基于運行容量仿真的近距平行雙跑道設計快速評估研究

劉瑩穎 王程亮 云朋

(1.中國航空規劃設計研究總院有限公司BIM 工作室，北京 100120；2.中國航空規劃設計研究總院有限公司機場院，北京 100120)

引言

為了解決土地資源限制，提升飛行流量以及緩解延誤水平，近距平行雙跑道設計成為不少改擴建機場或是新建機場的選擇之一。伴隨著國內機場大規?；A設施建設，滿足多類機型運行要求，最大化機場使用流量，這便需從頂層設計開始，全面考慮機場運營管理需要，借助先進的技術手段開展科學設計。

計算機仿真技術的出現為解決實際問題提供了新的定量分析及可視化決策手段。目前，它已成為設計、運行、評價及復雜系統等領域的重要工具，而近距平行雙跑道設計無論從資源節約還是滿足多樣性方面都是經常選用的設計方案。因此，本文基于計算機仿真工具，對近距平行雙跑道機場設計進行邏輯仿真，通過建立整個機場設施設備航空器運行的微觀模型并借助主要機型參數，定量計算出標準設計下機場運行的最高效率值，以此對設計開展評估。未來可通過該技術路徑不斷的循環過程對比分析迭代優化出最佳的設計參數，實現規劃設計從“可用性”向“最優化”的轉變。

1 微觀仿真技術

微觀仿真技術于上世紀90 年代末開始進入我國，主要應用于交通領域，即通過計算機仿真技術來對現實中交通態勢的時空變化進行跟蹤描述，實現在不同的現實交通條件下，高精度、高真實度地模擬實際的交通情況，反映出交通系統的特性與不足[1]。與宏觀交通仿真不同，微觀交通仿真注重考慮每個運行實體（即車輛）的行為與交通單元的交互，在城市交通仿真或區域交通仿真中應用較廣。對于機場設計而言，屬于區域交通范疇，對機場飛行區域運行進行微觀仿真，需實現對航空器個體微觀行為仿真，從機場容量最大化、飛行計劃最優化、效率最優化等角度精確反應航空器運動過程，進而體現整個系統運行的宏觀性能，從而檢驗并優化最終設計成果。

2 研究思路

本文采用計算機微觀仿真技術對標準近距平行雙跑道機場（即跑道中心線之間距離小于760m 的平行跑道）運行進行微觀建模，此模型以單位時間內航空器運行數量、航空器進離場消耗時間為微觀分析參數對跑道運行效率影響的指標[2,3]。首先，對單、雙跑道單架與多架航空器運行的微觀模型進行理論研究與分析，確定設計變量參數、建模參數等系統參數；然后建立整個機場近距平行雙跑道設計、相關設施設備、航空器運行、飛行流程等微觀模型；再次通過創建仿真流程圖以設置相關模塊屬性、路徑等，構建起該機場運行仿真環境；最后基于相關研究及實際數值設置仿真參數，開展整個機場單、雙跑道運行的微觀邏輯仿真，計算跑道多模式運行情況下的實際容量，并開展對比分析，從運營視角提前對標準設計成果進行評估，為指導實際設計提供量化參考。詳細的技術路徑如圖1所示。

圖1 技術路徑

3 仿真實驗

近距平行雙跑道設計由于尾流影響，出于安全因素對不同機型有不同飛行間隔的要求，因此在實際仿真過程中需有較大的自由度實現對多項狀態數據的跟蹤與參數的調節；另一方面，一些專業的邏輯仿真平臺，如SIMMOD、VISSIM 等，這些擁有固定流程與模型的仿真軟件專業性強但自定義程度低且只能針對民航領域。所以綜合考慮適用范圍與可擴展性，增強仿真實驗的自由度以及后續自主研發的可移植性，本文選擇在通用邏輯仿真平臺上建立起自研的仿真路徑并開展二次開發，快速計算近距平行雙跑道多模式運行狀態下的實際容量，以此驗證設計的有效性，并進行合理優化。

3.1 建立標準設計機場運行的數學模型及設置仿真條件

就機場運行仿真而言，這里需要建立的數學模型包括三組：建立整個機場設施設備的系統動力學模型；從離散事件的特征出發，建立正常運行、設施布局的離散事件系統模型；以及跑道容量計算模型。在此基礎上，開發設置滑行路徑、飛行計劃等，以及設置相關模塊屬性，就可以構建起機場仿真環境，通過預設的參數調節，運行仿真模型，開展定量分析。為保證更加逼真的模擬機場的實際運行過程，本文對仿真條件進行了如下設置：

