[科普中國]-跑道容量

機(jī)場中最重要的一個(gè)建筑設(shè)施就是跑道。跑道的性能和相應(yīng)的設(shè)施決定了什么樣的飛機(jī)可以使用這個(gè)機(jī)場。原則上，飛機(jī)的重量越大，它所要求的跑道就越長而且寬。民航機(jī)場按照接待飛機(jī)的能力做了區(qū)分，由一個(gè)數(shù)字和一個(gè)拉丁文字母組成，數(shù)字只有1、2、3、4，字母從A到E。數(shù)字表示飛行場地的長度，數(shù)字越大代表跑道越長，可以起降更大的飛機(jī)。字母則表示此機(jī)場跑道所能允許的飛機(jī)的主輪的輪間距（也可以用飛機(jī)兩個(gè)翼尖的距離表示）。 有了適當(dāng)?shù)膶挾?，飛機(jī)在跑道上運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)輪才不至于越出跑道。字母越靠后，機(jī)場跑道的寬度就越大。我國的主要國際機(jī)場都是4E級。這類機(jī)場的跑道長度在3000米以上，寬度為45-60米。中小城市的機(jī)場多數(shù)是3C級，跑道長度在1500米左右，寬度在30米以上。 在高原地區(qū)由于空氣稀薄，致使飛機(jī)升力和發(fā)動(dòng)機(jī)的功率降低，所以這些地方的機(jī)場跑道需要長達(dá)4000米以上才行。在熱帶地區(qū)，因?yàn)闅鉁馗?，飛機(jī)的升力下降，所以跑道也要修得長些。跑道越長，機(jī)場占地也就越大，對四周環(huán)境的影響也越大。國際民航界對此已達(dá)成共識，今后發(fā)展更大的民航飛機(jī)時(shí)要從技術(shù)上改進(jìn)，使新型飛機(jī)要求的起降距離，不能比現(xiàn)在的大型機(jī)場跑道更長。所以，有的地區(qū)盲目修建超長跑道的機(jī)場是沒有道理的。在低海拔地區(qū)，機(jī)場跑道只要有3600米就足夠達(dá)到飛機(jī)起降使用的標(biāo)準(zhǔn)了。

是正確地估計(jì)跑道容量是減少飛機(jī)延誤、改善機(jī)場運(yùn)行的理論基礎(chǔ)。

跑道容量評估是現(xiàn)代機(jī)場發(fā)展和機(jī)場規(guī)劃中一個(gè)重要課題。

國外對跑道容量的研究開始于20世紀(jì)40年代,廣泛用于編制機(jī)場總體規(guī)劃和政府報(bào)告;國內(nèi)的研究開始于20世紀(jì)90年代,介紹了機(jī)場跑道理論容量。3

是指某一空管單元(跑道、扇區(qū)、終端區(qū)等)，在一定的系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)(空域結(jié)構(gòu)、飛行程序等)、管制規(guī)則和安全等級下，考慮可變因素(飛機(jī)流配置、人為因素、氣象因素等)的影響，該管制單元在單位時(shí)間內(nèi)所提供或者能提供的航空器服務(wù)架次。容量又可以分為飽和容量（最大吞吐量）、實(shí)際小時(shí)容量、公布容量和持續(xù)容量。

是在假設(shè)連續(xù)服務(wù)要求不違反空中交通規(guī)則，每小時(shí)跑道系統(tǒng)服務(wù)的飛機(jī)運(yùn)行架次的期望數(shù)。是跑道在連續(xù)服務(wù)下實(shí)現(xiàn)其最大潛能，需要知道每小時(shí)平均可以服務(wù)的飛機(jī)運(yùn)行架次。就容量度量而言，不管這意味著每次幾分鐘運(yùn)行的延誤還是幾小時(shí)的延誤，都是不重要的。

