近距平行跑道配對進近安全風(fēng)險分析

李一可

（中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院，天津 300300）

0 引言

近年來，空中交通客流量不斷增多，據(jù)最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)預(yù)測，未來20年空域流量將增加2～3倍，運輸量的增長使一些大型機場開始滿負荷運行，航班延誤現(xiàn)象隨之而來。為增加機場容量、緩解航班延誤以滿足不斷增長的航空運輸量，一些機場開始規(guī)劃建設(shè)或已建成近距平行跑道。由于近距平行跑道間距較小的特殊性，目前我國只可運行隔離運行模式，即一條跑道只用于進近，另一條跑道只用于離場，這種運行方式本質(zhì)上仍是將雙跑道視為兩條單跑道，并不能發(fā)揮近距平行跑道的最大效用。針對近距平行跑道的運行方式，美國研究學(xué)者Hammer在20世紀(jì)末提出了配對進近的思想，此后不斷有學(xué)者對此運行模式的可行性進行深入探究。由此可見，配對進近為當(dāng)前近距平行跑道運行模式中可實施性最高、效用最大的運行模式。因此對配對進近運行方式進行詳細探究，結(jié)合國內(nèi)實際現(xiàn)狀客觀地對航空器配對進近的安全風(fēng)險進行分析是必要且有意義的，該文通過詳細了解配對進近過程，對影響配對進近安全性的相關(guān)因素及其規(guī)律進行分析，從而構(gòu)建近距平行跑道安全風(fēng)險分析模型，隨后針對進近中的關(guān)鍵因素之一安全間隔，計算并分析縱向安全間距對風(fēng)險的影響，為我國未來進行配對進近提供相應(yīng)的參考。

1 近距平行跑道配對進近

1.1 近距平行跑道

根據(jù)國際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）的Doc9643號文件《平行或近平行儀表跑道同步運行手冊》規(guī)定，平行跑道是指跑道中心線平行或夾角小于15°的非交叉跑道。按照兩條跑道中心線之間距離的遠近程度可以將平行跑道分為近距、中距和遠距平行跑道。其中，近距平行跑道是指2條跑道中心線平行或跑道中心線夾角小于15°的非交叉跑道，且跑道中心線之間的距離小于762m的跑道對。

1.2 配對進近運行程序

配對進近是指在儀表氣象條件下針對近距平行跑道實施的類似于相關(guān)儀表進近運行模式的另一種進近程序。配對的2架航空器在避免碰撞和尾流的雙重風(fēng)險條下一前一后地完成進近著陸[1-2]。

配對進近的過程分3個階段：在第一階段，航空器向飛行流量控制中心報告預(yù)計達到最后進近定位點的時間與速度，當(dāng)2架飛機的預(yù)計到達時刻間隔小于5 min ，且滿足機載設(shè)備與速度調(diào)整的條件要求后，管制員對其配對做相應(yīng)準(zhǔn)備，確定配對順序與著陸跑道；第二階段中飛行員根據(jù)管制員指令進行安全間隔的調(diào)整，這個階段中配對兩機在縱向、側(cè)向及垂直間的間隔須滿足間隔標(biāo)準(zhǔn)。一旦前后機不滿足間隔條件，管制員需要及時取消配對，同時后機進行轉(zhuǎn)彎并爬升以規(guī)避風(fēng)險；第三階段始于前機飛過FAF點，經(jīng)過此點后確認后機是否飛至指定安全區(qū)域，當(dāng)后機飛越FAF點時以3°偏角開始最后進近更有利于避免前機的尾流影響。前機飛至跑道入口后，后機不再負責(zé)，兩架航空器各自著陸即可，自此整個配對進近過程結(jié)束。

配對進近整個過程中航空器的速度變化如圖1所示，分為勻速、減速、以及進近3個階段。勻速階段主要為前機到達進近點前；減速階段是指到達進近點之后，將速度降低至計劃的配對進近速度；進近階段是指飛機按照進近速度開始配對進近，直到配對結(jié)束。

