交叉跑道機(jī)場(chǎng)目視條件下航空器碰撞風(fēng)險(xiǎn)分析

張瑗晉， 朱代武

(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 空中交通管理學(xué)院， 四川 廣漢 618307)

在民航發(fā)展的大背景下，許多機(jī)場(chǎng)的容量逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)。為了緩解航空交通壓力和促進(jìn)空中交通流量安全發(fā)展，國(guó)內(nèi)一些大型機(jī)場(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始采用新興的交叉跑道的方式來(lái)提高跑道運(yùn)行效率。為此，在目視條件下發(fā)揮飛行員作為運(yùn)行終端的主觀能動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)增加飛行流量、降低管制員工作負(fù)荷、增加塔臺(tái)管制區(qū)容量的目的。

1 成都新機(jī)場(chǎng)的跑道構(gòu)型與運(yùn)行模式

國(guó)外使用交叉?zhèn)认蚺艿罉?gòu)型的大型機(jī)場(chǎng)主要有日本東京羽田、美國(guó)芝加哥奧黑爾、美國(guó)達(dá)拉斯、美國(guó)丹佛機(jī)場(chǎng)、美國(guó)夏洛特、美國(guó)休斯敦和美國(guó)拉斯維加斯機(jī)場(chǎng)[1]。交叉跑道能靈活地應(yīng)對(duì)地面對(duì)強(qiáng)側(cè)風(fēng)的影響，使往不同方向去的飛機(jī)可在跑道不同方向起降，增加緩沖長(zhǎng)度，從而提高機(jī)場(chǎng)容量，加快飛行流量。所以在交叉跑道占用的空間位置范圍中，研究目視飛行條件下航空器所在位置的碰撞風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。

北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)是國(guó)內(nèi)首次使用交叉跑道的機(jī)場(chǎng)，成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)則是國(guó)內(nèi)第二個(gè)使用交叉跑道構(gòu)型的機(jī)場(chǎng)。其中01/19、02/20、11跑道同時(shí)運(yùn)行，全天24 h開(kāi)放，跑道運(yùn)行模式是：01/19 和 02/20 跑道半混合運(yùn)行，采用隔離平行運(yùn)行、獨(dú)立平行離場(chǎng)，11跑道僅用于由西向東起飛[2-3]。本文僅討論一期工程中的北一跑道(11)和東一跑道(02/20)之間目視條件下的航空器碰撞風(fēng)險(xiǎn)。如圖1所示，北一跑道長(zhǎng)3 800 m，寬45 m，東一跑道長(zhǎng)3 200 m，寬45 m。北一跑道西側(cè)延長(zhǎng)垂直于東一跑道的北側(cè)延長(zhǎng)線，兩跑道頭互不重疊。北一跑道的中心線距東一跑道頭1 430 m，東一跑道中心線距北一跑道340 m。為了提高管制的便捷性，減少航空器運(yùn)行中的沖突，當(dāng)北一跑道用于向東起飛，東一跑道僅用于降落，隔離運(yùn)行下且不考慮復(fù)飛概率，考慮北一跑道(11)與東一跑道(02/20)運(yùn)行的相關(guān)性，北一和東一交叉跑道處在獨(dú)立運(yùn)行，在此種模式下的管制運(yùn)行相對(duì)更加安全[4]。

圖1 成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)跑道構(gòu)型圖

2 基于目視條件下的碰撞因子的確定

目視飛行是最直接和最安全的飛行方式,每個(gè)飛行員最先接觸到的飛行基本操作方式都是建立在目視條件下的。因?yàn)槟恳晽l件下帶給飛行員的判斷影響因素有很多，導(dǎo)致基于目視條件下的碰撞因子也比較復(fù)雜。目視條件下的飛行過(guò)程雖然是最安全的飛行方式，但同時(shí)帶來(lái)的影響因素也因環(huán)境和人為影響的變化而不斷變化。由于各種因素的影響，目視條件下的碰撞風(fēng)險(xiǎn)也由影響因素而加大，碰撞因子也會(huì)隨之變化從而產(chǎn)生無(wú)法避免的誤差。因此，目視飛行和各種外在條件存在的誤差即碰撞因子，這都會(huì)直接影響航空器與航空器之間的安全間隔，從而帶來(lái)碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

若兩架航空器在目視條件下起飛和降落時(shí)，可以通過(guò)目視跟進(jìn)或者保持與航空器持續(xù)能見(jiàn)的方式來(lái)建立，那么在交叉跑道中的碰撞風(fēng)險(xiǎn)則是不可避免的。當(dāng)航空器目視運(yùn)行過(guò)程中，兩航空器之間在目視空間位置上有發(fā)生重疊的可能性和碰撞風(fēng)險(xiǎn)性。為了使航空器的安全得到保障，航空器在空中運(yùn)行時(shí)，其所占用的空間尺寸比航空器原始空間大得多才能避免風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)計(jì)算目視條件下兩航空器之間的碰撞風(fēng)險(xiǎn)值大小，得到航空器在不同位置隨運(yùn)動(dòng)時(shí)間變化的碰撞風(fēng)險(xiǎn)概率，從而避免兩航空器之間有可能發(fā)生的空中碰撞。由于目視條件下的航空器碰撞風(fēng)險(xiǎn)影響因素比較多，如跑道長(zhǎng)度，航空器的高度、速度、位置，目視精度、時(shí)間，轉(zhuǎn)彎半徑和轉(zhuǎn)彎率等，具體目視飛行條件下的碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 目視碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型參數(shù)

