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钟斌:科学规划机坪(一)——从运行角度出发的机位测算新思维

 冬荣悦阅 2020-01-15

中国电子工程设计院  钟斌  

摘要:

本文通过对多个机场的深入分析,以浦东机场为例,量化描述机位使用情况,在此基础上总结机位使用规律,创新提出了机坪测算新思维、新规划方法,应用量化工具建立了对机场机位数量、规划布局精确的评价体系。提出以机位周转率、机位占用时间两项指标精确定量描述机位个体情况,以动态机位保障率、静态机位保障率定量测算机场机坪总体情况。解决了传统的以典型高峰小时架次为基准的机位需求测算方法所存在的不完全体现运行需求,导致机位数量不足、各性质机位测算不准的情况。实现机坪规划建设由粗放向精细、由传统向创新的转变,有利于推动机场建设、运行的高质量发展。

一、当前机坪测算流程与局限

当前各机场关于机坪的测算均是基于典型高峰小时架次进行测算。此种测算方式的逻辑是假设机场的航班进出是一个持续流,不断的有航班进港占用机位,又不断的有航班离港空出机位。在此情况下,截取其中全年最高的第30个小时这一段来测算对机位的需求。

(一)  常规算法举例

某机场客机位计算举例:

注:

1、从上表可见,通过进/离港高峰比例测算相应的高峰进/离港飞机架次。一般机场高峰进港与离港不同时出现。进港受跑道着陆能力影响一般较低可取60%,而离港高峰一般出现在早上,跑道放飞能力也较强,可取65~70%。表中取60%将会略小。

2、其次,考虑不同的机型机位占用时间。该时间根据旅客数量、加油时间、行李货物装卸时间、清洁时间、配餐时间及必要的机务维修时间确定。表中数值略比相关规范中要求的机型最少过站时间长,更合乎实际使用,也一定程序修正了1所带来的减少量。

3、再次,考虑机位利用率。利用率这一数值与机场航班安排、周边配套设施、管理能力有密切关系。通常一个机位可考虑每天提供50~55%的利用率,与具体机场与机位使用性质有关系。

(二) 对传统测算的实用性分析

由此种方法计算的结果,通常机位数量是高峰小时架次数的0.9~1.3倍。从逻辑上看,这样的计算方法对于进出港持续流动的机场测算客机位是合理的。但从实际上看大部分的机场往往是建成后就开始扩建,且往往是首先扩建停机坪。这说明上述预测方法存在着没有在计算中考虑到,但又直接影响到使用的因素。

为了避免工程建成机坪就不满足使用要求的情况出现,当前在项目规模的申报中,部分机场提出一个“缓压机位”的概念,一般取值15~30% 。虽然这一方法的确在一定程度上缓解了机位的短缺,但这在内在计算逻辑上无法自洽,无法把需要的机位种类、数量计算清楚,也就不能精确的指导机场建设,无法使投资从粗放转向精准。

深入分析理论与实际差异的原因,发现仅与典型高峰小时架次为唯一决定性因素的方法是不能体现机位需求的。机位的使用受其使用特点有较大差异,必须要把机位的使用方式加入才能更好的描述机位的计算过程,才能据此建立计算模型来测算需求。

为便于说明问题,可以假设一个机场在不同使用特点下,观察其机位需求。

假设条件:典型高峰小时2架次,一天有4C类飞机。

不同使用特点下的机位需求:

上表中三种方式是机场客运航班日常运行中最常用到的方式,但显然在相同的小时架次、日架次情况下,机位的需求在2~4间变动,相差了一倍的关系。传统机位计算方法仅能得出2个机位左右的需求,与实际需求差异明显。这说明传统方法仅一个典型高峰小时的要素不足以提出合理的机位测算结果。

因此应扩展原有的单一因素计算方式,从机位的使用特点上进行分析,找出规律进而优化计算方法。

二、从浦东机场2017年架次分析寻找规律

浦东机场是运行情况良好的机场,机场客运量规模较大,货运量也较大,公务机数量多,有驻场航空公司,有飞机维修厂,机场接近饱和状态且正在扩建巨型卫星厅,基本上除了没有除冰机位外,浦东机场具备全部常用机位。同时浦东机场具备数据结构完整,架次齐全的统计数据,有利于计算。因此本次以浦东机场作为分析样版。

