機場機動區(qū)滑行道運行方案設(shè)計及仿真評估

蘇庭文，徐川，朱新平

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

0 引 言

機場機動區(qū)是指除機坪之外，機場內(nèi)供航空器起飛、著陸、滑行的部分，又稱之為運轉(zhuǎn)區(qū)。機動區(qū)滑行道運行方案是指為航空器使用機動區(qū)滑行道資源而設(shè)計的標準滑行路線，需綜合考慮滑行限制、管制移交點設(shè)置、沖突緩解與控制等多個因素。機動區(qū)內(nèi)航空器活動與機坪內(nèi)航空器活動緊密銜接，因此，機動區(qū)滑行道運行方案的設(shè)計及評估對于促進機場資源集約高效利用非常重要。尤其是近年來多跑道機場在我國日益增多，開展此類機場的機動區(qū)滑行道運行方案設(shè)計及評估方法研究，形成具有普適性的設(shè)計范式，可促進提升我國多跑道機場的機動區(qū)管理水平。

當(dāng)前，專門針對多跑道機場機動區(qū)滑行道運行方案的優(yōu)化設(shè)計可分為繞行滑行道的運行方案優(yōu)化、平行滑行道和垂直聯(lián)絡(luò)滑行道的運行模式優(yōu)化、普通滑行道運行方案優(yōu)化，并且通常會考慮場面沖突管控或跑道與滑行道運行聯(lián)合調(diào)度來實施滑行方案優(yōu)化。但是，這些研究多針對某一多跑道場景且未形成具有普遍指導(dǎo)意義、面向多跑道機場的滑行道運行方案設(shè)計方法。

本文研究機場機動區(qū)滑行道運行方案設(shè)計及仿真評估方法，并以成都天府國際機場為例進行驗證。給出多跑道機場機動區(qū)滑行道運行方案設(shè)計原則及范式，規(guī)劃成都天府國際機場機動區(qū)滑行道多種運行方案，并應(yīng)用AirTOp軟件建立對應(yīng)的場面運行微觀仿真模型，開展基于不同運行方案的量化分析。

1 多跑道機場機動區(qū)滑行道運行方案設(shè)計原則及范式

1.1 基本原則

多跑道機場機動區(qū)滑行道運行方案設(shè)計基于“固定、單向、順向、循環(huán)”的基本原則，并考慮機場航站區(qū)分布以及整個場面滑行的沖突熱點等因素來進行優(yōu)化。具體包括：

（1）“固定”是指在某一跑道運行模式下，抵離不同機坪或機位（或連續(xù)相鄰幾個機位）的航班，均設(shè)計使用同一標準路線滑行，依次占用同樣的滑行道。

（2）“單向”是指在某一跑道運行模式下，針對同一滑行道或連續(xù)幾個滑行道而言，進港或離港航班均設(shè)計沿著某一規(guī)定的方向來滑行。

（3）“順向”是指針對同一滑行道或連續(xù)的幾個滑行道而言，若存在進離港航班混流的情況，均設(shè)計航班沿著同一方向滑行，以避免對頭滑行沖突的出現(xiàn)。

（4）“循環(huán)”是指利用滑行道系統(tǒng)中平行滑行道、垂直聯(lián)絡(luò)滑行道以及機坪滑行道之間的空間連通性，設(shè)計機動區(qū)滑行道系統(tǒng)不同子區(qū)域內(nèi)的交通流，使之與其他機動區(qū)子區(qū)域之間或鄰近機坪內(nèi)的進離港航班交通流順次銜接。

1.2 機動區(qū)滑行道系統(tǒng)運行方案設(shè)計范式

多跑道機場機動區(qū)滑行道系統(tǒng)運行方案的設(shè)計及選擇，與跑道運行模式、航站區(qū)布局、機場跑道構(gòu)型、垂直聯(lián)絡(luò)滑行道的數(shù)量等因素密切相關(guān)。目前，我國多跑道機場以平行跑道居多（包括跑道入口平齊和相互錯開），僅北京大興國際機場和成都天府國際機場存在側(cè)向跑道，且我國平行跑道運行多采取隔離運行模式。歸納總結(jié)我國多跑道機場的機動區(qū)滑行道運行方案設(shè)計范式，主要有以下兩種。

