸標(biāo)準(zhǔn)；

⑤不考慮特情.

近距平行跑道引入相關(guān)進近可以有效地增加到達容量，結(jié)合運行實際考慮了兩種運行方式建立跑道的容量模型，包括兩條跑道全部用于降落、兩個到達單元之間插入一架起飛航空器（起飛航空器使用低邊跑道），可以根據(jù)到達流和起飛流的比例確定最佳的運行方式.容量模型建立所需參數(shù)如下：

C——跑道容量；

CA——跑道到達容量；

CD——跑道起飛容量；

d——平行跑道中心線間距；

D——公共進近段長度；

Pij——i、j架航空器順序到達概率；

Vi——i類航空器的速度；

Rai——i類航空器平均著陸占用跑道時間；

Rdi——i類航空器平均起飛占用跑道時間；

titouch——i類航空器從跑道入口至i機主輪接地的時間；

ΔTij——到達單元內(nèi)兩航空器在跑道入口處的時間間隔；

ΔTjk——相鄰兩個到達單元在跑道入口處的時間間隔；

L——到達單元內(nèi)兩航空器之間的最小斜距；

Sjk——相鄰兩個到達單元之間的最小間隔；

Gij——連續(xù)起飛航空器間的最小時間間隔標(biāo)準(zhǔn)，i先j后；

SD——一個距離值，后面降落的航空器距跑道入口的距離小于等于此值時，起飛航空器必須飛離跑道；

SD1——一個距離值，后面降落的航空器距跑道入口的距離小于此值時，不能發(fā)布起飛指令.

(1)兩條跑道全部用于降落時的跑道容量.

到達容量為連續(xù)降落航空器在跑道入口的平均時間間隔的倒數(shù)，連續(xù)降落航空器在跑道入口的平均時間間隔取決于間隔規(guī)則的應(yīng)用.目前對近距平行跑道容量分析以隔離運行為主，隔離運行的間隔規(guī)則采用單一的水平間隔.近距平行跑道相關(guān)進近對于到達單元內(nèi)航空器間采用垂直間隔和水平間隔的復(fù)合間隔，垂直間隔由高邊和低邊的高度差實現(xiàn)，水平間隔由管制員控制到達單元內(nèi)兩航空器間的斜距實現(xiàn)，而對于兩個到達單元之間的間隔采用單一的水平間隔，如圖2所示.

圖2 近距平行跑道相關(guān)進近間隔要求Fig.2 Separation requirement for dependent approach

由圖1可知，RWY XXR的下滑角為θi，RWY XXL的下滑角為θj，假定θi采用標(biāo)準(zhǔn)下滑角3°，且θi＜θj，采用RWY XXR進近著陸的航空器只能是輕型機和中型機（不包括B757）,采用RWY XXL進近著陸的航空器類型沒有限制.

根據(jù)FAA ORDER JO 7110.308的規(guī)定，航空器i和航空器j之間配備一定的斜距，航空器k和航空器j之間滿足單跑道的間隔規(guī)定.計算兩條跑道全部用于降落時的跑道容量，需分別計算到達單元內(nèi)兩架航空器在跑道入口處的時間間隔ΔTij及相鄰兩個到達單元的時間間隔ΔTjk，為了保證每一個到達單元中的航空器間都滿足相關(guān)進近條件，需使得在機場運行的機隊中輕型機和中型機（不含B757）的總比例超過50%，則跑道容量C為

式中 I={輕型機；中型機（不含B757）}；J={輕型機；中型機；重型機}.

假設(shè)前機i在t=0時刻到達RWY XXR的公共進近航段起始點FAG，后機j在其后間隔μ到達位置點FAG’，則前機i在時刻t時距RWY XXR的FAG處的距離為

后機j在時刻t時距RWY XXL的FAG’處的距離為

在兩條航向道上相關(guān)進近的兩架航空器應(yīng)滿足一定的斜距L.

①當(dāng)vj≥vi時，兩架航空器的最小間隔發(fā)生在前機i到達跑道入口的時刻ti0.

