航班起降波形分類(lèi)及特征研究

李雄, 陳曉清, 李冬賓, 衛(wèi)東選

(1.中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)集團(tuán)公司 規(guī)劃設(shè)計(jì)總院, 北京 100101;2.中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心, 北京 100029;3.中國(guó)民航管理干部學(xué)院 空管系, 北京 100102;4.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064)

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航班起降波形分類(lèi)及特征研究

李雄1, 陳曉清2, 李冬賓3, 衛(wèi)東選4

(1.中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)集團(tuán)公司 規(guī)劃設(shè)計(jì)總院, 北京 100101;2.中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心, 北京 100029;3.中國(guó)民航管理干部學(xué)院 空管系, 北京 100102;4.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064)

摘要:以O(shè)AG航班計(jì)劃數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對(duì)全球大型機(jī)場(chǎng)日客運(yùn)航班的起降波形進(jìn)行分析并歸納分類(lèi),得出鋸齒形、梯形、早晚高峰形和疊加形4類(lèi)航班波。同時(shí),提出4個(gè)特征指標(biāo)用于對(duì)航班起降波形進(jìn)行評(píng)估,分別為高峰起降航班占比率、飛行架次標(biāo)準(zhǔn)差比值、高峰起降間隔時(shí)間和降落-起飛高峰配對(duì)數(shù)。以我國(guó)旅客吞吐量排名前10位的機(jī)場(chǎng)為例,分析各機(jī)場(chǎng)航班起降波形及其特征指標(biāo)。研究結(jié)果表明:我國(guó)大型機(jī)場(chǎng)客運(yùn)航班起降波形以早晚高峰形航班波為主,高峰起、降航班占比率均值分別為64.1%和59.0%,飛行架次標(biāo)準(zhǔn)差比值為0.12,日間運(yùn)行時(shí)段尚未形成明顯的降落-起飛高峰配對(duì),與國(guó)際大型樞紐機(jī)場(chǎng)航班運(yùn)作模式尚有一定差距。

關(guān)鍵詞:空中交通管制; 航班波; OAG航班計(jì)劃數(shù)據(jù); 機(jī)場(chǎng); 航班時(shí)刻

0引言

根據(jù)國(guó)際機(jī)場(chǎng)協(xié)會(huì)(Airport Council International,ACI)最新公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2014年旅客吞吐量排名世界前20位的機(jī)場(chǎng),中國(guó)內(nèi)地占據(jù)3席,分別是第2位北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)、第15位廣州白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)和第19位上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng),年旅客吞吐量分別達(dá)到8 613萬(wàn)、5 478萬(wàn)和5 169萬(wàn)人次。隨著機(jī)場(chǎng)客運(yùn)量的增大,航班起降架次迅猛增加,機(jī)場(chǎng)航班時(shí)刻資源日益緊張,尤其是大型機(jī)場(chǎng)的航班時(shí)刻已成為稀缺性資源[1]。航班起降時(shí)刻在機(jī)場(chǎng)全天24 h中的數(shù)量分布曲線,即形成機(jī)場(chǎng)起降航班波。因此,開(kāi)展對(duì)航班起降波形,尤其是大型機(jī)場(chǎng)客運(yùn)航班起降波形的研究,對(duì)于合理有效組織航班運(yùn)行,提升機(jī)場(chǎng)使用效率具有重要意義。

當(dāng)前針對(duì)航班時(shí)刻或航班起降波形的研究主要圍繞以下幾方面展開(kāi):(1)從政策法規(guī)的角度,對(duì)航班時(shí)刻的統(tǒng)籌管理、公平分配進(jìn)行研究[2-4];(2)從理論算法、數(shù)學(xué)模型的角度,對(duì)航班時(shí)刻優(yōu)化配置、減少航班延誤展開(kāi)研究[5-9];(3)從構(gòu)建樞紐機(jī)場(chǎng)的角度,對(duì)航班起降波形的優(yōu)化調(diào)整進(jìn)行研究[10-12];(4)針對(duì)特定機(jī)場(chǎng)、航空公司的航班時(shí)刻安排或航線網(wǎng)絡(luò)布局開(kāi)展研究[13-16]?？傮w而言,針對(duì)航班時(shí)刻或起降波形的研究多側(cè)重于對(duì)機(jī)場(chǎng)航班時(shí)刻優(yōu)化調(diào)整及航班波形重構(gòu)的分析,對(duì)現(xiàn)有大型機(jī)場(chǎng)既已形成的航班起降波形及其特點(diǎn)的系統(tǒng)分析、研究并不多見(jiàn)。

