基于离散仿真分析的机场飞行区布局评价方法

赵鸿铎，凌建明，张 朋

（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804）

机场飞行区为飞机活动的地域，是机场中重要的基础设施。机场飞行区的布局合理程度关系着飞行区运行效率和机场服务水平。飞行区的布局主要包括跑道、快速出口滑行道、平行滑行道、联络道、滑行通道、停机坪、等待机坪等设施的数量、类型和位置等内容。大型机场的交通量大、跑道多、飞行区布局复杂，需要合理的方法进行评价。

在传统的机场规划设计中，一般从安全、容量和延误等角度进行飞行区的布局和评价[1]。如美国联邦航空局（FAA，federal aviation administration）[2-3]、中国民用航空局[4]都提出了飞行区的容量和延误计算方法。这些解析计算方法与模型，对空管条件机场状态进行较多的简化，一般可适应规划层面的机场评价，以及单跑道机场的机场布局设计评价。对多跑道机场的复杂飞行区布局评价的适应性不足。

离散仿真技术由于可较真实地模拟飞行区场景、空管规则、滑行优化等，为大型机场复杂飞行区的布局评价提供优秀的手段[5]。可以同时从容量、延误和运行效率的角度进行评价分析。本文采用SIMMOD（airport and airspace simulation model）Plus 7.6.2 仿 真软件[6]，依托扬州泰州机场和浦东国际机场，对飞行区布局评价的仿真分析方法进行阐述。为类似分析提供分析参数和案例参考。

1 飞行区仿真系统简介

飞行区仿真模型采用机场专用的SIMMOD系统进行构建[6]。该仿真系统是美国FAA开发的可适用于空域和机场飞行区仿真的模拟引擎。在系统中把机场和空域结构抽象为由节点和连线组成的二维网络，以飞机在这些节点和连线上的运动模拟实际的飞机运行与操作，包括正常飞行、减速飞行、盘旋等待、起降滑行以及在机坪的操作等。SIMMOD使用不同参数体现不同管制、运行策略，参数包括常量、随机变量和控制参量。

SIMMOD Plus是ATAC在FAA研发的SIMMOD内核基础上发展而来的可视化软件，不仅继承了SIMMOD引擎的功能，还提供了一整套可视化的图形界面、辅助工具、动画工具，能够更快速建立机场模型并运行仿真[6]。SIMMODPlus7.6.2的界面如图1所示。

图1 SIMMOD Plus系统主界面Fig.1 Main window of SIMMOD Plus

2 飞行区仿真模型构建

2.1 飞行区网络图

在SIMMOD Plus的仿真分析中，飞机在空中和飞行区的运动简化为在二维网络上的运动。为实现飞行区的仿真模拟，需构建进近、起飞空域结构，以及飞行区的跑道、出口滑行道、联络道、平行滑行道、滑行通道、机位等网络结构。一般的网络节点和路线包括：

1）空域节点：可设置间隔要求、等待类型、通过规则和到达与等待策略。

2）空域路线：可设置飞行速度分布（按机型或其它）、通过规则、飞行规则、风的影响、超越和尾流扰动的影响。

3）地面节点：可设置间隔要求、防止冲突的等待策略、通过规则、节点同时所能容纳的飞机数量。

4）地面路线：可设置滑行速度分布、通过规则、穿越跑道耗时分布、高速出口滑行道、滑行路线。

特殊的节点和路线：

1）跑道：一系列节点和路线的组合，拥有两个使用方向，需要定义跑道上滑行的时间、穿越跑道的时间、跑道占用规则等。

2）滑行道：包括各种类型的滑行道，一般没有特殊的限制。需要指出的是：到达/出发飞机在滑行道系统的不同部分上使用不同的滑行速度；动态单向滑行道，即同一时刻只允许单向滑行的滑行道。

3）机位：门位包括节点和与此节点直接相连的路线。节点的定义包括门位所有权、服务时间分布、门位选择和等待策略；路线的定义包括允许双向进出门位和门位使用过程中的路线封锁等。

扬州泰州机场和浦东国际机场的仿真网络图如图2和图3所示。

图2 扬州泰州机场网络图Fig.2 Network of Yangzhou Taizhou Airport

图3 浦东国际机场网络图Fig.3 Network of Pudong International Airport

2.2 飞机及交通量

参照国内外的飞机参数[7]，在仿真分析中按照飞机的最大起飞重量，可划分成通用飞机、小型飞机、大型飞机和重型飞机，其重量划分标准如表1所示。

表1 仿真中的飞机分类Tab.1 Aircraft size groups in simulation

根据规划，扬州泰州机场近期至2020年的高峰小时交通量为12架次/h。近期主要运行属于小型飞机的B类飞机和属于大型飞机的C类飞机。其中B类飞机占15%，C类飞机占85%。在SIMMOD Plus的仿真分析中采用自动随机产生飞机交通量的方式进行模拟。为了更好地模拟高峰小时的交通量，拟连续模拟3 h，每个小时的起飞架次均为高峰小时架次，将中间1 h的数据作为分析数据。

