機(jī)場場面航空器運(yùn)行沖突控制研究

余浚赫

（首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)，北京 100070）

隨著生活水平的提高，選擇民航作為交通運(yùn)輸工具的人員越來越多，中國機(jī)場建設(shè)數(shù)量、規(guī)模也越來越龐大，機(jī)場運(yùn)行逐漸變得系統(tǒng)而復(fù)雜。其中機(jī)場場面運(yùn)行作為整個(gè)機(jī)場系統(tǒng)運(yùn)行流轉(zhuǎn)中的關(guān)鍵一環(huán)，其運(yùn)行的效率、安全性直接決定了機(jī)場運(yùn)行的安全性和效率。航空器、車輛是機(jī)場場面運(yùn)行的主要參與者，航空器、車輛之間的運(yùn)行沖突和碰撞可能導(dǎo)致工作人員、旅客等人員傷亡，也會給航空器、服務(wù)車輛、地面導(dǎo)航設(shè)施等帶來重大經(jīng)濟(jì)損失[1]。特別是在大飛行流量、多跑道機(jī)場、高密度起降等情形下，場面運(yùn)行的航空器、車輛等參與者越來越多，出現(xiàn)移動目標(biāo)之間、移動目標(biāo)與固定設(shè)施之間的碰撞事件逐漸增加，且增加概率趨勢明顯。為此有必要研究機(jī)場場面運(yùn)行狀態(tài)，了解其運(yùn)行機(jī)理，識別運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，防止場面運(yùn)行出現(xiàn)沖突、碰撞等事件。

1 機(jī)場場面運(yùn)行結(jié)構(gòu)分析

機(jī)場場面區(qū)域眾多，但是航空器活動區(qū)域主要包含跑道、滑行道及停機(jī)坪等幾個(gè)區(qū)域。航空器在這些區(qū)域的運(yùn)行活動受到這些區(qū)域的結(jié)構(gòu)、布局及位置限制，也受到各區(qū)域的運(yùn)行規(guī)則、運(yùn)行程序限制，此外不同類型的機(jī)場對這些區(qū)域的運(yùn)行限制規(guī)則也存在差異。另外，天氣條件、機(jī)場基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)（監(jiān)視、導(dǎo)航、通信及場面管制設(shè)施）等也會影響這些區(qū)域航空器的運(yùn)行方式[2]。跑道是機(jī)場場面運(yùn)行的核心區(qū)域，航空器在該區(qū)域內(nèi)完成起飛、著陸相關(guān)動作，跑道運(yùn)行方向可根據(jù)空域條件、氣象條件、跑道設(shè)施條件等情況進(jìn)行調(diào)整，航空器在此區(qū)域的運(yùn)行速度最快，也是場面運(yùn)行安全保障的重點(diǎn)；滑行道是連接停機(jī)坪與跑道的中間區(qū)域，是實(shí)現(xiàn)機(jī)場場面正常運(yùn)轉(zhuǎn)必不可少的區(qū)域，該區(qū)域包含了直線段、交叉口、三岔口等多種單元，航空器在該區(qū)域的滑行方向、間隔、距離、運(yùn)行速度等受到了場面滑行規(guī)則的約束；停機(jī)坪是航空器的?？奎c(diǎn)，各機(jī)坪之間的距離設(shè)置、機(jī)位?？糠峙涞纫彩艿綀雒孢\(yùn)行的約束。當(dāng)航空器在跑道、滑行道及停機(jī)坪等區(qū)域違反場面運(yùn)行規(guī)則時(shí)，則可導(dǎo)致運(yùn)行沖突、運(yùn)行碰撞等危險(xiǎn)事件的發(fā)生[3]。

2 機(jī)場場面運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)控制

場面運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多樣，場面交通結(jié)構(gòu)縱橫交錯，場面運(yùn)行航空器種類多樣，場面運(yùn)行形勢多變，多型異類的航空器運(yùn)行狀態(tài)對航空器場面運(yùn)行特性的影響是不同的，帶來的場面運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)也是不同的。本文根據(jù)場面運(yùn)行結(jié)構(gòu)、航空器運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合運(yùn)行規(guī)則，對機(jī)場場面可能出現(xiàn)的運(yùn)行沖突、風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分類，主要包括跑道侵入、跟馳行駛及交叉口匯聚等幾類。

2.1 跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)跑道運(yùn)行規(guī)則，在同一時(shí)間，有且只能有1架航空器在跑道運(yùn)行區(qū)域（含最終進(jìn)近區(qū)域），它對應(yīng)的跑道運(yùn)行約束規(guī)范模型可以建立為：

式（1）中：m1為跑道中航空器/車輛數(shù)量；m2為跑道左邊空域中航空器數(shù)量；m3為跑道右邊空域中航空器數(shù)量。

跑道運(yùn)行示意圖如圖1 所示。

圖1 跑道運(yùn)行示意圖

當(dāng)場面航空器、車輛運(yùn)行違反該規(guī)則或者違反場面運(yùn)行管制員的指令時(shí)，容易發(fā)生跑道侵入事件，進(jìn)而引發(fā)跑道區(qū)域碰撞風(fēng)險(xiǎn)。由于航空器在起飛或降落時(shí)，在跑道上運(yùn)行速度非常高，與違規(guī)進(jìn)入跑道的航空器、車輛發(fā)生碰撞的后果將非常嚴(yán)重。根據(jù)跑道侵入事故的嚴(yán)重性，可能造成特別重大、重大、較大和一般等不同級別的事故，特別是高速起飛/降落的航空器與侵入跑道的航空器或者車輛發(fā)生碰撞，將導(dǎo)致嚴(yán)重的機(jī)毀人亡事故[4]。典型跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)主要有以下幾種：①某一航空器正在跑道上滑行，另一航空器獲得落地許可；②某一航空器已經(jīng)獲得落地許可，正降落的過程中，另一航空器進(jìn)入跑道；③某一航空器正在跑道上滑行，另一航空器正要穿越跑道。典型跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)示意圖如圖2 所示。

