计算机仿真在机场飞行区规划设计中的应用

陈芊

中国民航机场建设集团公司规划设计总院，北京 100101

机场系统是航空运输系统的重要基础设施。近年来随着我国社会经济和航空业的快速发展，很多机场现有设施已几近饱和，面临新建和改扩建任务。机场系统规模越来越大，飞行区构型也日趋复杂和多样化，给机场规划设计与管理增加了新的难度，传统的规划设计方式已经难以满足机场设计、评估、优化的要求，无法适应机场建设快速发展的需要。

在机场规划设计阶段，需要对飞行区系统资源进行合理配置和布局，既要能够满足未来航空业务量的发展需要，保障机场安全高效运行，又能保障提供高水平的服务质量。计算机仿真分析是提高机场系统规划设计与运营管理水平的重要途径，通过建立机场飞行区及其子系统的仿真模型，可以预先验证新建、扩建、改建机场的方案可行性，对代表机场系统运行效率的重要指标进行模拟分析和系统研究，从而推断飞行区系统的总体性能，帮助机场规划设计和管理决策部门做出科学的判断和分析。

1 、飞行区规划设计

飞行区系统主要包括跑道、滑行道和站坪机位三大主要功能设施，其规划设计根据当地地形、气候条件和航空需求，对跑道数量、方位和几何构型、滑行道结构、机坪区布局和门位数量等进行整体布局和总体规划。飞行区的几何构型在许多重要方面影响着机场的运行，飞行区的规划设计应能保证一定的运行效率、灵活性以及未来发展的潜力[1]。新建或扩建机场，制定的设计方案是否满足机场安全、高效的运行需求，需要经过程序复杂而缜密的科学论证，传统论证过程和结果不直观，效果不理想。由于机场系统的复杂性以及受各种不确定因素的影响，机场系统规划设计者无法确切把握机场系统的运营规律以及机场系统的交通特性[2]，难以根据预测的航空需求做出合理的规划设计，很难把握各个方案的实际性能，无法对不同规划方案进行简捷、省时的对比。

2 、计算机仿真

计算机仿真[3]是以计算机及其相应的软件为工具，以真实系统或预设系统的仿真模型为依据，通过对仿真试验过程的观察和统计，得到被仿真系统的仿真输出信息和基本特性，实现对实际系统运行状态和变化规律的综合评估与预测，进而实现对真实系统设计与结构的改善或优化。计算机仿真在研究机场飞行区这类复杂系统时具有独特的优势，可以最大程度地对各种复杂琐屑的细节进行模拟，降低与实际系统的差别，因而可以得到更为真实的结果；它在应用上具有安全性和经济性等特点，特别是对于投资大又有相当风险的项目，可以用极小的投资换取风险的大幅度降低。近些年来计算机仿真技术快速发展，由于它综合集成了计算机、图形图像、多媒体、软件工程、信息处理等多个高科技领域的知识，已经成为研究大规模、复杂系统不可或缺的评价手段和有力工具。

3 、常见仿真模型

当前机场系统仿真评估相关研究走过了一个研究对象从少到多，研究方法从数学分析到计算机仿真，影响因素从简单到复杂的过程。目前应用最为广泛的机场飞行区仿真模型主要是SIMMOD和TAAM[4,5,6]，它们都属于微观、动态、综合型的全面机场仿真软件，可以模拟飞机在空域和机场各个部分上的运行。表1对两大主流机场系统仿真模型进行了简单比较。

表1 SIMMOD和TAAM仿真模型比较

4 、设计方案仿真分析

仿真建模主要输入数据包含以下几方面信息：机场飞行区布局、跑道使用模式、滑行流向及速度、空域结构、空管规则、地面运行规则、机位上下客服务时间、航班时刻表等。为更好掌握和了解机场飞行区未来运行状况，结合机场航班历史运行数据和航空业务量预测值，采用多套航班时刻表仿真分析不同航班需求量下飞行区系统运行情况。在模型中载入不同的航班时刻表，多次运行仿真模型并对仿真输出数据进行细化分析与统计，分析不同航班需求量下的机场地面运行情况及延误水平，找出潜在问题或运行瓶颈，为方案评估及优化设计提供指导建议。