本文將以官方航空指南 (Official Airline Guide,OAG)[17]航班計(jì)劃數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),深入分析全球大型機(jī)場(chǎng)高峰月的日客運(yùn)航班的起降波形,并進(jìn)行歸納分類(lèi),同時(shí)對(duì)波形特征評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行研究,并應(yīng)用于我國(guó)大型機(jī)場(chǎng)的客運(yùn)航班起降波形分析。

1航班起降波形分類(lèi)

針對(duì)全球年旅客吞吐量排名前50位的國(guó)際大型機(jī)場(chǎng),應(yīng)用OAG航班計(jì)劃分析工具提取其2014年高峰月的日客運(yùn)航班起降架次數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并生成日客運(yùn)航班起降波形圖。根據(jù)各機(jī)場(chǎng)波形特征歸納得出以下4類(lèi)具有代表性的航班波形。

(1)鋸齒形航班波

航班起降高峰交替出現(xiàn),一天之中形成3組及以上降落、起飛航班波峰(波谷)對(duì),代表機(jī)場(chǎng)有巴黎戴高樂(lè)和迪拜國(guó)際機(jī)場(chǎng),高峰日客機(jī)起、降架次分別為1 275和1 017架次,如圖1所示。形成起飛、降落鋸齒形航班波的機(jī)場(chǎng),通常具有明顯的樞紐機(jī)場(chǎng)特性,一個(gè)進(jìn)港航班密集時(shí)段緊隨一個(gè)出港航班密集時(shí)段,進(jìn)出港航班銜接緊密,有利于中轉(zhuǎn)航班靈活安排起降時(shí)刻,提高中轉(zhuǎn)效率。

除以上機(jī)場(chǎng),其他具有鋸齒形航班波的機(jī)場(chǎng)還包括:阿姆斯特丹、丹佛、仁川、香港和新加坡國(guó)際機(jī)場(chǎng)等。

圖1　巴黎戴高樂(lè)、迪拜國(guó)際機(jī)場(chǎng)Fig.1　Charles De Gaulle, Dubai International Airport

(2)梯形航班波

航班小時(shí)起降架次達(dá)到初始高峰后,日間運(yùn)行階段維持窄幅振蕩,直至夜間起降航班數(shù)量快速減少形成波谷,代表機(jī)場(chǎng)如倫敦希思羅和東京羽田國(guó)際機(jī)場(chǎng),高峰日客機(jī)起、降架次分別為1 342和1 181架次,如圖2所示。

圖2　倫敦希思羅、東京羽田國(guó)際機(jī)場(chǎng)Fig.2　London Heathrow, Tokyo International Airport

形成梯形航班波的機(jī)場(chǎng),運(yùn)行時(shí)段起降架次相對(duì)均衡,總運(yùn)行架次維持在一定水平小幅波動(dòng),機(jī)場(chǎng)使用效率高,趨于滿負(fù)荷運(yùn)行。此外,形成梯形航班波的另一客觀因素是機(jī)場(chǎng)周邊對(duì)噪聲較為敏感,夜間航班大幅減少或禁航。

(3)早晚高峰形航班波

起、降航班波峰極值分別出現(xiàn)在早上及夜晚,日間運(yùn)行階段起降航班小時(shí)架次存在一定波動(dòng)性,峰谷交替出現(xiàn),代表機(jī)場(chǎng)如芝加哥奧黑爾和雅加達(dá)蘇加諾國(guó)際機(jī)場(chǎng),高峰日客機(jī)起、降架次分別為2 611和1 152架次,如圖3所示。形成早晚高峰形航班波的機(jī)場(chǎng),航班具有明顯的早出晚歸特征,通常作為大型航空公司的基地機(jī)場(chǎng),過(guò)夜航班多。機(jī)場(chǎng)及跑道使用存在一定不均衡性,早離港航班、晚進(jìn)港航班運(yùn)行壓力大。

除以上機(jī)場(chǎng),其他具有早晚高峰形航班波的機(jī)場(chǎng)還包括:北京首都、倫敦蓋特威克、廣州白云和上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)等。

圖3　芝加哥奧黑爾、雅加達(dá)蘇加諾國(guó)際機(jī)場(chǎng)Fig.3　Chicago O’Hare, Soekarno-Hatta International Airport

