李斌 謝春生

1.中國民用航空東北地區(qū)空中交通管理局 遼寧沈陽 110000;2.中國民航大學(xué) 天津 300300

摘 要：為了提高龍嘉機(jī)場(chǎng)的地面運(yùn)行效率以及降低運(yùn)行中的安全隱患，針對(duì)使用06號(hào)跑道的情況，通過地面滑行路徑和沖突等待點(diǎn)兩各層面討論了現(xiàn)有運(yùn)行模式下機(jī)場(chǎng)地面運(yùn)行存在的問題。針對(duì)性的提出了兩種優(yōu)化方案，結(jié)合典型航班日的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過AirTOp仿真軟件，分別對(duì)現(xiàn)行以及兩種優(yōu)化方案下的機(jī)場(chǎng)地面運(yùn)行進(jìn)行模擬，對(duì)仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和對(duì)比，得出方案能夠減少等待時(shí)間與飛機(jī)滑行的沖突點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：龍嘉機(jī)場(chǎng);地面滑行;優(yōu)化方案;AirTOp

航空器地面滑行路徑規(guī)劃問題本質(zhì)上是一類資源規(guī)劃調(diào)度問題，即研究為多架航空器分配共享的、有限的場(chǎng)面滑行資源，以使航空器完成搞笑的滑行，并使整體規(guī)劃目標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。[1]國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)針對(duì)滑行路徑優(yōu)化開展了多方面的研究。2006年Marín將場(chǎng)面運(yùn)行過程看作是線性多物流網(wǎng)絡(luò)，以總滑行時(shí)間最小為目標(biāo)構(gòu)造數(shù)學(xué)模型，采用分支定界法對(duì)分時(shí)間段的航班同時(shí)進(jìn)行航班調(diào)度排序和滑行路徑優(yōu)化問題求解。[2]2010年P(guān)rateek Gupta等人在研究路徑優(yōu)化問題時(shí)，將研究時(shí)段劃分時(shí)間窗，采用Dijkstra算法求得最短滑行路徑，然后以時(shí)間窗內(nèi)延誤時(shí)間最短為指標(biāo)，使用MILP方法建立無沖突滑行路徑模型。[3]2012 年李楠針對(duì)滑行沖突影響飛行安全的狀態(tài)問題，提出在路徑優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中加入航空器滑行規(guī)則、滑行間隔要求及路由沖突避免限制三個(gè)約束條件，利用A*算法給出了問題的優(yōu)化航班滑行總時(shí)間。[4]2015年王玄對(duì)機(jī)場(chǎng)沖突熱點(diǎn)區(qū)域的時(shí)間和空間分布特點(diǎn)進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上提出基于有向圖的航空器路徑優(yōu)化模型，并設(shè)立相關(guān)約束條件。[5]

當(dāng)前，隨著旅客出行需求和貨郵運(yùn)輸量的日益增長(zhǎng)，長(zhǎng)春龍嘉機(jī)場(chǎng)作為東北亞航空樞紐機(jī)場(chǎng)，對(duì)航班量的需求愈益增加。然而，有限的空域資源和地面設(shè)施正逐漸成為約束航班量增長(zhǎng)的瓶頸。龍嘉機(jī)場(chǎng)跑滑系統(tǒng)規(guī)模相對(duì)不大，但由于部分滑行路徑以及停機(jī)位區(qū)域劃分設(shè)置不合理，其航班在地面運(yùn)行過程中的滑行效率問題逐漸凸顯，這無疑會(huì)對(duì)航班放行正常性、機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)調(diào)度指揮以及機(jī)場(chǎng)整體運(yùn)行效率造成一定程度的影響。在現(xiàn)有運(yùn)行條件下，對(duì)龍嘉機(jī)場(chǎng)的跑道、滑行道構(gòu)型和運(yùn)行模式進(jìn)行研究分析，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，提出可行的改進(jìn)方案，并使用AirTOp仿真工具加以比較，在提高機(jī)場(chǎng)航班的地面運(yùn)行效率的同時(shí)降低運(yùn)行中的安全隱患。