PHCAP是使用時(shí)間最長的度量，早在20世紀(jì)60年代FAA就提出了該度量。實(shí)際小時(shí)容量是指在每次運(yùn)行的平均延誤為4分鐘時(shí)，跑道系統(tǒng)每小時(shí)服務(wù)的飛機(jī)運(yùn)行架次的期望值。其定義了一個(gè)可接受的服務(wù)水平門檻值（每次飛機(jī)運(yùn)行平均延誤為4分鐘），并且規(guī)定當(dāng)延誤超出門檻值時(shí)，跑道系統(tǒng)達(dá)到它的容量最大值。憑經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，PHCAP大約是飽和容量的80%～90%。

是在合理的服務(wù)水平下，機(jī)場每小時(shí)可以服務(wù)的飛機(jī)運(yùn)行架次。延誤是服務(wù)水平的一個(gè)主要指標(biāo)。在每個(gè)擁擠的機(jī)場常“公布”一個(gè)容量來限制本機(jī)場每小時(shí)安排的飛機(jī)運(yùn)行架次。

在于是否用延誤的定義。航班的延誤程度和服務(wù) 需求密切相關(guān)。在一段時(shí)間內(nèi)，如果多架航空器同時(shí)請求服務(wù)，會造成比較嚴(yán)重 的延誤；而如果它們陸續(xù)請求服務(wù)，就有可能降低甚至消除延誤。最大容量不能 反映系統(tǒng)的擁擠程度和延誤水平，但可以反映系統(tǒng)所能提供的最大服務(wù)能力。實(shí)際容量和最大容量是兩個(gè)不同的概念但有著十分密切的關(guān)系。根據(jù)交通運(yùn)輸領(lǐng)域的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)航空需求達(dá)到或超過系統(tǒng)容量(最大容量)的75%時(shí)，延誤 開始顯著增加，當(dāng)需求與容量之比為1時(shí)，延誤呈指數(shù)增長。如果此時(shí)空中交通需求再繼續(xù)增加，那么延誤將趨于無窮，其對應(yīng)的容量即為該管制系統(tǒng)的最大容量。圖2.1容量－延誤曲線圖能很好地說明這兩者的關(guān)系

是在合理的持續(xù)幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，每小時(shí)的飛機(jī)運(yùn)行架次的數(shù)目。“合理持續(xù)”主要參考了ATM系統(tǒng)和空管人員的工作量，其基本原理是ATM系統(tǒng)應(yīng)該一直保持在良好狀態(tài)，以取得最大吞吐量。在美國它常用來設(shè)定許多主要機(jī)場業(yè)績目標(biāo)，指定以幾小時(shí)為時(shí)間段，每個(gè)參與機(jī)場要達(dá)到的跑道容量的適宜水平。一般來說，當(dāng)使用飽和容量的跑道構(gòu)形時(shí)，持續(xù)容量大約是飽和容量的90%，當(dāng)使用低飽和容量時(shí)，持續(xù)容量幾乎是飽和容量的100%4

跑道容量是一個(gè)跑道體系處理飛機(jī)活動(dòng)的最大能力，即當(dāng)有連續(xù)任務(wù)要求時(shí)，在一個(gè)規(guī)定的時(shí)間間隔離，確定一個(gè)跑道體系所能容納的最大飛行運(yùn)行架次，僅用于著陸的跑道體系的容量手下列因素的影響：

