時間間隔標準下的飛機混合起降仿真?

潘衛(wèi)軍 尹子銳 王安鼎 吳天祎

（中國民用航空飛行學院空中交通管理學院 廣漢 618307）

1 引言

我國的航空運輸總量每年都在快速增長，這種發(fā)展會對現(xiàn)在空中交通管理和即將建成的機場造成運輸能力限制。新建跑道或者改進跑道運行方式都可在一定程度上提升機場的運輸能力，但因為新建跑道耗時較長，成本也比較高，所以前人在改進機場跑道運行模式方面做了大量研究，通過優(yōu)化跑道運行模式來提升機場運行的效率。航空器尾流間隔標準是影響跑道容量最直接的關鍵要素［1］，目前正在運行的起飛以及進近階段的尾流間隔標準被認為過于保守，因為它們是固定的，并沒有考慮當前的氣象條件對于間隔的影響。我國目前使用的是基于距離的間隔標準（Distance Based Sepa?ration，DBS），即在飛行過程中后機與前機通過保持固定的距離來保證飛行安全，不同的前后機機型對應著不同的距離間隔。在使用DBS標準運行時，如果遭遇逆風天氣，飛機相對地面速度會減少，由于前后機間隔是固定值，這會使得后機飛過此間隔的時間增加，導致跑道吞吐量減少的問題。這不僅會影響運載能力，還會影響操作的可預測性、時間和燃油效率以及環(huán)境（污染排放）［2］。

為了解決這一問題，專家們提出了基于時間的間隔標準（Time Based Separation，TBS），即在飛行過程中后機與前機通過保持一定的時間間隔來保證飛行安全，不同的前后機機型對應著不同的時間間隔。TBS 概念改變了跑道運行模式，即使在逆風條件下，跑道的吞吐量也保持相對穩(wěn)定。歐洲的單一天空計劃（SESAR）和美國的新一代航空運輸系統(tǒng)計劃（NextGen）都將TBS 作為重點研究內(nèi)容，ICAO 在2016 年發(fā)布的ASBU（航空系統(tǒng)組塊升級）的規(guī)劃中也將建立基于時間的間隔標準（TBS）作為研究重點，ICAO 最新發(fā)布的RECAT 標準中也規(guī)定了相應前后機組合下的TBS標準。

TBS 目前已經(jīng)應用于英國倫敦的希思羅機場并取得了良好的效果。Charles Morris 等［2］研究了TBS 標準在倫敦希思羅機場的概念驗證，包括實時仿真結果和尾流安全數(shù)據(jù)分析；研究結果表明，在弱逆風條件下，希思羅機場典型機型組合下的進場容量約為每小時40 架飛機，在逆風條件中，每小時最多會減少4 架飛機的著陸率。Milan Janic 等［3］建立了TBS標準下的單跑道著陸能力計算模型，在考慮尾流影響的基礎上用TBS 標準來替代目前的DBS 標準；結果表明，使用TBS 標準可以增加跑道容量，且一定的逆風可以加速尾流的衰減，從而進一步減小前后機的間隔。近年來，我國對TBS的研究還處于起步階段，只有李冰冰等［5］建立了TBS 標準下的跑道容量模型；因此這方面的研究很有必要。

無論國外還是國內(nèi)的研究，研究者大都只將研究重點放在了進場階段，而對于單跑道運行來說，同時考慮進場和離場的運行模式才是目前研究的主流，也更符合實際。鑒于此，本文建立了同時考慮進場和離場的單跑道容量模型，分別在TBS 和DBS標準下進行仿真，之后加入逆風條件并分析了逆風對兩種間隔標準下跑道容量的影響。

2 TBS標準

ICAO 最新發(fā)布的RECAT 規(guī)章中規(guī)定了進離場航空器基于時間的間隔標準（TBS）。但僅限于小體量飛機跟隨大體量飛機時的標準，比如C 類跟隨B類/A類，缺少大體量飛機跟隨小體量飛機及同體量飛機組合間的間隔標準。本文根據(jù)英國希思羅機場所使用的TBS 標準對其進行了補充。TBS標準如表1，表2為希思羅機場的TBS標準。

表1 TBS標準

表2 希思羅機場的TBS標準

由于其他分類的航空器在實際機場運行中出現(xiàn)的比例太小，可忽略不計，故本文值列出了B、C、D三類航空器的間隔標準。

3 跑道容量模型

本文研究的跑道范圍如圖1所示。

圖1 跑道研究范圍

計算單跑道容量時根據(jù)相鄰航空器的速度可以分為兩種情況：

1）vi≤vj，前機速度小于等于后機。

2）vi>vj，前機速度大于后機。

前機速度小于等于后機時，前后機間的間隔會不斷縮小，在前機到達跑道入口時，兩機的間隔達到最小值。前機速度大于后機時，前后機間的間隔會不斷拉大，因此只需在進入公共下滑道時保持最小間隔。