1 龍嘉機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)運(yùn)行情況

龍嘉機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)目前擁有1條跑道，1條與跑道平行的滑行道A，另有一條未貫通的平行滑行道H，以及L1-L4，H1-H4若干垂直聯(lián)絡(luò)道及機(jī)坪滑行通道等。

在龍嘉機(jī)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行中，使用06號(hào)跑道時(shí)的運(yùn)行效率問題相較24號(hào)跑道更為突出，因而本文針對(duì)使用06號(hào)跑道時(shí)的地面運(yùn)行效率進(jìn)行研究分析。

在龍嘉機(jī)場(chǎng)現(xiàn)行的運(yùn)行方案下，進(jìn)港飛機(jī)?？緼08-A14停機(jī)位時(shí)，航空器由L3聯(lián)絡(luò)道沿L滑行線進(jìn)入各機(jī)位;?？緼15-A19停機(jī)位時(shí)，航空器由L2聯(lián)絡(luò)道沿L滑行線進(jìn)入各機(jī)位;?？緼20-A28、101-109機(jī)位?？繒r(shí)，航空器由L1聯(lián)絡(luò)道沿L滑行線進(jìn)入各機(jī)位;?？?10-220停機(jī)位時(shí)，航空器由H4聯(lián)絡(luò)道沿L滑行線進(jìn)入各機(jī)位;?？?21-232停機(jī)位時(shí)，航空器由H3聯(lián)絡(luò)道沿K1滑行線進(jìn)入各機(jī)位;停靠B01-B05停機(jī)位時(shí)，航空器由H3聯(lián)絡(luò)道沿K1滑行線進(jìn)入各機(jī)位。對(duì)于離港飛機(jī)，?？緼08-A14停機(jī)位時(shí)，航空器沿L滑行線由L4聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入A滑，?？緼15-A19停機(jī)位時(shí)，航空器沿L滑行線由L3聯(lián)絡(luò)道沿進(jìn)入A滑，?？緼20-A28、101-109停機(jī)位時(shí)，航空器沿L滑行線由L2聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入A滑。?？?10-220停機(jī)位時(shí)，航空器沿L滑行線由L1聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入A滑，?？?21-232停機(jī)位時(shí)，航空器沿K2、L滑行線由H4聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入A滑，?？緽01-B05停機(jī)位時(shí)，航空器由H2聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入A滑。

2 地面運(yùn)行分析及優(yōu)化方案

由上一節(jié)對(duì)運(yùn)行情況的介紹可知，目前運(yùn)行的方案總體依據(jù)原則為使用就近聯(lián)絡(luò)道，進(jìn)離港航班并未通過聯(lián)絡(luò)道隔離運(yùn)行，在目前航班量較低的情況下，管制員可以依據(jù)實(shí)際情況靈活指揮，該方案有利于各航空器沿理論上距離最短的路徑滑行。然而隨著航班量的增加帶來的管制員符合增加，在目前運(yùn)行中未暴露出的H2、H3、H4、L1、L2、L3和A滑的交匯處的匯聚和交叉沖突;滑行道H2、H3、H4、L1、L2、L3上對(duì)頭沖突將存在很大的安全隱患。

基于以上討論和分析，依據(jù)以下幾個(gè)原則，提出兩個(gè)較為貼合實(shí)際的優(yōu)化方案。（1）停機(jī)位區(qū)域內(nèi)部形成循環(huán);（2）停機(jī)位區(qū)域之間避免對(duì)頭沖突;（3）主要使用的停機(jī)位滑行距離與滑行時(shí)間盡可能最短;（4）避免現(xiàn)行方案一些關(guān)鍵道口因沖突而產(chǎn)生的等待。