（1）范式1：單側(cè)運行設(shè)計范式。該范式對應(yīng)平行跑道處于航站區(qū)一側(cè)的情形，基于該范式設(shè)計的機動區(qū)滑行道運行一般方案如圖1所示。

圖1 基于單側(cè)運行設(shè)計范式的機動區(qū)滑行道運行一般方案Fig.1 General scheme of taxiway operation in maneuvering area based on unilateral operation design paradigm

該范式主要考慮：①此種情形下，通常靠近航站區(qū)的跑道（內(nèi)側(cè)跑道）用于起飛、遠離航站區(qū)的跑道（外側(cè)跑道）用于著陸，故外側(cè)跑道著陸的航班需穿越內(nèi)側(cè)跑道。因此，在機動區(qū)滑行道運行方案制定過程中，應(yīng)合理設(shè)計穿越滑行道的使用方案，通常選擇在起飛跑道的遠端實行穿越；②對于平行滑行道，可基于滑行道運行方案設(shè)計原則來設(shè)計相應(yīng)的標準滑行路線，并盡可能減少進離港航班交通流交織。

基于范式1設(shè)計的機動區(qū)滑行道運行方案，其優(yōu)勢在于，進離港航班場面滑行交通流交叉點位相對較少，沖突較易控制。

（2）范式2：雙側(cè)運行設(shè)計范式。該范式對應(yīng)平行跑道處于航站區(qū)兩側(cè)的情形。該情形下，機場通常會修建垂直聯(lián)絡(luò)滑行道。依據(jù)不同場景下垂直聯(lián)絡(luò)滑行道的數(shù)量和位置，可設(shè)計機動區(qū)滑行道運行一般方案，具體如圖2所示。

場景①：僅航站區(qū)一端存在垂直聯(lián)絡(luò)滑行道。該情形下，基于范式2設(shè)計的機動區(qū)滑行道運行一般方案如圖2（a）所示。主要考慮：①對于機動區(qū)平行滑行道，可依據(jù)單側(cè)運行設(shè)計范式來為其制定運行方案，便于進離港航班及時抵離相應(yīng)機坪；②對于垂直聯(lián)絡(luò)滑行道（通常有兩條），宜分別將其用于進港航班和離港航班使用，實現(xiàn)進離港航班分流。

該方案的特點是：航班滑行距離相對較長，個別路段存在進離港航班混流；此外，個別滑行道交叉口由于進離港航班流交叉，存在潛在的沖突點位。

場景②：航站區(qū)的兩端均存在垂直聯(lián)絡(luò)滑行道。該情形下，基于雙側(cè)運行設(shè)計范式的機動區(qū)滑行道運行一般方案如圖2（b）所示。主要考慮：①對于機動區(qū)平行滑行道，可依據(jù)單側(cè)運行設(shè)計范式來為其制定運行方案，便于進離港航班及時抵離相應(yīng)機坪；②對于垂直聯(lián)絡(luò)滑行道（通常有四條），應(yīng)均衡相應(yīng)滑行道上的交通負載，并盡可能地實現(xiàn)進離港航班交通流分離；③鑒于此時平行滑行道、垂直聯(lián)絡(luò)滑行道構(gòu)成“回”字形連通結(jié)構(gòu)，應(yīng)實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)上航班交通流與機坪內(nèi)部交通流的循環(huán)銜接，同時，還應(yīng)考慮管制員指揮的便利性。該方案的特點在于：運行方案較復(fù)雜，個別機坪的進離港航班滑行距離相對較長，潛在沖突點位較多。

圖2 基于雙側(cè)運行設(shè)計范式的機動區(qū)滑行道運行一般方案Fig.2 General scheme of taxiway operation in maneuvering area based on bilateral operation design paradigm

2 成都天府國際機場滑行道運行方案設(shè)計

成都天府國際機場是國家級國際航空樞紐，一期建成三條跑道、兩個航站樓，滿足年旅客吞吐量4 000萬人次，其飛行區(qū)布局如圖3所示。三條跑道包括兩條寬距平行跑道、一條交叉跑道，具有獨有的構(gòu)型和運行特點。

圖3 成都天府國際機場飛行區(qū)場區(qū)布局Fig.3 Chengdu Tianfu International Airport flight area ground layout