（1）機型的選取。根據《民用航空空中交通管理規則（中華人民共和國交通運輸部令2017 年第30 號）》[4]，尾流等級根據機型種類而定，按照航空器最大允許起飛權重分為重型機、中型機、輕型機，根據《2021 年民航行業發展統計公報》[5]統計：截至2021 年底，民航全行業客運飛機的占比為：寬體飛機11.5%、窄體飛機78.4%、支線飛機5.3%，按照其重量劃分，國內主要機場機型以中型機和重型機為主，因此，本文建立的航空器仿真模型以中型機及重型機作為主要機型代表；

（2）跑道構型設置。微觀仿真中，按照某標準近距平行雙跑道設計1m=0.56 像素等比例進行縮放，置于仿真軟件中；

（3）變量參數。由于部分航空器實際運行數據受到使用限制，因此本文將敏感參數設置為可自定義值的變量進行輸入；同時為了逼近實際運行過程，假設各環節的完成時間服從正態分布，在對單跑道側運行微觀仿真中平均維護時間、平均登機時間、平均出庫速度、滑行速度、離地速度、起飛時間、尾流效應間隔等，均設置為滿足正態分布的自定義變量參數。在平行雙跑道側運行微觀仿真中，為便于計算，采用基于時間的間隔（TBS，Time-based separation）[6]航空器進離場跑道容量模型開展容量計算，簡化系統，忽略航空器在停機坪及滑行道上的運行過程，以進場或離場消耗時間以及機型數量為變量開展仿真。

同時，為了便于問題的研究和計算，本文還進行了假設及條件設置，如圖2 所示。

圖2 仿真假設及條件設置

3.2 單跑道多架航空器離場運行微觀仿真

基于整個標準近距平行雙跑道布局，綜合航空器運行的多項運行指標輸入及滑行路徑，可以搭建起一套航空器從停機位起始到離場整個運行過程的仿真環境，結合運行多架次航空器單跑道依次起飛的運行仿真流程，就可開展跑道的實時容量計算與評估。仿真系統界面分為了五個區域：視角切換區、邏輯程序區、三維動畫演示區、輸出結果區以及全局變量自調節區，如圖3 所示；其中，三維動畫演示區為設計和物理模型建立并模擬機場實際運行的區域；邏輯程序區包括所有對參數的定義、離散事件模型的建立、仿真流程的創建、控制及開發；結果輸出區可定量查看跑道運行的實際數據，這里主要以容量和飛機在各階段的運行時間作為結果輸出；而全局變量自調節區即為該仿真系統的輸入，參照相關飛機數據進行模塊和參數的設置，作為初始輸入開展仿真計算。

圖3 系統功能分區

對于離場飛機其運行過程，首先是在原地運行例行維護，維護完后等待客人登機，再排隊出停機位，為了避免擁擠，在滑行道設計6 個等待點，當等待點位置已滿，飛機暫不出停機位，等待等待點空出，保證正常的排隊模式。

當經過所有等待點、到達起飛點，等待尾流效應間隔后，便可起飛離開跑道。當前序飛機離開跑道后，下一架飛機經過尾流間隔也可繼續離場。詳細流程如圖4（a）所示，整個流程中不再單獨建立與塔臺的交流監管流程，將此部分時間疊加到每個飛機位置改變環節中。同時，對于飛機這一智能體，通過添加對其控制的屬性變量和函數，如編號、停機位、出庫序號等，可隨時獲取其狀態，如圖4（b）所示，另一部分是飛行參數，如速度、等待時間等，在仿真系統中作為可調輸入值進行錄入，如圖4（c）所示，此處按中型機數據初始化。

圖4 仿真條件設置

通過運行上述單跑道單機離場仿真系統可得到運行結果，如圖5 所示。圖5（a）是在初始條件下，單跑道單機起飛從出庫到離開跑道的運行時間分布，通過圖5（b）、（c）、（d）記錄可知單機起飛從出庫到離開跑道的平均花費總時間是13.6min，起飛容量是22架次，其中機位等待+出庫13.23min，滑行道排隊4.38min，起飛離開跑道3.69min（包括尾流等待）。由于機位等待+出庫花費時間最長，因此從設計層面可考慮增加跑道入口，增加起飛點來減少排隊時間。