本次计算分析了浦东机场2017年全年的24.8万架飞机在每个机位的使用情况。有如下结果与分析要点:

(一)  高峰小时架次分析

1、年均小时进离港架次

年均小时进离港架次

数据要点:机场进出港都以波动的形式显现。离港波峰大致为4个,早上7点的出港波峰最高,11点的次之。到港波峰大致为5个,101420点基本持平。

全天1~5点是航班运行总体低谷期,6~0点均有较多的运行量。

分析要点:入港与出港飞机差值体现了对机位的需求变动值,而差值的不断堆积将体现出对机位的总体需求。这与进出港持续流的逻辑有所区别。

还可以看出常规按一天15小时计算运行时间偏少,不存在不运行的时间。如以小时平均架次为日间平均小时架次量(约75)的30%以上作为运行时间看,机场可以按日运行20~21小时计;如以50%以上作为运行时间看,日运行时间约18~19小时。

2、高峰小时特征

本处主要对比典型高峰小时与极端高峰小时,并对各个小时的进港、出港、合计值分别进行计算。

数据要点:进港高峰与出港高峰的叠加大于混合高峰。进出港高峰与合计值的比例变动在60%~80%范围。进港高峰低于离港高峰。各种高峰并不是出在同一时刻。极端高峰在数值比例关系上均大于典型高峰。

分析要点:常规机场测算中进出港高峰相加等于混合高峰的算法有误,规划阶段对总机位的影响较小,但对于航站楼的设计有影响。以此还可以引申出进出港客流的高峰波动情况,这又对陆侧交通规划设计有影响。后续可深入分析这一特征以便为航站楼的设计提供更为精确的依据。

考虑到离港流程需要配置值机、安检、加油、配餐及其他一系列服务功能,到港相对简单,从确定机场规模的角度出发,以离港作为测算依据更为恰当。从统计看,典型离港高峰达66.7%,极端离港高峰更高达80%,均大于常规60%数值。而这一数值在常规机坪测算表中是非常重要的参数,66.7%60%相差10%的比例,意味着传统算法将少算10%的机坪需求。

考虑到典型高峰已经是第30位的高峰,极端高峰为全年最高值,从经济适用角度看,以典型高峰设计,以极端高峰校核是基本适宜的。

由于第30位的典型高峰小时常常不止一个,特别是饱和状态的机场将出现大量的刚好位于典型高峰小时数值的情况,此时以典型高峰小时设计将使得规模偏小,不利于提高使用效率与服务水平。

3、实际机位需求分析

从整小时角度分析

注:1、黄色底色为全年按小时算前30位高值,红色为前5位高值,紫色为全年最高值。

2、其中9月、10分别出现了计划航班高峰日与实际航班高峰日。

3、表格最上部为全年情况。下部为9月、10月局部放大。

5分钟时间段滚动分析(201710月实际统计)

注:红色字为大于210数值,黄底色为该月前30位高值,橙底色为该月前10位高值,紫色为该月最高值。

分析要点:航班计划所出现的高峰时刻与实际出现的时刻不一致。

计划与实际机位需求最高时间均出现在早上6点。这也应证了前述建议采用离港高峰而不是进港高峰作为计算基础的合理性。

计划整点小时需求219小于整点小时滚动计算实际需求228,更小于5分钟滚动计算实际需求233。说明实际运行的进出港一定范围的波动将需要更多的机位以满足需求,也说明部分停场时间小于1小时的机位将进一步提高机位需求峰值。

1023日及前后几天,有较长时间出现大于210架次在场的情况,极值达到233架次。考虑小型的公务机位已经包含在内,说明浦东机场在上述时间处于机位接近完全使用的情况,机场在场内机位调度、承接外部飞机的潜力均会受很大限制。作为机场的最大容量应能确保这种情况下仍然有机位可停放。

当早上67点离港高峰之后,8点钟的机位需求迅速下降,机位进入空置时间间隔。这也应证了目前浦东机场机位紧张的主要原因是航空公司夜间长时间航班数量太大,入港航班在期间持续大于出港飞机情况累积形成。