方案一的滑行方案為：進(jìn)港飛機(jī)?？緼08-A19停機(jī)位時(shí)，航空器由L3聯(lián)絡(luò)道沿L滑行線進(jìn)入各機(jī)位;停靠A20-A28、101-109、210停機(jī)位時(shí)，航空器由L1聯(lián)絡(luò)道沿L滑行線進(jìn)入各機(jī)位;?？?11-217停機(jī)位時(shí)，航空器由L1聯(lián)絡(luò)道沿H滑行線經(jīng)H4沿L進(jìn)入各機(jī)位;停靠218-221停機(jī)位時(shí)，航空器由L1聯(lián)絡(luò)道沿H滑行線，經(jīng)H4后，沿L進(jìn)入各機(jī)位;或由H4聯(lián)絡(luò)道沿L滑行線進(jìn)入各機(jī)位;停靠222-232停機(jī)位時(shí)，航空器由L1聯(lián)絡(luò)道沿H滑行線，經(jīng)H4后，沿L經(jīng)K1滑行線進(jìn)入各機(jī)位;或由H4聯(lián)絡(luò)道沿L滑行線經(jīng)K1滑行線進(jìn)入各機(jī)位;?？緽01-B05停機(jī)位時(shí)，航空器由L沿K1滑行線進(jìn)入各機(jī)位。離港飛機(jī)?？緼08-A14停機(jī)位時(shí)，航空器沿L滑行線由L4聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入A滑;?？緼15-A19，A20-A28停機(jī)位時(shí)，航空器沿L滑行線由L2聯(lián)絡(luò)道沿進(jìn)入A滑，?？?01-109停機(jī)位時(shí)，航空器沿L滑行線由L2聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入A滑;?？?10-217停機(jī)位時(shí)，航空器沿L滑行線由L2聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入A滑;?？?18-221停機(jī)位時(shí)，航空器沿L滑行線由L2聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入A滑;?？緽01-B05停機(jī)位時(shí)，航空器由H2聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入A滑。

該方案的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：（1）避免了現(xiàn)在運(yùn)行方案下的大量潛在沖突。（2）優(yōu)化了停機(jī)位區(qū)域的劃分，令210機(jī)位使用與A20-A28，101-109機(jī)位區(qū)域相同的進(jìn)離港滑行路徑。將原先的210-220與221-232區(qū)域優(yōu)化為221-217與218-232區(qū)域，有利于進(jìn)離場(chǎng)滑行路線的分離。（3）避免了快速脫離道D與垂直聯(lián)絡(luò)道L1交匯處存在的進(jìn)、離港飛機(jī)之間嚴(yán)重的安全隱患。

方案一也存在一定缺陷，為了消除安全隱患，211-217區(qū)域的飛機(jī)離場(chǎng)時(shí)將長(zhǎng)時(shí)間使用L滑行道，因而影響A20-28，101-210區(qū)域飛機(jī)的推出。部分機(jī)位因?yàn)檫M(jìn)、離場(chǎng)垂直聯(lián)絡(luò)道的隔離使用，滑行路徑有所增加。

方案二的滑行方案為：進(jìn)港飛機(jī)停靠A08-A14停機(jī)位時(shí)，航空器由L2聯(lián)絡(luò)道沿L滑行線進(jìn)入各機(jī)位，停靠A15-A19停機(jī)位時(shí)，航空器由L2聯(lián)絡(luò)道沿L滑行線進(jìn)入各機(jī)位，?？緼20-A28、101-109、210停機(jī)位時(shí)，航空器由L2聯(lián)絡(luò)道沿L滑行線進(jìn)入各機(jī)位，?？?11-217停機(jī)位時(shí)，航空器由H4沿L進(jìn)入各機(jī)位，?？?18-221停機(jī)位時(shí)，航空器由H4沿L進(jìn)入各機(jī)位，?？?22-232停機(jī)位時(shí)，航空器由H4沿L經(jīng)K1滑行線進(jìn)入各機(jī)位，?？緽01-B05停機(jī)位時(shí)，航空器由H4沿L經(jīng)K1滑行線進(jìn)入各機(jī)位。離港飛機(jī)?？緼08-A14停機(jī)位時(shí)，航空器沿L滑行線由L4聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入A滑，?？緼15-A19停機(jī)位時(shí)，航空器沿L滑行線由L3聯(lián)絡(luò)道沿進(jìn)入A滑，?？緼20-A28、101-109、210停機(jī)位時(shí)，航空器沿L滑行線由L1聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入A滑。?？?11-217停機(jī)位時(shí)，航空器沿L滑行線由L1聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入A滑，停靠218-221停機(jī)位時(shí)，航空器沿L滑行線經(jīng)H3由H經(jīng)L1進(jìn)入A滑，?？緽01-B05停機(jī)位時(shí)，航空器經(jīng)H2由H經(jīng)L1進(jìn)入A滑。

