近距平行跑道相关进近模式容量分析.docx

第14卷 第6期2014 年 12月交通运输系统工程与信息Journal of Transportation Systems Engineering and Information TechnologyVol.14 No.6December 2014文 章 编 号 ：1009-6744（2014）06-0182-06中 图 分 类 号 : V355.1文 献 标 识 码 ：A近距平行跑道相关进近模式容量分析陶媚*，聂润兔，赵纬经（中国民航大学 空中交通管理学院, 天津 300300）摘 要： 目前近距平行跑道隔离运行下的跑道容量已经得到广泛重视，而运行潜力更大的相关进近模式下的跑道容量分析研究较少.本文借鉴国外近距平行跑道相关进近的 运行理念，根据近距平行跑道运行的管制规定，通过引入符合近距平行跑道相关进近的 时序图，构建相关进近模式下近距平行跑道的两种主要运行模式的容量模型.以上海浦东 机场为例对模型进行验证，并对关键参数包括机型比例、相关进近航空器之间的斜距对 跑道容量的影响进行分析.结果表明，本文方法准确把握了运行特征，计算结果对空管运 行有很大的指导意义.关键词： 航空运输；跑道容量；解析模型；近距平行跑道；相关进近程序DOI:10.16097/ki.1009-6744.2014.06.028Capacity of Closely-spaced Parallel Runways Using DependentApproach ProceduresTAO Mei, NIE Run-tu, ZHAO Wei-jing( College of Air Traffic Management，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China )Abstract:Currently, the runway capacity of closely- spaced parallel runways using segregated operationhas been widely attached importance, however, runway capacity using dependent approach procedures whichpromises greater potential has not yet been paid due attention. This paper develops analytical models for calculating the ultimate arrival, mixed operating capacity of closed- spaced runways using dependent approach procedures which is the experience of other countries for reference. The models are based on a timing diagram in accord with realistic operational features of dependent procedures. The models are applied to calculating the ultimate capacity of closed-spaced runways at Shang hai/ Pudong airport. The output from the models consists of corresponding capacities and their variations depending on key parameters such as aircraft fleet mix characterized by the wake- vortex categories and radar separation diagonally with pairs of lead/trailing aircraft. The results show that the method accurately grasps the operating characteristics and the results are of great significance for the operation of ATC.Key words:air transportation; runway capacity;analytical model; closed- spaced parallel runways;dependent approach procedure1引言多的机场选择修建近距平行跑道来增加机场的容量，如德国法兰克福国际机场、英国伦敦希斯罗国 际机场和美国费城国际机场，中国的上海浦东机 场、虹桥机场、深圳宝安机场、重庆江北机场等.