此時后機距跑道入口的距離為

為了滿足相關(guān)進近的兩架航空器之間的間隔要求，即

可推得

此時前機距FAG處的距離為

為了滿足相關(guān)進近的兩架航空器之間的間隔要求，即

可推得

因此可得兩架航空器在跑道入口處的時間間隔ΔTij.

同理可計算得

（2）兩個到達單元之間插入一架起飛航空器.

在兩個到達單元之間插入一架起飛航空器，如圖3所示，需遵守以下限制條件：

圖3 兩個到達單元之間插入一架起飛航空器Fig.3 A departure aircraft inserted between two arrival units

①同一條跑道上落地的航空器已脫離跑道，才能發(fā)布起飛指令；

②在另一條平行跑道上落地的航空器主輪接地，才能發(fā)布起飛指令；

同一條跑道上后續(xù)落地的航空器距跑道入口SD1，才能發(fā)布起飛指令；

④同一條跑道上后續(xù)落地的航空器距跑道入口SD，前機已經(jīng)飛離跑道；

此時跑道容量為

因為每兩個到達單元之間都插入一架起飛航空器，因此起飛容量為到達容量的

起飛的航空器插入到兩個到達單元之間的時序圖如圖4所示，為了保證每兩個到達單元之間都能插入1架起飛航空器，可能需要人為增大兩個單元之間的間隔，即ΔTjk的值必須滿足2.2節(jié)中（2）的4個限制條件.

從圖4可知，滿足限制條件①②③，即

滿足限制條件①②④，即

由2.2節(jié)的（1）可知滿足航空器j、k間管制規(guī)則，必須滿足

圖4 兩個到達單元之間插入一架起飛航空器的時序圖Fig.4 A timing diagram for a departure aircraft between two arrival units

3 模型應(yīng)用

3.1 輸入描述

上海/浦東機場是中國最繁忙的樞紐機場之一，具有三條平行跑道16/34、17L/35R、17R/35L，其跑道構(gòu)型如圖5所示，其中17L/35R、17R/35L為一組近距平行跑道.以35R跑道作為低邊進近跑道為例，該跑道公共進近段長度16 km,到達單元內(nèi)兩航空器之間的斜距取1.5 nm.

圖5 上海∕浦東機場跑道構(gòu)型圖Fig.5 Geometry of runways for Pudong airport

航班流機型比例和進近平均速度如表1所示.各機型跑道占用時間如表2所示.雷達尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)如表3所示.

表1 航班流機型比例Table 1 Proportion of aircraft categories in aircraft fleet

表2 各機型跑道占用時間Table 2 Runway occupancy times for all kinds of aircraft categories（s）

表2 各機型跑道占用時間Table 2 Runway occupancy times for all kinds of aircraft categories（s）

機型從入口至接地點時間從入口至脫離跑道時間離場占用跑道時間輕型機8 40 30中型機（不含B757）6 50 40 B757 6 50 40重型機6 50 40

表3 雷達尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Radar in-trail separation standard（km）

表3 雷達尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Radar in-trail separation standard（km）

后機機型輕型機中型機（不含B757）B757重型機前機機型輕型機6666中型機（不含B757）10 666 B757 10 10 10 8重型機12 10 10 8

3.2 結(jié)果分析

將以上數(shù)據(jù)代入式（1），計算得到全落運行方式下，到達容量為CA=41架次/小時.將以上數(shù)據(jù)代入式（14）和式（15），計算得到兩個到達單元之間插入一架起飛航空器運行方式下，到達容量為CA=40架次/小時，起飛容量為CD=20架次/小時，總?cè)萘繛镃=60架次/小時.而相同條件下如果采用隔離運行方式，在僅用于降落時，C=CA=33架次/小時，一起雙降時，CA=32架次/小時，起飛容量為CD= 16架次/小時，C=48架次/小時.采用相關(guān)進近運行模式對于全落情況下跑道容量可以提升24.2%，一起雙降情況下跑道容量可以提升25%.

隨著中型機（不含B757）和輕型機比例的增加，跑道容量的變化曲線如圖6所示，隨斜距L的增加，跑道容量的變化曲線如圖7所示.