圖2 典型跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)示意圖

2.2 航空器跟馳行駛風(fēng)險(xiǎn)

跟馳行駛主要指在不允許超車的單行線路上，前后行駛車輛之間的相互關(guān)系。該相互關(guān)系可以表示為前行車輛的運(yùn)動狀態(tài)變化可作為跟隨車輛的運(yùn)動變化的輸入或者刺激，跟隨車輛的運(yùn)動變化可視為前行車輛運(yùn)行變化輸入或刺激的一種反應(yīng)。本文描述的航空器滑行道直線段運(yùn)行屬于典型的跟馳行駛模式，航空器跟馳行駛表示2 架或者多架航空器在場面滑行道直線段上同向行駛，前行航空器運(yùn)動狀態(tài)的變化可作為跟隨行駛航空器運(yùn)動狀態(tài)的輸入。為保障自身滑行安全，跟隨行駛的航空器會根據(jù)前行航空器運(yùn)動變化隨時(shí)做出反應(yīng)，調(diào)整自身航空器的速度和方向，確保兩者之間保持安全的間隔。

由于航空發(fā)動機(jī)尾焰會帶動附近氣流變化，氣流溫度高、速度快，當(dāng)航空器之間的間隔小于尾噴影響范圍時(shí)，容易給跟隨航空器帶來高溫傷害。此外，航空器在啟動時(shí)加油量變大，尾部氣流速度、溫度會急劇升高，尾噴影響范圍大于航空器平穩(wěn)運(yùn)動時(shí)的發(fā)動機(jī)尾噴影響范圍[5]。

航空器在場面滑行跟馳行駛中，通常包含以下2類情況：①快速跟馳滑行，大部分直線滑行道的運(yùn)行狀態(tài)都處于快速跟馳滑行，此時(shí)航空器運(yùn)行速度較快，相互之間距離較大，各航空器都處于速度不斷調(diào)整狀態(tài)；②緩速跟馳滑行，眾多航空器在跑道頭等待起飛，此時(shí)航空器之間距離近，航空器運(yùn)行速度慢，航空發(fā)動機(jī)需要頻繁啟動與停止，此時(shí)發(fā)動機(jī)尾噴范圍影響大，需要特別注意防范尾噴風(fēng)險(xiǎn)。

為此可將滑行道直線段劃分為若干個(gè)運(yùn)行區(qū)間，運(yùn)行區(qū)間長度為跟馳安全距離（考慮尾噴影響）。航空器跟馳行駛示意圖如圖3 所示。

圖3 航空器跟馳行駛示意圖

任意直線段運(yùn)行區(qū)間在同一時(shí)刻最多只能有1 架航空器運(yùn)行，可構(gòu)建約束模型為：

式（2）中：mi為滑行道直線段任意運(yùn)行區(qū)間中航空器/車輛數(shù)量。

此外，為保證直線段滑行運(yùn)行安全，相鄰2 個(gè)運(yùn)行區(qū)間不能同時(shí)存在2 架航空器，故針對直線段模型而言，可建立的約束為：

式（3）中：mi+1為滑行道直線段運(yùn)行區(qū)間的下一區(qū)間中航空器/車輛數(shù)量。

2.3 交叉口運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)

航空器在滑行道交叉口運(yùn)行時(shí)，會面臨多種情況，主要有以下幾類：①2 架航空器剛開始沿著不同方向滑行，在交叉口相遇后，后續(xù)會匯合至同一滑行道，沿著同一方向滑行；②2 架航空器剛開始沿著不同方向滑行，在交叉口相遇后，后續(xù)繼續(xù)沿著原有方向滑行；③航空器通過交叉口時(shí)，沒有其他航空器需要通過交叉口。

從碰撞風(fēng)險(xiǎn)角度考慮，第①種情況下，轉(zhuǎn)彎航空器/車輛通常會提前減速，通過交叉口時(shí)速度較低；第②種情況下，航空器運(yùn)行沒有改變方向，航空器在通過交叉口時(shí)，減速趨勢不明顯，相比第①種情況，其碰撞風(fēng)險(xiǎn)要更高些；第③種情況下，由于交叉口只有1架航空器，故沒有航空器間的碰撞風(fēng)險(xiǎn)[6]。航空器交叉口交叉行駛示意圖如圖4 所示。

圖4 航空器交叉口交叉行駛示意圖

交叉口作為滑行道運(yùn)行關(guān)鍵資源區(qū)域，當(dāng)該關(guān)鍵區(qū)域被任意航空器/車輛占用時(shí)，其他航空器/車輛都無法通行，為此可構(gòu)建其運(yùn)行約束模型為：

式（4）中：mk為交叉口區(qū)域中航空器/車輛數(shù)量。

3 結(jié)束語

本文通過對機(jī)場場面運(yùn)行結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，了解了機(jī)場場面結(jié)構(gòu)，明確了航空器運(yùn)行區(qū)域，研究了航空器在各區(qū)域可能存在的風(fēng)險(xiǎn)；然后對機(jī)場場面運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了識別，明確了航空器在機(jī)場場面運(yùn)行存在的跑道侵入、航空器跟馳行駛、交叉口匯聚等幾類典型風(fēng)險(xiǎn)，為后續(xù)提出機(jī)場場面航空器運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)控制提供了理論基礎(chǔ)。