设置绕行滑行道时的机场运行效率分析

王 维，熊文娟

（中国民航大学机场学院，天津 300300）

设置绕行滑行道时的机场运行效率分析

王 维，熊文娟

（中国民航大学机场学院，天津 300300）

目前,国外多个大型枢纽机场的绕行滑行道运行实例均表明,该滑行道能有效地提高机场运行效率。中国具有近距平行跑道的机场都有条件建设、运行绕滑。设置绕行滑行道能减少近距平行跑道机场的航空器跑道穿越次数,提高运行安全水平和航空器地面滑行效率,降低管制员工作负荷。通过建立有绕滑条件下进场航空器地面滑行路径的选择模型,并使用算例和对虹桥机场SIMMOD模拟计算证明了模型的实用性。计算分析表明,绕滑对减少航空器地面滑行时间作用显著,且机场高峰小时架次愈高作用愈明显。

近距平行跑道;绕行滑行道;运行效率

随着中国民航运输和民用机场的快速发展，机场飞行区跑道、滑行道系统的规划布局也呈现出多样化趋势。在一些大型机场，如上海虹桥机场、浦东机场和重庆江北机场等，均采用了近距跑道。采用近距跑道，有利于节省机场飞行区占地、减少航空器地面滑行距离和机场节能减排，但同时也带来了航空器跑道穿越增多、安全风险增大等弊端[1]。为提高近距平行跑道的运行效率和安全水平，美国DFW（达拉斯福特沃斯国际机场）在2007年4月建成了世界首条绕行滑行道[2]（end-around taxiway/perimeter taxiway，以下简称绕滑）。上海虹桥机场在西区扩建中也在中国首次规划、建设了绕滑，目前已实现物理贯通，即将投入运行。可以预见，未来中国具有近距平行跑道的机场都有可能建设、运行绕滑。因此，绕滑的使用规则及其对机场运行效率的影响值得研究。

1 绕行滑行道

绕滑旨在为航空器起飞/着陆提供一条无需穿越跑道即能到达跑道端或机坪的滑行路径[3]。典型的绕滑通常是距跑道端一定距离、围绕跑道端安全区的环形通道。图1为美国达拉斯福特沃斯国际机场的跑道系统及绕滑，17C/35C跑道作为主降跑道，全长4 000 m，有4个快速滑行道出口。绕滑的使用，大大减少了航空器穿越跑道的次数和风险以及飞行员-管制员间的通话量，有助于增加跑道容量和运行效率。

图1 DFW机场的绕滑布局Fig.1 Configuration of end-around taxiway in DFW International Airport

2 绕滑运行模型

2.1 模型构建

设近距平行跑道采用一起一降运行模式，靠近机坪的内侧跑道用于起飞，外侧跑道用于着陆。一般情况下，在离场跑道无占用时，着陆航空器可直接穿越跑道驶向机坪，无需判断是否使用绕滑，其滑行时间为滑行距离/滑行速度。在离场跑道被占用时，着陆航空器若贸然穿越跑道则可能造成跑道入侵，引发飞行安全事故[4]。此时，对于没有绕滑的机场，着陆航空器只能等待离场跑道解除占用后方能穿越跑道；对于有绕滑的机场，既可以沿绕滑道绕过离场跑道前往机坪，也可以进行跑道穿越。此时，如果从提高航空器地面运行效率、减少滑行时间的角度出发，则要对绕行和等待-穿越两种方案的时间进行比较。

基于上述运行规则，建立以下模型

方程（1）中，Ti表示进场航空器i从着陆跑道至机坪机位的合计时间，tir为进场航空器滑至穿越节点r的耗用时间，tit为进场航空器穿越跑道的耗用时间，tiw为航空器i的等待穿越时间，tie为航空器选择绕行滑行道的时间；方程（2）为绕滑使用判断方程，m为选择状态参数，如果进场航空器的等待—穿越时间大于绕行时间，则为1，否则为0；方程（3）为进场航空器到达穿越节点的时刻，等于进场航空器i到达跑道的时刻ai加上滑行至穿越节点的时间；方程（4）表示等待跑道解除占用时间与等待穿越时间的关系，t′iw为进场航空器i的等待跑道解除占用时间，ΔT为启停损耗时间，该模型取30 s[5]；方程（5）为绕行时间tie的计算公式，其中Leat为绕滑长度，Lir为航空器i选择的跑道穿越节点r距绕滑入口的距离；方程（6）为进场航空器穿越跑道耗用时间tit的计算公式，lir为穿越节点r联络道的长度，Vi为i航空器的平均滑行速度；方程（7）为tir计算公式，L为跑道长度，Lir为穿越节点r距离绕滑入口的距离；方程（8）为等待跑道解除占用时间。模型还引进了参数N，表示绕滑使用次数。在有绕滑条件下的航空器地面滑行策略优化模型如图2所示。

图2 滑行路径决策流程图Fig.2 Flow chart of path selection optimization model

2.2 模型参数设置

设跑道关闭时间段的集合为C={[s1，e1]；[s2，e2]；…；[sn，en]}，其各元素的左区间 si为航空器i的起飞滑跑时间点，右区间ei为航空器i完成离场的时间，即跑道解除占用的时间。若C集合中的相邻元素上、下限相隔时间过短，以至小于航空器的跑道穿越时间，则将两个元素的时间区间做并集处理，如[s1，e1]=[10，80]，[s2，e2]=[90，130]，由于中间间隔仅为10 s，小于实际可能穿越时间，则做并集处理，即跑道关闭时间取区间[10，130]。进场航班着陆的时间点集合为A={a1，a2，…，an}；进场航班到达跑道穿越节点的时间点集合K={k1，k2，…，kn}，K=A+[t1r，t2r，…，tnr]。

