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      基于蒙特卡洛方法的美蘭機(jī)場平行跑道容量評估

      2018-10-09 09:56:46董睿王嫣
      現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè) 2018年30期

      董睿 王嫣

      摘 要:由于航空運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量以及空中交通流量的劇烈增長,大部分單跑道機(jī)場已經(jīng)無法滿足流量需求,于是許多機(jī)場通過改擴(kuò)建來尋求解決的方法。在流量急劇增加的大背景下,我國大部分大流量單跑道機(jī)場改擴(kuò)建成為雙跑道甚至多跑道機(jī)場。利用蒙特卡洛方法分析了雙跑道運(yùn)行模式及其運(yùn)行條件。針對美蘭機(jī)場擴(kuò)建后的平行跑道建立蒙特卡洛模型進(jìn)行容量評估。在隔離運(yùn)行模式條件下,考慮著陸航空器絕對優(yōu)先原則,研究兩個(gè)降落飛機(jī)之間的間隔,利用插縫放行的思路確定起降飛機(jī)的時(shí)間間隔,建立蒙特卡洛的相關(guān)模型再通過計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行容量評估,得到了擴(kuò)建后的美蘭機(jī)場的評估建議值。

      關(guān)鍵詞:蒙特卡洛方法;美蘭機(jī)場;平行跑道;容量評估

      中圖分類號:TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A doi:10.19311/j.cnki.16723198.2018.30.099

      1 引言

      民航業(yè)的發(fā)展離不開國民經(jīng)濟(jì)的迅猛增長。近年來機(jī)場旅客量不斷增加,機(jī)場原有的服務(wù)系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足空中交通流量劇烈增長的需求。因此為了適應(yīng)不斷增加的流量,除了優(yōu)化空域外,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也是必然的措施。采用多跑道運(yùn)行已成為大流量單跑道機(jī)場的必然趨勢,提高跑道使用效率和對多跑道的運(yùn)行模式的研究越來越重要。

      ??诿捞m國際機(jī)場占地面積1140公頃,長度為3600米,寬度為23米。平行滑行道和跑道長度一樣長,航站樓總面積近15萬平方米,總車站面積79萬平方米。停機(jī)坪共有飛機(jī)78架,總面積達(dá)到1140公頃?,F(xiàn)有跑道示意圖如圖1所示。

      為了滿足航空運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量以及空中交通流量增長需求,我國大部分大流量單跑道機(jī)場改擴(kuò)建成為雙跑道甚至多跑道機(jī)場。美蘭機(jī)場二期擴(kuò)建項(xiàng)目主要由四個(gè)項(xiàng)目組成;評級指數(shù)為4F的新飛行區(qū);預(yù)計(jì)新建一個(gè)的3600米跑道;新建成的29.6萬平方米T2航站樓和61個(gè)站臺,其中包括燈光站和消防執(zhí)勤點(diǎn)等附屬單體建筑;目前正在建設(shè)中,航站區(qū)計(jì)劃建設(shè)29.6萬平方米的T2航站樓,航站樓里分為四層地上建設(shè),有行李提取大廳和到達(dá)層,出發(fā)層和國際出發(fā)層。還設(shè)有地下一層。為了防止飛行運(yùn)行數(shù)量接近極限容量,建議美蘭機(jī)場應(yīng)該從新建的航站樓、滑行道、停機(jī)位方面進(jìn)行合理的分配規(guī)劃,降低安全隱患。

      本文運(yùn)用蒙特卡洛的方法對美蘭機(jī)場平行跑道進(jìn)行容量評估,為美蘭機(jī)場擴(kuò)建平行跑道在資源設(shè)施規(guī)劃等方面提供基礎(chǔ)參考。

      2 基于蒙特卡洛方法的平行跑道運(yùn)行模型建立

      2.1 運(yùn)行模式

      根據(jù)我國2004年頒布的《平行跑道同時(shí)儀表運(yùn)行規(guī)定》中相關(guān)條例,對同時(shí)儀表運(yùn)行的兩條平行跑道按照跑道進(jìn)近和離場的使用方式分為隔離平行運(yùn)行、獨(dú)立平行離場、相關(guān)平行儀表進(jìn)近、獨(dú)立平行儀表進(jìn)近四種模式。根據(jù)運(yùn)行條件的需要,基本進(jìn)近模式由低到高可分為3個(gè)級別,分別為:隔離平行運(yùn)行模式,相關(guān)平行進(jìn)近模式和獨(dú)立平行儀表進(jìn)近模式。目前,我國多跑道機(jī)場采用的主要進(jìn)近模式為隔離平行運(yùn)行模式和相關(guān)平行進(jìn)近。

      2.2 模型的相關(guān)參數(shù)