飛機(jī)機(jī)型組合，通常按進(jìn)近速度將飛機(jī)分為幾個(gè)等級來代表其特性

各個(gè)不同等級飛機(jī)的進(jìn)近速度

跑道入口前各類飛機(jī)共用進(jìn)近航道的長度

每條跑道的運(yùn)行組合（到達(dá)/出發(fā)/混合運(yùn)行）和運(yùn)行的先后順序

到達(dá)進(jìn)入入口時(shí)間差的大小和共用進(jìn)近航道上的速度誤差

認(rèn)為可以接受的違反最小空中交通間隔所規(guī)定的概率

飛機(jī)機(jī)型組合中各個(gè)等級飛機(jī)的平均占用跑道時(shí)間，以及在這些平均時(shí)間中分散的大小程度

跑道的數(shù)目和構(gòu)形

ATM系統(tǒng)管理下的飛機(jī)間隔要求，最小空中間隔規(guī)定

能見度，云幕和降水量

風(fēng)向和風(fēng)速

使用該機(jī)場的機(jī)場機(jī)型組合

從跑道到滑行道的位置和類型

ATM的狀態(tài)和性能

與噪聲和其它環(huán)境因素有關(guān)的限制5

跑道是空中交通系統(tǒng)的重要組成部分，通常決定著整個(gè)機(jī)場的容量水平。常用的機(jī)場跑道容量評估模型主要有3種：

1）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模型是基于對現(xiàn)有機(jī)場的流量統(tǒng)計(jì)資料繪制容量包絡(luò)圖，進(jìn)而估算出機(jī)場容量，該方法是早期容量分析經(jīng)常采用的模型，其缺點(diǎn)是僅能對較繁忙機(jī)場已有跑道系統(tǒng)進(jìn)行容量評估， 缺乏預(yù)判性 ；

2）數(shù)學(xué)理論分析模型是通過適當(dāng)假設(shè)，建立機(jī)場和空域運(yùn)行參數(shù)的數(shù)學(xué)方程組，進(jìn)而求出跑道容量，主要用于宏觀容量評估，缺少對運(yùn)行細(xì)節(jié)的考慮，模型通用性差 ；

3）計(jì)算機(jī)仿真模型是目前應(yīng)用最廣泛的機(jī)場容量評估方法，它通過仿真軟件構(gòu)建目標(biāo)機(jī)場的運(yùn)行環(huán)境和管制規(guī)則模型，可較為逼真地反映機(jī)場的實(shí)際運(yùn)行情況， 通過分析模擬運(yùn)行數(shù)據(jù)得出機(jī)場的容量水平 ， Simmod和TAAM是當(dāng)前主流的機(jī)場容量評估仿真軟件。

然而，現(xiàn)有的容量研究多集中于對單跑道或特定機(jī)場的分析 ，缺少對遠(yuǎn)距、中距和近距平行跑道容量的系統(tǒng)研 究， 而平行跑道系統(tǒng)是當(dāng)前機(jī)場建設(shè)所采用的最主要的多跑道構(gòu)型方式。因此，本文將應(yīng)用Simmod軟件建立計(jì)算機(jī)仿真模型，對幾種典型平行跑道的容量做定量和定性的分析，為今后機(jī)場平行跑道的規(guī)劃及建設(shè)提供理論依據(jù)。

在分析跑道容量模型之前必須考慮以下幾個(gè)假設(shè):󰀁飛機(jī)對跑道的請求是連續(xù)不斷的;󰀁進(jìn)近飛機(jī)的到達(dá)概率完全是隨機(jī)的;󰀁各個(gè)參量的隨 機(jī)誤差為期望值為零的正態(tài)分布變量。飛機(jī)尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)各國都有相應(yīng)的規(guī)定。中國民用航空局(AviationAdministrationofChina,Civil)發(fā)布的文件󰀁中國民用航空空中交通管理規(guī)則󰀁 (CCAR-93TM-R2)根據(jù)飛機(jī)最大允許起飛重量將飛機(jī)分為3類:輕型(S)、大型(L)和重型(H),并規(guī)定了進(jìn)近時(shí)相應(yīng)的雷達(dá)尾流間隔距離標(biāo)準(zhǔn)。此外美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)也做了 相應(yīng)規(guī)定,如表1所列。

假設(shè)對于某種飛機(jī)的類型i,在到場或離場的飛機(jī)流中所占的概率是Pi,其后的飛機(jī)類型為j,它們組成一個(gè)飛機(jī)對,前機(jī)i和后機(jī)j是相互 獨(dú)立的,那么可以得出該飛機(jī)對占到場或離場的飛機(jī)流的概率為Pij=PiPj