 (二)  机位周转率、日均机位占用时间、高峰日机位占用时间、高峰日货机占用机时间分析

通过计算与观察,要更精确的描述机位的使用情况,可以从日均机位周转率、日均机位占用小时数、高峰日机位占用小时数与高峰日货机占用小时数比例等统计上着手。

下图为2017年浦东机场的上述四个数据统计:

注:图中红色字是日均机位周转率、蓝色字是日均机位占用小时数、紫色是高峰日机位占用小时数、深绿色是高峰日货机占用机位时间比例。

每个机位日占用小时统计

注:T1部分机位期间进行改造,相关数值不纳入分析。公务机位为不完全使用,但所使用机位占用时间常超过一天。

各区域机位周转统计

分析要点:浦东机场客运、货运、维修、公务机分布与规划区域功能大部分一致。说明机场总体规划为机坪所规划配套的相关设施决定了机坪的使用功能基本不会偏离原规划意图。

3号货机坪、6号货机坪为混合使用机坪,且以客运航班使用为主。说明此部分机坪从货运需求上是有富余,但由于客机位(特别是夜间)不够使用,加之距离航站楼距离近,主要是作为客运远机位的功能使用。说明在机场规划中不可能严格区分机位的功能。混合机位的存在需要在机场规划中考虑其满足相应功能的配套设施。例如提供从T13号坪、T26号坪便捷的服务车道将有利于提高服务水平。

近机位周转率最高,航站楼附近远机位周转率次之,更远的远机位周转率再次之,维修机坪与公务机坪周转率最低。受跑道高峰小时架次容量的限制,在不同的机场高峰小时架次差异不大。而机场的业务量相差非常大时,通常最直接的体现是在年架次、日架次上有了巨大差异。预测中年、日、小时架次都是可以相对精确计算的数据。这样,结合不同机位周转率的能力就可以精确的计算所需要类型的机位数量。同时,不同类型机位周转率的高低可以作为判断为机位配套的资源的依据。例如高频率的客运近机位需要配置高造价高效率的航站楼、管线加油、滑行道系统、周边服务车道,次低频率的客运远机位配置良好顺畅的服务车道、管线加油、适当的滑行道系统,而低频率的公务机仅需要配置适当的服务车道即可。T2航站楼42个机位,但是主要因为国际航班多,造成近机位周转率并不是很高。

与周转率相比,各个机位每日被占用的时间差距呈大致相同规律,但差距幅度缩小很多。应注意到维修机位、公务机位周转率非小,但停放时间很长。从规划上可以认识到这一些低周转率的机坪并非对机场无用处,只是停放在此类机位上的飞机本身不需要频繁的飞行,所占据机位数量仍是须要满足的。当然,由于其很低的运行频率可以只解决有机位的基本要求就行,不必规划良好的滑行道之类的设施。

全场机位利用率为0.53,与常规计算中取值0.55接近。高峰日机位利用率升至0.62,高于常规取值,机场将满负荷运行。这一数据小范围的变动就体现了机场从平均值到高峰值的状态,说明应当在使用中能对各个机场进行测算以设定合理的数值。

高峰日每个近机位占用时间增加值较少,而离航站楼近的远机位增加值多,离航站楼远的远机位增加更多。说明近机位的时刻排班较满,要提供附加的资源很有限。近距离的远机位将首先承担高峰的溢出。远距离的远机位在近距离的远机位资源用足后接续承担高峰的溢出。距离的远近实际是与通达路径的顺畅程度有关,规划中应尽量规划良好的服务车道系统、机坪滑行道系统以提高远机位的使用效率。

总体而言,从各类机型的使用特点出发,根据对架次的预测,考虑机位的布局情况确定其保障能力,进而可以准确的预测出各位置机位的需求。

三、机位需求测算

机位是刚性资源,不同规划有极大的利用率区别。机位的规划对机场正常保障、高效率运行、高包容性、降低全过程成本至关重要。

本文提出两个保障率的指标定义,通过对此两个保障率的计算可以得出各类机位的规划需求。两个指标为:动态机位保障率、静态机位保障率。

(一)  两个保障率的定义

1、动态机位保障率

当一定时间内机位多次用于相同的业务种类时,所配置的机位所能提供的业务架次除以预测需求架次的比例(架次角度)。

动态机位保障率体现了对高频率使用要求的容量。由于每次使用时间短,对服务品质影响大,对运行效率影响大,保障措施及配套资源要求多,投资往往也大。因此既要尽可能的提高其保障率。但由于配套资源多,又不可能无限制的提高数量。