      影響跑道容量主要有以下因素:跑道運(yùn)行方式、跑道構(gòu)型、飛行規(guī)則、起降比、進(jìn)離場程序、滑行道構(gòu)型、不同類別飛機(jī)進(jìn)近速度、機(jī)型構(gòu)成、氣象條件、共同進(jìn)近航道長度、飛機(jī)的位置誤差等。根據(jù)蒙特卡洛方法建立的模型參數(shù)如表1所示。

      ??诿捞m機(jī)場起降的主要機(jī)型為B737-800、B737-MAX8、空客A320、空客A321、空客319-133、巴西航空工業(yè)的E190等。

      2.3 模型建立過程

      放行方法:著陸優(yōu)先的前提下,對起飛的飛機(jī)進(jìn)行插縫放行,如圖2所示。

      箭頭上方為起飛飛機(jī),下方為著陸飛機(jī)。1、2、3代表起飛飛機(jī)的3種放行情形,箭頭方向代表時(shí)間軸。

      情形1:如果第i架與第i+1架到達(dá)飛機(jī)的間隔能夠滿足第k-1架與第k架飛機(jī)起飛間隔要求,那么第i+1架飛機(jī)著陸后第k架飛機(jī)立即起飛,則有D(i+1,i)Vi+1-Tmin (k,k-1)≥0。此時(shí)第 k 架飛機(jī)距第i+1架飛機(jī)著陸后的等待時(shí)間Ti(k)= 0,起飛時(shí)間間隔為:

      式中Vi+1為第i+1架到達(dá)飛機(jī)的進(jìn)近速度。Tmin (k,k-1)為第k架與第k-1架起飛飛機(jī)之間的最小起飛間隔。

      情形2:表示第i架與第i+1架到達(dá)飛機(jī)之間的間隔不能滿足第k-1架與第k架起飛飛機(jī)的起飛間隔要求時(shí),第k架飛機(jī)需要在第i+1架飛機(jī)落地后等待,直到滿足第k-1架與第k架起飛飛機(jī)的起飛間隔要求。這種情況下的等待時(shí)間為:T ′(k)=Tmin(k,k-1)-Di+1,i-Vi+1Vi+1,此時(shí)起飛飛機(jī)與將著陸飛機(jī)之間間隔滿足要求AD,即D(i+2,i+1)-T ′(k)×Vi+2AD,則起飛間隔為:T(k,k-1)=Tmin(k,k-1)。

      情形3:表示如情形2中第k架起飛飛機(jī)等待時(shí)間T ′(k)后,第i+2架到達(dá)飛機(jī)距第k架起飛飛機(jī)間隔無法滿足起降飛機(jī)規(guī)定的間隔要求,即:D(i+2,i+1)-T ′(k)×Vi+2

      根據(jù)飛機(jī)可能的3種起飛情形,可知兩架飛機(jī)實(shí)際起飛時(shí)間間隔:

      在本次蒙特卡洛運(yùn)算中,通過循環(huán)運(yùn)算可求得起飛飛機(jī)總架次CD。由于起飛飛機(jī)在著陸飛機(jī)之間插縫放行,因此通過對著陸飛機(jī)的計(jì)數(shù)即可求得跑道著陸容量CA。那么跑道總?cè)萘緾sum=CD+CA 。由于容量評估結(jié)果受不同飛機(jī)排序的不同的影響,故需進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。N次實(shí)驗(yàn)后,取穩(wěn)定值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果,得到以下公式:

      3 算例分析

      3.1 計(jì)算結(jié)果

      利用Visual C++對上述模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬,較長的飛機(jī)序列按相應(yīng)起降比生成,對序列中若干相鄰的飛機(jī)進(jìn)行隨機(jī)組合,可得到各序列中飛機(jī)組合時(shí)間間隔的累加值,固定飛機(jī)組合可得到組合的均值,以此換算成小時(shí)容量。通過多次循環(huán)計(jì)算,可求出各序列的小時(shí)容量,最后得到小時(shí)容量的均值。因?yàn)榉抡孢^程中按比例生成飛機(jī)流的算法有一定的隨機(jī)性,為了消除隨機(jī)值影響,所以對該模型進(jìn)行應(yīng)用時(shí)要進(jìn)行多次的實(shí)驗(yàn)?zāi)M計(jì)算。因?yàn)橛?jì)算過程具有隨機(jī)性,為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性,分別使用蒙特卡洛方法進(jìn)行多次(N = 10,100,1 ×103,1 × 104,1 × 105)實(shí)驗(yàn)。得出以下蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)結(jié)果,見表4。