浦东国际机场的交通量，采用2008年4月某一天的实际航班数据。当天共起降773架次，其中高峰小时为12：00—13：00共起降51架次，其中出港航班27架次，进港航班24架次。为了充分分析高峰小时的飞行区延误，仿真分析了11：00—14：00点之间的机场运行情况。分析中对到达后继续起飞的飞机，按照实际航班时间考虑该飞机在机位的停靠。

2.3 空中运行参数

在机场飞行区的仿真中需模拟飞机的进近和离场的飞机行为，在这段过程中需要根据要求确定不同飞机之间的间隔要求。根据中国民用航空局在《中国民用航空空中交通管理规则》中的规定，尾流间隔的最低标准根据机型种类而定[8]。

使用同一跑道的非雷达间隔的尾流间隔时间规定为[8]：

1）当前后起飞离场的航空器为重型机和重型机、重型机和轻型机、中型机和轻型机时，前后航空器间非雷达间隔的尾流隔时间不得少于2 min；

2）当前后进近着陆的航空器为重型机和中型机时，其非雷达间隔的尾流间隔时间不得少于2 min；

3）当前后进近着陆的航空器分别为重型机和轻型机、中型机和轻型机时，其非雷达间隔的尾流间隔时间不得少于3 min。

参照中国民用航空局在《中国民用航空空中交通管理规则》中的规定，本文采用同一跑道上雷达间隔的尾流间隔最低标准如表2所示。

表2 尾流间隔标准Tab.2 Separation requirements

2.4 飞行区运行参数

在飞行区运行中，飞机的滑行需要遵循飞行区的运行规则：

1）假定飞机从南向北运行。浦东国际机场的第一跑道仅供起飞，第三跑道仅供降落。

2）起降飞机的优先规则和选择服务顺序。对于前者，一般规定到达飞机优先，但不是绝对优先，在比较等待起/降队列的长度之后可以选择是否继续遵循到达优先原则；对于后者，一般使用先到先服务的原则。

3）脱离/进入跑道、进入门位、推出、开车、开始地面滑行/结束地面滑行、开始起飞滑行等。SIMMOD Plus主要通过安排飞机排队起飞顺序、调节滑行飞机的启动和停止、调节飞行滑行速度、指定门位等并结合定义地域路线来模拟对地面飞机的管制。飞机在飞行区活动的滑行速度如表3所示。

表3 飞机在飞行区活动时的滑行速度Tab.3 Taxi speed of aircraft

2.5 机位参数

扬州泰州机场近期共规划了12个停机位，其中近机位7个，远机位5个。包括11个C类机位和1个B类机位。仿真分析中假定浦东国际机场的客运飞机全部停靠T1航站楼，包括28个近机位和11个远机位，货运飞机停靠T1航站楼北侧的货运机位。停机位的分配采用动态随机策略。各类飞机在登机桥上下飞机的操作时间如表4所示。

表4 飞机操作所需的时间概率Tab.4 Operating time probability of aircraft

3 仿真结果分析

3.1 评价指标与标准

在仿真分析中主要对飞机的延误时间进行评价，根据国际标准以延误不超过4 min作为飞行区运行效率评价标准[3]。

3.2 扬州泰州机场仿真分析

根据上述的仿真参数，在SIMMOD Plus中建立扬州泰州机场的平面模型。并由程序随机产生高峰小时的航空交通量。到港航班的滑行时间如图4所示，离港航班的滑行时间如图5所示。到港航班的平均滑行时间为4 min，离港航班的平均滑行时间为5 min。各个航班的延误时间如图6所示，平均的延误时间为1 min，最大的延误时间约4 min。因此，当高峰小时的起降架次为12次时，扬州泰州机场的飞行区布局和停机位的设置是合理的。

图4 到港航班滑行时间Fig.4 Taxi time for arrival flights

图5 离港航班滑行时间Fig.5 Taxi time for departure flights

图6 航班的延误时间Fig.6 Delay of flights

3.3 浦东国际机场仿真分析

通过对浦东国际机场2008年4月某一天11：00—14：00间实际航班的仿真模拟，截取12：00—13：00的高锋时段进行分析。该时段到达航班的飞行区滑行时间如图7所示，平均滑行时间为303 s。该时段出发航班的飞行区滑行时间如图8所示，平均滑行时间为440 s。该时段到达航班的飞行区总延误如图9所示，平均延误时间为20.7 s。该时段出发航班的飞行区延误时间如图10所示，平均延误为61.1 s。从分析的结果来看，如果按照第一跑道起飞，第三跑道降落的运行方案，并且飞机均停靠T1航站楼，该航空交通量可以在该机场得到很好的运行，运行效率高，延误小，因此其飞行区布局能满足该航空交通量的要求。