圖6 容量隨機型比例變化的曲線Fig.6 Capacity curve on the proportion of aircraft

圖7 容量隨斜距L變化的曲線Fig.7 Capacity curve on radar separation diagonally L

4 研究結(jié)論

借鑒國外近距平行跑道相關(guān)進近的運行理念，根據(jù)相應(yīng)的管制規(guī)則建立相關(guān)進近運行模式下進場、進離場混合兩種情況下的跑道容量模型.近距平行跑道相關(guān)進近改變了隔離運行模式下前后兩架航空器之間只配備水平間隔，采用在特定航空器對之間配備水平間隔和垂直間隔相結(jié)合的復(fù)合間隔，從而減少相關(guān)航空器組之間的水平距離以達到增加跑道容量的目的.以上海浦東機場的一組近距平行跑道為例，對于兩條跑道全部用于降落、兩個到達單元之間插入一架起飛航空器兩種情況進行了算例分析，并給出了跑道容量隨機型比例、相關(guān)航空器之間斜距兩個關(guān)鍵參數(shù)的變化曲線.

[1] FAA.Airport capacity benchmark report[R].Federal Aviation Administration, US Department of Transportation,the MITRE Corporation,Washington, DC,USA,2004b.

[2] Barrer N J,Kuzminski P,Swedish W J.Analysis of the runway capacity of complex airport[C].AIAA-American Institute for Aeronautics and Astronautics,Reston, Virginia,USA.2005.

[3] Milan Janic.Modelling the capacity ofcloselyspaced parallel runways using innovative approach procedures[J].Transportation Research Part C,2008，16:704-730.

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[5] FAA.FAA ORDER JO 7110.308[E],（2010-9-01）[2014-3-20].http:∕www.faa.gov∕.

[6] 郭海琦，朱金福.近距平行跑道容量及延誤水平計算模型[J].交通運輸工程學(xué)報，2008，8(4)：68-72.[GUO H Q,ZHU J F.Calculation models of capacity and delay for closely spaced parallel runway[J].Journal of Traffic and Transportation Engineering,2008,8(4):68-72.]

[7] 王維，李偉.機場近距平行跑道一起一降模式下的容量計算[J].中國民航大學(xué)學(xué)報，2009，27(3)：20-22. [WANG W,LI W.Airport capacity calculation of closely spaced parallel runway under operation mode of one arrival and one departure[J].Journal of Civil Aviation University of China,2009,27(3):20-22.]

[8] 徐肖豪，于越，等.不同運行模式的近距平行跑道容量分析[J].中國民航大學(xué)學(xué)報，2012，30(6)：34-39. [XU X H,YU Y,et al.Research on capacity of closely spaced parallel runways based on different operation models[J].Journal of Civil Aviation University of China, 2012,30(6):34-39.]

Capacity of Closely-spaced Parallel Runways Using Dependent Approach Procedures

TAO Mei,NIE Run-tu,ZHAO Wei-jing
(College ofAir Traffic Management，CivilAviation University of China，Tianjin 300300，China)

Currently,the runway capacity of closely-spaced parallel runways using segregated operation has been widely attached importance,however,runway capacity using dependent approach procedures which promises greater potential has not yet been paid due attention.This paper develops analytical models for calculating the ultimate arrival,mixed operating capacity of closed-spaced runways using dependent approach procedures which is the experience of other countries for reference.The models are based on a timing diagram in accord with realistic operational features of dependent procedures.The models are applied to calculating the ultimate capacity of closed-spaced runways at Shang hai/Pudong airport.The output from the models consists of corresponding capacities and their variations depending on key parameters such as aircraft fleet mix characterized by the wake-vortex categories and radar separation diagonally with pairs of lead/trailing aircraft.The results show that the method accurately grasps the operating characteristics and the results are of great significance for the operation ofATC.

air transportation;runway capacity;analytical model;closed-spaced parallel runways; dependent approach procedure0

2014-06-16

2014-08-13錄用日期：2014-09-15

國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項目（U1333116）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費（3122014D038）.

陶媚（1978-），女，河北景縣人，講師. *

mtaocauc@163.com

1009-6744（2014）06-0182-06

V355.1

A