基于RECAT-EU的尾流间隔缩减效果预测

2021-06-24王雪瑶吕佳航魏志强

中国民航大学学报 2021年2期

王雪瑶，吕佳航，魏志强

（1.北京交通大学交通运输学院，北京100044；2.中国民航大学a.航空工程学院；b.空中交通管理学院，天津300300）

随着民航业高速发展，空域资源紧张和地面保障不足等问题日渐加剧，机场容量和运行效率都亟待提高[1]。机场容量和运行效率与终端区飞机最小间隔密切相关，而间隔标准受限于空管监视能力和尾流间隔[2]。在不改变其他影响机场容量因素的情况下，机场运行效率主要由尾流间隔决定，缩小尾流间隔能明显提升跑道容量[3]。

目前，国际民航组织（ICAO）尾流间隔标准将机型按最大起飞重量（MTOW,maximum take-off weight）分为3 类：轻型机（MTOW≤7 t）、中型机（7 t ＜MTOW≤136 t）、重型机（MTOW ＞136 t）。对于A380，则将其单独划分为超级重型机[4-5]。在保证安全的前提下，现行尾流标准显得过于保守，存在缩减尾流间隔的潜力。欧洲和美国都先后提出通过调整航空器尾流间隔实现机场运行效率和机场容量的提升，且其安全性不低于现行运行标准的尾流再分类标准（RECAT,recategorization）[6]。欧洲提出的RECAT-EU 标准不仅把最大起重量作为分类因素之一，同时还考虑了翼展的影响，且对某些特定机型还进行了进一步分类。其将飞机分为6 类：F类（MTOW≤15 t）、E 类（15 t ＜MTOW≤100 t，翼展≤32 m）、D 类（15 t ＜MTOW≤100 t，翼展＞32 m）、C 类（MTOW ＞100 t，翼展≤52 m）、B 类（MTOW ＞100 t，60 m≤翼展≤72m）、A 类（MTOW ＞100t，72 m ＜翼展≤80 m）。欧洲于2007年提出了尾流重新分类的概念，尾流重新分类初期被命名为RECAT 1，然后于2015年7月被改名为RECAT-EU 并发布了RECAT-EU 尾流分类和进离场的最小间隔文件[7]。美国联邦航空管理局（FAA,Federal Aviation Administration）于2009年联合多个机构开展了RECAT 技术的可行性研究。美国孟菲斯国际机场于2012年11月开始运行RECAT，是世界上第一个运行RECAT 的机场。2010年日本启动了空管系统协同行动，计划2018年完成第一阶段RECAT技术的跟踪、消化和推广应用[8]。

国内对RECAT 技术的研究还不成熟。聂润兔等[9]分析了RECAT 标准对跑道容量的影响；魏志强等[10]通过比较不同国家和地区RECAT 标准的差异，分析加权平均尾流间隔最小标准及各机型占比对机场容量的影响。中国民用航空局于2015年出台了《中国民航航空系统组块升级（ASBU）发展与实施策略》。该文件全面引进了ICAO 在航空系统组块升级（ASBU）中效能改进领域1（机场运行）有关“尾流间隔”引线（thread）对应的全部模块要求[11]。2019年1月23日，中国民用航空局空中交通管理局在广州、深圳两场航空器尾流再分类管制实验运行宣传贯彻动员工作会上，对广州、深圳实施的尾流重新分类方案进行了详细讨论[12]。

为分析RECAT-EU的尾流缩减效果，首先构建相应的机场理论容量提升效果预测模型，然后开发预期理论容量提升计算软件。以广州白云国际机场（简称白云机场）航班信息数据为例，利用所开发软件分析了不同时间段和各类机型数量占比变化情况下机场容量的提升效果，最后得出相应结论。

1 预测模型建立

利用尾流间隔大小来反映机场容量提升时需做出以下假设：①飞机对跑道的请求是连续不断的；②飞机的离场、到达概率完全是随机的；③只有尾流间隔是变量，其他任何与机场容量相关的因素都是固定值。

假定某机场一共有M架飞机，某飞机i在到达或离场的飞机流中出现的概率为Pi，其后紧邻的飞机j在到达或离场的飞机流中出现的概率为Pj，假设前机i与后机j的出现是相互独立事件，则可得到飞机对（i，j）在到达或离场飞机流中出现的概率为

对于特定的飞机对（i，j），在相应尾流间隔分类标准下，能得到相应飞机对的最小尾流间隔Sij，则该机场单位时间内的加权平均尾流间隔为

根据RECAT-EU 和ICAO 标准可分别计算出不同的加权平均尾流间隔，假设RECAT-EU 标准下的最小加权平均尾流间隔为，ICAO 标准下的最小加权平均尾流间隔为，则机场容量提升量可表示为