客机近机位、除冰机位均是一天之内多次使用,应采用此指标。通用航空发展后将来高频率使用的机位也可用此指标来衡量。

2、静态机位保障率

当一定时间内机位用于相同的业务种类次数少、每次占用机位时间较长,或是偶尔出现的业务时,所配置的机位数量除以预测需求停放的机位数量的比例(数量角度)。

虽然此类机位使用频度不高,配套资源少,投资往往也小,对运行效率影响小,但当不足时便对机场最大容量有影响,应完全满足使用需求且有一定富余才不致影响机场运行。

此类机位对于有具体功能需求的,应按需配置。对于偶发性的如备降飞机,也可以在机坪、滑行道相应位置设置临时机位。

通常在早上6点左右达到机场机位需求总数量的最高峰。此时的机位需求由夜间驻场客运机位(近机位及远机位)、货机位、维修机位、通用航空机位(当前常长时间停放)、试车位、警戒机位、清洗机位、展示机位、备降机位等组成。由此时的机位数量除以上述所有功能机位的需求数量得出静态保障率。保持大于100%时说明机场不会机位不足而停止接收飞机,也说明机场在最大停机负荷下仍能保持一定的飞行区管理灵活性。

(二)  举例说明两个保障率覆盖范围(一周)

(三)  动态机位保障率、静态保障率测算与机位数量需求


Ai :第i个具备相同规划特性的客机坪的近机位数量

Ki :第i个具备相同规划特性的客机坪的日周转率

D :预测高峰日客机周转数(起降架次/2

建议的动态机位保障率不低于90% 。据此可以计算不同的组合情况下的机位数量需求。

其中K值目前正由设计院在专题研究,尚无普适性的结果。根据2018年的数据,暂可以按良好配置的近机位取5~7.5左右,航站楼附近的客运远机位取2.5~3.5左右,远距离客运机位取0.5~1.5左右,维修、货运、公务机尚无结果。


:全机场设计机位总数(含临时停机位)

Di :预测高峰日各类型飞机停场数量最多时的数值。

静态机位保障率应不低于100% ,建议的达到110%。据此可以计算不同的时刻所需要的总的机位数量,并以最大的时刻为规划依据。

四、小结及后续研究

(一)  小结

通过本文所提出的机坪测算新思维,创新了规划方法,应用量化工具可以建立对机场机位数量、规划布局精确的评价体系。实现机坪规划建设由粗放向精细、由传统向创新的转变,有利于以建设智慧机场为引领,推动机场高质量发展。

(二)  后续多机场验算

需要指出的是,上述分析是在2018年的机位周转分析的初步成果,以及后续对浦东单个机场的相对更深入分析的基础上。如能再对其它更多地理分布,更多业务量分布的机场进行同样的分析,就可以进一步验证本文提出的参数,验证所提出的两项指标的普适性,为机场机坪规划建设提供量化依据。

(三)  后续其余研究

由于动态机位保障率、静态机位保障率两个指标均是超越了单纯的设施层面的指标,是将运行方面的需求纳入考虑范畴。机位动态保障能力与规划布局、设施配套、运行管理、多部门协作、机型、国际与国内航线,以及其它因素相关。静态保障能力与航空公司航班安排、机场体系规划及其它因素相关。因此后续应当继续分析各因素的相互作用,寻找内在规律,使得两项指标的内在技术支持更为完善,更能适应不同的条件下的准确应用。

(四)  后续对统计方法定义

本文在计算中采用了大量数据,在与其它机场数据对比中可以发现存在着定义不够清晰,统计范围不一致的情况,应当设法更为精确的定义各个名词内涵,明确统计方法。建议包括客运近机位(近机位)、客运远机位(远机位)、机位周转率、货机位、维修机位、试车位、除冰机位、清洗机位、通用航空机位(公务机位)、停机位。
建议新增描述全局的动态机位保障率、静态机位保障率。建议取消缓压机位、过夜机位概念。

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