(4)疊加形航班波

起、降航班波形近似,部分時(shí)段起、降波峰重疊,小時(shí)總起降架次具有明顯波動(dòng)性,代表機(jī)場(chǎng)如亞特蘭大和悉尼國(guó)際機(jī)場(chǎng),高峰日客機(jī)起、降架次分別為2 427和843架次,如圖4所示。形成疊加形航班波的機(jī)場(chǎng),航班小時(shí)總起降架次具有較強(qiáng)波動(dòng)性,航班日運(yùn)行架次仍有較大提升空間,尚未達(dá)到機(jī)場(chǎng)飽和運(yùn)行容量。

圖4　亞特蘭大、悉尼國(guó)際機(jī)場(chǎng)Fig.4　Hartsfield-Jackson Atlanta, Sydney International Airport

2波形特征評(píng)估指標(biāo)

針對(duì)不同機(jī)場(chǎng)高峰日客運(yùn)航班起降波形,選取4類(lèi)特征指標(biāo)對(duì)航班波形進(jìn)行評(píng)估。

(1)高峰起降航班占比率

高峰起飛、降落航班占比率計(jì)算公式如下:

高峰起飛航班占比率=(日小時(shí)起飛架次最大的3個(gè)時(shí)段起飛航班架次之和)/(日小時(shí)總起降架次最大的3個(gè)時(shí)段航班架次之和)

(1)

高峰降落航班占比率=(日小時(shí)降落架次最大的3個(gè)時(shí)段降落航班架次之和)/(日小時(shí)總起降架次最大的3個(gè)時(shí)段航班架次之和)

(2)

該指標(biāo)主要用于評(píng)估起降高峰時(shí)段跑道使用的不均衡性,指標(biāo)值越大表明起飛或降落航班占比越大,接近50%則說(shuō)明高峰起降運(yùn)行相對(duì)均衡。如巴黎戴高樂(lè)和倫敦希斯羅國(guó)際機(jī)場(chǎng)高峰起飛航班占比率分別為65.4%和51.8%,高峰降落航班占比率分別為60.0%和50.6%。

(2)航班飛行架次標(biāo)準(zhǔn)差比值

航班飛行架次標(biāo)準(zhǔn)差比值,指機(jī)場(chǎng)在時(shí)段07:00～ 22:00運(yùn)行期間共15個(gè)時(shí)段小時(shí)起降架次的標(biāo)準(zhǔn)差與全天平均小時(shí)起降架次的比值。該指標(biāo)主要用于評(píng)估機(jī)場(chǎng)常態(tài)化運(yùn)行期間,小時(shí)飛行架次的波動(dòng)性,指標(biāo)值越大航班小時(shí)運(yùn)行數(shù)量波動(dòng)性越大,反之則波動(dòng)性越小。對(duì)于運(yùn)行流量趨于飽和的機(jī)場(chǎng),通常小時(shí)飛行架次波動(dòng)性較小,即相應(yīng)的航班飛行架次標(biāo)準(zhǔn)差比值較小。如新加坡國(guó)際機(jī)場(chǎng)航班飛行架次標(biāo)準(zhǔn)差比值為0.12,而亞特蘭大則為0.32。

(3)高峰起降間隔時(shí)間

起飛高峰間隔時(shí)間指起飛航班波峰之間的時(shí)間間隔;降落高峰間隔時(shí)間指降落航班波峰之間的時(shí)間間隔,如圖5所示(阿姆斯特丹國(guó)際機(jī)場(chǎng))。若存在多個(gè)間隔時(shí)間,則取其算術(shù)平均值。該指標(biāo)主要用于評(píng)估鋸齒形航班波航班中轉(zhuǎn)時(shí)間,通常一對(duì)降落航班波峰之間伴有一個(gè)起飛波峰,航班中轉(zhuǎn)時(shí)間可近似估算為降落高峰間隔時(shí)間的一半。對(duì)于航班波峰、波谷起伏無(wú)明顯變化的機(jī)場(chǎng),該指標(biāo)參考意義較小。

阿姆斯特丹和巴黎戴高樂(lè)國(guó)際機(jī)場(chǎng)起飛高峰間隔時(shí)間分別為2.8 h和2.4 h,降落高峰間隔時(shí)間分別為2.8 h和2.7 h。

