机场跑道容量评估模型研究.pdf

第4 0 卷第1 期 2 0 1 0 年1 月 航空计算技术 A e r o n a u t i c a lC o m p u t i n gT e c h n i q u e V 0 1 4 0N o 1 J a n 2 0 1 0 机场跑道容量评估模型研究 何昕，韩云祥，赖志坚 ( 中国民航飞行学院空中交通管理学院，四川广汉6 1 8 3 0 7 ) 摘要：针对终端区区域中的跑道容量建立了数学模型并结合仿真方法得出了相应的容量值。模 型中考虑的关键影响因素包括管制规则、公共进近航段长度、航空器跑道占用时间及随机误差等。 此外，提出将某些影响航空器间隔的因素视为随机变量，并推导了在可接受的安全水平下，管制人员 需要增加的缓冲裕度。最后针对跑道实际运行特点和所建立的数学模型，结合随机航空器流模拟的 方法，编制了蒙特卡罗仿真程序对某机场的跑道容量进行了评估，评估结果表明模型是有效的。 关键词：空中交通管理；模型；跑道；容量评估 中图分类号：0 2 4 2 1文献标识码：A 文章编号：1 6 7 1 6 5 4 X ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 4 2 0 4 引言 跑道容量评估是空中交通管理的关键技术之一。 多项研究表明，跑道系统是机场中最易形成瓶颈的子 系统，它往往决定整个机场的起降水平。机场跑道容 量是指在一定的系统结构、管制规则和安全等级下，考 虑可变因素的影响，跑道单位时间内能提供多少架次 的航空器起降服务。跑道容量评估是一个非常复杂的 问题，影响跑道容量的因素通常包括空侧因素和地侧 因素。在实际应用中，常见的跑道容量评估模型有两 种：分析模型和仿真模型。分析模型常用于容量评估 的初始阶段，其特点是简单快捷，结果虽不很精确但适 用。常见的分析模型有时问空间分析模型和排队分析 模型两类。仿真模型常用于对整个系统的综合容量评 估，其特点是技术性强，运行复杂，结果精确但费用昂 贵。 本文针对机场跑道的实际运行状况，在讨论影响 机场跑道容量诸多因素的基础上构建了单跑道容量评 估模型。此外，在所建立模型的基础上，编制了蒙特卡 罗仿真程序对机场跑道容量进行了仿真和深入细致的 分析。 1单跑道容量评估模型构建 1 1 降落航空器对时间间隔 1 ) 仪表飞行规则下，前面航空器的速度小于后面 航空器的速度即K K 时 此时，两架航空器问的间隔在最后进近航段上呈 不断缩小的趋势。以A A ”( ) 表示降落航空器对间的 时间间隔，两架航空器问的间隔最小值在前面的航空 器i 到达跑道人口上空时产生，两架航空器的位置示 意图如图l 所示。 假设A 瓦( A A ) 代表第i 类航空器和第，类航空器 在机场跑道人口处的实际时间间隔，而A t i ( 从) 代表 该实际时间间隔的均值。依据A A T I ( i j ) 与A 正i ( 似) 的 含义可知 a a r t ( i j ) = A I i ( 朋)( 1 ) 最后 图1 K K 时前后两架进近的航空器位置示意图 如果降落航空器对时问间隔A A T I ( 可) 比先降落的 航空器占用跑道的时间A O T ( i ) 大，此时在航空器对i ， ，间考虑缓冲时间 ，并设定随机误差e 0 ( e 0 N ( O ，磊) ) ，由以上讨 论可以得到： A T i j ( A A ) 一N ( A A T I ( 驴) ，磊) ( 2 ) 为了增大安全系数，令 A ( A A ) = N o + E ( 3 ) A ( 似) = + + e 。 ( 4 ) 上式中各参数的含义为：M i 为不包括随机误差e 。 收稿日期：2 0 0 9 1 0 一2 9 修订日期：2 0 0 9 1 2 1 7 基金项目：中国民航总局基金项目( M H R D Z 2 0 0 8 0 6 ) 作者简介：何昕( 1 9 7 9 一) ，女，浙江浦江人，讲师。