近距平行跑道配对进近安全风险分析

李一可

（中国民航大学空中交通管理学院，天津 300300）

0 引言

近年来，空中交通客流量不断增多，据最新统计数据预测，未来20年空域流量将增加2～3倍，运输量的增长使一些大型机场开始满负荷运行，航班延误现象随之而来。为增加机场容量、缓解航班延误以满足不断增长的航空运输量，一些机场开始规划建设或已建成近距平行跑道。由于近距平行跑道间距较小的特殊性，目前我国只可运行隔离运行模式，即一条跑道只用于进近，另一条跑道只用于离场，这种运行方式本质上仍是将双跑道视为两条单跑道，并不能发挥近距平行跑道的最大效用。针对近距平行跑道的运行方式，美国研究学者Hammer在20世纪末提出了配对进近的思想，此后不断有学者对此运行模式的可行性进行深入探究。由此可见，配对进近为当前近距平行跑道运行模式中可实施性最高、效用最大的运行模式。因此对配对进近运行方式进行详细探究，结合国内实际现状客观地对航空器配对进近的安全风险进行分析是必要且有意义的，该文通过详细了解配对进近过程，对影响配对进近安全性的相关因素及其规律进行分析，从而构建近距平行跑道安全风险分析模型，随后针对进近中的关键因素之一安全间隔，计算并分析纵向安全间距对风险的影响，为我国未来进行配对进近提供相应的参考。

1 近距平行跑道配对进近

1.1 近距平行跑道

根据国际民航组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）的Doc9643号文件《平行或近平行仪表跑道同步运行手册》规定，平行跑道是指跑道中心线平行或夹角小于15°的非交叉跑道。按照两条跑道中心线之间距离的远近程度可以将平行跑道分为近距、中距和远距平行跑道。其中，近距平行跑道是指2条跑道中心线平行或跑道中心线夹角小于15°的非交叉跑道，且跑道中心线之间的距离小于762m的跑道对。

1.2 配对进近运行程序

配对进近是指在仪表气象条件下针对近距平行跑道实施的类似于相关仪表进近运行模式的另一种进近程序。配对的2架航空器在避免碰撞和尾流的双重风险条下一前一后地完成进近着陆[1-2]。

配对进近的过程分3个阶段：在第一阶段，航空器向飞行流量控制中心报告预计达到最后进近定位点的时间与速度，当2架飞机的预计到达时刻间隔小于5 min ，且满足机载设备与速度调整的条件要求后，管制员对其配对做相应准备，确定配对顺序与着陆跑道；第二阶段中飞行员根据管制员指令进行安全间隔的调整，这个阶段中配对两机在纵向、侧向及垂直间的间隔须满足间隔标准。一旦前后机不满足间隔条件，管制员需要及时取消配对，同时后机进行转弯并爬升以规避风险；第三阶段始于前机飞过FAF点，经过此点后确认后机是否飞至指定安全区域，当后机飞越FAF点时以3°偏角开始最后进近更有利于避免前机的尾流影响。前机飞至跑道入口后，后机不再负责，两架航空器各自着陆即可，自此整个配对进近过程结束。

配对进近整个过程中航空器的速度变化如图1所示，分为匀速、减速、以及进近3个阶段。匀速阶段主要为前机到达进近点前；减速阶段是指到达进近点之后，将速度降低至计划的配对进近速度；进近阶段是指飞机按照进近速度开始配对进近，直到配对结束。

图1 配对进近过程中，飞机的配对速度变化

目前平行跑道进近程序多为完全平行进近，如图2（a）所示，这种运行方式无法完全有效地避免因尾流因素影响带来的危险，配对进近为进一步避免尾流影响，减少飞机危险进近的发生，在进近过程中采用后机偏置3°进近的方式，如图2（b）所示。相较完全平行进近，该程序有以下3个优势[3]：1）后机以3°偏角偏置进近，侧向间隔安全余度较直线进近更大;2）偏置3°进近使两机安全余度更大，可更晚考虑尾流对两机安全间隔的影响；3）后机偏置进近可有效避免配对两机仪表着陆系统信号可能发生覆盖的现象，更有利于避开前机的尾流。

图2 配对进近模型图

3 配对进近影响因素分析

配对进近中的安全风险主要是指2架航空器在配对进近过程中因间隔小于规定安全间隔而发生碰撞或者危险接近的情景，影响配对进近发生不安全事件的因素有很多，主要有以下几种[4-8]。