設(shè)后機(jī)的平均最后進(jìn)近速度為vb,到場飛機(jī) 最后進(jìn)近段的最小尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)為󰀁a ij,設(shè)到達(dá)飛 機(jī)的跑道占用時(shí)間間隔為ta。如圖1所示,當(dāng)后 機(jī)速度小于前機(jī)速度時(shí),前后到場的2架飛機(jī)i,j的最小間隔發(fā)生在飛越最后進(jìn)近定位點(diǎn)之前。此 時(shí)著陸最小間隔時(shí)間為󰀁ariij=max[ta,󰀁a ij/vb];當(dāng) 后機(jī)速度大于前機(jī)速度時(shí),前后到場的2架飛機(jī)i,j的最小間隔發(fā)生在跑道入口處。設(shè)最后進(jìn)近 段長度為󰀁,此時(shí)著陸最小間隔時(shí)間為󰀁ari ij=max[ta,(󰀁aij+󰀁/vb)]。代入到場容量公式(1)計(jì)算：

前機(jī)開始起飛滑跑后,后機(jī)從等待線進(jìn)入,直到對正跑道,令這個(gè)時(shí)間為󰀁。再經(jīng)過時(shí)間󰀁接到管制員的起飛指令開始滑跑起飛,如圖2所示。設(shè)后機(jī)的平均起飛速度為vb，公共起飛段長度為󰀁,離場飛機(jī)的跑道占用時(shí)間間隔為td，離場飛機(jī)的尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)為󰀁d ij。當(dāng)后機(jī)速度小于前機(jī)速度時(shí)，最小間隔時(shí)間出現(xiàn)在后機(jī)起飛時(shí),前后離場的2架飛機(jī)i,j的起飛時(shí)間間隔󰀁depij=max[󰀁+ td,󰀁dij/vb]。當(dāng)后機(jī)速度大于前機(jī)速度時(shí),最小間 隔時(shí)間出現(xiàn)在前機(jī)飛越出航轉(zhuǎn)彎點(diǎn)時(shí),此時(shí)前后連續(xù)離場的2架飛機(jī)i,j的起飛時(shí)間間隔為󰀁dep ij =max[󰀁+td,(󰀁d ij+󰀁)/vb],得到離場飛機(jī)的起飛 時(shí)間間隔后還要按照CAAC規(guī)則進(jìn)行調(diào)整。規(guī) 則中規(guī)定:當(dāng)先后2架起飛離場的飛機(jī)為重型機(jī)和中型機(jī)、重型機(jī)和輕型機(jī)、中型機(jī)和輕型機(jī),且使用同一跑道時(shí),前后飛機(jī)的尾流間隔時(shí)間不得小于2min。代入離場容量公式(2)進(jìn)行計(jì)算：6

這種情況即為2架連續(xù)到場的飛機(jī)之間插入一架離場飛機(jī),具體處理可以采用到場容量相似的方法進(jìn)行,若前機(jī)的跑道占用時(shí)間和待插入起飛的跑道占用間隔之和大于到場2機(jī)的飛機(jī)尾流間隔時(shí)間,2架連續(xù)到場的飛機(jī)的跑道占用時(shí)間 可以表示為tA=ta+td,交替到離場的情況如圖3所示。

對于進(jìn)離場混合運(yùn)行時(shí),必須遵循以下原則:󰀁到場飛機(jī)對離場飛機(jī)有優(yōu)先權(quán);󰀁在任何瞬間 只能有1架飛機(jī)占用跑道;󰀁隨后到場飛機(jī)離跑道入口處小于一個(gè)規(guī)定的時(shí)間不能放行離場飛機(jī)。由于到場飛機(jī)對離場飛機(jī)有優(yōu)先權(quán),到場飛機(jī)以最小間隔安排其順序,除非到場飛機(jī)之間超過一個(gè)規(guī)定的時(shí)間間隔,才可在2架到場機(jī)之間,插入1架離場機(jī)。

由混合到離場的情況可以看出,如果連續(xù)的2架到場飛機(jī)之間沒有足夠的距離間隔插入離場飛機(jī),2架飛機(jī)的間隔距離即為飛機(jī)的尾流間隔。 若跑道占用時(shí)間小于尾流間隔標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)飛機(jī)流全部為到離場交替的情況時(shí)所獲得的容量為混合到 離場容量的最大值。7