硕士研究生，研究方向为空中交通流量管理，空域管理，A D S B 。 万方数据 2 0 1 0 年1 月何昕等：机场跑道容鼍评估模型研究4 3 的i 航空器对在机场跑道入I ：1 处的时间间隔并且帆 = 等( s F 为空管规则规定的两架航空器间的间隔) ； 为在实际管制指挥时，管制人员在i 航空器对之间增 加的缓冲时间。 将N F = 争代人( 4 ) 可知 A T # ( A A ) = 詈+ E # + e o ( 5 ) 设在最后进近航段上连续两架进近的航空器对i 。 间的间隔违反空管规则规定的的概率为P 。，那么该概 率可用下式进行表示： P 。= P A ( A A ) 心( 6 ) 对上式进行如下变换：可得缓冲时间E i i 的值为： E i = 6 0 多一( 吼)( 7 ) 所以 似= L j ( A A ) ：争+ 8 0 0 。1 ( g ，) ( 8 ) 2 ) 仪表飞行规则下，前面航空器的速度小于后面 航空器的速度即K K 时 同( 1 ) 可得到 a a r t ( 玎) = 五丽= 鲁+ 7 ( j 一亩) + 驰- l ( 吨( 亩一可1 ) ( 9 ) 1 2 起飞航空器对时间间隔 以D D T I ( 分) 表示起飞航空器时间间隔，假设变量 A 瓦( D D ) 表示前面航空器i 和后面航空器_ 开始滑跑 的时间间隔，A 毛( D D ) 为A 巧( D D ) 的均值，同以上讨 论类似，可得 A 巧( o o ) = t d + E F + e 仇 ( 1 0 ) 式( 1 0 ) 中各参数的含义为：t 。是空管规则中规定 的两架起飞航空器的时间间隔；E 。i 是在实际指挥中管 制人员增加的缓冲时间。 假设起飞航空器时间间隔违反空管规则规定的概 率为P 。，即 P t d + E i + e 0 1 t d = p 。( 1 1 ) 由于e 。，一( 0 ，鹾。) ，对上式进行变换可得 D D T I ( 驴) = A 巧( D D ) = t d + 6 0 。中一1 ( g ，)( 1 2 ) 1 3单跑道起飞降落容量模型 在实际的管制指挥中，根据空管规则规定，在到达 航空器距离跑道入口的距离大于d 并且在跑道清空的 条件下，才可以放行起飞航空器i ，由此来保证当到达 航空器，出现特殊情况时，起飞航空器i 与到达航空器 之间具有足够大的安全间隔。 2 跑道容量评估 以上述数学模型为基础，通过对国内某机场实际 调查获取相关数据后( 表1 ) ，编制蒙特卡罗仿真程序 对跑道容量进行了仿真和分析。由于评估过程涉及到 多种情况，每种情况的仿真结果均取1 0 次仿真结果的 均值。运行仿真程序，输出l o 组详细的起飞和降落航 空器序列( 此处仅列出一组) 和在基本仿真参数基础 上的1 0 次起降航空器数量统计直方图( 图2 ) 。 通过对图中跑道起降容量值分析可知：在当前混 合起降运行时，该机场跑道起降容量约为2 5 架次h ( 通过实际验证，符合实际情况) 。以基本仿真参数为 基础，通过改变起降比例、机型比例、四走廊口流量比 例、进离场航空器跑道占用时间。 表1跑道起降容量基本仿真参数 航空器类别 HML 进场航空器实际最后进近速度( k m h ) 3 5 02 8 42 0 0 航空器进场实际占用跑道时间( s ) 6 05 04 5 机型比例4 5 9 5 O 5 两架连续进近航空器间隔违反空管规则的概率5 航空器平均离场速度( 起飞一离场转弯点k m h ) 3 5 0 3 3 02 5 0 航空器离场实际占用跑道时间( s ) 5 0 5 5 7 0 四走廊口流量比例 1 号2 7 2 号3 8 3 号2 0 4 号1 5 两架连续离场航空器间隔违反空管规则的概率5 注：“H ”代表重型航空器；“M ”代表中型航空器；“L ”代表轻型航空器。 最后进近航段长度、进场航空器间隔和离场航空 器位置偏差，可以得到不同仿真参数下的跑道起降容 量值，结论如下： 1 ) 起降比例减小，跑道起降容量增大，起降比例增 大，跑道起降容量减小。 