圖5　高峰起、降間隔時(shí)間Fig.5　Taking off and landing peak interval

(4)降落-起飛高峰配對(duì)數(shù)

降落航班波峰與隨后相鄰的起飛航班波峰形成一個(gè)降落-起飛波峰對(duì),這樣的波峰對(duì)在全天起降波形中出現(xiàn)的總次數(shù)即為降落-起飛高峰配對(duì)數(shù),如圖6所示(丹佛國(guó)際機(jī)場(chǎng))。該指標(biāo)主要用于評(píng)估中轉(zhuǎn)航班波在全天出現(xiàn)的頻次,指標(biāo)值越大中轉(zhuǎn)航班波頻次越多。如丹佛和芝加哥奧黑爾國(guó)際機(jī)場(chǎng)的降落-起飛高峰配對(duì)數(shù)分別為5和4。

圖6　降落-起飛高峰配對(duì)數(shù)Fig.6　Landing-taking off peak paired quantity

3我國(guó)大型機(jī)場(chǎng)航班波形分析

以2014年中國(guó)旅客吞吐量排名前10位的機(jī)場(chǎng)為例(見(jiàn)表1[18]),分析國(guó)內(nèi)大型機(jī)場(chǎng)航班起降波形及其特征指標(biāo)。

表1　機(jī)場(chǎng)旅客吞吐量與起降架次

上述機(jī)場(chǎng)2014年高峰月的日客運(yùn)航班起降波形如圖7所示。波形特征指標(biāo)評(píng)估如表2所示。

通過(guò)對(duì)航班起降波形圖的分析,我國(guó)大型機(jī)場(chǎng)航班起降波形基本屬于早晚高峰形航班波范疇。早出港高峰、晚進(jìn)港高峰特征較為明顯,日間運(yùn)行階段降落、起飛高峰交替出現(xiàn),可形成2～4組降落-起飛高峰對(duì)。

中國(guó)大型機(jī)場(chǎng)高峰起、降航班占比率均值分別為64.1%和59.0%,高峰起降時(shí)段跑道使用存在一定不均衡性,起飛高峰尤為突出。成都雙流和北京首都機(jī)場(chǎng)起降高峰跑道使用不均衡性最為明顯,高峰起飛航班占比率分別達(dá)到75.8%和70.7%,高峰降落航班占比率分別為68.5%和65.6%。深圳寶安機(jī)場(chǎng)起、降高峰使用跑道相對(duì)均衡,高峰起、降航班占比率分別為58.0%和55.2%。

我國(guó)大型機(jī)場(chǎng)平均航班飛行架次標(biāo)準(zhǔn)差比值約為0.12,機(jī)場(chǎng)常態(tài)化運(yùn)行期間小時(shí)飛行架次波動(dòng)性較小,國(guó)際同類(lèi)大型機(jī)場(chǎng)該指標(biāo)值在0.16～0.25之間。成都雙流和北京首都機(jī)場(chǎng)該指標(biāo)值最小,僅為0.05和0.06,日間運(yùn)行架次趨于飽和,因此成都和北京第二機(jī)場(chǎng)正在規(guī)劃建設(shè)之中。

我國(guó)大型機(jī)場(chǎng)高峰起、降間隔時(shí)間均值分別為

3.3 h和3.2 h,可用于航班中轉(zhuǎn)的時(shí)間近似估算約為90 min,基本滿足國(guó)內(nèi)、國(guó)際航班中轉(zhuǎn)時(shí)間需求(通常國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)國(guó)內(nèi)航班在45～60 min內(nèi)完成,國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)國(guó)際或國(guó)際轉(zhuǎn)國(guó)內(nèi)航班在90 min內(nèi)完成[12])。

案例中分析的國(guó)內(nèi)大型機(jī)場(chǎng)在早出港高峰與晚進(jìn)港高峰之間雖然能形成若干起降高峰配對(duì),但較之鋸齒形航班波機(jī)場(chǎng)(如迪拜、巴黎戴高樂(lè)、法蘭克福、阿姆斯特丹等),波動(dòng)性明顯不足,尚未形成真正意義上的樞紐型運(yùn)作。

機(jī)場(chǎng)指標(biāo)1高峰起降航班占比率/%起飛降落指標(biāo)2航班飛行架次標(biāo)準(zhǔn)差比值指標(biāo)3高峰起降間隔時(shí)間/h起飛降落指標(biāo)4降落-起飛高峰配對(duì)數(shù)1北京首都70.765.60.062.83.342廣州白云62.255.70.123.03.523上海浦東62.356.00.143.03.044上海虹橋64.260.80.144.33.03