圖5 仿真結果

3.3 多角度的評估雙跑道機場跑道容量

按照文獻[4]的要求，要實現對標準近距平行雙跑道機場容量的全面評估，不僅需考量進、離場的運行模式，還需考量當前等待起降的機型與其前序已進行起降機型的對應關系。因此對進離場機型進行設置編排，可以更好地模擬實際情況。為了反應跑道系統的最大服務能力，假設跑道入口等待點或終端區一直有準備好進場或離場的航空器存在[7]，采用基于TBS 的航空器進離場跑道容量模型開展容量計算，可簡化航空器實際運行流程：以跑道為研究對象，忽略出庫、滑行道滑行等過程，以不同機型之間的間隔時間（尾流間隔時間及跑道占用時間）關系作為輸入條件搭建單、雙跑道運行模式下，進離場的跑道容量評估系統，實時計算跑道容量，可快速輔助設計開展評估。

為保證航空器安全、有序進離場，滿足不同機場性質運行要求，本文單、雙跑道航空器運行規則為：方式一按機型比隨機產生以及方式二指定若干中型機與若干重型機為一編組交替切換進離場，數量可通過系統中調節滑桿進行自定義，根據《平行跑道同時儀表運行管理規定》[8]第二章第十條，對于跑道中心線小于762m 的平行跑道上運行的航空器，必須執行單跑道運行模式下的尾流間隔標準。因此對于單跑道，根據文獻[4]第五節規定：“尾流間隔標準根據機型種類而定，當使用同一跑道，前、后起飛離場的航空器為重型機和中型機、重型機和輕型機、中型機和輕型機，其非雷達間隔的尾流間隔不得少于2min”。按照該要求，設置各機型間的間隔時間，可開展單跑道運行要求下的雙跑道運行容量計算。

（1）基于TBS 及單跑道運行要求下的近距平行雙跑道離場、進場容量仿真

對于單跑道而言，按方式二機型交替切換模式依次離場，每次離場一架，針對不同機型，起飛等待時長不同，在邏輯上通過獲取當前等待機型和上一架離場機型所屬型號，計算出當前航空器等待起飛時長，即可獲得其起飛時間，一小時內的起飛數量即為單跑道離場容量，因此可建立起單跑道航空器離場邏輯仿真系統，如圖6 所示。

Source3 按照設置的中型機和重型機數量交替產生不同種類航空器，運行時中型機在前、重型機在后，參考上述尾流標準，本仿真間隔時長可分為兩類：一，前機是重型機，后機是中型機間隔；二，除第一種情況外的正常間隔。將兩種間隔時間設為可調的輸入變量，固化在delay 和delay1 模塊中進行等待，通過selectoutput 模塊選擇判斷前序航班類型，分配等待時長，等待結束后，當前飛機即可到達起飛點起飛。

而對于雙跑道運行而言，考慮兩個跑道同時有重型機和中型機進場或離場，且重型機先離場的情況會對等待時長造成影響，后起飛的中型機須滿足進、離場運行最小間隔后方可起飛，其它起飛狀態與單跑道運行狀態一致，流程圖如圖7 所示。

圖7 雙跑道離場流程圖

T1*，T2*為獨立跑道運行狀態下每架航空器的起飛時間，在編隊已知，t1、t2 已知的情況下，T1*、T2*在產生航空器的時候就已確定，只需判斷當前、后起飛離場的航空器為重型和中型航空器狀況下的T1*和T2*的時間間隔，是否滿足近距平行雙跑道離場運行的最小間隔即可。

由此基于JAVA 二次開發可構建起雙跑道離場邏輯仿真系統如圖8 所示，并將機型數量和等待時間設置成調節滑桿，隨時進行動態修改，根據尾流間隔要求[4]以及4.2 節的仿真結果，設置本次離場仿真參數初值t1 為2min，t2 為3min，并將單、雙跑道運行時的每條跑道以同樣的數量及交替形式運行，可得到統計結果：單跑道離場容量是20 架次，雙跑道離場容量是32架次；同樣根據進場尾流標準[9，10]設置t1 為89s，t2為124s，采用同種編組形式及數量仿真，運行得到單跑道進場容量是25 架次，雙跑道進場容量是39 架次，如圖9 所示。