2 ) 当起飞航空器全是重型航空器时，跑道起降容 万方数据 航空计算技术第4 0 卷第1 期 量约增加0 2 架7 欠h ；当起飞航空器全是中型航空器 时，跑道起降容量约减少0 1 架彬h ；当起飞航空器全 是轻航空器时，跑道起降容量约减少4 9 架彬h ；当重 中轻航空器比例各占1 3 时，跑道起降容量约减少2 6 架O ：h 。 3 ) 若将所有进场流量都集中在一个走廊口内，对 应一号走廊V I ，跑道起降容量约减少6 3 架次h ；对应 二号走廊口，跑道起降容量约减少0 8 架7 欠h ；对应三 号走廊口，跑道起降容量约减少1 3 架O ：h ；对应四号 走廊口，跑道起降容量约减少1 4 架次h 。若各个走 廊口的流量比例比较均衡，跑道起降容量约减少0 5 架彬h 。 表2 跑道起降容量仿真详细过程 注：“H ”代表重型航空器；“M ”代表中型航空器；“L ”代表轻型航空器。 “# ”表示它所在的行对应的待降落或待起飞航空器实际上并未降落或起飞。 3 ，、2 夸 = 2 划 登l 黎。 世 裂 钫荬卑号 图2 跑道起降容量仿真结果统计直方图 4 ) 当进离场航空器跑道占用时间的减少量由 1 0 增加到1 5 时，跑道起降容量由2 5 2 架O ：h 增 加到2 5 6 架O ：h 。当进离场航空器跑道占用时间的 增加量由1 0 增加到1 5 时，跑道起降容量由2 4 7 架O ：h 减少到2 4 4 架O ：h 。 5 ) 最后进近航段长度减小，跑道起降容量增加，并 且最后进近航段长度每减少l k m ，跑道起降容量约增 加0 4 架次h 。 6 ) 进场航空器间隔减小，跑道起降容量增加，并且 进场航空器间隔每减少2 ，跑道起降容量约增加0 2 架i ! ：k h 。 7 ) 离场航空器位置偏差增加，跑道起降容量减少， 并且离场航空器位置偏差每增加0 1 k m ，跑道起降容 量约减少0 2 架次h 。 3结论 跑道容量评估作为空中交通流量管理的基础，它 具有十分重要的作用。本文在讨论机场跑道容量的定 义及影响容量诸多因素的基础上构建了单跑道容量评 估模型。在民用航空运行领域，跑道容量在很多方面 都需作为已知前提或限制约束因素。因此，随着中国 民航研究的发展，这一基础性研究必将显得日益重要 和紧迫。由于跑道和终端区容量评估是一个涉及领域 广泛、涵盖技术众多的领域，文章尚有许多方面需要更 加系统全面的研究。主要包括： 万方数据 2 0 1 0 年1 月何昕等：机场跑道容量评估模型研究 4 5 1 ) 实际情况中，由于天气的变化、管制员处理高峰 流量能力的变化和飞行特殊情况等诸多因素的影响， 跑道容量是一个时刻变化的量。如何得到动态状况下 的跑道容量模型，还是一个值得研究的问题。 2 ) 本文研究的跑道容量模型中，有许多随机变量， 这些随机变量的数字特征和概率分布对于跑道容量评 估的结果来说是至关重要的，但由于种种条件的限制， 对随机变量的数字特征和概率分布的确定还不十分理 想。 参考文献： 2 D a v i dAL e e ，C a r o l i n eN e l n ，G e r a l dS h a P i r o T h ea v i a t i o n s y s t e ma n a l y s i sc a p a b i l i t ya i r p o r tc a p a c i t ya n dd e l a ym o d e l s R N A S R C R ，1 9 9 8 G i l b oEP A i r p o r tc a p a c i t y ：r e p r e s e n t a t i o n ，e s t i m a t i o n ，o p f i m i z a t i o n J I E E ET r a n s a c t i o n so nC o n t r o lS y s t e m sT e c h