由 于跑道间隔较小，同时进近的航空器不可避免的随着航班流量的迅猛增长，部分繁忙机场的容量逐渐达到饱和状态，为了缓解这种供需不平 衡的局面，国内外很多大型机场采用平行跑道构 型来增加跑道容量，由于土地资源的限制，越来越收稿日期：2014-06-16修回日期：2014-08-13录用日期：2014-09-15基金项目：国家自然科学基金联合基金项目（U1333116）；中央高校基本科研业务费（3122014D038）.作者简介：陶媚（1978-），女，河北景县人，讲师.*通讯作者：第14卷 第6期近距平行跑道相关进近模式容量分析183产生相互干扰，因此平行跑道容量不是两条跑道容量的简单相加，而是与进近方式、进场机型密切 相关的一个复杂参数.以单跑道容量分析模型为基础，国内外学者 对近距平行跑道的容量进行了分析研究，FAA 在2004 年机场容量的研究报告中对近距平行跑道隔 离运行的容量进行了分析，并指出在仪表气象条 件(IFR)下采用隔离运行模式的容量和目视气象条 件(VFR)下独立平行运行的容量相比下降 50%1， 因此如何增加 IFR 下近距平行跑道的容量引起了 研究者的重视；Barrer N J 在对复杂机场的跑道容 量分析中研究了隔离运行模式下不同运行方式的 容量2；Milan Janic 研 究 了 近 距 平 行 跑 道 采 用 错 列 进 近 和 大 下 滑 角 进 近 条 件 下 的 容 量 模 型 3 ； Mundra A 对近距平行跑道配对进近的容量和潜在 效益进行了分析4.FAA 发布了近距平行跑道(间隔 小于 2 500 ft)的 1.5NM 相关进近文件5，表明美国 已开始正式授权一些建有近距平行跑道的机场实 施相关平行进近.国内对近距平行跑道的容量研究 相对较少，郭海琦等利用双排队系统理论与逻辑 推理方法，建立近距平行跑道隔离运行容量与平 均延误水平模型6；王维等建立了近距平行跑道一 起一降模式下的容量模型7；徐肖豪等分析了低能 见度下近距平行跑道不同运行模式下跑道理论 容 量 8. 综合分析已有研究成果，可以看出近距平 行跑道隔离运行下的跑道容量已经得到广泛的重 视，而运行潜力更大的相关进近模式没有得到应 有的重视.因此本文在已有研究成果的基础上，系 统介绍近距平行跑道相关进近运行模式，利用时 序图分析起飞和着陆航器之间的关系，建立相关进近运行模式下近距平行跑道的容量模型，并对相关参数进行灵敏度分析，从而为增加近距平行 跑道容量提供理论分析基础.22.1相关进近模式下的理论容量模型分析近距平行跑道相关进近模式近 距 平 行 跑 道 是 指 跑 道 中 心 线 间 距 小 于760 m 的平行跑道，根据平行跑道同时仪表运行管理规定第 10 条，对于近距平行跑道，航空器可 能受尾流影响，平行跑道离场航空器的放行间隔 应当按照一条跑道规定的放行间隔执行；同时根 据民航局 86 号令第 46 条的规定，对于近距平行跑 道，应为前后进近着陆的航空器配备雷达间隔的 尾流间隔.该规定决定了现阶段我国近距平行跑道 只能采用隔离平行运行模式，即一条跑道用于起 飞，另一条跑道用于降落.与 FAA 推荐的相关平行 进行方式相比，我国的运行模式保留了较大的安 全裕度，但同时也带来了效率的降低.FAA 提出的相关平行进近如图 1 所示，在整个 相关进近阶段，为避开尾流影响，必须使后机在前 机下滑道剖面上方飞行，即两条下滑道在距前机 跑道入口 7 nm 处的参考点上要存在一个高度差， 该高度差可以通过两条跑道的下滑角不同而获得. 近距平行跑道相关进近只适用于 ILS I 类进近，有 终端进近雷达，适用于 I 类天气标准，且必须满足 相关进近对中的前机必需是轻型机、中型机（不包 括 B757）, 后机可以是任何机型，前机必须指定为 低边进近，并且必须在后机之前建立航向道，相关 进近对航空器之间提供 1.5 nm 斜距.