3.1 尾流因素

尾流是由于机翼上下表面压力差在翼尖和襟翼边缘形成下洗气流所产生的，通过加装翼尖小翼能一定程度上减少尾流强度或加快尾流消散，但从根本上是无法消除的。在近距平行跑道进近配对过程中，非常容易出现尾流风险。尾流是飞机在飞行过程中，发动机喷出的气体，以及机翼和尾翼产生的涡流。当飞机飞行的时候，飞机的周围会产生相应的闭环旋涡，当其他飞机进入该旋涡时，就会产生飞机回发生震动、旋转、偏移以及坠落等危险，并且该现象不容易消失，因此，配对进近时，要注意尾流风险在配对进近中，对于前后两机，后机要与前机保持一定的安全间隔，否则将会进入前机产生的尾流区域内，严重时会出现震动、下沉甚至滚转等状态，对飞行安全造成严重危险[9]。

配对进近安全区是指在配对进近过程中，围绕配对后机形成一个纵向间隔保护范围，其主要由安全前界、安全后界以及侧向偏离区间组成。若配对后机与前机间的间隔始终保持在安全区域范围内，便可避免2架航空器之间发生碰撞或危险进近事件，安全区域后界使后机免受前机尾流影响，从而可提高进近过程的安全性。安全区前界与运动轨迹、两机位置有关，后界则与尾流因素、侧向间隔以及速度有关，对安全区的确定需要集中在研究尾流的运动状态、影响范围以及其消散速度。

3.2 侧风因素

在众多影响飞机进近安全风险的因素中，气象因素是需要考虑的首要因素之一，其中侧风是气象因素中对航空器在航向、尾涡以及安全间隔等方面影响最大的因素，其可能会造成飞机在配对进近过程中偏离原定航迹，或者因风阻较大未能够达到预定速度。此外，侧风与尾流息息相关，欧洲法兰克福机场通过实践数据研究表明随着侧风强度增大尾涡存在的时间缩短，因此在进行进近配对时，须考虑侧风速度与方向，以便及时进行相应修正，从而提高配对进近的安全性。

3.3 人为因素与设备因素

其中在飞机进行进近配对时，存在的人为风险对于飞机的安全有重大的影响。飞机交通管制员的技术成熟度、飞行员的操作熟练度、进近配对反应时间等人为因素是航空安全因素的重要内容。经过研究发现，目前世界上发生的进近配对过程的安全事故，多数是由于飞行员操作和管制员的命令错误造成的。其中，对于飞行员的飞行技术而言是重中之重，因为飞行员对于飞机着陆仪盘的操作，能够保证飞机飞行的安全激励的大小，其中飞行技巧误差对于不同飞机的进近配对过程的安全概率有较大的影响。因此，对于飞行员、管制员的上岗考验、实际操作熟练度以及应急反应时间等内容的筛查，都需要做到事实就是。除此之外，人为因素的可靠性对于飞机进近配对安全风向有一定的影响。例如，飞机班组的完整性、班组人员的沟通能力、机场同时目标数目、工作的时间长短、工作的内容和压力、管理程序是否合理等。

管制员与飞行员的工作熟练度、反应时间等人为因素是影响进近风险的重要因素，人为因素多为不可控因素且无规律性，对于近距平行跑道的安全运行起关键作用。除此之外，设备因素也是影响因素之一，首先飞机在进行进近配对的过程中，需要使用高精度的通信设备，其主要包括无线电通话系统，机载导航设备以及飞机告警系统等，管制员与飞行员基于设备做出决策，因此设备是否正常运行对于进近安全具有重要影响。目前，飞机所使用的PBN导航、星基导航以及GLS等系统，都会存在相应的导航设备误差，从而造成了进近配对碰撞风险；另外，监视设备误差对于飞机的进近碰撞风险也有一定的影响。对于飞机的监控设备，能够及时掌握和了解飞机的飞行姿态和相应的进近点位置，能够掌握飞机进近时的速度，计算飞机的尾流时间和相应的消失时间，能够通过精准地预测，从而对进近配对的飞机组进行碰撞风险的告警，提高飞机进近配对的安全性。

4 近距平行跑配对进近碰撞风险模型

4.1 构建风险模型

该文基于偏置3°的配对进近模式，并基于以下假设构建风险模型：1）由于在实际进近过程中航空器的垂直位置变化非常快，因此该文忽略垂直方向的风险，只考虑纵向的碰撞风险。2）配对进近过程从飞机进入配对点开始，到飞机到达跑道入口结束。3）进近过程中航空器无其他飞行姿态的修正。