如图3所示，进场航班1到达穿越点的时间为k1，但其等待时间小于绕行时间，则该航班选择等待—穿越；进场航班2其到达穿越点时间为k2，其未在跑道占用时段内，且间隔时间大于其穿越时间，可直接穿越；进场航班3，其到达穿越点时间为k3，在等待区间内，且等待—穿越时间超过绕行时间，故该航班选择绕滑。

图3 进/离场时间节点图Fig.3 Arrival/departure time points

3 模型应用

以达拉斯福特机场为例，结合图1，该机场的内侧绕滑长度为2 000 m，该着陆跑道端至穿越节点的距离矩阵为Lr=[2 600，2 300，2 000，1 600]，机场某时段的进、离场航班时刻如表1和表2所示。该时段航空器均为大型机，飞机跑道平均占用时间为60 s。滑行速度为500 m/min，穿越点联络道的长度矩阵为lr= [400，400，400，400]，A320以及B737机型降落距离都超过1 600 m，B738降落距离为2 000 m，所以在出口选择上，前两种机型选择3出口，后一种机型则在1、2出口中随机选择。

表1 到达航班信息Tab.1 Flights information of arrival aircrafts

根据模型原理和上述数据，可得出到达航班滑行策略的模型计算结果，如表3所示，其中Ti和T分别表示使用绕滑和不用绕滑（或没有绕滑）航空器的合计滑行时间。可见，在上午9：00—10：00之间使用绕滑1次，与不用绕滑（或没有绕滑）相比，航空器的合计滑行时间减少了9.1%。因此，使用绕滑完全不影响航空器离场进程,离场跑道可按最大容量运行，同时又减少了进场航空器的地面滑行时间。上述绕滑的使用规则降低了跑道入侵风险，缓解了管制员压力，提升了机场的运行安全水平。

表2 出发航班信息Tab.2 Flights information of departure aircrafts

表3 到达航班滑行策略的模型计算结果Tab.3 Results of path selection optimization model

4 虹桥机场SIMMOD模拟数据分析

SIMMOD为离散事件仿真软件，目前被广泛应用于民用机场飞行区、航站楼的运行模拟中[6]。

图4为虹桥机场的近距跑道。表4给出了该机场不同的小时进场架次。根据上述条件和本文绕行策略模型，利用SIMMOD软件对地面滑行时间进行了模拟计算。由表4的计算结果可见，在相同的离场架次（21架次）的情况下，随着小时进场架次的增加，绕滑作用越发显著。当小时架次达到30时，平均每架次进港航班的等待时间节省了将近一半（43.9%）。

图4 虹桥机场跑道构形Fig.4 Runway configuration of Shanghai Hongqiao Airport

表4 虹桥机场运行模拟Tab.4 Simulation results of Shanghai Hongqiao Airport

5 结语

通过建立有绕滑条件下进场航空器地面滑行路径选择模型，并应用SIMMOD软件对虹桥机场进行了模拟计算，验证了模型的可行性。研究表明：

1）绕滑可有效提升机场近距平行跑道的地面运行灵活性和安全性，对减少跑道侵入、管制员工作负荷都有积极影响；

2）绕滑对减少航空器地面滑行时间作用显著，且高峰小时架次愈高作用愈明显。

[1]孔金凤.预防跑道入侵策略研究[J].航空安全，2010（4）：84-86.

[2]FAA Office of Runway Safety.FAA Runway Safety Report：Runway incursion trends at Towered Airports in the United States，FY 1999-2002 [R].FAA，800，Independence Avenue SW，Washington，D C.20591，2003.

[3]Satyamangalam Duraiswami Satyamurti.Runway Incursion Mitigation，Capacity Enhancement and Safety Improvement with Perimeter Taxiway Operation at Dallas Fort Worth International Airport[D].USA，Texas：University of Texas at Arlington，2007.

[4]刘 源.关于降低跑道侵入事件措施的几点构想[J].空中交通管制，2008（5）：13-14.

[5]邓扬晨，张 爽.飞机地面滑行过程中最短滑跑距离的确定[J].航空计算技术，2006，36（1）：71-74.

[6]薛 磊.基于滑行道等待的地面冲突解脱策略研究[D].南京：南京航空航天大学，2010.

（责任编辑：杨媛媛）

Runway operation efficiency analysis for airports with end-around taxiways

WANG Wei，XIONG Wen-juan
（Airport Engineering College，CAUC，Tianjin 300300，China）

Several foreign hub airports have built the end-around taxiway，which has been proved effective.For China’s airports with closely spaced parallel runways，end-around taxiways（EAT）are ready to be built.The configuration of runways with EAT is helpful for decreasing the aircraft movements of crossing runways，improving operation safety and reducing the workload of ATC controllers.A path selection optimization model for arriving aircraft taxiing is established and validated by SIMMOD simulation software with the data of Shanghai Hongqiao International Airport.The calculation results show that the end-around taxiway has a significant effect for reducing aircraft ground taxiing time，especially in the condition of peak hours with large aircraft movement.

closely spaced parallel runway；end-around taxiway；operation efficiency

U8;V351.11

:A

:1674-5590(2015)02-0014-04

2013-09-03；

:2013-10-22

王维（1960—），男，河北丰南人，教授，硕士，研究方向为机场工程.