基于运行容量仿真的近距平行双跑道设计快速评估研究

刘莹颖 王程亮 云朋

(1.中国航空规划设计研究总院有限公司BIM 工作室，北京 100120；2.中国航空规划设计研究总院有限公司机场院，北京 100120)

引言

为了解决土地资源限制，提升飞行流量以及缓解延误水平，近距平行双跑道设计成为不少改扩建机场或是新建机场的选择之一。伴随着国内机场大规模基础设施建设，满足多类机型运行要求，最大化机场使用流量，这便需从顶层设计开始，全面考虑机场运营管理需要，借助先进的技术手段开展科学设计。

计算机仿真技术的出现为解决实际问题提供了新的定量分析及可视化决策手段。目前，它已成为设计、运行、评价及复杂系统等领域的重要工具，而近距平行双跑道设计无论从资源节约还是满足多样性方面都是经常选用的设计方案。因此，本文基于计算机仿真工具，对近距平行双跑道机场设计进行逻辑仿真，通过建立整个机场设施设备航空器运行的微观模型并借助主要机型参数，定量计算出标准设计下机场运行的最高效率值，以此对设计开展评估。未来可通过该技术路径不断的循环过程对比分析迭代优化出最佳的设计参数，实现规划设计从“可用性”向“最优化”的转变。

1 微观仿真技术

微观仿真技术于上世纪90 年代末开始进入我国，主要应用于交通领域，即通过计算机仿真技术来对现实中交通态势的时空变化进行跟踪描述，实现在不同的现实交通条件下，高精度、高真实度地模拟实际的交通情况，反映出交通系统的特性与不足[1]。与宏观交通仿真不同，微观交通仿真注重考虑每个运行实体（即车辆）的行为与交通单元的交互，在城市交通仿真或区域交通仿真中应用较广。对于机场设计而言，属于区域交通范畴，对机场飞行区域运行进行微观仿真，需实现对航空器个体微观行为仿真，从机场容量最大化、飞行计划最优化、效率最优化等角度精确反应航空器运动过程，进而体现整个系统运行的宏观性能，从而检验并优化最终设计成果。

2 研究思路

本文采用计算机微观仿真技术对标准近距平行双跑道机场（即跑道中心线之间距离小于760m 的平行跑道）运行进行微观建模，此模型以单位时间内航空器运行数量、航空器进离场消耗时间为微观分析参数对跑道运行效率影响的指标[2,3]。首先，对单、双跑道单架与多架航空器运行的微观模型进行理论研究与分析，确定设计变量参数、建模参数等系统参数；然后建立整个机场近距平行双跑道设计、相关设施设备、航空器运行、飞行流程等微观模型；再次通过创建仿真流程图以设置相关模块属性、路径等，构建起该机场运行仿真环境；最后基于相关研究及实际数值设置仿真参数，开展整个机场单、双跑道运行的微观逻辑仿真，计算跑道多模式运行情况下的实际容量，并开展对比分析，从运营视角提前对标准设计成果进行评估，为指导实际设计提供量化参考。详细的技术路径如图1所示。

图1 技术路径

3 仿真实验

近距平行双跑道设计由于尾流影响，出于安全因素对不同机型有不同飞行间隔的要求，因此在实际仿真过程中需有较大的自由度实现对多项状态数据的跟踪与参数的调节；另一方面，一些专业的逻辑仿真平台，如SIMMOD、VISSIM 等，这些拥有固定流程与模型的仿真软件专业性强但自定义程度低且只能针对民航领域。所以综合考虑适用范围与可扩展性，增强仿真实验的自由度以及后续自主研发的可移植性，本文选择在通用逻辑仿真平台上建立起自研的仿真路径并开展二次开发，快速计算近距平行双跑道多模式运行状态下的实际容量，以此验证设计的有效性，并进行合理优化。

3.1 建立标准设计机场运行的数学模型及设置仿真条件

就机场运行仿真而言，这里需要建立的数学模型包括三组：建立整个机场设施设备的系统动力学模型；从离散事件的特征出发，建立正常运行、设施布局的离散事件系统模型；以及跑道容量计算模型。在此基础上，开发设置滑行路径、飞行计划等，以及设置相关模块属性，就可以构建起机场仿真环境，通过预设的参数调节，运行仿真模型，开展定量分析。为保证更加逼真的模拟机场的实际运行过程，本文对仿真条件进行了如下设置：

