0引言
引用格式：許勇,馬文來,王龍. 基于雷達(dá)尾流間隔的機(jī)場(chǎng)跑道容量評(píng)估方法[J]. 指揮信息系統(tǒng)與技術(shù),2022,13(4):69-75
摘要
針對(duì)在機(jī)場(chǎng)雷達(dá)管制條件下的跑道容量評(píng)估問題，提出了一種基于雷達(dá)尾流間隔的機(jī)場(chǎng)跑道容量評(píng)估方法。首先，分析了航空器進(jìn)近和起降的跑道管制運(yùn)行過程，定義了連續(xù)進(jìn)近時(shí)航空器的位置和速度演化規(guī)則；然后，以我國(guó)大中型機(jī)場(chǎng)運(yùn)行的常用機(jī)型為背景構(gòu)造了單跑道容量評(píng)估模型，利用MATLAB程序量化分析在航空器的起降比例、尾流類型比例改變時(shí)其起降間隔均值、間隔標(biāo)準(zhǔn)差和等待時(shí)間的變化，仿真分析了雷達(dá)尾流間隔對(duì)跑道容量的影響；最后，以沈陽桃仙機(jī)場(chǎng)為例驗(yàn)證了該方法的有效性。
0引言
當(dāng)前我國(guó)空中交通運(yùn)輸量持續(xù)快速增長(zhǎng)，各民航運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)跑道容量趨于飽和。提高機(jī)場(chǎng)跑道容量和跑道運(yùn)行效率是滿足航空運(yùn)輸日益增長(zhǎng)需求的現(xiàn)實(shí)需要，為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入研究。2006年，彭莉娟等基于概率統(tǒng)計(jì)的方法，引入跑道使用優(yōu)先權(quán)系數(shù)，評(píng)估機(jī)場(chǎng)跑道最大容量；2011年，孟祥偉等通過對(duì)管制規(guī)則進(jìn)行分析，利用隨機(jī)解析模型構(gòu)建單跑道容量評(píng)估模型；2013年，Mori構(gòu)造了元胞自動(dòng)機(jī)模型研究大型機(jī)場(chǎng)滑行擁塞形成問題；Ravizza利用多元線性回歸分析考慮機(jī)場(chǎng)停機(jī)位布局和歷史滑行時(shí)間，預(yù)測(cè)航空器到港和離港的時(shí)間變化；田勇等應(yīng)用航空器尾流運(yùn)動(dòng)特性，研究了跑道中心線間距和跑道頭錯(cuò)開間距的確定方法；2014年，周天琦等考慮進(jìn)近速度差異提出了降落容量計(jì)算模型；2015年，王維等研究了跑道間隔、進(jìn)近下滑角和機(jī)型組合對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道容量的影響；聶潤(rùn)兔對(duì)比現(xiàn)行國(guó)際民航組織（ICAO）和尾流重新分類（RECAT）標(biāo)準(zhǔn)下的航空器尾流間隔值分析機(jī)場(chǎng)容量變化。
2016年，康瑞和楊凱從機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)、航空器起降間隔優(yōu)化和近距平行跑道相關(guān)運(yùn)行等因素研究其對(duì)跑道容量的影響；王莉莉等結(jié)合跑道運(yùn)行規(guī)則，建立了近距平行跑道高角度進(jìn)近與傳統(tǒng)進(jìn)近相結(jié)合條件下的典型跑道容量計(jì)算模型；2017年，孔航等在單跑道基礎(chǔ)上研究了近距跑道與遠(yuǎn)距跑道在不同運(yùn)行模式下的跑道容量數(shù)學(xué)模型；2018年，康瑞等引入機(jī)場(chǎng)管制規(guī)定，構(gòu)造考慮脫離道構(gòu)型的機(jī)場(chǎng)容量評(píng)估模型。
以上研究均未涉及我國(guó)雷達(dá)管制的運(yùn)行實(shí)際和民航規(guī)章中對(duì)雷達(dá)管制的要求，因此，本文結(jié)合實(shí)際的雷達(dá)管制方式分析機(jī)場(chǎng)跑道運(yùn)行規(guī)則，構(gòu)造跑道容量評(píng)估模型。通過抽象航空器連續(xù)進(jìn)近時(shí)的位置和速度的演化，綜合不同尾流等級(jí)，量化其跑道服務(wù)時(shí)間，厘清雷達(dá)尾流間隔與起降間隔的關(guān)系進(jìn)而更準(zhǔn)確量化機(jī)場(chǎng)跑道容量。利用MATLAB實(shí)現(xiàn)跑道容量評(píng)估模型，仿真得到受雷達(dá)尾流間隔的影響，航空器在起降比例、尾流類型比例改變時(shí)，其起降間隔均值、間隔標(biāo)準(zhǔn)差和等待時(shí)間的變化。以沈陽桃仙機(jī)場(chǎng)為例，對(duì)該評(píng)估模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該評(píng)估模型能真實(shí)反映雷達(dá)尾流間隔對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道容量的影響，能為提高機(jī)場(chǎng)吞吐量和系統(tǒng)研究雷達(dá)管制方式下跑道容量評(píng)估提供技術(shù)支持。
1 雷達(dá)管制條件下跑道容量評(píng)估原理
1.1 雷達(dá)管制