圖1 配對進近過程中，飛機的配對速度變化

目前平行跑道進近程序多為完全平行進近，如圖2（a）所示，這種運行方式無法完全有效地避免因尾流因素影響帶來的危險，配對進近為進一步避免尾流影響，減少飛機危險進近的發(fā)生，在進近過程中采用后機偏置3°進近的方式，如圖2（b）所示。相較完全平行進近，該程序有以下3個優(yōu)勢[3]：1）后機以3°偏角偏置進近，側(cè)向間隔安全余度較直線進近更大;2）偏置3°進近使兩機安全余度更大，可更晚考慮尾流對兩機安全間隔的影響；3）后機偏置進近可有效避免配對兩機儀表著陸系統(tǒng)信號可能發(fā)生覆蓋的現(xiàn)象，更有利于避開前機的尾流。

圖2 配對進近模型圖

3 配對進近影響因素分析

配對進近中的安全風(fēng)險主要是指2架航空器在配對進近過程中因間隔小于規(guī)定安全間隔而發(fā)生碰撞或者危險接近的情景，影響配對進近發(fā)生不安全事件的因素有很多，主要有以下幾種[4-8]。

3.1 尾流因素

尾流是由于機翼上下表面壓力差在翼尖和襟翼邊緣形成下洗氣流所產(chǎn)生的，通過加裝翼尖小翼能一定程度上減少尾流強度或加快尾流消散，但從根本上是無法消除的。在近距平行跑道進近配對過程中，非常容易出現(xiàn)尾流風(fēng)險。尾流是飛機在飛行過程中，發(fā)動機噴出的氣體，以及機翼和尾翼產(chǎn)生的渦流。當(dāng)飛機飛行的時候，飛機的周圍會產(chǎn)生相應(yīng)的閉環(huán)旋渦，當(dāng)其他飛機進入該旋渦時，就會產(chǎn)生飛機回發(fā)生震動、旋轉(zhuǎn)、偏移以及墜落等危險，并且該現(xiàn)象不容易消失，因此，配對進近時，要注意尾流風(fēng)險在配對進近中，對于前后兩機，后機要與前機保持一定的安全間隔，否則將會進入前機產(chǎn)生的尾流區(qū)域內(nèi)，嚴重時會出現(xiàn)震動、下沉甚至滾轉(zhuǎn)等狀態(tài)，對飛行安全造成嚴重危險[9]。

配對進近安全區(qū)是指在配對進近過程中，圍繞配對后機形成一個縱向間隔保護范圍，其主要由安全前界、安全后界以及側(cè)向偏離區(qū)間組成。若配對后機與前機間的間隔始終保持在安全區(qū)域范圍內(nèi)，便可避免2架航空器之間發(fā)生碰撞或危險進近事件，安全區(qū)域后界使后機免受前機尾流影響，從而可提高進近過程的安全性。安全區(qū)前界與運動軌跡、兩機位置有關(guān)，后界則與尾流因素、側(cè)向間隔以及速度有關(guān)，對安全區(qū)的確定需要集中在研究尾流的運動狀態(tài)、影響范圍以及其消散速度。

3.2 側(cè)風(fēng)因素

在眾多影響飛機進近安全風(fēng)險的因素中，氣象因素是需要考慮的首要因素之一，其中側(cè)風(fēng)是氣象因素中對航空器在航向、尾渦以及安全間隔等方面影響最大的因素，其可能會造成飛機在配對進近過程中偏離原定航跡，或者因風(fēng)阻較大未能夠達到預(yù)定速度。此外，側(cè)風(fēng)與尾流息息相關(guān)，歐洲法蘭克福機場通過實踐數(shù)據(jù)研究表明隨著側(cè)風(fēng)強度增大尾渦存在的時間縮短，因此在進行進近配對時，須考慮側(cè)風(fēng)速度與方向，以便及時進行相應(yīng)修正，從而提高配對進近的安全性。