結(jié)合目視飛行條件下的兩航空器運(yùn)行狀態(tài)，按照兩航空器的危險(xiǎn)接近程度分別將兩航空器相撞和危險(xiǎn)接近這兩個(gè)距離值作為計(jì)算航空器碰撞風(fēng)險(xiǎn)的積分上下限[5-11]，即計(jì)算航空器進(jìn)入危險(xiǎn)接近直到相撞的概率建立基于位置誤差碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型：

(1)

式中：P(t)表示在t時(shí)刻兩航空器之間的碰撞風(fēng)險(xiǎn)概率；fD(x)表示兩航空器實(shí)際距離的概率密度函數(shù)；d表示兩航空器之間的碰撞距離，即當(dāng)兩航空器之間的距離在-d到d之間則表示兩航空器發(fā)生碰撞。

3 目視條件下的交叉跑道碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型

在目視飛行條件下兩航空器的碰撞風(fēng)險(xiǎn)大小主要是由于兩機(jī)之間實(shí)際的位置距離產(chǎn)生，建立基于航空器位置誤差模型的碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型，暫不考慮航空器的尾流影響。以成都天府機(jī)場(chǎng)為例，如圖1對(duì)新機(jī)場(chǎng)一期工程的02/20(東一)與11(北一)兩條交叉跑道上航空器A和航空器B在進(jìn)離場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，在目視條件下將上述碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型細(xì)分成基于位置誤差的縱向和側(cè)向碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型。在主跑道1上進(jìn)近復(fù)飛的航空器A的航跡有可能穿越側(cè)向跑道2的離場(chǎng)航跡或者靠近側(cè)向跑道2，航空器A和航空器B實(shí)際相對(duì)位置隨時(shí)間變化。根據(jù)跑道運(yùn)行方向，分別對(duì)主跑道1 (02/20)和側(cè)向跑道2(11)建立碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型。

上述基于位置誤差的縱向和側(cè)向風(fēng)險(xiǎn)模型公式為

(2)

(3)

P(t)=Px(t)×Py(t)

(4)

02東一跑道上航空器A北向起飛，11北一跑道上航空器B東向離場(chǎng)，兩架航空器的縱向、側(cè)向?qū)嶋H距離隨時(shí)間變化的函數(shù)如下：

Lx(t)=D+l-V01t

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

4 碰撞風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果分析

結(jié)合仿真計(jì)算在目視飛行條件下航空器A在02/20跑道起飛，航空器B在11跑道同時(shí)起飛的碰撞風(fēng)險(xiǎn)概率。在指揮時(shí)將離場(chǎng)航空器與進(jìn)場(chǎng)航空器充分分開(kāi)，同時(shí)確保離場(chǎng)航空器在起飛時(shí)，進(jìn)場(chǎng)航空器不會(huì)因?yàn)橹懯《鴱?fù)飛，從而導(dǎo)致兩航空器之間發(fā)生航跡交叉的風(fēng)險(xiǎn)[12-14]。如果此時(shí)航空器A和航空器B碰撞風(fēng)險(xiǎn)概率滿足ICAO公布的可接受安全目標(biāo)水平，則當(dāng)前運(yùn)行模式和位置誤差模型可接受。通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析在不使用上述提到的位置誤差模型時(shí)，當(dāng)航空器A在東一(02/20)跑道起飛，與航空器B在北一(11)跑道離場(chǎng)過(guò)程中碰撞風(fēng)險(xiǎn)仿真結(jié)果約為0.011 3次/飛行小時(shí)，如圖2所示，其風(fēng)險(xiǎn)值遠(yuǎn)大于ICAO公布的安全目標(biāo)水平5×10-9次/飛行小時(shí)，即該運(yùn)行模式不可接受[15]。

圖2 航空器A和航空器B碰撞風(fēng)險(xiǎn)

使用本文建立的目視飛行條件下的位置誤差模型后，得到的兩航空器碰撞風(fēng)險(xiǎn)如圖3所示，約為4.72×10-9，滿足ICAO公布的安全目標(biāo)水平，驗(yàn)證了在目視條件下該模型的可行性。

圖3 使用位置誤差模型后航空器A和航空器B碰撞風(fēng)險(xiǎn)

5 結(jié)語(yǔ)

由計(jì)算結(jié)果得知，東一(02/20)與北一(11)跑道碰撞風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)小于精密進(jìn)近航空器與障礙物碰撞的危險(xiǎn)概率的安全目標(biāo)。航空器A和航空器B在目視飛行并同時(shí)隨著位置變化的這一個(gè)碰撞因子的條件下，將計(jì)算數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析碰撞風(fēng)險(xiǎn)概率滿足ICAO公布的可接受安全目標(biāo)水平5×10-9次/飛行小時(shí)。在交叉跑道實(shí)施目視飛行條件下可以達(dá)到更安全、更準(zhǔn)確的操縱方式，可以加速飛行流量、降低管制員工作負(fù)荷、提高機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率和適航性、減少機(jī)場(chǎng)延誤以及增加機(jī)場(chǎng)跑道的容量。

后續(xù)可進(jìn)行以下兩個(gè)方面的優(yōu)化：①優(yōu)化目視條件下航空器碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型的參數(shù)，找出多個(gè)影響碰撞風(fēng)險(xiǎn)概率的碰撞因子并進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)比分析碰撞風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算結(jié)果；②根據(jù)FAA提出劃設(shè)側(cè)向跑道進(jìn)場(chǎng)保護(hù)區(qū)域(arrival-departure window ADW)的方法，基于位置誤差模型建立側(cè)向跑道ADW可以幫助管制員在指揮離場(chǎng)航空器和進(jìn)場(chǎng)航空器同時(shí)運(yùn)行時(shí)滿足最低安全標(biāo)準(zhǔn)的要求，從而降低進(jìn)離場(chǎng)航空器之間的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。