2 软件开发及功能模块

根据所建立的计算模型，利用Matlab 进行软件开发设计。具体运算流程如图1所示。

图1 软件运算流程Fig.1 Software operation process

2.1 航班信息数据处理模块

将收集的机场航班信息数据整理为*.CSV 文件；在Matlab 中使用fopen 函数打开文件；然后利用textscan 函数读取文件；最后设置相应变量，并利用循环语句和ismember 函数进行循环判断，将每列数据读入相应的变量中。具体步骤如图2所示。

图2 航班信息数据处理模块实现流程Fig.2 Working process of flight information data processing module

2.2 时间数据处理模块

对于时间数据，分别进行了两种形式处理：①读取航班信息数据中的时间参数，按年、月、日、时分开存储；②将时间参数转换为相应整数，用于后续进行筛选和对比。具体处理过程如图3所示。

图3 时间处理模块实现流程Fig.3 Working process of time processing module

2.3 标准间隔数据整理与读取模块

对于同一种机型，其在RECAT-EU 与ICAO 中的类型及尾流间隔存在差异。因此，需要把航班信息数据中的所有机型在RECAT-EU 与ICAO 标准下的分类都整理出来，然后存储在EXCEL 表中；然后在Matlab中利用xlsread 函数读取EXCEL 文件；最后设置相应变量分别用于存储RECAT-EU 和ICAO 的机型类别和尾流间隔。具体实现过程如图4所示。

图4 标准间隔数据整理与读取流程Fig.4 Sorting and fetching process of separation standard data

2.4 预期容量提升计算模块

为计算加权平均间隔，分别编写了机型数量占比函数和加权平均间隔函数。通过外部输入相应的时间，筛选出该时间段内的机型种类，并计算出这些机型的数量占比；利用数量占比来反映机型出现的概率；将所有机型两两组对计算出其组合概率。通过查找RECATEU 和ICAO 标准下的尾流间隔，利用组合概率乘以尾流间隔就得到此种组合下的加权间隔；再将所有飞机组合所得加权间隔求和就得到机场的RECAT-EU 和ICAO 的加权平均尾流间隔；最后利用式（3）可求得机场容量的提升量。具体实现过程如图5所示。

图5 容量提升计算的实现流程Fig.5 Working process of capacity increase calculation

2.5 软件界面设计

为了方便用户使用机场预期容量提升计算软件，设计了相应的软件界面。用户只需在软件界面中加载相应的机场数据和时间，就能得到该机场在相应时间内使用RECAT-EU 标准后的容量提升数据。具体软件界面如图6所示。

图6 软件界面Fig.6 Software interface

3 基于RECAT-EU 技术下的效果分析

3.1 不同时间尺度下效果分析

为了分析不同时间尺度下使用RECAT-EU 时的机场预期容量提升效果。利用收集的白云机场2018年1月17日—1月31日的航班信息数据，对RECATEU 尾流间隔缩减效果进行计算分析。首先以时间为变量进行相应的计算分析，分别计算白云机场进港航班在1月17日—1月31日（15 d），1月18日—1月24日（7 d），1月18日—1月22日（5 d），1月18日当天（1 d），1月18日10点—22点（12 h）及1月18日11点—12点（1 h）不同时间段内的容量提升效果，结果如表1所示。

表1 不同时间段下的提升效果变化Tab.1 Increasing effect vs.time period

从表1 中可看出，在不同时间段的情况下，容量提升效果也会发生变化，但基本稳定在5.6%～6.4%。这是由于每个时间段内机型不同，每种机型飞机数量不一样导致其容量提升效果产生变化。

3.2 改变机型数量占比下的效果分析

将白云机场中的各类机型数量都以1%的间隔从0 增加到10%，同时保持其他机型数量不变，分析机场容量提升效果的变化，结果如图7所示。

图7 改变机型数量占比下的提升效果变化Fig.7 Increasing effect vs.aircraft type

从图7 可看出，当增加B、C 类机型数量占比时，容量提升效果逐渐增大；C 类飞机对应的直线斜率大于B 类飞机，反映出C 类飞机对机场容量提升效果影响更大，这是由于C 类飞机最大起飞重量小于B 类飞机，在RECAT-EU 标准下C 类飞机的尾流间隔缩减程度大于B 类飞机；当增加A、D、E、F 类机型数量占比时，容量提升效果都呈下降趋势，也呈线性关系；当F 类机型数量占比超过飞机总量的7%时，RECAT-EU 不但没有提升机场容量，反而降低了机场容量。RECATEU 考虑到轻型飞机重量过轻，若其处在重型机与中型机的尾流区域中，会受到极大影响。因此，在ICAO的尾流间隔之上增加了轻型机的尾流间隔。但在实际情况下，一般大型机场的轻型机数量占比通常在1%以下，因此，RECAT-EU 不会出现使机场容量提升为负的情况，且大型机场的提升效果要好于小型机场。