圖9 單、雙跑道離場與進場仿真運行結果對比

通過上述仿真結果對比發現，近距平行雙跑道運行的進、離場容量提升效果一般，究其原因在于過大的尾流間隔標準，使得間隔時間較長。而近距平行雙跑道設計本身受限于土地資源，因此只有通過對跑道的幾何構型進行合理優化，縮小航空器的尾流間隔,以此提升跑道運行容量。通常而言，當跑道間距受到限制時,采用增大跑道錯列距離的方法可以有效縮小前后進近航空器的縱向間隔[11]。當飛機按照相關平行進近模式進場時，前后航空器的縱向間隔由后機控制，后機于前機的縱向距離只要滿足大于前機最小碰撞風險間隔小于前機尾流避讓間隔就可幾乎完成和前機的同時進近。因此本文接下來將針對近距平行跑道的錯列距離設計進行容量仿真，優化跑道設計。

（2）錯列式近距平行跑道進場容量評估

根據設計修改平行跑道錯列距離D 如圖10 所示，以FAP 最后進近點作為進近的最終階段起點，開展航空器進場仿真，評估不同錯列距離下跑道進場容量。

圖10 錯列式近距平行跑道進場示圖

圖中R1 和R2 表示兩條近距跑道，其兩端的中心距離為C，i 和j 分別代表采用R2 著陸的前機和采用R1 著陸的后機，兩機下滑角分別為a2 和a1，兩者高度差為Δh，平面S 為垂直于跑道的平面，在此處，前機i 會產生對后機j 的下沉尾流，其強度與中心距離C關系緊密，即與跑道構型息息相關。

按照尾流標準本次仿真中考慮120s 內的下沉尾流，對于尾流的側向運動暫不分析，初始時刻前機i 在平面S 處產生了尾流，其不僅會影響到相近跑道后機j 以及本跑道運行后機k，假設j 到達S 平面的時刻是T1，k到達S 平面的是時刻是T2，在T1 與T2 這段時間內尾流下沉的距離即為Δh，通過各類尾流分析研究以及FAA 的尾流觀測報告，可以得到這些變量之間的關系，滿足上式（1）（2）。

由于T2 取決于單跑道前后機進場的最小間隔，而前面雙跑道進場仿真中滿足所有機型相關進近的最大尾流間隔是124s，大于120s，因此T2 可設置為120s。當下滑角及錯列距離確定，Δh值也就確定，T1 值也可計算出來。按照航空器的進近速度：重型機161Kt，中型機145Kt，可求得相關進近航空器之間的縱向間隔，以此設置仿真環境變量，建立錯列式近距平行跑道進場容量仿真系統，運行結果如表1 ～表2 及圖11 所示，可以看到隨著錯列距離的提高，跑道容量得到了顯著提升。

表1 相關環境參數設置及仿真結果1

表2 相關環境參數設置及仿真結果2

圖11 不同錯列距離近距平行跑道進場容量仿真結果對比

4 仿真分析

通過從離散事件仿真到等效時間間隔的流程仿真，本文從多個角度對近距平行跑道設計開展了容量仿真，經過分析對比發現跑道設計的多項參數都會對跑道運行效率造成影響：適當的增加跑道入口數量，可減少排隊時間，提高跑道運行效率。而對于近距平行跑道，尾流是影響其容量的關鍵因素，當前機機型確定時，后機通過前后間的縱向間隔或者等效最小時間間隔可以進行避免，對于相關進近的后機，其縱向間隔要小于前機尾流消散所需的縱向間隔，因此通過優化機場的設計構型，削減尾流帶來的影響，可以較大程度的提高近距平行跑道的容量。

5 總結

本文結合計算機仿真技術，面向不同類型機場的使用需求，建立了一套快速的基于運行容量仿真的近距平行雙跑道設計評估方法，并開發了對應的原型系統。

該系統針對單雙跑道運行，通過參數調節模式可按照設置機型比方式或者編組交替運行方式開展進、離場方式設置，并可自定義不同類別機型及其尾流時間，快速開展跑道容量的實時仿真計算與設計評估。同時針對近距平行跑道容量受限，本文拓展了錯列距離設計的容量評估模型，從多個角度對標準近距平行雙跑道設計進行了仿真與評估，為優化機場設計構型，提高機場運行效率提供了更直觀且快捷高效的手段。

未來將繼續圍繞計算機仿真技術在近距雙跑道設計領域不斷深化研究，從以跑道為主的容量仿真計算拓寬至機場飛行區各設計細節，研究各設計參數對機場運行效率的影響，進而優化機場設計參數，進一步輔助設計開展決策與成果評估，提高機場設計水平及核心競爭力。