机场绕行滑行道运行策略及应用研究

机场绕行滑行道运行策略及应用研究

王　维1，李　龙2

(中国民航大学　机场学院，天津　300300)

摘要： 绕行滑行道是一种新型机场滑行道，主要用于近距平行跑道机场。绕滑使用策略与跑道/滑行道几何构形、高峰小时架次、出发/到达架次比例、机型组合等因素有关。通过建模分析，分别给出了立即穿越跑道、等待穿越跑道和使用绕滑的地面滑行策略。计算表明，随着高峰小时架次和出发航班比例的提高，使用绕滑的几率增多、对绕滑的依赖度增强。开发了软件EAT-RDS，为具有绕滑机场的空管人员进行地面滑行指挥提供了实用、便捷的工具。

关键词： 交通工程；绕行滑行道；仿真模拟；运行策略；地面滑行

0　引言

绕行滑行道(简称绕滑，英文EAT—End Around Taxiway)是一种新型机场滑行道，它在跑道端外绕过、连接平行滑行道与机坪，旨在减少多跑道机场的飞机跑道穿越，目前在美国和欧洲的一些机场已有实际应用[1-4]。2010年上海虹桥机场扩建时设置了绕滑，但目前尚未实现物理贯通[5-6]。我国《民用机场飞行区技术标准》在2013年修订时专门增加“绕行滑行道”内容，对绕滑的设置条件和运行限制进行了概要描述[7]。但是，国内在绕滑的作用和应用方面尚缺乏系统研究。随着我国多跑道机场、特别是近距跑道机场的增多，未来设置绕滑的机场将逐步增多，对其运行策略和使用进行前瞻性研究无疑对多跑道机场规划设计和运行管理都具有重要意义。

1　模型构建

1.1　模型原理

当机场拥有一组近距平行跑道时，站坪肯定在跑道的同侧。这样，一条跑道距站坪较近(内侧)、一条较远(外侧)。通常，采用内侧跑道起飞、外侧跑道着陆的运行策略。若没有设置绕滑，外侧跑道的出发/到达飞机都要穿越内侧跑道[8-10]；如果设置绕滑，外侧跑道的出发/到达飞机还可以利用绕滑运行。此时的飞机滑行策略有两种，应根据确保安全和时间优化原则来确定。具体来说，当飞机到达穿越点时如跑道正处于空闲(没有飞机起降)且剩余空闲时间大于飞机穿越时间，则应采取“直接穿越” 策略；当飞机到达穿越点时正处于跑道占用(有飞机起降)，若先等待、再穿越的时间小于使用绕滑时间，则应采取“等待-穿越” 策略；否则，采用“绕滑策略”。

1.2　建立模型

目标函数：

(1)

约束条件：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式(1)～式(10)中各符号意义见表1。跑道占用起始时刻即飞机i起飞滑跑的时间点，记为:Tbi(i=0,1,2…)； 跑道占用终止时刻为飞机完成起飞初始爬升的时间点，记为: Tfi(i=0,1,2…)。由此组成跑道占用的时间集合C=[(Tb1,Tf1);(Tb2,Tf2);…(Tbn,Tfn)]； 飞机到达穿越点时刻的集合K={Tk1;Tk2;…;Tkn}，A={Ta1;Ta2;…;Tan} 是到达飞机着陆时刻集合，t={t1r；t1r；…；tnr}为飞机i从接地至穿越点r所需时间， K=A+t。 te为每隔te时间可以使用一次绕滑；Φ为前后两机平均距离；Φij为前机i与后机j距离；Pij为飞机i和j前后排列的概率。

表1　定义变量

Tab.1　Definitions of variables

符号意义ti到达飞机i从机轮接地至临近站坪入口的总时间tir到达飞机滑行至穿越点r的时间tit到达飞机穿越跑道的时间tiw飞机i的等待-穿越时间tie飞机使用绕滑的时间LEAT绕滑长度Lir飞机i选择的穿越点距绕滑入口的距离S飞机i的平均滑行速度Lit穿越点r到机坪入口的总距离D1穿越点r至离场跑道的距离Dr离场跑道宽度D2离场跑道至机坪入口的距离Lr跑道入口至飞机i选择的快速出口滑行道入口的距离S飞机i选择的快速出口滑行道长度Vat'iw飞机i接地到穿越点的平均速度飞机i的等待跑道解除占用时间ΔtTki启停时间飞机到达穿越点的时刻Tai机轮着地时刻

根据上述原理、公式和图1所示步骤，即可通过计算确定具有绕滑的多跑道机场的飞机地面滑行策略。

图1　滑行策略确定
Fig.1　Taxiing strategy decision

2　模型应用

某机场的飞行区构形见图2，高峰小时到达、出发航班信息见表2、表3。设每架进离场飞机占用跑道时间均不超过60 s。节点3，2，1对应的快滑出口位置与跑道20 L入口的距离分别为2 000，2 300 m和2 600 m。上述3条快滑的长度均为S=400 m。绕滑长度LEAT =2 000 m。

跑道采用“内侧出发、外侧到达”分工模式。绕滑为无限制运行，即绕滑使用与飞机离场互不影响。飞机在绕滑上为单向滑行，如图2所示。穿越点1，2，3处，每处只能放置1架飞机。