（1）机型的选取。根据《民用航空空中交通管理规则（中华人民共和国交通运输部令2017 年第30 号）》[4]，尾流等级根据机型种类而定，按照航空器最大允许起飞权重分为重型机、中型机、轻型机，根据《2021 年民航行业发展统计公报》[5]统计：截至2021 年底，民航全行业客运飞机的占比为：宽体飞机11.5%、窄体飞机78.4%、支线飞机5.3%，按照其重量划分，国内主要机场机型以中型机和重型机为主，因此，本文建立的航空器仿真模型以中型机及重型机作为主要机型代表；

（2）跑道构型设置。微观仿真中，按照某标准近距平行双跑道设计1m=0.56 像素等比例进行缩放，置于仿真软件中；

（3）变量参数。由于部分航空器实际运行数据受到使用限制，因此本文将敏感参数设置为可自定义值的变量进行输入；同时为了逼近实际运行过程，假设各环节的完成时间服从正态分布，在对单跑道侧运行微观仿真中平均维护时间、平均登机时间、平均出库速度、滑行速度、离地速度、起飞时间、尾流效应间隔等，均设置为满足正态分布的自定义变量参数。在平行双跑道侧运行微观仿真中，为便于计算，采用基于时间的间隔（TBS，Time-based separation）[6]航空器进离场跑道容量模型开展容量计算，简化系统，忽略航空器在停机坪及滑行道上的运行过程，以进场或离场消耗时间以及机型数量为变量开展仿真。

同时，为了便于问题的研究和计算，本文还进行了假设及条件设置，如图2 所示。

图2 仿真假设及条件设置

3.2 单跑道多架航空器离场运行微观仿真

基于整个标准近距平行双跑道布局，综合航空器运行的多项运行指标输入及滑行路径，可以搭建起一套航空器从停机位起始到离场整个运行过程的仿真环境，结合运行多架次航空器单跑道依次起飞的运行仿真流程，就可开展跑道的实时容量计算与评估。仿真系统界面分为了五个区域：视角切换区、逻辑程序区、三维动画演示区、输出结果区以及全局变量自调节区，如图3 所示；其中，三维动画演示区为设计和物理模型建立并模拟机场实际运行的区域；逻辑程序区包括所有对参数的定义、离散事件模型的建立、仿真流程的创建、控制及开发；结果输出区可定量查看跑道运行的实际数据，这里主要以容量和飞机在各阶段的运行时间作为结果输出；而全局变量自调节区即为该仿真系统的输入，参照相关飞机数据进行模块和参数的设置，作为初始输入开展仿真计算。

图3 系统功能分区

对于离场飞机其运行过程，首先是在原地运行例行维护，维护完后等待客人登机，再排队出停机位，为了避免拥挤，在滑行道设计6 个等待点，当等待点位置已满，飞机暂不出停机位，等待等待点空出，保证正常的排队模式。

当经过所有等待点、到达起飞点，等待尾流效应间隔后，便可起飞离开跑道。当前序飞机离开跑道后，下一架飞机经过尾流间隔也可继续离场。详细流程如图4（a）所示，整个流程中不再单独建立与塔台的交流监管流程，将此部分时间叠加到每个飞机位置改变环节中。同时，对于飞机这一智能体，通过添加对其控制的属性变量和函数，如编号、停机位、出库序号等，可随时获取其状态，如图4（b）所示，另一部分是飞行参数，如速度、等待时间等，在仿真系统中作为可调输入值进行录入，如图4（c）所示，此处按中型机数据初始化。

图4 仿真条件设置

通过运行上述单跑道单机离场仿真系统可得到运行结果，如图5 所示。图5（a）是在初始条件下，单跑道单机起飞从出库到离开跑道的运行时间分布，通过图5（b）、（c）、（d）记录可知单机起飞从出库到离开跑道的平均花费总时间是13.6min，起飞容量是22架次，其中机位等待+出库13.23min，滑行道排队4.38min，起飞离开跑道3.69min（包括尾流等待）。由于机位等待+出库花费时间最长，因此从设计层面可考虑增加跑道入口，增加起飞点来减少排队时间。