      3.2 美蘭機(jī)場容量評估結(jié)果分析

      由上文所述插縫放行三種情形可知,著陸航空器飛機(jī)間隔滿足一定條件時(shí),管制員才可下達(dá)放行指令。當(dāng)使用雷達(dá)尾流分離標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行著陸飛機(jī)間隔時(shí),兩架進(jìn)近和著陸飛機(jī)對于直接插入起飛航空器并不完全滿意,并且要使起飛比率小于1。根據(jù)多次運(yùn)算結(jié)果比較,循環(huán)運(yùn)算次數(shù)越多結(jié)果趨于穩(wěn)定,最終以1×105次蒙特卡洛運(yùn)算為最終結(jié)果。

      最后結(jié)論為:起飛容量為30.96架次/h,著陸容量為31.72架次/h,起降比為0.98,符合實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)。將最終起飛和著陸容量相加得出跑道總?cè)萘繛?2.69架次/h。

      由于美蘭機(jī)場新建的航站樓與原先航站樓之間的間距為560米,所以僅考慮兩條平行跑道為距離760以上的平行跑道,兩條跑道隔離運(yùn)行。本文對新建的跑道容量進(jìn)行了評估預(yù)測,選取了4月25日的機(jī)場進(jìn)出港量作為參考,出港航班為325架,進(jìn)港航班為398架,平均進(jìn)出港架數(shù)為30架次/h。根據(jù)上述容量評估,預(yù)計(jì)未來美蘭機(jī)場擴(kuò)建后的平均跑道容量為62架次/h,按每天飛行16小時(shí)計(jì)算,可滿足一年的起降37萬架次的需要。

      考慮到美蘭機(jī)場現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施和擴(kuò)建的二期工程,其航班流量和旅客吞吐量也將會持續(xù)上升,跑道負(fù)荷也會加大。在美蘭機(jī)場擴(kuò)建后,應(yīng)對各方面的設(shè)施資源進(jìn)行合理的規(guī)劃部署,使機(jī)場高效率的運(yùn)行,減小航班的延誤率。

      4 對于美蘭機(jī)場擴(kuò)建的建議

      (1)美蘭機(jī)場可以實(shí)施組合機(jī)位和可轉(zhuǎn)換機(jī)位。組合機(jī)位能滿足航空公司不同時(shí)期飛機(jī)機(jī)型和數(shù)量的需求,也增強(qiáng)了飛機(jī)停放的靈活性,這樣可以最大限度的發(fā)揮基礎(chǔ)設(shè)施的經(jīng)濟(jì)效益。美蘭機(jī)場運(yùn)行的國內(nèi)和國際航班運(yùn)行架次高峰時(shí)段發(fā)生在不同時(shí)段,轉(zhuǎn)換機(jī)位可以最大限度地提高機(jī)位的使用效率。

      (2)對于近機(jī)位與遠(yuǎn)機(jī)位應(yīng)當(dāng)合理規(guī)劃,當(dāng)然還有白天運(yùn)行機(jī)位與過夜機(jī)位也應(yīng)合理規(guī)劃。新建航站樓的機(jī)位應(yīng)當(dāng)按照不同比例的機(jī)位設(shè)計(jì),高比例的應(yīng)該設(shè)計(jì)為近停機(jī)位。以這種方式達(dá)到更好的服務(wù)旅客,提高旅客的出行質(zhì)量和飛行體驗(yàn)。

      (3)由于未來各航空公司機(jī)隊(duì)規(guī)劃的不確定性,未來機(jī)型組合的變化應(yīng)該作為優(yōu)化計(jì)劃優(yōu)先考慮的因素。在保證機(jī)場各規(guī)劃布局的靈活性的同時(shí),盡可能要避免不合理的規(guī)劃布局。因此,需要進(jìn)一步的評估和研究。

      5 結(jié)語

      通過蒙特卡洛方法計(jì)算出的跑道容量能反映出不同航空器序列下的跑道容量的變化狀況,可作為進(jìn)場航空器排序的參考,也能為美蘭機(jī)場日后的航站樓,停機(jī)坪,滑行道等各方面的設(shè)置規(guī)劃提供設(shè)計(jì)依據(jù)。容量評估的結(jié)果表明擴(kuò)建后的美蘭機(jī)場可滿足一年的起降37.4萬架次的需要。

      本文建立了基于蒙特卡洛方法的平行跑道的容量評估數(shù)學(xué)模型、在獨(dú)立平行進(jìn)近離場條件下的雙跑道容量進(jìn)行評估,對于其他機(jī)場的跑道容量評估工作有一定的借鑒價(jià)值,但仍有許多不足之處。在未來的研究中,要結(jié)合航站樓管理的限制因素,提升跑道容量評估結(jié)果的科學(xué)性和真實(shí)性。

      參考文獻(xiàn)

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      [3]陳亞青, 王春政, 何昕,等. 基于MoteCarlo仿真的近距平行跑道容量評估研究[J]. 航空計(jì)算技術(shù),2017,(5):1821.

      [4]朱陸陸. 蒙特卡洛方法及應(yīng)用[D]. 武漢:華中師范大學(xué), 2014.

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