图 1近 距 平 行 跑 道 相 关 平 行 进 近 示 意 图Fig. 1Closely-spaced parallel runways using dependent approach procedures 184 交通运输系统工程与信息 2014 年 12 月2.2 理论容量模型跑 道 理 论 容 量 是 指 在 不 考 虑 延 误 水 平 的 连 续需求情况下，跑道系统在单位时间内(1 h)可以 服务的最大航空器起降架次.近距平行跑道的总 容量为到达容量和起飞容量之和.为了方便容量 模型的建立，将配备一定斜距的两架相关进近航 空器定义为一个到达单元，容量模型的建立基于 下述的假设： 航空器沿指定航径进场，能够到达管制员 期望的位置，即系统无误差； 各类航空器的进近速度是给定的，且在公 共进近阶段匀速飞行； ATC 采用雷达间隔； 天气标准满足机场 I 类最低着陆标准； 不考虑特情.近距平行跑道引入相关进近可以有效地增加 到达容量，结合运行实际考虑了两种运行方式建 立跑道的容量模型，包括两条跑道全部用于降落、 两个到达单元之间插入一架起飞航空器（起飞航 空器使用低边跑道），可以根据到达流和起飞流的 比例确定最佳的运行方式.容量模型建立所需参数 如下：C 跑道容量；CA 跑道到达容量；CD 跑道起飞容量；d 平行跑道中心线间距；D 公共进近段长度；Pij i、j 架航空器顺序到达概率；Rai i 类航空器平均着陆占用跑道时间；Rdi i 类航空器平均起飞占用跑道时间；titouch i 类航空器从跑道入口至 i 机主轮接 地的时间；Tij 到达单元内两航空器在跑道入口处 的时间间隔；Tjk 相邻两个到达单元在跑道入口处的 时间间隔；L到达单元内两航空器之间的最小斜距； Sjk 相邻两个到达单元之间的最小间隔； Gij 连续起飞航空器间的最小时间间隔标准，i 先j 后；SD一个距离值，后面降落的航空器距跑 道入口的距离小于等于此值时，起飞航空器必须 飞离跑道；SD1一个距离值，后面降落的航空器距跑 道入口的距离小于此值时，不能发布起飞指令.(1) 两条跑道全部用于降落时的跑道容量.到达容量为连续降落航空器在跑道入口的平 均时间间隔的倒数，连续降落航空器在跑道入口 的平均时间间隔取决于间隔规则的应用.目前对近 距平行跑道容量分析以隔离运行为主，隔离运行 的间隔规则采用单一的水平间隔.近距平行跑道相 关进近对于到达单元内航空器间采用垂直间隔和 水平间隔的复合间隔，垂直间隔由高边和低边的 高度差实现，水平间隔由管制员控制到达单元内 两航空器间的斜距实现，而对于两个到达单元之 间的间隔采用单一的水平间隔，如图 2 所示.Vii 类航空器的速度；图 2近 距 平 行 跑 道 相 关 进 近 间 隔 要 求Fig. 2Separation requirement for dependent approach由 图 1 可 知 ，RWY XXR 的 下 滑 角 为i，RWYXXL 的下滑角为j，假定i 采用标准下滑角 3，且ij，采用 RWY XXR 进近着陆的航空器只能是轻型机和中型机（不包括 B757）, 采用 RWY XXL 进近着陆的航空器类型没有限制.根 据 FAA ORDER JO 7110.308 的 规 定，航 空第14卷 第6期近距平行跑道相关进近模式容量分析185器 i 和航空器 j 之间配备一定的斜距，航空器 k 和航 空 器 j 之 间 满 足 单 跑 道 的 间 隔 规 定. 计 算 两 条 跑道全部用于降落时的跑道容量，需分别计算到 达单元内两架航空器在跑道入口处的时间间隔Tij 及相邻两个到达单元的时间间隔Tjk ，为了保 证每一个到达单元中的航空器间都满足相关进近条件，需使得在机场运行的机队中轻型机和中 型 机（不 含 B757）的 总 比 例 超 过 50% ，则 跑 道 容 量 C 为为了满足相关进近的两架航空器之间的间隔要求，即D - X (t ) L2 - d2（6）j i0可推得L - d22 D - D +（7）vivjvj 当 vj vi 时，两架航空器的最小间隔发生在后机 j 到达位置点 FAG的时刻.此时前机距 FAG 处的距离为1C = CA = 2 （1）Pi j Tij +Pj k Tjkxi (t) = vi （8）i I j Jj J k I为了满足相关进近的两架航空器之间的间隔要求，即式中I = 轻 型 机 ；中 型 机 （不含B757） ；J = 轻 型 机；中 型 机；重 型 机 .