基于成都天府國際機場平行跑道采用隔離平行運行、獨立平行離場，北跑道僅用于自西向東起飛的基本運行模式，采用滑行路徑規(guī)劃算法（比如，基于遺傳算法的初始路徑規(guī)劃算法）得到航班滑行備選路徑庫，綜合運用多跑道機場機動區(qū)滑行道運行方案設(shè)計原則及范式，針對該機場向北運行，給出3種機動區(qū)滑行道運行方案，具體思路如圖4所示，運行方案如圖5所示。

圖4 滑行道運行備選方案生成過程Fig.4 Process for generating taxiway operation scheme

圖5 成都天府國際機場機動區(qū)滑行道運行方案Fig.5 Taxiway operation scheme of Chengdu Tianfu International Airport

備選方案1如圖5（a）所示。首先，利用基于Petri網(wǎng)和GA的初始滑行路徑規(guī)劃算法，生成備選路徑庫；然后，基于“固定、循環(huán)”原則，從備選路徑庫中，設(shè)置由垂直聯(lián)絡(luò)滑行道T1、平行滑行道D、垂直聯(lián)絡(luò)滑行道T5、平行滑行道A滑，以及一部分C滑（C2滑至T1之間、L7滑至C1之間），構(gòu)成環(huán)形滑行路線（簡稱“外環(huán)”），外環(huán)上的航空器滑行路線設(shè)計呈“順時針”狀；垂直聯(lián)絡(luò)滑行道T4、平行滑行道G、垂直聯(lián)絡(luò)滑行道T2、平行滑行道B滑，構(gòu)成環(huán)形滑行路線（簡稱“內(nèi)環(huán)”），內(nèi)環(huán)上的航空器滑行路線設(shè)計呈“逆時針”狀。總體上，機動區(qū)滑行道系統(tǒng)整體的滑行路線方案呈“外順內(nèi)逆”的特征?；诓煌呐艿肋\行方向，“內(nèi)環(huán)”和“外環(huán)”滑行道的運行均遵循上述規(guī)律。

備選方案2如圖5（b）所示。其“內(nèi)環(huán)”滑行道運行方案同方案1；“外環(huán)”滑行道運行方案不同于方案1，進一步考慮“單向”原則，設(shè)置為：（1）T1滑（C8至G之間）僅供離港航空器使用；（2）開放D19滑用于進港，關(guān)閉D17至D18之間的G滑；（3）關(guān)閉B17滑。相對方案1，該方案有利于進港航班快速匯入T3滑行道，同時避免了機坪內(nèi)L7滑行道上的潛在對頭沖突。

備選方案3如圖5（c）所示。其“內(nèi)環(huán)”滑行道運行方案與方案1相同；“外環(huán)”滑行道運行方案不同于方案2，開放T1滑（C8至G之間）供進港航空器使用。相對方案2，該方案將原經(jīng)由T4滑行至2號航站樓的進港航班改至經(jīng)過T1滑行，以促進場面滑行道資源負載均衡。

3 成都天府國際機場仿真建模

目前Air TOp已成為民用機場及空域運行仿真的主流軟件之一。采用AirTOp軟件對成都天府國際機場機動區(qū)滑行道運行備選方案進行仿真評估。

仿真過程針對向北運行展開。其中，跑道使用模式采取平行跑道（01/02）為隔離平行運行、獨立平行離場，側(cè)向跑道（11跑道）僅用于起飛；機動區(qū)滑行道運行方案即為第2節(jié)所給三種備選方案；機坪內(nèi)航空器滑行及機位進出方案依據(jù)機場機坪塔臺工作細則設(shè)定，如圖6所示。

圖6 成都天府國際機場機坪運行方案Fig.6 Apron operation scheme of Chengdu Tianfu International Airport

機動區(qū)滑行道的航空器平均滑行速度設(shè)定為30 km/h，機坪滑行道滑行速度設(shè)定為10 km/h，機位推出速度設(shè)定為3 km/h，飛行區(qū)內(nèi)航班滑行縱向間隔按50 m控制，管制運行間隔參考成都天府國際機場起降間隔設(shè)置，暫不考慮空域限制因素?；诔啥嫉貐^(qū)的歷史航班數(shù)據(jù)特征，比如各航空公司航班量占比、機型比例、時刻分布等，分別構(gòu)建270、600、900架次/日的仿真航班時刻表。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 航班地面滑行延誤