飞机在配对进近过程中可能会受到因飞行员、管制员操作不当或机载设备出错等问题的影响，进而导致位置误差。假设飞机在t时刻的纵向位置误差ξl（t）服从相正态分布Nl（u，σ2）：

式中：l代表前机与后机，取值为1表示前机，取值为2表示后机；σ2为在纵向方向飞机实际位置与标称位置偏离距离的方差；u表示实际位置与标称位置偏离距离的均值。dl（t）为在时刻t时飞机距跑道入口的距离，d1（t）-d2（t）为前机1与后机2在纵向的实际位置Xl（t）如公式（2）所示。

两机之间的实际间隔如公式（3）所示。

式中：X1（t）为1号机实际位置，X2（t）为2号机实际位置，ξ1（t）、ξ2（t）为t时刻1、2号机的定位纵向误差，t时刻的纵向距离L（t），u1、u2为1、2号机的均值，、为1、2号机的方差。由于在配对进近过程中不考虑飞机其他姿态的调整，且达到配对进近初始点时，配对两机之间的存在尾流安全区，因此纵向碰撞风险如公式（4）所示。

式中：Px为碰撞风险，L1、L2为两机的位置距离，x代表两机的距离，Lx（t）表示两机在进近配对过程中的纵向距离，根据飞机运动学理论模型进行求解，s1、s2的分别代表飞机1与飞机2之间的最小与最大纵向距离。

前后飞机到达进近点的位置不同、速度不同会导致配对进近过程中两机间的间距发生变化，有时前机速度大于后机速度，有时前机速度小于或等于后机速度，该文将配对进近过程分以下2种：1）前机速度大于后机速度。2）前机速度小于或等于后机速度。

4.1.1 前机速度大于后机速度

式（5）中：

D为飞机1和飞机2刚开始时的距离；Vli是指前机刚开始时的速度；Vmi为后机初始进近速度；Vlf前机进行进近时的速度；al机进行减速时的加速度；Vmf为后机进行最后进近时的速度；am是指后机进行减速时的加速度，L是指飞机进行进近配对时距离进近点的位置，t为时间。

4.1.2 前机速度等于或小于后机速度

式（6）中：

4.2 实例分析

以我国有近距平行跑道的上海虹桥为例，跑道间距H为365m，跑道宽57.6m，偏置3°的进近位置距离跑道1600m，在就该位置变为平行进近选取的飞机。前机1的进近时初始速度为90m/s，进近结束时的速度为72m/s，前机的加速度为-1m/s，飞机机身44m，宽34m；后机初始进近速度为88m/s，进近结束时的速度为76m/s，前机的加速度为-1m/s，机身长44m，宽度34m；而后机刚开始的安全距离为1km，风速为20m/s，定位误差均值为0，方差为45，风向为60°。根据上述参数，会会考虑到安全风险随着飞机的速度和进近配对飞机之间的起始安全距离，从而研究飞机进近配对过程中的安全风险。

在安全距离方面，选取0.8km、0.9km、1km 3个值，速度均方差为45，以此进行分析计算，得出配对进近的碰撞风险概率（纵坐标）变化如图3所示。

图3 不同的安全距离情况下，飞机的碰撞风险概率

由图3可以看出，飞机在配对进近过程中，安全距离越高，发生碰撞风险的概率越小，同时说明了若前机进近速度大于后机进近速度，可以更好地确保安全距离，与实际运行相符。

在速度方面，选取速度均方差分别为40、50、60等3个值，并将间隔选为1 km，得出碰撞风险概率（纵坐标）的变化如图4所示。

图4 不同的速度均方差下，飞机的碰撞风险概率

从计算结果中可以看出，速度方差越大，纵向碰撞风险发生的可能性较高。

另外，在上述条件下，该文选用前机为中型机，后机分别为重型机、中型机和轻型机进行仿真计算，求解不同机型对应的安全距离，如表1所示。

表1 不同机型的安全距离

可以看出，飞机的质量越大，进近所需要的安全间隔越远，发生碰撞的概率也越大。

5 结语

从长远看，近距平行跑道能够缓解机场日益繁重的运输量、提高运行效率，对近距平行跑道配对进近的安全风险进行客观分析和研究，也有助于我国未来标准的制定与实施。该文通过对近距平行跑道与配对进近运行方式进行分析，建立配对进近碰撞风险模型，并对安全间隔、飞机速度及机型等因素进行分析，计算求解其与飞机配对进近碰撞风险概率的关系，并得出碰撞风险与安全间隔成反比，与速度均方差成正比的结论。旨在未来将配对进近技术合理运用到飞机进近过程中，从而提高我国机场运行效率，不断推动我国民航运输的发展。