假设前机 i 在 t=0 时刻到达 RWY XXR 的公共 进近航段起始点 FAG，后机 j 在其后间隔到达位 置 点 FAG，则 前 机 i 在 时 刻 t 时 距 RWY XXR 的 FAG 处的距离为22vi L - d（9）可推得L2 - d2 （10）vi因此可得两架航空器在跑道入口处的时间间隔 Tij .Xi (t) = vi t（2）后机 j 在时刻 t 时距 RWY XXL 的 FAG处的距离为L2 - d2, vj viv= Xj (t) = vj (t - )（3）jT（11）ij DL2 - d2D-+, vj vi在两条航向道上相关进近的两架航空器应满足一定的斜距 L. 当 vj vi 时，两架航空器的最小间隔发生在前机 i 到达跑道入口的时刻 ti0 . vjvivi同理可计算得Sjk,vk vj vkTjk = （12）DS D - D +ti0 = v（4）jk, v v vk vjvjkji此时后机距跑道入口的距离为（2）两个到达单元之间插入一架起飞航空器.在两个到达单元之间插入一架起飞航空器， 如图 3 所示，需遵守以下限制条件：DD - Xj (ti0) = D - Vj ( v - )（5）i图 3两 个 到 达 单 元 之 间 插 入 一 架 起 飞 航 空 器Fig. 3A departure aircraft inserted between two arrival units 186 交通运输系统工程与信息 2014 年 12 月 同一条跑道上落地的航空器已脱离跑道，才能发布起飞指令； 在另一条平行跑道上落地的航空器主轮接 地，才能发布起飞指令；同一条跑道上后续落地的航空器距跑道入口SD1，才能发布起飞指令； 同一条跑道上后续落地的航空器距跑道入 口 SD，前机已经飞离跑道；此时跑道容量为起飞的航空器插入到两个到达单元之间的时序图如图 4 所示，为了保证每两个到达单元之间都 能插入 1 架起飞航空器，可能需要人为增大两个单 元之间的间隔，即 Tjk 的值必须满足 2.2 节中（2）的 4 个限制条件.从图 4 可知，满足限制条件 ，即+ SD jtou chaiijT max t,R - T + R（16）jk2davk满足限制条件 ，即Tjk3 maxtjtou ch,Rai - Tij +SD1（17）C = CA + CD（13）vk因为每两个到达单元之间都插入一架起飞航由 2.2 节的（1）可知满足航空器 j、k 间管制规则，必须满足空器，因此起飞容量为到达容量的 1 .2Sjk1 3（14）C = CA + 2 CA = 2 CA1,vk vj vkTjk1 = （18）S D - D +CA = 2 （15）jk, v tjtou ch + Tij两 个 到 达 单 元 之 间 插 入 一 架 起 飞 航 空 器 的 时 序 图A timing diagram for a departure aircraft between two arrival units图 4Fig. 43模型应用3.1 输入描述上海/浦东机场是中国最繁忙的枢纽机场之一，具有三条平行跑道 16/34、17L/35R、17R/35L，其跑道构型如图 5 所示，其中 17L/35R、17R/35L 为 一组近距平行跑道.以 35R 跑道作为低边进近跑道第14卷 第6期近距平行跑道相关进近模式容量分析187为例，该跑道公共进近段长度 16 km,到达单元内两航空器之间的斜距取 1.5 nm.为 CA=40 架次/小时，起飞容量为 CD=20 架次/小时，总容量为 C=60 架次/小时.而相同条件下如果采用隔 离运行方式，在仅用于降落时，C=CA=33 架 次/小 时 ， 一 起 双 降 时 ，CA=32 架 次/小 时 ，起 飞 容 量 为 CD=16 架次/小时，C= 48 架次/小时.采用相关进近运行 模式对于全落情况下跑道容量可以提升 24.2%，一 起双降情况下跑道容量可以提升 25%.随着中型机（不含 B757）和轻型机比例的增 加，跑道容量的变化曲线如图 6 所示，随斜距 L 的 增加，跑道容量的变化曲线如图 7 所示.图 5Fig. 5上 海 / 浦 东 机 场 跑 道 构 型 图Geometry of runways for Pudong airport航班流机型比例和进近平均速度如表 1 所示.各机型跑道占用时间如表 2 所示.雷达尾流间隔标 准如表 3 所示.