方案二的優(yōu)點(diǎn)為：（1）在規(guī)避了現(xiàn)運(yùn)行模式中存在的大量沖突的前提下，對(duì)比方案一機(jī)坪運(yùn)行效率有所提升。（2）從機(jī)坪運(yùn)行安全角度出發(fā)，避免快速脫離道與機(jī)坪垂直滑行道交匯處存在的進(jìn)離港的航班流的安全隱患。（3）?？?18-232停機(jī)位的飛機(jī)離場(chǎng)使用滑行道H，可減少與由快速脫離道進(jìn)入A滑的進(jìn)港飛機(jī)的沖突和匯聚。

3 航空器地面運(yùn)行仿真建模

參考以往建模方法，[6-8]根據(jù)進(jìn)、離港路線分析和龍嘉機(jī)場(chǎng)機(jī)場(chǎng)細(xì)則中的限制要求，建立了飛行區(qū)仿真模型。建立仿真系統(tǒng)，需要對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。主要包括：（1）典型日航班時(shí)刻表，包括航空公司、航班號(hào)、機(jī)型、計(jì)劃進(jìn)離港時(shí)間、停機(jī)位、進(jìn)離港跑道編號(hào);（2）跑道占用時(shí)間（ROT）;（3）進(jìn)出港安全間隔;（4）飛機(jī)滑行速度;（5）停機(jī)位的使用按照飛機(jī)機(jī)型、航空公司來分配;（6）跑道同時(shí)只能被1架飛機(jī)占用;（7）航空器在飛行區(qū)的其他運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)參考相關(guān)規(guī)定;（8）飛行區(qū)AutoCAD布局圖。仿真系統(tǒng)主要分為機(jī)場(chǎng)道面物理模型、運(yùn)行條件設(shè)置、航班計(jì)劃導(dǎo)入、仿真顯示與控制以及仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析。

4 航空器地面運(yùn)行仿真結(jié)果分析

4.1 進(jìn)港滑行方案仿真結(jié)果分析

進(jìn)港航班地面運(yùn)行時(shí)間是指進(jìn)港航班接地時(shí)間至停機(jī)位時(shí)間之間的時(shí)間長(zhǎng)度，由于研究范圍為機(jī)坪，統(tǒng)計(jì)的進(jìn)港滑行時(shí)間為脫離跑道至停機(jī)位的時(shí)間。

由上圖分析可知，在現(xiàn)行的航班量下，現(xiàn)行方案的總體進(jìn)港滑行時(shí)間分布均勻，分布區(qū)間在1分30秒至3分鐘左右?？紤]到?jīng)_突隱患，方案二調(diào)整了部分機(jī)位的滑行路徑，導(dǎo)致部分機(jī)位的進(jìn)港滑行時(shí)間增加，然而在主用機(jī)位210-232，方案二平均滑行時(shí)間為163秒，與現(xiàn)行方案平均滑行時(shí)間156秒相差不大。方案一主要考慮運(yùn)行安全性因素，整體進(jìn)港滑行時(shí)間居中。

