Flexsim仿真在浦東機場地面滑行優(yōu)化中的運用

周銳涵，唐小衛(wèi)

（南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，南京 211100）

當前，隨著旅客出行需求和貨郵運輸量的日益增長，浦東機場作為中國的大型門戶樞紐機場，對航班量的需求愈益增加。然而，有限的空域資源和地面設(shè)施正逐漸成為約束航班量增長的瓶頸。浦東機場跑滑系統(tǒng)規(guī)模相對較大，但由于局部構(gòu)型設(shè)置不合理，其航班在地面運行過程中的滑行效率問題逐漸凸顯，這無疑會對航班放行正常性、機場塔臺調(diào)度指揮以及機場整體運行效率造成一定程度的影響[1]。在現(xiàn)有運行條件下，對浦東機場的跑道、滑行道構(gòu)型和運行模式進行研究分析，結(jié)合實際運行數(shù)據(jù)，提出可行的改進方案，并使用Flexsim仿真工具加以比較，將切實有效地提高機場航班的地面運行效率，提高機場放行正常水平，同時兼顧運行安全[2-3]。

1 浦東機場飛行區(qū)運行情況

浦東機場飛行區(qū)目前擁有4條平行跑道，分別組成兩組近距平行跑道，其中1號、2號跑道（17L/35R、16R/34L）主要用于起飛，3號、4號跑道（17R/35L、16L/34R）用于降落，另有8條主要平行滑行道和一對垂直聯(lián)絡(luò)道，以及若干機坪滑行通道等[4]。

針對航班在2號跑道北端滑行道部分以及T2航站樓北部周邊停機坪和6號機坪（遠機坪）組成的停機坪區(qū)域的地面運行效率進行研究分析。研究涉及的滑行道和停機坪所處區(qū)域為塔臺管制盲區(qū)，即該區(qū)域處于塔臺目視受到遮蔽的范圍內(nèi)，這意味著航班在該區(qū)域運行時，需對其進行分區(qū)管理，嚴格遵守滑行指令，按照規(guī)定的滑行路線、從固定的機坪進出道口運行。這將導(dǎo)致該區(qū)域的地面滑行效率明顯降低、地面滑行等待時間增加，最終影響航班放行正常率。

T2航站樓周邊、2號跑道北端及6號機坪之間區(qū)域的跑滑系統(tǒng)設(shè)置存在一定缺陷，如圖1所示。目前運行方案為：6號機坪的航班使用L18進出機坪，A、B區(qū)（50/51/52/53/54/56/58/60/62/64/801-805停機位號）航班從E7道口進，E6道口出；C區(qū)（55/57/59/61/63/65/806-809號停機位）航班從R6道口進、E5道口出。飛機由北向南運行時，使用16R跑道起飛，若此時C、D區(qū)域有航空器起飛也使用16R跑道，按照機坪運行規(guī)則，需從E5道口滑出并加入F滑行道（以下簡稱“F滑”），一般F滑上會有較多使用16R跑道等待起飛的航空器以及進港后需要?？恐料鄳?yīng)區(qū)域的航空器，首先產(chǎn)生的問題就是起飛排隊空間不足；其次，C區(qū)域滑出航空器不容易盡快加入F滑，容易造成E滑或E5道口的堵塞。再加上A、B區(qū)、6號機坪若有離港航班使用西側(cè)跑道起飛，需使用E滑滑行，更加劇了此處的擁堵，導(dǎo)致地面滑行時間增加。隨著F滑和E滑堵塞的加劇，進一步導(dǎo)致出港航班被壓制在機坪中無法推出、?？吭搮^(qū)域機位的進港航班無法順暢滑入。這將導(dǎo)致該區(qū)機坪內(nèi)進出港飛機形成對頭沖突，以及滑出后的出港航班與E滑上活動的飛機形成T字型沖突。

圖1 2號跑道北端及6、7號停機坪局部示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of Runway 2 and Apron 6&7

