機(jī)場(chǎng)繞行滑行道運(yùn)行策略及應(yīng)用研究

王　維，李　龍

(中國(guó)民航大學(xué)　機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津　300300)

機(jī)場(chǎng)繞行滑行道運(yùn)行策略及應(yīng)用研究

王維1，李龍2

(中國(guó)民航大學(xué)機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津300300)

摘要：繞行滑行道是一種新型機(jī)場(chǎng)滑行道，主要用于近距平行跑道機(jī)場(chǎng)。繞滑使用策略與跑道/滑行道幾何構(gòu)形、高峰小時(shí)架次、出發(fā)/到達(dá)架次比例、機(jī)型組合等因素有關(guān)。通過建模分析，分別給出了立即穿越跑道、等待穿越跑道和使用繞滑的地面滑行策略。計(jì)算表明，隨著高峰小時(shí)架次和出發(fā)航班比例的提高，使用繞滑的幾率增多、對(duì)繞滑的依賴度增強(qiáng)。開發(fā)了軟件EAT-RDS，為具有繞滑機(jī)場(chǎng)的空管人員進(jìn)行地面滑行指揮提供了實(shí)用、便捷的工具。

關(guān)鍵詞：交通工程；繞行滑行道；仿真模擬；運(yùn)行策略；地面滑行

0引言

繞行滑行道(簡(jiǎn)稱繞滑，英文EAT—End Around Taxiway)是一種新型機(jī)場(chǎng)滑行道，它在跑道端外繞過、連接平行滑行道與機(jī)坪，旨在減少多跑道機(jī)場(chǎng)的飛機(jī)跑道穿越，目前在美國(guó)和歐洲的一些機(jī)場(chǎng)已有實(shí)際應(yīng)用[1-4]。2010年上海虹橋機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建時(shí)設(shè)置了繞滑，但目前尚未實(shí)現(xiàn)物理貫通[5-6]。我國(guó)《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》在2013年修訂時(shí)專門增加“繞行滑行道”內(nèi)容，對(duì)繞滑的設(shè)置條件和運(yùn)行限制進(jìn)行了概要描述[7]。但是，國(guó)內(nèi)在繞滑的作用和應(yīng)用方面尚缺乏系統(tǒng)研究。隨著我國(guó)多跑道機(jī)場(chǎng)、特別是近距跑道機(jī)場(chǎng)的增多，未來設(shè)置繞滑的機(jī)場(chǎng)將逐步增多，對(duì)其運(yùn)行策略和使用進(jìn)行前瞻性研究無疑對(duì)多跑道機(jī)場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理都具有重要意義。

1模型構(gòu)建

1.1模型原理

當(dāng)機(jī)場(chǎng)擁有一組近距平行跑道時(shí)，站坪肯定在跑道的同側(cè)。這樣，一條跑道距站坪較近(內(nèi)側(cè))、一條較遠(yuǎn)(外側(cè))。通常，采用內(nèi)側(cè)跑道起飛、外側(cè)跑道著陸的運(yùn)行策略。若沒有設(shè)置繞滑，外側(cè)跑道的出發(fā)/到達(dá)飛機(jī)都要穿越內(nèi)側(cè)跑道[8-10]；如果設(shè)置繞滑，外側(cè)跑道的出發(fā)/到達(dá)飛機(jī)還可以利用繞滑運(yùn)行。此時(shí)的飛機(jī)滑行策略有兩種，應(yīng)根據(jù)確保安全和時(shí)間優(yōu)化原則來確定。具體來說，當(dāng)飛機(jī)到達(dá)穿越點(diǎn)時(shí)如跑道正處于空閑(沒有飛機(jī)起降)且剩余空閑時(shí)間大于飛機(jī)穿越時(shí)間，則應(yīng)采取“直接穿越” 策略；當(dāng)飛機(jī)到達(dá)穿越點(diǎn)時(shí)正處于跑道占用(有飛機(jī)起降)，若先等待、再穿越的時(shí)間小于使用繞滑時(shí)間，則應(yīng)采取“等待-穿越” 策略；否則，采用“繞滑策略”。

1.2建立模型

目標(biāo)函數(shù)：

(1)

約束條件：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式(1)～式(10)中各符號(hào)意義見表1。跑道占用起始時(shí)刻即飛機(jī)i起飛滑跑的時(shí)間點(diǎn)，記為:Tbi(i=0,1,2…)； 跑道占用終止時(shí)刻為飛機(jī)完成起飛初始爬升的時(shí)間點(diǎn)，記為:Tfi(i=0,1,2…)。由此組成跑道占用的時(shí)間集合C=[(Tb1,Tf1);(Tb2,Tf2);…(Tbn,Tfn)]； 飛機(jī)到達(dá)穿越點(diǎn)時(shí)刻的集合K={Tk1;Tk2;…;Tkn}，A={Ta1;Ta2;…;Tan} 是到達(dá)飛機(jī)著陸時(shí)刻集合，t={t1r；t1r；…；tnr}為飛機(jī)i從接地至穿越點(diǎn)r所需時(shí)間，K=A+t。te為每隔te時(shí)間可以使用一次繞滑；Φ為前后兩機(jī)平均距離；Φij為前機(jī)i與后機(jī)j距離；Pij為飛機(jī)i和j前后排列的概率。

表1　定義變量

根據(jù)上述原理、公式和圖1所示步驟，即可通過計(jì)算確定具有繞滑的多跑道機(jī)場(chǎng)的飛機(jī)地面滑行策略。

圖1　滑行策略確定Fig.1　Taxiing strategy decision

2模型應(yīng)用

某機(jī)場(chǎng)的飛行區(qū)構(gòu)形見圖2，高峰小時(shí)到達(dá)、出發(fā)航班信息見表2、表3。設(shè)每架進(jìn)離場(chǎng)飛機(jī)占用跑道時(shí)間均不超過60 s。節(jié)點(diǎn)3，2，1對(duì)應(yīng)的快滑出口位置與跑道20 L入口的距離分別為2 000，2 300 m和2 600 m。上述3條快滑的長(zhǎng)度均為S=400 m。繞滑長(zhǎng)度LEAT=2 000 m。