4.1 容量和延误

对机场系统而言，容量和延误是衡量机场运行效率的两个最重要的指标。在不考虑延误水平且航班起降存在连续需求情况下，机场系统在单位时间内可以服务的最大飞机起降架次，称为机场系统的最大容量或极限容量。实际运行容量是指在单位时间内（通常为1小时），对应某一航班延误水平，机场系统所能服务的飞机起降架次。机场系统实际运行容量与延误水平直接相关。通过仿真模拟得到未来不同航班需求量下飞行区系统的高峰小时运行架次如图1所示，可见随着日航班量的增加离港高峰、进港高峰以及高峰小时运行架次均有所增加，航班量增加10%后，机场实际运行容量上升空间有限，高峰小时起降架次基本保持稳定。图2显示了仿真模拟中得到的离港航班平均地面延误时间及延误增长趋势，离港航班延误增幅大于航班量的增幅，从中可得某可接受延误水平下对应的实际运行容量。

图1 进离港高峰起降架次

图2 离港地面平均延误趋势

4.2 地面运行时间

飞机平均滑行时间/距离是反映飞机滑行便利条件的重要参数。在不考虑任何干扰和阻碍下情况，进港或离港航班在机场地面的必要滑行时间通常受到飞行区地面设施整体布局的限制，该时间与航班量的多少无关，仅反映飞行区规划设计方案的物理布局特性。实际上，航空器在飞行区内的运行还会与其他航空器间存在的运行冲突和相互干扰，地面滑行实际用时则包含必要滑行时间和延误时间。通过对仿真结果数据的统计得到进、离港航班的地面滑行时间如图3所示。不同航班运量下，进、离港航班的必要滑行时间基本保持不变。离港航班地面滑行实际用时则随着航班量的增加而增大，主要是由于地面延误时间的增加造成的；进港航班的地面延误时间很小，因此进港地面滑行实际用时变化不大。

图3 进、离港航班滑行时间统计

4.3 停机位使用

停机位是机场运行的重要资源之一，是实现航班快速安全停靠、保证航班间有效衔接、提高整个机场系统容量和服务效率的一个关键因素。停机位利用率和航班靠桥率，在一定程度上反映了机场航空运输保障能力和机位系统服务水平。停机位利用率，是指机位被航班占用的时间与总运行时间的百分比；航班靠桥率，是指停靠近机位的航班占航班总运行架次的百分比。通过仿真模拟得到停机位利用率和航班靠桥率的统计情况如表2所示，可见不同航班需求量时航班靠桥率均达86%以上；近、远机位的利用率随着航班量的增加均有所增大，当航班量增加15%时靠桥率略有下降，此时远机位被大量占用。

表2 机位利用率和靠桥率统计

5 、结束语

计算机仿真是分析评价复杂系统运行状态或设计优化未来系统性能与功能的一种重要技术手段，已经逐渐成为机场规划设计环节中的重要组成部分，改进了传统的机场规划设计方法。在机场飞行区规划设计过程中，通过建立计算机仿真模型，对机场主要规划设计方案进行模拟试验，输出仿真运行结果数据，以便对设计方案及潜在问题进行分析和判断，达到对已有方案进行验证和对未来运行状况进行预测的目的，实现最优配置情况下的最优状况，满足机场规划设计的要求，适应机场建设快速发展的需要。

[1]理查德·德·纽弗威尔，阿米第R.欧都尼.机场系统：规划、设计和管理 [M].中国民航出版社.2006

[2]倪桂明，杨东援.机场系统计算机仿真研究的应用与发展 [J].系统仿真学报，2002，14(1):1-4

[3]Law A M, Kelton W D . Simulation modeling and analysis [M]. McGraw Hill, Inc, 1991

[4]CACI Products Company, Inc. SIMMOD The Federal Aviation Administration Airport and Airspace Simulation Model: Information Brief[M]. US Department of Transportation, Federal Aviation Administration, Atlantic City, NJ. 1990

[5]Jasenka Rakas, Airport-Airspace Simulations[C].TRB 81st Annual Meeting Workshop, January 13,2002

[6]田勇，付建军，王艳军.机场地面容量评估研究 [J].南京航空航天大学学报，2006，38(5)：619-622