雷達(dá)管制指直接使用雷達(dá)信息來提供空中交通管制服務(wù)。空中交通管制員實(shí)施雷達(dá)管制是航空器在進(jìn)近和區(qū)域飛行階段雷達(dá)監(jiān)視服務(wù)的主要工作，其過程包括雷達(dá)監(jiān)控、雷達(dá)引導(dǎo)和雷達(dá)間隔。雷達(dá)管制服務(wù)監(jiān)視界面如圖1所示。管制員根據(jù)文獻(xiàn)規(guī)定的雷達(dá)管制最低間隔標(biāo)準(zhǔn)，為航空器配備安全飛行間隔，保持正常的空中交通秩序。雷達(dá)間隔指2架航空器雷達(dá)位置符號(hào)中心點(diǎn)間距離，其中為避免前后2架航空器間發(fā)動(dòng)機(jī)尾流的影響而分配的雷達(dá)間隔稱作雷達(dá)尾流間隔。雷達(dá)尾流間隔是影響航空器跑道占用時(shí)間的一個(gè)重要因素，機(jī)場(chǎng)跑道容量和運(yùn)行效率受限于管制監(jiān)視能力和航空器尾流等級(jí)。與程序管制方式相比，雷達(dá)尾流間隔的配備使得雷達(dá)管制條件下航空器的飛行密度和流量增大。在機(jī)場(chǎng)的起降高峰時(shí)段分布不均條件下，起降航空器間的雷達(dá)間隔配備受到航空器的進(jìn)近類型、尾流等級(jí)等因素制約，因此研究雷達(dá)尾流間隔對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道容量的影響是雷達(dá)監(jiān)視服務(wù)條件下機(jī)場(chǎng)跑道容量評(píng)估的關(guān)鍵。
圖1 雷達(dá)管制服務(wù)監(jiān)視界面（反色）
1.2 雷達(dá)監(jiān)視跑道運(yùn)行原理
考慮雷達(dá)尾流間隔的航空器運(yùn)行過程如圖2所示，給出了單跑道跑滑結(jié)構(gòu)的雷達(dá)監(jiān)視跑道運(yùn)行過程，圖中實(shí)線和虛線分別表明起飛和降落的航空器自西向東運(yùn)行的跑道服務(wù)過程。
圖2 考慮雷達(dá)尾流間隔的航空器運(yùn)行過程
1.3 跑道容量計(jì)算
2 模型建立
2.1 進(jìn)近階段
2.2 起降階段
2.3 約束條件
3仿真試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析
3.1 仿真試驗(yàn)
圖3 跑道容量評(píng)估流程
3.2 運(yùn)行參數(shù)設(shè)置
3.3 數(shù)值分析
圖4給出了起降航空器的平均間隔、間隔標(biāo)準(zhǔn)差和等待時(shí)間的變化趨勢(shì)。
圖4 變化趨勢(shì)
4實(shí)例分析
以沈陽桃仙機(jī)場(chǎng)為例應(yīng)用本文模型，研究機(jī)場(chǎng)跑道容量隨不同起降比和機(jī)型比的變化。沈陽桃仙機(jī)場(chǎng)是我國(guó)八大區(qū)域性樞紐機(jī)場(chǎng)之一，屬于一級(jí)干線機(jī)場(chǎng)，機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)等級(jí)為4E級(jí)，可以滿足各種尾流等級(jí)為重和中型的大型運(yùn)輸機(jī)型起降，目前實(shí)行的是雷達(dá)管制可以實(shí)施I類精密進(jìn)近程序。桃仙機(jī)場(chǎng)跑道和滑行道結(jié)構(gòu)如圖5所示，跑道長(zhǎng)3 200 m，寬45 m，起降運(yùn)行為06和24兩個(gè)方向。
圖5 桃仙機(jī)場(chǎng)跑道和滑行道結(jié)構(gòu)
圖6 桃仙機(jī)場(chǎng)跑道容量變化趨勢(shì)
5結(jié)束語
維持并加速空中交通有秩序的活動(dòng)是管制服務(wù)的主要任務(wù)之一。在空中交通流量加速的同時(shí)提高大中型機(jī)場(chǎng)的吞吐量，這符合我國(guó)民用航空的發(fā)展方向。本文利用雷達(dá)管制在起降航空器之間配置合理的雷達(dá)尾流間隔，降低了起降航空器的跑道占用時(shí)間，突破了限制基于目視間隔的機(jī)場(chǎng)跑道服務(wù)的瓶頸，縮減了因變更跑道結(jié)構(gòu)、滑行道布局而帶來的高額的建設(shè)成本，提高了跑道運(yùn)行效率。
為了評(píng)估雷達(dá)監(jiān)視服務(wù)條件下機(jī)場(chǎng)跑道容量，本文通過數(shù)學(xué)語言合理量化雷達(dá)尾流間隔對(duì)不同機(jī)型比例和起降比例的航空器的跑道占用時(shí)間的影響，將起降航空器的跑道服務(wù)過程抽象，建立進(jìn)近階段和起降階段的間隔細(xì)化模型，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬仿真，針對(duì)不同尾流類型的起降航空器流間的雷達(dá)尾流間隔，對(duì)起降間隔的影響進(jìn)行了分析。最后，利用沈陽桃仙機(jī)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了雷達(dá)尾流間隔對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道容量的影響，試驗(yàn)表明本文模型能真實(shí)反映機(jī)場(chǎng)航空器不同的起降比例、機(jī)型比例在雷達(dá)管制方式下對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道容量的影響，能為系統(tǒng)研究雷達(dá)管制方式下跑道容量評(píng)估提供技術(shù)支持。
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