跑道采用“內(nèi)側(cè)出發(fā)、外側(cè)到達(dá)”分工模式。繞滑為無限制運(yùn)行，即繞滑使用與飛機(jī)離場(chǎng)互不影響。飛機(jī)在繞滑上為單向滑行，如圖2所示。穿越點(diǎn)1，2，3處，每處只能放置1架飛機(jī)。

圖2　機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)構(gòu)型Fig.2　Configuration of airfield area

到達(dá)航班機(jī)型接地時(shí)刻使用出口Arr01B7388:031Arr02A3208:073Arr03B7388:121Arr04B7388:182Arr05A3208:223Arr06A3208:262Arr07A3208:303Arr08A3208:323Arr09B7388:352Arr10B7388:392Arr11B7388:491Arr12B7388:522Arr13A3208:563

表3　出發(fā)航班信息

利用上節(jié)原理和方法對(duì)到達(dá)航班的滑行策略進(jìn)行優(yōu)化決策，得到表4的計(jì)算結(jié)果。表中，“Cr”表示直接穿越、“W-Cr”表示等待穿越、“EAT”表示繞滑。計(jì)算表明，到達(dá)航班在優(yōu)化決策條件下的總滑行耗時(shí)為T1=3 733 s；如果全部穿越跑道(含直接穿越和無條件等待穿越)，總耗時(shí)T2=9 316 s；如果全部繞滑，則總耗時(shí)為T3=4 146 s。相同條件下，與沒有設(shè)置繞滑的情況相比，機(jī)場(chǎng)到達(dá)航班的總滑行時(shí)間減少了(T2-T1)/T2=59.93%。 如全部使用繞滑，則總滑行時(shí)間減少了(T2-T3)/T2=55.50%?？梢姡@滑作用是非常顯著的。

表4　到達(dá)航班滑行策略

為對(duì)繞滑有更深入的認(rèn)識(shí)，作者進(jìn)一步分析了具有繞滑的近距平行跑道機(jī)場(chǎng)，在高峰小時(shí)航班分別為30，35，40，45，50，55架次，出發(fā)航班比例分別為33%，54%，67%的條件下的繞滑運(yùn)用策略。計(jì)算中，兩條跑道仍采用“內(nèi)側(cè)出發(fā)、外側(cè)到達(dá)”的分工模式。計(jì)算結(jié)果詳見圖3。

圖3　不同高峰小時(shí)架次、出發(fā)比例的繞滑架次比例 Fig.3　Proportion of using EAT under different peak-hour movements and departure ratios

基于上圖結(jié)果，出發(fā)航班比例較低(33%)時(shí)，隨著高峰小時(shí)架次的增多，使用繞滑的到達(dá)航班略有增加，但架次基本上低于10%。即由于內(nèi)側(cè)跑道空閑時(shí)段多，大部分到達(dá)航班可通過跑道穿越方式抵達(dá)站坪；當(dāng)出發(fā)航班比例較高(67%)時(shí)，隨著高峰小時(shí)架次的增多，使用繞滑的到達(dá)航班快速增加。當(dāng)高峰小時(shí)架次達(dá)到55時(shí)，幾乎所有到達(dá)航班都要使用繞滑；當(dāng)出發(fā)、到達(dá)航班比例大體相當(dāng)(54%)時(shí)，繞滑使用情況介乎上述兩種情況之間。

3結(jié)論

(1)繞行滑行道是一種新型機(jī)場(chǎng)滑行道，旨在提高近距平行跑道的安全性和運(yùn)行效率。

(2)機(jī)場(chǎng)設(shè)有繞滑時(shí)，飛機(jī)的地面滑行策略有3種，即立即穿越跑道、等待穿越跑道、使用繞滑。與不設(shè)繞滑的情況相比，具有繞滑且采用優(yōu)化策略的地面滑行能顯著降低總體地面滑行時(shí)間。

(3)具體的地面滑行策略選擇，要在綜合考慮跑道/滑行道幾何構(gòu)形、高峰小時(shí)架次、出發(fā)/到達(dá)架次比例等多種因素情況下確定。一般而言，隨著高峰小時(shí)架次和出發(fā)航班比例的提高，使用繞滑的幾率增多、對(duì)繞滑的依賴度增強(qiáng)。

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Study on Operation Strategy of End-around Taxiway and Its Application

WANG Wei1, LI Long2

(School of Airport, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

Abstract：End-around taxiway is a new kind of airport taxiway, mainly used in airport with closer parallel runways. The operation strategy of end-around is related to runway/taxiway geometry configuration, the peak hour aircraft movements, the proportion of departure/arrival, and aircraft combination, etc. Through the modeling analysis, the ground taxiing strategies, including crossing runway immediately, waiting for crossing runway, and using end-around taxiway are given respectively. The computation result shows that the chances of using EAT and the degree of dependency to it increase with the peak hour movements and ratio of departure/arrival. The software EAT-RDS is developed as a practical and convenient tool for the air traffic controllers of the airport with EAT to direct taxiing.

Key words：traffic engineering; operation strategy; analogue simulation; end-around taxiway (EAT); ground taxiing

收稿日期：2015-02-09

作者簡(jiǎn)介：王維(1960-)，男，河北豐南人，教授.(zgmh19871120@163.com)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.06.019

中圖分類號(hào)：U491.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0268(2016)06-0119-04