由上圖分析可知，在現(xiàn)行的航班量下，現(xiàn)行方案、方案一和二的進(jìn)港滑行時(shí)間整體分布均勻，分布區(qū)間在100秒至250秒，且集中分布在8時(shí)至23時(shí)，少量航班滑行在凌晨0時(shí)至3時(shí)。其中現(xiàn)行方案滑行時(shí)間最優(yōu)，平均滑行時(shí)間為114.74秒。方案二和現(xiàn)行方案的進(jìn)港滑行時(shí)間相差不大，方案二平均滑行時(shí)間為130.28秒，方案一較其他兩種方案進(jìn)港滑行時(shí)間長(zhǎng)，平均滑行時(shí)間為137.03秒。

4.2 離港滑行方案仿真結(jié)果分析

離港航班地面運(yùn)行時(shí)間是指離港航班從停機(jī)位推出到航班離地之間的時(shí)間長(zhǎng)度，由于研究?jī)?nèi)容為機(jī)坪運(yùn)行，統(tǒng)計(jì)內(nèi)容為航班從停機(jī)位推出到跑道頭之間的時(shí)間。

由上圖分析可得，現(xiàn)行方案、方案一和二的大部分機(jī)位的離港滑行時(shí)間一致，無明顯差別，且滑行時(shí)間區(qū)間在400秒至600秒。方案二在101-109機(jī)位較其他方案平均高出50秒左右。

由上圖分析可知，在現(xiàn)行的航班量下，現(xiàn)行方案、方案一和二的離港滑行時(shí)間整體分布均勻，分布區(qū)間在400秒至600秒，部分時(shí)段航班的離港平均滑行時(shí)間會(huì)達(dá)到630秒。航班集中分布在早上6時(shí)至晚上23時(shí)。在現(xiàn)行運(yùn)行情況下，現(xiàn)行方案、方案一和二的平均離港滑行時(shí)間為328.04秒、336.01秒和346.39秒，現(xiàn)行方案的離港滑行時(shí)間最短。

4.3 增量運(yùn)行仿真分析

考慮到未來龍嘉機(jī)場(chǎng)的日航班量的增加以及滑行方案對(duì)未來機(jī)場(chǎng)運(yùn)行的適應(yīng)性，以及暴露潛在的沖突點(diǎn)，綜合考慮龍嘉機(jī)場(chǎng)滑行道分布與高峰小時(shí)架次后，決定在現(xiàn)航班量基礎(chǔ)上增加20%航班量，在計(jì)算機(jī)仿真基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)滑行方案進(jìn)行分析對(duì)比。

由上圖可知，基于停機(jī)位下三種方案的進(jìn)港滑行時(shí)間在1.2倍航班量的運(yùn)行情況下，大部分機(jī)位的進(jìn)港滑行時(shí)間相差不大，整體趨勢(shì)平穩(wěn)。主用機(jī)位210-223的平均進(jìn)港滑行時(shí)間在100秒至150秒之間。

由上圖分析可知，在1.2倍的航班量下，現(xiàn)行方案、方案一和二的進(jìn)港滑行時(shí)間整體趨勢(shì)平穩(wěn)，分布時(shí)段多集中在150秒至250秒，且均集中分布在8時(shí)至23時(shí)，少量航班滑行在凌晨0時(shí)至3時(shí)。在增量運(yùn)行情況下，現(xiàn)行方案、方案一和二的平均進(jìn)港滑行時(shí)間為120.08秒、135.04秒和135.41秒，三種方案的平均進(jìn)港滑行時(shí)間相差不大。

由上圖分析可知，方案一、方案二和方案三平均滑行時(shí)間分別為552.97秒、558.05秒和555.38秒，平均離港滑行時(shí)間平穩(wěn)，三種方案之間無明顯差距。