图7 浦东到港航班的飞行区滑行时间Fig.7 Taxi time for arrival flights at Pudong

图8 浦东离港航班的飞行区滑行时间Fig.8 Taxi time for departure flights at Pudong

图9 浦东到港航班的延误时间Fig.9 Delay of arrival flights at Pudong

3.4 浦东国际机场飞行区未来适应性评价

根据浦东国际机场2004年的规划，2015年的客流量将达到6 000万人次/年，高峰小时的起降架次为134次，分别由4条平行跑道承担。根据预测，2015年重型飞机（E类和F类）的比例约占42.5%，大型飞机（C类和D类）的比例约占57.5%，其高峰小时的架次分别为57和77架次。假定在跑道1、3组合和跑道2、4组合承担的飞机起降架次相同，到达和出发航班量相等。因此，在仿真中仅考虑机场西侧的情况，即跑道1和跑3道，航站楼T1和航站楼S1，其承担的高峰小时起降架次为重型飞机28架次和40架次。假定高峰小时出现在12：00—13：00，前后各1 h内输入和高峰小时同样的交通量，分析高峰小时的飞机运行状况。

图10 浦东离港航班的延误时间Fig.10 Delay of departure flights at Pudong

12：00—13：00之间的航班无障碍平均滑入和滑出时间分别为351 s和366 s，与2008年的运行状况接近。由于S1卫星航站楼的启用，使得从S1出发的起飞滑行距离缩短，因此使得平均滑出时间缩短。该时段到达航班的延误情况如图11所示。由图可知航班延误主要为滑行道穿越跑道引起的跑道穿越延误。因此，在运行组织中应加强对跑道穿越的管理和从跑道端部绕行的指引管理。该时段出发航班的延误情况如图12所示。由图可知，延误由两部分组成：滑行时为了保证安全间隔造成的滑行等待延误，以及在跑道端部等待起飞造成的等待延误。该时段出发飞机的平均延误为343.9 s，超过了4 min延误的一般国际标准。造成这种延误主要原因是起飞时的管制间隔要求，以及到达飞机穿越跑道造成的影响。需要在后续的运行中采取适当的措施进行改进。

图11 到港航班的总延误Fig.11 Total delay of arrival flights at Pudong

图12 离港航班的总延误Fig.12 Total delay of departure flights at Pudong

4 结语

本文对基于离散仿真分析的机场飞行区布局评价方法进行了讨论，小结如下：

1）依托江南的两大机场，给出了在中国采用SIMMOD进行仿真分析时，建议的空中交通管理、飞机操作、滑行速度等的参数取值；

2）对扬州泰州机场的单跑道飞行区布局进行了评价分析，结果表明延误均小于4 min，运行效率较好；

3）对浦东国际机场的飞行区进行了现状和未来适应性评价分析。结果表明在现阶段机场的运行效率较高。但为了适应未来的航空交通量，需采取适当的运行管理优化措施，使延误时间控制在4 min以下。

[1]赵鸿铎，谈至明，张兰芳.大型航空港设计布局评价指标的探讨[J].交通与运输（学术版），2007（12）：93-95.

[2]US Federal Aviation Administration Advisory Circular.150/5060-5，Airport Capacity and Delay[S].WashingtonDC：USGovernmentPrinting Office，1983.

[3]NORMAN J ASHFORD，SALEH MUMAYIZ，PAUL H WRIGHT.Airport Engineering：Planning，Design and Development of 21st Century Airports[M].Hoboken，New Jersey：John Wiley & Sons Inc，2011.

[4]中国民用航空总局.MH 5001—2006，民用机场飞行区技术标准[S].北京：中国民用航空总局，2006.

[5]李浩瀚.跑道容量的仿真模型分析[J].交通科技与经济，2009，11（3）：1-3.

[6]ATAC.Simmod PLUS!Reference Manual Version 7.6.2[G].Sunnyvale，CA：ATAC Corporation，2011.

[7]谈至明，赵鸿铎，张兰芳.机场规划与设计[M].北京：人民交通出版社，2010.

[8]中国民用航空总局.CCAR—93TM-R3，中国民用航空空中交通管理规则[S].北京：中国民用航空总局，2007.