(續(xù)表2)

4結(jié)論

本文對(duì)世界大型機(jī)場(chǎng)客運(yùn)航班的起降波形進(jìn)行了分類(lèi)研究,提出了4個(gè)波形特征評(píng)估指標(biāo),并將其應(yīng)用于我國(guó)大型機(jī)場(chǎng)客運(yùn)航班起降波形的分析研究,所得結(jié)論如下:

(1) 根據(jù)航班起降波形的形態(tài)特征,歸納得出4類(lèi)波形,分別為鋸齒形航班波、梯形航班波、早晚高峰形航班波和疊加形航班波。我國(guó)大型機(jī)場(chǎng)客運(yùn)航班起降波形以早晚高峰形航班波為主。

(2) 中國(guó)大型機(jī)場(chǎng)航班飛行架次標(biāo)準(zhǔn)差比值約為0.12,略低于國(guó)際平均水平,機(jī)場(chǎng)常態(tài)化運(yùn)行期間小時(shí)飛行架次波動(dòng)性較小,部分機(jī)場(chǎng)運(yùn)行流量已趨于飽和,如北京首都機(jī)場(chǎng)和成都雙流機(jī)場(chǎng)。

(3) 目前國(guó)內(nèi)大型機(jī)場(chǎng)在日間運(yùn)行時(shí)段,尚未形成明顯的起降高峰配對(duì),與國(guó)際大型樞紐機(jī)場(chǎng)(如迪拜、巴黎戴高樂(lè)、法蘭克福等)的航班運(yùn)作模式尚有一定差距。

(4) 對(duì)于設(shè)有大型基地航空公司的機(jī)場(chǎng),早起飛與晚降落高峰特性不易被打破,可考慮在日間運(yùn)行階段合理組織3～4個(gè)鋸齒形進(jìn)、離港航班波峰對(duì),以增強(qiáng)機(jī)場(chǎng)的樞紐功能。對(duì)于具有區(qū)位優(yōu)勢(shì)的機(jī)場(chǎng)或同城第二機(jī)場(chǎng),可參考鋸齒形航班波打造樞紐型運(yùn)行模式。

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(編輯：方春玲)

Classification and characteristics of flights taking off and landing waveforms

LI Xiong1, CHEN Xiao-qing2, LI Dong-bin3, WEI Dong-xuan4

(1.Planning and Design Institute, China Airport Construction Group Corporation,Beijing 100101, China;2.Aviation Industry Development Research Center of China, Beijing 100029, China;3.Department of Air Traffic Management, Civil Aviation of Management Institute of China, Beijing 100102, China;4.Highway School, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

Abstract:The daily passenger flights taking off and landing waveforms of world’s large airports were analysed and classified based on the OAG flight plan data. There were four kinds of flight waveforms: zigzag waveform, trapezoidal waveform, morning and night peak waveform and superposed waveform. Besides, four characteristic indexes were proposed to evaluate the flights taking off and landing waveforms, respectively for peak taking off and landing flights percentage, flight movements standard deviation ratio, taking off and landing peak interval and landing-taking off peak paired quantity. A case study on the top 10 airports by passenger throughput in China, flights taking off and landing waveforms and their characteristic indexes were analysed. The result shows that the passenger flights taking off and landing waveforms of large airports in China are mainly morning and night peak waveforms. The average peak taking off and landing flights percentage are 64.1% and 59.0% respectively. The average flight movements’ standard deviation ratio is 0.12. During the running time, the vast majority of airports have not yet formed clear landing-taking off peak pairing. There is still a some difference between the large international hub airport and ours in terms of flights operation mode.

Key words:air traffic control; flight waveform; OAG flights plan data; airport; flight time

中圖分類(lèi)號(hào)：V355; U8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0853(2016)02-0090-05

作者簡(jiǎn)介:李雄 (1980-)，男，天津人，高級(jí)工程師，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)場(chǎng)仿真模擬、機(jī)場(chǎng)與空域規(guī)劃設(shè)計(jì)。

基金項(xiàng)目:國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAJ04B02)

收稿日期:2015-08-20;

修訂日期:2015-11-13; 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2016-01-10 14:13