表 1航 班 流 机 型 比 例Table 1Proportion of aircraft categories in aircraft fleet中型机（不含B757）机型轻型机重型机B757所占比例（%） 进近平均067.430.9531.62120130140150 速度（kt） （%）容 量 随 机 型 比 例 变 化 的 曲 线图 6表 2各 机 型 跑 道 占 用 时 间Fig. 6Capacity curve on the proportion of aircraftTable 2Runway occupancy times for all kinds ofaircraft categories（s）中型机（不含B757）机型轻型机B757重型机从入口至接地点时间 从入口至 脱离跑道时间离场占用跑道时间86664050505030404040表 3雷 达 尾 流 间 隔 标 准（m）Table 3 Radar in-trail separation standard （km）图 7容 量 随 斜 距 L 变 化 的 曲 线 前机机型 Fig. 7Capacity curve on radar separation diagonally L后机机型中型机轻型机B757 重型机 （不含 B757） 轻型机中型机（不含B757）B75766610661010101210104研究结论借 鉴 国 外 近 距 平 行 跑 道 相 关 进 近 的 运 行 理 重型机 6 6 8 8 念，根据相应的管制规则建立相关进近运行模式下进场、进离场混合两种情况下的跑道容量模型. 近距平行跑道相关进近改变了隔离运行模式下前 后两架航空器之间只配备水平间隔，采用在特定 航空器对之间配备水平间隔和垂直间隔相结合的 复合间隔，从而减少相关航空器组之间的水平距（下转第 193 页）3.2 结果分析将 以 上 数 据 代 入 式（1），计 算 得 到 全 落 运 行 方式下，到达容量为 CA= 41 架次/小时. 将以上数 据代入式（14）和式（15），计算得到两个到达单元 之间插入一架起飞航空器运行方式下，到达容量第14卷 第6期一种基于交通流模式的扇区运行容量计算方法193Aeronautics and Astronautics，2011.李正欣, 张凤鸣，李克武. 基于 DTW 的多元时间序列 模式匹配方法J. 模式识别与人工智能，2011，24(3):425- 430. LI Z X，ZHANG F M，LI K W. DTW based pattern matching method for multivariate time seriesJ. Pattern Recognition and Artificial Intelligence，2011，24(3):425-430.赵嶷飞, 刘文, 王红勇. 基于 K-means 的飞行航迹模 式 识 别 J. 科 学 技 术 与 工 程 ，2014, 27(14): 314-317. ZHAO Y F，LIU W，WANG H Y. Air traffic flow pattern recognition based on K- meansJ. Science Technology and Engineering, 2014, 27(14): 314-317.910（上接第 187 页）离以达到增加跑道容量的目的.以上海浦东机场的一组近距平行跑道为例，对于两条跑道全部用于 降落、两个到达单元之间插入一架起飞航空器两 种情况进行了算例分析，并给出了跑道容量随机 型比例、相关航空器之间斜距两个关键参数的变 化曲线.of a paired approach procedure to closely spacedparallel runways in instrument and marginal visual conditionC. St. Paul，MN: Digital Avionics Systems Conference，2008FAA. FAA ORDER JO 7110.308E,（2010- 9- 01）2014-3-20. /.郭海琦，朱金福. 近距平行跑道容量及延误水平计算 模型J . 交通运输工程学报，2008，8(4)：68-72. GUO H Q, ZHU J F. Calculation models of capacity and delay for closely spaced parallel runwayJ. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2008,8(4