航班地面滑行延誤是指離港航班從機位推出至進入跑道頭等待隊列期間所產(chǎn)生的延誤，或進港航班從跑道脫離至進入機位期間所產(chǎn)生的延誤。

地面滑行延誤降低比例：

式中：為兩種方案對比，總地面滑行時間延誤降低比例；分別為某兩種方案總的地面滑行延誤時間。

針對三種機動區(qū)滑行道運行備選方案，在不同的日航班量仿真過程中，得到航班總的地面滑行延誤如圖7所示。

圖7 3種滑行道運行方案下，不同的日航班量所對應(yīng)的航班總地面滑行延誤Fig.7 Under the three taxiway operation schemes，the total ground taxi delays corresponding to different daily flight volumes

從圖7可以看出：當(dāng)航班量為270架次/日時，方案2對應(yīng)的總地面滑行延誤較方案1、方案3分別降低了16%、39%；當(dāng)航班量增長到600、900架次/日時，方案3對應(yīng)的總地面滑行延誤較方案1分別降低了26%和8%，較方案2分別降低了10%和4.4%。因此，總體來看，方案3在日航班量較多時，航班的總地面滑行延誤時間較少，更有利于提高場面資源利用效率。

4.2 航班滑行沖突等待時間

航班滑行沖突等待時間是指離港航班從機坪開始滑行，至進入跑道頭等待隊列期間，或進港航班從跑道脫離至進入機位期間，由于滑行沖突所致航班等待的時間。

依據(jù)沖突發(fā)生位置不同，滑行沖突等待時間：

式中：為機坪內(nèi)滑行沖突等待時間；為機動區(qū)滑行沖突等待時間。

針對3種滑行道運行備選方案，在不同的日航班量仿真過程中，得到對應(yīng)的航班滑行沖突等待時間如表1所示，可以看出：在架次較少時（270架次/日），方案2對應(yīng)的機動區(qū)滑行沖突等待時間（）較?。患艽屋^多時，方案3對應(yīng)的總沖突等待時間（）相對較小，同時，對應(yīng)的機動區(qū)滑行沖突等待時間與方案2差別不大，因此，架次較多時，方案3較優(yōu)。

表1 3種滑行道運行方案下，不同的日航班量所對應(yīng)的航班等待時間Table 1 The flight waiting time corresponding to different daily flight volume under three taxiway operation schemes

4.3 航班滑行沖突占比

航班滑行沖突占比是指航班滑行過程中遭遇的沖突次數(shù)與總航班滑行沖突次數(shù)的比值，可表示為

式中：為機坪內(nèi)沖突次數(shù)或機動區(qū)內(nèi)沖突次數(shù)；為總航班滑行沖突次數(shù)。由式（3）可得不同區(qū)域的沖突占比。

針對3種滑行道運行備選方案，在不同的日航班量仿真過程中，得到航班滑行沖突占比如表2所示，可以看出：對進港航班而言，方案3對應(yīng)的機動區(qū)內(nèi)滑行沖突占比相對較小，其所含進港航班滑行方案設(shè)計較優(yōu)；對離港航班而言，方案2對應(yīng)的機動區(qū)內(nèi)滑行沖突占比相對較小，其所含的離港航班滑行方案設(shè)計較優(yōu)。

表2 3種滑行道運行方案下，不同的日航班量所對應(yīng)的航班滑行沖突占比Table 2 The proportion of flight taxi conflicts corresponding to different daily flight volumes under three taxiway operation schemes

5 結(jié) 論

（1）“固定、單向、順向、循環(huán)”的多跑道機場機動區(qū)滑行道運行方案設(shè)計基本原則，以及對應(yīng)的單側(cè)運行方案設(shè)計范式、雙側(cè)運行方案設(shè)計范式有助于緩解航班滑行延誤、沖突等待時間以及沖突占比。

（2）將“航班滑行備選路徑庫”和本文所給“多跑道機場機動區(qū)滑行道運行方案設(shè)計基本原則和范式”兩者結(jié)合，可用于輔助開展多跑道機場滑行道運行方案優(yōu)化。

下一步將考慮構(gòu)建更科學(xué)全面的滑行道運行方案評估體系，支持開展運行方案仿真評估。