現(xiàn)如今的單跑道運行模式中管制員往往通過在兩架進場航空器之間插入離場航空器來實現(xiàn)離場操作。而進場的航空器預計接地時刻與它前一架進場航空器接地時刻的時間差的大小決定是否允許當前申請起飛的航空器起飛，當進場的航空器滿足間隔時，管制員可根據(jù)這段時間間隙的大小，適當?shù)卦谄渲胁迦雗架起飛航空器。若連續(xù)進場的航空器間的間隔無法滿足離場要求，我們可以人為地拉大間隔來實現(xiàn)離場操作［4］。

3.1 DBS跑道容量模型

對于DBS標準，若要在連續(xù)進場航空器間實現(xiàn)離場操作，進場的航空器的間隔必須滿足下述條件：

式中，δad為連續(xù)起降航空器間的距離間隔標準；DOTi為離場飛機所需的平均跑道占用時間。

若連續(xù)進場航空器間的間隔不滿足上式時，我們需要人為地拉大間隔，使其滿足條件。設置系數(shù)t1，滿足式（2）。

DBS的跑道容量模型如式（3）～（8）：

式中，λa為進場跑道容量；λb為離場跑道容量；λ為總容量；Tij前機i 后機j 相繼通過跑道入口的時間間隔；Pij為前機i 后機j 所占的比例vi，vj為i、j最后進近階段的平均速度；Bij為管制員和飛行員的反應時間；ROTi為進場飛機的平均跑道占用時間；δij為不同前后機組合的DBS 間隔標準；q 為人為拉長間隔的概率系數(shù)；Gt為一小時內(nèi)t1=0 的間隔數(shù)；nij為前機i 后機j 組合進場間隔所能插入的離場飛機數(shù)。

3.2 TBS跑道容量模型

對于TBS標準，若要在連續(xù)進場航空器間實現(xiàn)離場操作，進場的航空器間隔必須滿足下述條件：

若連續(xù)進場航空器間的間隔不滿足上式時，我們需要人為地拉大間隔，使其滿足條件。設置系數(shù)t2，滿足：

TBS的跑道容量模型如式（11）～（16）：

式中，tij為進場TBS時間間隔標準；Gt為一小時內(nèi)t2=0的間隔數(shù)。

4 仿真過程及結果分析

本文以成都雙流國際機場某日0h到正午12h，02R 跑道的所有到達飛機為計算數(shù)據(jù)，應用我國現(xiàn)行基于距離的間隔標準（DBS）和基于時間的間隔標準（TBS）計算同時考慮起降的混合容量。

統(tǒng)計到的各機型出現(xiàn)的概率如表3。

表3 各機型的出現(xiàn)概率的統(tǒng)計結果

各機型最后進近階段的平均速度如表4 所示，逆風條件選擇風速為25kn的逆風天氣。

表4 各機型各機型最后進近階段的平均速度

其他所需的數(shù)據(jù)，進場與離場航空器的平均跑道占用時間均取60s；δad取5km；q取0.5；反應時間Bij取20s；公共下滑道的長度為12.3km。

本文目前只考慮在兩架進場航空器間插入一架離場航空器的情況。通過上述數(shù)據(jù)進行仿真，結果如圖2 所示。無風時，DBS 標準下的跑道容量為43.39 架次/h，TBS 標準下的跑道容量為45.14 架次/h。當遭遇風速25kn的逆風時，DBS標準下的跑道容量為38.55 架次/h，TBS 標準下的跑道容量為45.14架次/h。

由仿真結果可知，即使是在無風條件下TBS標準下的跑道容量也是優(yōu)于DBS 標準下的跑道容量的，相比DBS 標準提升了1.76 架次/h，占比4.1%。而這種情況在逆風條件下則更為明顯，當遭遇風速25kn的逆風時，TBS標準下的跑道容量基本維持不變，但DBS 標準下的跑道容量大幅減少，相比于無風條件下本身減少了4.84架次/h，占比11.2%；而相比于TBS 標準下的結果更是減少了6.6 架次/h，占比15.2%。

5 結語

本文對基于時間的間隔標準（TBS），結合混合起降的跑道容量模型進行了計算，研究得出了以下結論：

1）運行TBS 標準可以在一定程度上提升跑道容量，相比于DBS標準可提升4.1%。

2）運行TBS 標準可以基本排除逆風天氣對跑道容量的影響，在大逆風條件下，TBS 標準相比于傳統(tǒng)的DBS標準跑道容量可提升15.2%。

3）運行TBS 標準可以提高跑道運行的效率并減少污染排放，實現(xiàn)高效、綠色的運行模式。