由上圖分析可知，在1.2倍的航班量下，方案一、二和三的離港滑行時(shí)間整體分布均勻，分布區(qū)間在400秒至600秒，航班集中分布在早上6時(shí)至晚上23時(shí)，在9點(diǎn)的時(shí)間段，航班運(yùn)行出現(xiàn)高峰期，方案一的離港滑行時(shí)間達(dá)到800秒。在增量情況下，方案一、二和三的平均離港滑行時(shí)間為360.09秒、354.24秒和341.97秒，方案三的離港滑行時(shí)間最短。

4.4 等待時(shí)間分析

根據(jù)AirTOp仿真工具進(jìn)行仿真，對(duì)仿真運(yùn)行中的航班所有等待或等待（blocked狀態(tài)）進(jìn)行分析。基于AirTOp仿真工具的特點(diǎn)，這種blocked狀態(tài)按照運(yùn)行邏輯可以分為等待和沖突兩種類型。等待是由于進(jìn)入跑道排隊(duì)、起飛排隊(duì)等情況導(dǎo)致的航班等待，這種情況會(huì)造成航班等待進(jìn)入下一個(gè)運(yùn)行階段而消耗一定的時(shí)間。沖突的出現(xiàn)則時(shí)由于機(jī)場(chǎng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的順向、逆向和交叉沖突進(jìn)行等待而消耗的時(shí)間。針對(duì)使用06號(hào)跑道的情況進(jìn)行仿真，每種方案運(yùn)行10次，獲取每次仿真運(yùn)行所有航班平均等待數(shù)據(jù)如下表所示。

在現(xiàn)行運(yùn)行情況下，06方案二和現(xiàn)行方案的進(jìn)離港的平均等待時(shí)間比方案一少，平均每架航班的等待時(shí)間為10秒左右。

在1.2倍航班增量的情況下，06方案二的平均等待時(shí)間為18.82秒，較現(xiàn)行方案、方案一平均少等13.4秒、9.79秒，方案二的等待時(shí)間較其他兩種方案有明顯優(yōu)勢(shì)。

對(duì)各種方案性能進(jìn)行了對(duì)比分析，為了避免對(duì)頭沖突，06跑道優(yōu)化方案一和方案二部分機(jī)位的滑行距離稍長(zhǎng)。在現(xiàn)行航班量下，06跑的進(jìn)離港滑行時(shí)間，現(xiàn)行方案都小于優(yōu)化方案，然而隨著航班量的增大，現(xiàn)行方案中為避免沖突而產(chǎn)生了等待，推薦方案的優(yōu)勢(shì)得以體現(xiàn)。1.2倍增量情況下，06跑道時(shí)平均每個(gè)航班滑行時(shí)間減少19秒，24跑道時(shí)，平均每個(gè)航班滑行時(shí)間減少34秒。從等待時(shí)間上分析，優(yōu)化方案的沖突等待時(shí)間無論在現(xiàn)行航班量還是在1.2倍增量情況下都有一定的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語

對(duì)龍嘉機(jī)場(chǎng)的飛行區(qū)整體情況進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)分析了使用06號(hào)跑道運(yùn)行存在的問題，提出了兩個(gè)優(yōu)化方案。結(jié)合典型航班日的航班運(yùn)行數(shù)據(jù)，應(yīng)用AirTOp仿真軟件對(duì)不同方案下的機(jī)場(chǎng)地面運(yùn)行效率進(jìn)行了模擬;通過建立AirTOp仿真模型，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)不同優(yōu)化方案下的地面運(yùn)行進(jìn)行模擬。統(tǒng)計(jì)得到的數(shù)據(jù)顯示：方案二在航班進(jìn)、離港滑行時(shí)間、等待時(shí)間的優(yōu)化效果總體優(yōu)于方案一，且隨著航班量的增加，方案二的滑行時(shí)間增加比例與當(dāng)前模式和方案一比較，相對(duì)較小。綜合上述理論分析和仿真所得數(shù)據(jù)，推薦采用優(yōu)化方案二。

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