3.3 人為因素與設(shè)備因素

其中在飛機進行進近配對時，存在的人為風(fēng)險對于飛機的安全有重大的影響。飛機交通管制員的技術(shù)成熟度、飛行員的操作熟練度、進近配對反應(yīng)時間等人為因素是航空安全因素的重要內(nèi)容。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，目前世界上發(fā)生的進近配對過程的安全事故，多數(shù)是由于飛行員操作和管制員的命令錯誤造成的。其中，對于飛行員的飛行技術(shù)而言是重中之重，因為飛行員對于飛機著陸儀盤的操作，能夠保證飛機飛行的安全激勵的大小，其中飛行技巧誤差對于不同飛機的進近配對過程的安全概率有較大的影響。因此，對于飛行員、管制員的上崗考驗、實際操作熟練度以及應(yīng)急反應(yīng)時間等內(nèi)容的篩查，都需要做到事實就是。除此之外，人為因素的可靠性對于飛機進近配對安全風(fēng)向有一定的影響。例如，飛機班組的完整性、班組人員的溝通能力、機場同時目標(biāo)數(shù)目、工作的時間長短、工作的內(nèi)容和壓力、管理程序是否合理等。

管制員與飛行員的工作熟練度、反應(yīng)時間等人為因素是影響進近風(fēng)險的重要因素，人為因素多為不可控因素且無規(guī)律性，對于近距平行跑道的安全運行起關(guān)鍵作用。除此之外，設(shè)備因素也是影響因素之一，首先飛機在進行進近配對的過程中，需要使用高精度的通信設(shè)備，其主要包括無線電通話系統(tǒng)，機載導(dǎo)航設(shè)備以及飛機告警系統(tǒng)等，管制員與飛行員基于設(shè)備做出決策，因此設(shè)備是否正常運行對于進近安全具有重要影響。目前，飛機所使用的PBN導(dǎo)航、星基導(dǎo)航以及GLS等系統(tǒng)，都會存在相應(yīng)的導(dǎo)航設(shè)備誤差，從而造成了進近配對碰撞風(fēng)險；另外，監(jiān)視設(shè)備誤差對于飛機的進近碰撞風(fēng)險也有一定的影響。對于飛機的監(jiān)控設(shè)備，能夠及時掌握和了解飛機的飛行姿態(tài)和相應(yīng)的進近點位置，能夠掌握飛機進近時的速度，計算飛機的尾流時間和相應(yīng)的消失時間，能夠通過精準(zhǔn)地預(yù)測，從而對進近配對的飛機組進行碰撞風(fēng)險的告警，提高飛機進近配對的安全性。

4 近距平行跑配對進近碰撞風(fēng)險模型

4.1 構(gòu)建風(fēng)險模型

該文基于偏置3°的配對進近模式，并基于以下假設(shè)構(gòu)建風(fēng)險模型：1）由于在實際進近過程中航空器的垂直位置變化非常快，因此該文忽略垂直方向的風(fēng)險，只考慮縱向的碰撞風(fēng)險。2）配對進近過程從飛機進入配對點開始，到飛機到達跑道入口結(jié)束。3）進近過程中航空器無其他飛行姿態(tài)的修正。

飛機在配對進近過程中可能會受到因飛行員、管制員操作不當(dāng)或機載設(shè)備出錯等問題的影響，進而導(dǎo)致位置誤差。假設(shè)飛機在t時刻的縱向位置誤差ξl（t）服從相正態(tài)分布Nl（u，σ2）：

式中：l代表前機與后機，取值為1表示前機，取值為2表示后機；σ2為在縱向方向飛機實際位置與標(biāo)稱位置偏離距離的方差；u表示實際位置與標(biāo)稱位置偏離距離的均值。dl（t）為在時刻t時飛機距跑道入口的距離，d1（t）-d2（t）為前機1與后機2在縱向的實際位置Xl（t）如公式（2）所示。

兩機之間的實際間隔如公式（3）所示。

式中：X1（t）為1號機實際位置，X2（t）為2號機實際位置，ξ1（t）、ξ2（t）為t時刻1、2號機的定位縱向誤差，t時刻的縱向距離L（t），u1、u2為1、2號機的均值，、為1、2號機的方差。由于在配對進近過程中不考慮飛機其他姿態(tài)的調(diào)整，且達到配對進近初始點時，配對兩機之間的存在尾流安全區(qū)，因此縱向碰撞風(fēng)險如公式（4）所示。