图2　机场飞行区构型
Fig.2　Configuration of airfield area

表2　到达航班信息

Tab.2　Flight schedule of arrival aircrafts

到达航班机型接地时刻使用出口Arr01B7388:031Arr02A3208:073Arr03B7388:121Arr04B7388:182Arr05A3208:223Arr06A3208:262Arr07A3208:303Arr08A3208:323Arr09B7388:352Arr10B7388:392Arr11B7388:491Arr12B7388:522Arr13A3208:563

表3　出发航班信息

Tab.3　Flight schedule of departure aircrafts

离港航班机型开始滑跑时刻离港航班机型开始滑跑时刻Dep01B7388:01Dep02A3208:05Dep03A3208:09Dep04A3208:11Dep05B7388:13Dep06B7388:15Dep07A3208:17Dep08B7388:19Dep09B7388:21Dep10B7388:23Dep11A3208:25Dep12A3208:27Dep13A3208:29Dep14B7388:31Dep15B7388:33Dep16B7388:36Dep17A3208:38Dep18B7388:40Dep19B7388:42Dep20B7388:44Dep21B7388:46Dep22B7388:48Dep23A3208:51Dep24A3208:53Dep25B7388:55Dep26B7388:57Dep27B7388:59

利用上节原理和方法对到达航班的滑行策略进行优化决策，得到表4的计算结果。表中，“Cr”表示直接穿越、“W-Cr”表示等待穿越、“EAT”表示绕滑。计算表明，到达航班在优化决策条件下的总滑行耗时为T1=3 733 s；如果全部穿越跑道(含直接穿越和无条件等待穿越)，总耗时T2=9 316 s；如果全部绕滑，则总耗时为T3=4 146 s。相同条件下，与没有设置绕滑的情况相比，机场到达航班的总滑行时间减少了(T2-T1)/T2=59.93%。 如全部使用绕滑，则总滑行时间减少了(T2-T3)/T2=55.50%。可见，绕滑作用是非常显著的。

表4　到达航班滑行策略

Tab.4　Strategy of taxiing path selection of arriving flights

到达航班运行方式穿越次数优化决策耗时/s全绕滑耗时/s全穿越耗时/sArr01Cr1112252112Arr02EAT03683681697Arr03EAT02522521397Arr04EAT03103101037Arr05EAT0368368797Arr06EAT0310310557Arr07W-Cr1317368317Arr08W-Cr1197368197Arr09EAT0310310917Arr10EAT0310310677Arr11EAT0252252737Arr12EAT0310310557Arr13W-Cr1317368317

为对绕滑有更深入的认识，作者进一步分析了具有绕滑的近距平行跑道机场，在高峰小时航班分别为30，35，40，45，50，55架次，出发航班比例分别为33%，54%，67%的条件下的绕滑运用策略。计算中，两条跑道仍采用“内侧出发、外侧到达”的分工模式。计算结果详见图3。

图3　不同高峰小时架次、出发比例的绕滑架次比例
Fig.3　Proportion of using EAT under different peak-hour
movements and departure ratios

基于上图结果，出发航班比例较低(33%)时，随着高峰小时架次的增多，使用绕滑的到达航班略有增加，但架次基本上低于10%。即由于内侧跑道空闲时段多，大部分到达航班可通过跑道穿越方式抵达站坪；当出发航班比例较高(67%)时，随着高峰小时架次的增多，使用绕滑的到达航班快速增加。当高峰小时架次达到55时，几乎所有到达航班都要使用绕滑；当出发、到达航班比例大体相当(54%)时，绕滑使用情况介乎上述两种情况之间。

3　结论

(1)绕行滑行道是一种新型机场滑行道，旨在提高近距平行跑道的安全性和运行效率。

(2)机场设有绕滑时，飞机的地面滑行策略有3种，即立即穿越跑道、等待穿越跑道、使用绕滑。与不设绕滑的情况相比，具有绕滑且采用优化策略的地面滑行能显著降低总体地面滑行时间。

(3)具体的地面滑行策略选择，要在综合考虑跑道/滑行道几何构形、高峰小时架次、出发/到达架次比例等多种因素情况下确定。一般而言，随着高峰小时架次和出发航班比例的提高，使用绕滑的几率增多、对绕滑的依赖度增强。

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Study on Operation Strategy of End-around Taxiway and Its Application

WANG Wei1, LI Long2

(School of Airport, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

Abstract： End-around taxiway is a new kind of airport taxiway, mainly used in airport with closer parallel runways. The operation strategy of end-around is related to runway/taxiway geometry configuration, the peak hour aircraft movements, the proportion of departure/arrival, and aircraft combination, etc. Through the modeling analysis, the ground taxiing strategies, including crossing runway immediately, waiting for crossing runway, and using end-around taxiway are given respectively. The computation result shows that the chances of using EAT and the degree of dependency to it increase with the peak hour movements and ratio of departure/arrival. The software EAT-RDS is developed as a practical and convenient tool for the air traffic controllers of the airport with EAT to direct taxiing.

Key words： traffic engineering; operation strategy; analogue simulation; end-around taxiway (EAT); ground taxiing

收稿日期：2015-02-09

作者简介：王维(1960-)，男，河北丰南人，教授.([e-mail])

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.06.019

中图分类号： U491.2

文献标识码： A

文章编号： 1002-0268(2016)06-0119-04