图5 仿真结果

3.3 多角度的评估双跑道机场跑道容量

按照文献[4]的要求，要实现对标准近距平行双跑道机场容量的全面评估，不仅需考量进、离场的运行模式，还需考量当前等待起降的机型与其前序已进行起降机型的对应关系。因此对进离场机型进行设置编排，可以更好地模拟实际情况。为了反应跑道系统的最大服务能力，假设跑道入口等待点或终端区一直有准备好进场或离场的航空器存在[7]，采用基于TBS 的航空器进离场跑道容量模型开展容量计算，可简化航空器实际运行流程：以跑道为研究对象，忽略出库、滑行道滑行等过程，以不同机型之间的间隔时间（尾流间隔时间及跑道占用时间）关系作为输入条件搭建单、双跑道运行模式下，进离场的跑道容量评估系统，实时计算跑道容量，可快速辅助设计开展评估。

为保证航空器安全、有序进离场，满足不同机场性质运行要求，本文单、双跑道航空器运行规则为：方式一按机型比随机产生以及方式二指定若干中型机与若干重型机为一编组交替切换进离场，数量可通过系统中调节滑杆进行自定义，根据《平行跑道同时仪表运行管理规定》[8]第二章第十条，对于跑道中心线小于762m 的平行跑道上运行的航空器，必须执行单跑道运行模式下的尾流间隔标准。因此对于单跑道，根据文献[4]第五节规定：“尾流间隔标准根据机型种类而定，当使用同一跑道，前、后起飞离场的航空器为重型机和中型机、重型机和轻型机、中型机和轻型机，其非雷达间隔的尾流间隔不得少于2min”。按照该要求，设置各机型间的间隔时间，可开展单跑道运行要求下的双跑道运行容量计算。

（1）基于TBS 及单跑道运行要求下的近距平行双跑道离场、进场容量仿真

对于单跑道而言，按方式二机型交替切换模式依次离场，每次离场一架，针对不同机型，起飞等待时长不同，在逻辑上通过获取当前等待机型和上一架离场机型所属型号，计算出当前航空器等待起飞时长，即可获得其起飞时间，一小时内的起飞数量即为单跑道离场容量，因此可建立起单跑道航空器离场逻辑仿真系统，如图6 所示。

Source3 按照设置的中型机和重型机数量交替产生不同种类航空器，运行时中型机在前、重型机在后，参考上述尾流标准，本仿真间隔时长可分为两类：一，前机是重型机，后机是中型机间隔；二，除第一种情况外的正常间隔。将两种间隔时间设为可调的输入变量，固化在delay 和delay1 模块中进行等待，通过selectoutput 模块选择判断前序航班类型，分配等待时长，等待结束后，当前飞机即可到达起飞点起飞。

而对于双跑道运行而言，考虑两个跑道同时有重型机和中型机进场或离场，且重型机先离场的情况会对等待时长造成影响，后起飞的中型机须满足进、离场运行最小间隔后方可起飞，其它起飞状态与单跑道运行状态一致，流程图如图7 所示。

图7 双跑道离场流程图

T1*，T2*为独立跑道运行状态下每架航空器的起飞时间，在编队已知，t1、t2 已知的情况下，T1*、T2*在产生航空器的时候就已确定，只需判断当前、后起飞离场的航空器为重型和中型航空器状况下的T1*和T2*的时间间隔，是否满足近距平行双跑道离场运行的最小间隔即可。

由此基于JAVA 二次开发可构建起双跑道离场逻辑仿真系统如图8 所示，并将机型数量和等待时间设置成调节滑杆，随时进行动态修改，根据尾流间隔要求[4]以及4.2 节的仿真结果，设置本次离场仿真参数初值t1 为2min，t2 为3min，并将单、双跑道运行时的每条跑道以同样的数量及交替形式运行，可得到统计结果：单跑道离场容量是20 架次，双跑道离场容量是32架次；同样根据进场尾流标准[9，10]设置t1 为89s，t2为124s，采用同种编组形式及数量仿真，运行得到单跑道进场容量是25 架次，双跑道进场容量是39 架次，如图9 所示。