式中：Px為碰撞風(fēng)險，L1、L2為兩機的位置距離，x代表兩機的距離，Lx（t）表示兩機在進近配對過程中的縱向距離，根據(jù)飛機運動學(xué)理論模型進行求解，s1、s2的分別代表飛機1與飛機2之間的最小與最大縱向距離。

前后飛機到達進近點的位置不同、速度不同會導(dǎo)致配對進近過程中兩機間的間距發(fā)生變化，有時前機速度大于后機速度，有時前機速度小于或等于后機速度，該文將配對進近過程分以下2種：1）前機速度大于后機速度。2）前機速度小于或等于后機速度。

4.1.1 前機速度大于后機速度

式（5）中：

D為飛機1和飛機2剛開始時的距離；Vli是指前機剛開始時的速度；Vmi為后機初始進近速度；Vlf前機進行進近時的速度；al機進行減速時的加速度；Vmf為后機進行最后進近時的速度；am是指后機進行減速時的加速度，L是指飛機進行進近配對時距離進近點的位置，t為時間。

4.1.2 前機速度等于或小于后機速度

式（6）中：

4.2 實例分析

以我國有近距平行跑道的上海虹橋為例，跑道間距H為365m，跑道寬57.6m，偏置3°的進近位置距離跑道1600m，在就該位置變?yōu)槠叫羞M近選取的飛機。前機1的進近時初始速度為90m/s，進近結(jié)束時的速度為72m/s，前機的加速度為-1m/s，飛機機身44m，寬34m；后機初始進近速度為88m/s，進近結(jié)束時的速度為76m/s，前機的加速度為-1m/s，機身長44m，寬度34m；而后機剛開始的安全距離為1km，風(fēng)速為20m/s，定位誤差均值為0，方差為45，風(fēng)向為60°。根據(jù)上述參數(shù)，會會考慮到安全風(fēng)險隨著飛機的速度和進近配對飛機之間的起始安全距離，從而研究飛機進近配對過程中的安全風(fēng)險。

在安全距離方面，選取0.8km、0.9km、1km 3個值，速度均方差為45，以此進行分析計算，得出配對進近的碰撞風(fēng)險概率（縱坐標(biāo)）變化如圖3所示。

圖3 不同的安全距離情況下，飛機的碰撞風(fēng)險概率

由圖3可以看出，飛機在配對進近過程中，安全距離越高，發(fā)生碰撞風(fēng)險的概率越小，同時說明了若前機進近速度大于后機進近速度，可以更好地確保安全距離，與實際運行相符。

在速度方面，選取速度均方差分別為40、50、60等3個值，并將間隔選為1 km，得出碰撞風(fēng)險概率（縱坐標(biāo)）的變化如圖4所示。

圖4 不同的速度均方差下，飛機的碰撞風(fēng)險概率

從計算結(jié)果中可以看出，速度方差越大，縱向碰撞風(fēng)險發(fā)生的可能性較高。

另外，在上述條件下，該文選用前機為中型機，后機分別為重型機、中型機和輕型機進行仿真計算，求解不同機型對應(yīng)的安全距離，如表1所示。

表1 不同機型的安全距離

可以看出，飛機的質(zhì)量越大，進近所需要的安全間隔越遠，發(fā)生碰撞的概率也越大。

5 結(jié)語

從長遠看，近距平行跑道能夠緩解機場日益繁重的運輸量、提高運行效率，對近距平行跑道配對進近的安全風(fēng)險進行客觀分析和研究，也有助于我國未來標(biāo)準(zhǔn)的制定與實施。該文通過對近距平行跑道與配對進近運行方式進行分析，建立配對進近碰撞風(fēng)險模型，并對安全間隔、飛機速度及機型等因素進行分析，計算求解其與飛機配對進近碰撞風(fēng)險概率的關(guān)系，并得出碰撞風(fēng)險與安全間隔成反比，與速度均方差成正比的結(jié)論。旨在未來將配對進近技術(shù)合理運用到飛機進近過程中，從而提高我國機場運行效率，不斷推動我國民航運輸?shù)陌l(fā)展。