2 地面運行分析及優(yōu)化方案

放行正常率可以直接反映機場運行效率的高低，繼而間接反映出航班地面滑行效率的高低，用以評價機場的跑道滑行道和機坪設(shè)置合理與否[5]。

根據(jù)浦東機場2017年7月1日～10日的機場放行正常率統(tǒng)計，得到首次計算起飛時間（CTOT，calculated take off time）正常率、最后CTOT正常率和實際放行正常率分別為72.62%、61.51%和53.99%。理論與實際放行率之間的差距可能是因為飛機在實際地面保障環(huán)節(jié)中沒有銜接順暢，但很大程度上還是由于飛機推出機位開車滑行到離地起飛過程中的地面滑行耗時過長導(dǎo)致的，這與滑行道設(shè)置、機坪構(gòu)型等有著直接聯(lián)系，在上文對T2航站樓北端區(qū)域的運行環(huán)境分析中有具體討論。通過對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進行分析，分別得到使用1號、3號跑道和2號、4號跑道的航班平均進出港滑行時間和放行正常率。為了更好地反映地面滑行效率，出港滑行時間取開車滑行時間和離地時間的差值，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，使用2號、4號跑道的航班地面滑行效率明顯不如1號、3號跑道。尤其是由北向南運行時，T2航站樓北端區(qū)域機坪進出港航班和F滑上出港排隊航班之間的矛盾沖突尤為嚴重。

表1 滑行時間和放行正常率對比Tab.1 Contrast of taxiing time and normality rate

基于以上討論和分析，提出兩個較為貼合實際的優(yōu)化方案。

方案一：①在6號機坪內(nèi)增設(shè)1條機坪滑行通道，由F滑向北延伸，與現(xiàn)有的L18跑道平行，命名為L19；②增加3條同時垂直于L18和L19的滑行道，如圖2所示。

圖2 優(yōu)化方案一示意圖Fig.2 Sketch map of Plan 1

該方案的優(yōu)點主要體現(xiàn)在：①增加了1條平行于L18的機坪滑行通道之后，大大提高了6號機坪航班滑行的靈活度。原有的單條機坪滑行通道，嚴重限制了航班在機坪內(nèi)只能單向滑行，而擁有2條平行的機坪滑行通道和3條進行聯(lián)通的滑行道之后，可以有效吸收對頭沖突，從而實現(xiàn)航班在6號機坪的同時滑進、滑出。②為7號機坪A、B區(qū)域出港航班增加了排隊空間。2017年7月1日～10日期間，該區(qū)共15個機位日均進出港航班為156架次，而整個T2航站樓周邊共58個機位日均進出港航班為548架次，可見目前A、B區(qū)機位的使用頻率相對較高，航班量高于平均水平。該區(qū)域航班若前往2號跑道起飛，則需要由E6道口滑出，在F滑上排隊，但此區(qū)域空間有限，擁堵后會影響其他進出航班，增加L19后，可充分利用其長度，供排隊隊列使用，以保持E滑的暢通。③有利于優(yōu)化C區(qū)機位的滑出道口，使得滑入、滑出的航班方向一致。將目前C區(qū)機位的滑出道口由E5改為E6，不僅可以避免機坪內(nèi)滑行通道的對頭沖突，也可以避免原先出港航班從E5道口滑出后與在E滑上運行的航班形成的T字型沖突?，F(xiàn)有沖突情況如圖3所示。④雙向排隊起飛，緩解對R5道口、T4聯(lián)絡(luò)道的影響。南向運行時，F(xiàn)滑上起飛和進港航班混流，特別是起飛排隊使進港航班無法快速滑入機坪。塔臺視情況使用E滑，但若E滑繁忙，F(xiàn)滑上將積聚較多飛機，影響使用R5道口滑入的航班，影響范圍甚至?xí)暗絋4聯(lián)絡(luò)道。

方案一也存在一定缺陷，當北向運行時，L19滑行道上的飛機將穿透2條跑道的起飛爬升面，針對該缺陷的應(yīng)對方法為：①北向運行時，關(guān)閉L19滑行道；②由相關(guān)部門組織專家嚴格評估起飛爬升面對L19滑行道的影響，視情況使用部分L19滑行道。

方案二：①將2號跑道向北延伸200 m；②增加1條跑道入口滑行道，如圖4所示。

圖3 C區(qū)航班沖突示意圖Fig.3 Sketch map of conflicts in Area C

圖4 優(yōu)化方案二示意圖Fig.4 Sketch map of Plan 2

方案二的優(yōu)點為：將跑道向北延長，2號跑道將有3處入口滑行道，擴大了2號跑道排隊空間。但是因此產(chǎn)生的缺點較多。首先，經(jīng)過前期與塔臺的深入交流，在這樣的構(gòu)型下，塔臺極少會同時使用3處跑道入口，因為跑道侵入的風(fēng)險將明顯增大。其次，浦東機場高位運行的局面還將持續(xù)，但是跑道延長施工的影響非常大，機場較難承受這種改造壓力。而且跑道延長影響的范圍也非常廣。最后，新增加的跑道入口進一步壓縮了A、B區(qū)和6號機坪出港航班的排隊空間，而原先的排隊空間已經(jīng)相對緊張，造成這些區(qū)域的航班進一步被壓制在機坪內(nèi)的狀況。