图9 单、双跑道离场与进场仿真运行结果对比

通过上述仿真结果对比发现，近距平行双跑道运行的进、离场容量提升效果一般，究其原因在于过大的尾流间隔标准，使得间隔时间较长。而近距平行双跑道设计本身受限于土地资源，因此只有通过对跑道的几何构型进行合理优化，缩小航空器的尾流间隔,以此提升跑道运行容量。通常而言，当跑道间距受到限制时,采用增大跑道错列距离的方法可以有效缩小前后进近航空器的纵向间隔[11]。当飞机按照相关平行进近模式进场时，前后航空器的纵向间隔由后机控制，后机于前机的纵向距离只要满足大于前机最小碰撞风险间隔小于前机尾流避让间隔就可几乎完成和前机的同时进近。因此本文接下来将针对近距平行跑道的错列距离设计进行容量仿真，优化跑道设计。

（2）错列式近距平行跑道进场容量评估

根据设计修改平行跑道错列距离D 如图10 所示，以FAP 最后进近点作为进近的最终阶段起点，开展航空器进场仿真，评估不同错列距离下跑道进场容量。

图10 错列式近距平行跑道进场示图

图中R1 和R2 表示两条近距跑道，其两端的中心距离为C，i 和j 分别代表采用R2 着陆的前机和采用R1 着陆的后机，两机下滑角分别为a2 和a1，两者高度差为Δh，平面S 为垂直于跑道的平面，在此处，前机i 会产生对后机j 的下沉尾流，其强度与中心距离C关系紧密，即与跑道构型息息相关。

按照尾流标准本次仿真中考虑120s 内的下沉尾流，对于尾流的侧向运动暂不分析，初始时刻前机i 在平面S 处产生了尾流，其不仅会影响到相近跑道后机j 以及本跑道运行后机k，假设j 到达S 平面的时刻是T1，k到达S 平面的是时刻是T2，在T1 与T2 这段时间内尾流下沉的距离即为Δh，通过各类尾流分析研究以及FAA 的尾流观测报告，可以得到这些变量之间的关系，满足上式（1）（2）。

由于T2 取决于单跑道前后机进场的最小间隔，而前面双跑道进场仿真中满足所有机型相关进近的最大尾流间隔是124s，大于120s，因此T2 可设置为120s。当下滑角及错列距离确定，Δh值也就确定，T1 值也可计算出来。按照航空器的进近速度：重型机161Kt，中型机145Kt，可求得相关进近航空器之间的纵向间隔，以此设置仿真环境变量，建立错列式近距平行跑道进场容量仿真系统，运行结果如表1 ～表2 及图11 所示，可以看到随着错列距离的提高，跑道容量得到了显著提升。

表1 相关环境参数设置及仿真结果1

表2 相关环境参数设置及仿真结果2

图11 不同错列距离近距平行跑道进场容量仿真结果对比

4 仿真分析

通过从离散事件仿真到等效时间间隔的流程仿真，本文从多个角度对近距平行跑道设计开展了容量仿真，经过分析对比发现跑道设计的多项参数都会对跑道运行效率造成影响：适当的增加跑道入口数量，可减少排队时间，提高跑道运行效率。而对于近距平行跑道，尾流是影响其容量的关键因素，当前机机型确定时，后机通过前后间的纵向间隔或者等效最小时间间隔可以进行避免，对于相关进近的后机，其纵向间隔要小于前机尾流消散所需的纵向间隔，因此通过优化机场的设计构型，削减尾流带来的影响，可以较大程度的提高近距平行跑道的容量。

5 总结

本文结合计算机仿真技术，面向不同类型机场的使用需求，建立了一套快速的基于运行容量仿真的近距平行双跑道设计评估方法，并开发了对应的原型系统。

该系统针对单双跑道运行，通过参数调节模式可按照设置机型比方式或者编组交替运行方式开展进、离场方式设置，并可自定义不同类别机型及其尾流时间，快速开展跑道容量的实时仿真计算与设计评估。同时针对近距平行跑道容量受限，本文拓展了错列距离设计的容量评估模型，从多个角度对标准近距平行双跑道设计进行了仿真与评估，为优化机场设计构型，提高机场运行效率提供了更直观且快捷高效的手段。

未来将继续围绕计算机仿真技术在近距双跑道设计领域不断深化研究，从以跑道为主的容量仿真计算拓宽至机场飞行区各设计细节，研究各设计参数对机场运行效率的影响，进而优化机场设计参数，进一步辅助设计开展决策与成果评估，提高机场设计水平及核心竞争力。