机场场面航空器运行冲突控制研究

2023-05-16余浚赫

科技与创新 2023年9期

余浚赫

（首都经济贸易大学，北京 100070）

随着生活水平的提高，选择民航作为交通运输工具的人员越来越多，中国机场建设数量、规模也越来越庞大，机场运行逐渐变得系统而复杂。其中机场场面运行作为整个机场系统运行流转中的关键一环，其运行的效率、安全性直接决定了机场运行的安全性和效率。航空器、车辆是机场场面运行的主要参与者，航空器、车辆之间的运行冲突和碰撞可能导致工作人员、旅客等人员伤亡，也会给航空器、服务车辆、地面导航设施等带来重大经济损失[1]。特别是在大飞行流量、多跑道机场、高密度起降等情形下，场面运行的航空器、车辆等参与者越来越多，出现移动目标之间、移动目标与固定设施之间的碰撞事件逐渐增加，且增加概率趋势明显。为此有必要研究机场场面运行状态，了解其运行机理，识别运行风险，防止场面运行出现冲突、碰撞等事件。

1 机场场面运行结构分析

机场场面区域众多，但是航空器活动区域主要包含跑道、滑行道及停机坪等几个区域。航空器在这些区域的运行活动受到这些区域的结构、布局及位置限制，也受到各区域的运行规则、运行程序限制，此外不同类型的机场对这些区域的运行限制规则也存在差异。另外，天气条件、机场基础设施状态（监视、导航、通信及场面管制设施）等也会影响这些区域航空器的运行方式[2]。跑道是机场场面运行的核心区域，航空器在该区域内完成起飞、着陆相关动作，跑道运行方向可根据空域条件、气象条件、跑道设施条件等情况进行调整，航空器在此区域的运行速度最快，也是场面运行安全保障的重点；滑行道是连接停机坪与跑道的中间区域，是实现机场场面正常运转必不可少的区域，该区域包含了直线段、交叉口、三岔口等多种单元，航空器在该区域的滑行方向、间隔、距离、运行速度等受到了场面滑行规则的约束；停机坪是航空器的停靠点，各机坪之间的距离设置、机位停靠分配等也受到场面运行的约束。当航空器在跑道、滑行道及停机坪等区域违反场面运行规则时，则可导致运行冲突、运行碰撞等危险事件的发生[3]。

2 机场场面运行风险控制

场面运行环境复杂多样，场面交通结构纵横交错，场面运行航空器种类多样，场面运行形势多变，多型异类的航空器运行状态对航空器场面运行特性的影响是不同的，带来的场面运行风险也是不同的。本文根据场面运行结构、航空器运行状态，结合运行规则，对机场场面可能出现的运行冲突、风险进行了分类，主要包括跑道侵入、跟驰行驶及交叉口汇聚等几类。

2.1 跑道侵入风险

根据跑道运行规则，在同一时间，有且只能有1架航空器在跑道运行区域（含最终进近区域），它对应的跑道运行约束规范模型可以建立为：

式（1）中：m1为跑道中航空器/车辆数量；m2为跑道左边空域中航空器数量；m3为跑道右边空域中航空器数量。

跑道运行示意图如图1 所示。

图1 跑道运行示意图

当场面航空器、车辆运行违反该规则或者违反场面运行管制员的指令时，容易发生跑道侵入事件，进而引发跑道区域碰撞风险。由于航空器在起飞或降落时，在跑道上运行速度非常高，与违规进入跑道的航空器、车辆发生碰撞的后果将非常严重。根据跑道侵入事故的严重性，可能造成特别重大、重大、较大和一般等不同级别的事故，特别是高速起飞/降落的航空器与侵入跑道的航空器或者车辆发生碰撞，将导致严重的机毁人亡事故[4]。典型跑道侵入风险主要有以下几种：①某一航空器正在跑道上滑行，另一航空器获得落地许可；②某一航空器已经获得落地许可，正降落的过程中，另一航空器进入跑道；③某一航空器正在跑道上滑行，另一航空器正要穿越跑道。典型跑道侵入风险示意图如图2 所示。

图2 典型跑道侵入风险示意图

2.2 航空器跟驰行驶风险

跟驰行驶主要指在不允许超车的单行线路上，前后行驶车辆之间的相互关系。该相互关系可以表示为前行车辆的运动状态变化可作为跟随车辆的运动变化的输入或者刺激，跟随车辆的运动变化可视为前行车辆运行变化输入或刺激的一种反应。本文描述的航空器滑行道直线段运行属于典型的跟驰行驶模式，航空器跟驰行驶表示2 架或者多架航空器在场面滑行道直线段上同向行驶，前行航空器运动状态的变化可作为跟随行驶航空器运动状态的输入。为保障自身滑行安全，跟随行驶的航空器会根据前行航空器运动变化随时做出反应，调整自身航空器的速度和方向，确保两者之间保持安全的间隔。

由于航空发动机尾焰会带动附近气流变化，气流温度高、速度快，当航空器之间的间隔小于尾喷影响范围时，容易给跟随航空器带来高温伤害。此外，航空器在启动时加油量变大，尾部气流速度、温度会急剧升高，尾喷影响范围大于航空器平稳运动时的发动机尾喷影响范围[5]。

航空器在场面滑行跟驰行驶中，通常包含以下2类情况：①快速跟驰滑行，大部分直线滑行道的运行状态都处于快速跟驰滑行，此时航空器运行速度较快，相互之间距离较大，各航空器都处于速度不断调整状态；②缓速跟驰滑行，众多航空器在跑道头等待起飞，此时航空器之间距离近，航空器运行速度慢，航空发动机需要频繁启动与停止，此时发动机尾喷范围影响大，需要特别注意防范尾喷风险。

为此可将滑行道直线段划分为若干个运行区间，运行区间长度为跟驰安全距离（考虑尾喷影响）。航空器跟驰行驶示意图如图3 所示。

图3 航空器跟驰行驶示意图

任意直线段运行区间在同一时刻最多只能有1 架航空器运行，可构建约束模型为：

式（2）中：mi为滑行道直线段任意运行区间中航空器/车辆数量。

此外，为保证直线段滑行运行安全，相邻2 个运行区间不能同时存在2 架航空器，故针对直线段模型而言，可建立的约束为：

式（3）中：mi+1为滑行道直线段运行区间的下一区间中航空器/车辆数量。

2.3 交叉口运行风险

航空器在滑行道交叉口运行时，会面临多种情况，主要有以下几类：①2 架航空器刚开始沿着不同方向滑行，在交叉口相遇后，后续会汇合至同一滑行道，沿着同一方向滑行；②2 架航空器刚开始沿着不同方向滑行，在交叉口相遇后，后续继续沿着原有方向滑行；③航空器通过交叉口时，没有其他航空器需要通过交叉口。

从碰撞风险角度考虑，第①种情况下，转弯航空器/车辆通常会提前减速，通过交叉口时速度较低；第②种情况下，航空器运行没有改变方向，航空器在通过交叉口时，减速趋势不明显，相比第①种情况，其碰撞风险要更高些；第③种情况下，由于交叉口只有1架航空器，故没有航空器间的碰撞风险[6]。航空器交叉口交叉行驶示意图如图4 所示。