3 航空器地面運行仿真建模

根據(jù)進、離港流程分析和飛行區(qū)各功能單元使用說明，建立了飛行區(qū)仿真模型。研究所涉及的停機位為6號機坪（16個）以及T2航站樓北端的A、B、C區(qū)域機位（25個）。

建立仿真系統(tǒng)，需要對系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)置。主要包括：①典型日航班時刻表，包括航空公司、航班號、機型、計劃進離港時間、停機位、進離港跑道編號；②跑道占用時間（ROT）；③進出港安全間隔；④飛機滑行速度；⑤停機位的使用按照飛機機型、航空公司來分配；⑥跑道同時只能被1架飛機占用；⑦航空器在飛行區(qū)的其他運行標準參考相關(guān)規(guī)定；⑧飛行區(qū)AutoCAD布局圖。

仿真系統(tǒng)主要分為機場模型生成模塊、信息讀取模塊、航班生成模塊、跑道使用控制模塊、運行沖突控制模塊、停機位控制模塊、仿真顯示與控制模塊以及仿真結(jié)果統(tǒng)計與分析模塊。

4 航空器地面運行仿真結(jié)果分析

通過對當前運行模式下典型日的現(xiàn)有運行方案和兩種優(yōu)化運行方案的仿真模擬，首先針對F滑最長排隊架次、最長排隊時間、平均排隊時間、機坪道口的平均滯留時間等指標進行統(tǒng)計，如表2所示。其次，仿真得到了進離港滑行時間，考慮到機場未來旅客的吞吐量將繼續(xù)增長，通過合理增加航班密度，分別模擬了旅客年吞吐量為7 500萬人次和9 000萬人次運行壓力下的地面運行[6]，結(jié)果如表3所示。注：研究暫不考慮未來隨著吞吐量的增長，機場將開放第5號、第6號條跑道的情況。

表2 兩種優(yōu)化方案的仿真指標對比Tab.2 Contrast of simulation indices of two plans

表3 兩種優(yōu)化方案進離港滑行時間的仿真對比Tab.3 Contrast of taxiing time of two plans

根據(jù)仿真所得結(jié)果，方案一和方案二的出港滑行F滑最長排隊架次分別比現(xiàn)有運行模式減少了2架和1架；方案一和方案二的F滑最長排隊時間相似，比現(xiàn)有運行模式減少了9.09%；方案一和方案二的F滑平均排隊時間分別比現(xiàn)有運行模式減少了24.53%和11.32%；方案一和方案二的總出港滑行時間分別比現(xiàn)有運行模式減少了8.43%和3.21%。進港滑行時，方案一的機坪道口平均滯留時間比現(xiàn)有模式減少了33.33%，而方案二幾乎沒有變化；方案一和方案二的平均進港滑行時間分別比現(xiàn)有運行模式減少了3.82%和2.29%。隨著旅客吞吐量的增長，方案一的滑行時間增加比例低于當前模式和方案二。綜合來看，方案一的優(yōu)化效果明顯優(yōu)于方案二。

5 結(jié)語

對浦東機場的飛行區(qū)整體情況進行了介紹，重點分析了包含2號跑道北端、F滑、T2航站樓北端周邊停機坪及6號遠機坪在內(nèi)的區(qū)域航班地面運行存在的問題，提出了兩個優(yōu)化方案。結(jié)合典型航班日的航班運行數(shù)據(jù)，應(yīng)用Flexsim仿真軟件對不同方案下的機場地面運行效率進行了模擬；通過建立Flexsim仿真模型，開發(fā)地面運行仿真系統(tǒng)，結(jié)合實際運行數(shù)據(jù)，對不同優(yōu)化方案下的地面運行進行模擬。統(tǒng)計得到的數(shù)據(jù)顯示：方案一對航班進、離港滑行時間、F滑的排隊等待時間和最長排隊架次、機坪道口滯留時間的優(yōu)化效果總體優(yōu)于方案二，且隨著航班量的增加，方案一的滑行時間增加比例與當前模式和方案二比較，相對較小。

綜合上述理論分析和仿真所得數(shù)據(jù)，推薦采用優(yōu)化方案一，目前該方案已被浦東機場認可，相應(yīng)的改造工程也將展開。

參考文獻：

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