0引言
引用格式：许勇,马文来,王龙. 基于雷达尾流间隔的机场跑道容量评估方法[J]. 指挥信息系统与技术,2022,13(4):69-75
摘要
针对在机场雷达管制条件下的跑道容量评估问题，提出了一种基于雷达尾流间隔的机场跑道容量评估方法。首先，分析了航空器进近和起降的跑道管制运行过程，定义了连续进近时航空器的位置和速度演化规则；然后，以我国大中型机场运行的常用机型为背景构造了单跑道容量评估模型，利用MATLAB程序量化分析在航空器的起降比例、尾流类型比例改变时其起降间隔均值、间隔标准差和等待时间的变化，仿真分析了雷达尾流间隔对跑道容量的影响；最后，以沈阳桃仙机场为例验证了该方法的有效性。
0引言
当前我国空中交通运输量持续快速增长，各民航运输机场跑道容量趋于饱和。提高机场跑道容量和跑道运行效率是满足航空运输日益增长需求的现实需要，为此，国内外学者进行了深入研究。2006年，彭莉娟等基于概率统计的方法，引入跑道使用优先权系数，评估机场跑道最大容量；2011年，孟祥伟等通过对管制规则进行分析，利用随机解析模型构建单跑道容量评估模型；2013年，Mori构造了元胞自动机模型研究大型机场滑行拥塞形成问题；Ravizza利用多元线性回归分析考虑机场停机位布局和历史滑行时间，预测航空器到港和离港的时间变化；田勇等应用航空器尾流运动特性，研究了跑道中心线间距和跑道头错开间距的确定方法；2014年，周天琦等考虑进近速度差异提出了降落容量计算模型；2015年，王维等研究了跑道间隔、进近下滑角和机型组合对机场跑道容量的影响；聂润兔对比现行国际民航组织（ICAO）和尾流重新分类（RECAT）标准下的航空器尾流间隔值分析机场容量变化。
2016年，康瑞和杨凯从机场道面结构、航空器起降间隔优化和近距平行跑道相关运行等因素研究其对跑道容量的影响；王莉莉等结合跑道运行规则，建立了近距平行跑道高角度进近与传统进近相结合条件下的典型跑道容量计算模型；2017年，孔航等在单跑道基础上研究了近距跑道与远距跑道在不同运行模式下的跑道容量数学模型；2018年，康瑞等引入机场管制规定，构造考虑脱离道构型的机场容量评估模型。
以上研究均未涉及我国雷达管制的运行实际和民航规章中对雷达管制的要求，因此，本文结合实际的雷达管制方式分析机场跑道运行规则，构造跑道容量评估模型。通过抽象航空器连续进近时的位置和速度的演化，综合不同尾流等级，量化其跑道服务时间，厘清雷达尾流间隔与起降间隔的关系进而更准确量化机场跑道容量。利用MATLAB实现跑道容量评估模型，仿真得到受雷达尾流间隔的影响，航空器在起降比例、尾流类型比例改变时，其起降间隔均值、间隔标准差和等待时间的变化。以沈阳桃仙机场为例，对该评估模型进行验证，结果表明该评估模型能真实反映雷达尾流间隔对机场跑道容量的影响，能为提高机场吞吐量和系统研究雷达管制方式下跑道容量评估提供技术支持。
1 雷达管制条件下跑道容量评估原理
1.1 雷达管制
雷达管制指直接使用雷达信息来提供空中交通管制服务。空中交通管制员实施雷达管制是航空器在进近和区域飞行阶段雷达监视服务的主要工作，其过程包括雷达监控、雷达引导和雷达间隔。雷达管制服务监视界面如图1所示。管制员根据文献规定的雷达管制最低间隔标准，为航空器配备安全飞行间隔，保持正常的空中交通秩序。雷达间隔指2架航空器雷达位置符号中心点间距离，其中为避免前后2架航空器间发动机尾流的影响而分配的雷达间隔称作雷达尾流间隔。雷达尾流间隔是影响航空器跑道占用时间的一个重要因素，机场跑道容量和运行效率受限于管制监视能力和航空器尾流等级。与程序管制方式相比，雷达尾流间隔的配备使得雷达管制条件下航空器的飞行密度和流量增大。在机场的起降高峰时段分布不均条件下，起降航空器间的雷达间隔配备受到航空器的进近类型、尾流等级等因素制约，因此研究雷达尾流间隔对机场跑道容量的影响是雷达监视服务条件下机场跑道容量评估的关键。
图1 雷达管制服务监视界面（反色）
1.2 雷达监视跑道运行原理
考虑雷达尾流间隔的航空器运行过程如图2所示，给出了单跑道跑滑结构的雷达监视跑道运行过程，图中实线和虚线分别表明起飞和降落的航空器自西向东运行的跑道服务过程。
图2 考虑雷达尾流间隔的航空器运行过程
1.3 跑道容量计算
2 模型建立
2.1 进近阶段
2.2 起降阶段
2.3 约束条件
3仿真试验及数据分析
3.1 仿真试验
图3 跑道容量评估流程
3.2 运行参数设置
3.3 数值分析
图4给出了起降航空器的平均间隔、间隔标准差和等待时间的变化趋势。
图4 变化趋势
4实例分析
以沈阳桃仙机场为例应用本文模型，研究机场跑道容量随不同起降比和机型比的变化。沈阳桃仙机场是我国八大区域性枢纽机场之一，属于一级干线机场，机场飞行区等级为4E级，可以满足各种尾流等级为重和中型的大型运输机型起降，目前实行的是雷达管制可以实施I类精密进近程序。桃仙机场跑道和滑行道结构如图5所示，跑道长3 200 m，宽45 m，起降运行为06和24两个方向。
图5 桃仙机场跑道和滑行道结构
图6 桃仙机场跑道容量变化趋势
5结束语
维持并加速空中交通有秩序的活动是管制服务的主要任务之一。在空中交通流量加速的同时提高大中型机场的吞吐量，这符合我国民用航空的发展方向。本文利用雷达管制在起降航空器之间配置合理的雷达尾流间隔，降低了起降航空器的跑道占用时间，突破了限制基于目视间隔的机场跑道服务的瓶颈，缩减了因变更跑道结构、滑行道布局而带来的高额的建设成本，提高了跑道运行效率。
为了评估雷达监视服务条件下机场跑道容量，本文通过数学语言合理量化雷达尾流间隔对不同机型比例和起降比例的航空器的跑道占用时间的影响，将起降航空器的跑道服务过程抽象，建立进近阶段和起降阶段的间隔细化模型，并进行计算机数值模拟仿真，针对不同尾流类型的起降航空器流间的雷达尾流间隔，对起降间隔的影响进行了分析。最后，利用沈阳桃仙机场的实际运行数据，验证了雷达尾流间隔对机场跑道容量的影响，试验表明本文模型能真实反映机场航空器不同的起降比例、机型比例在雷达管制方式下对机场跑道容量的影响，能为系统研究雷达管制方式下跑道容量评估提供技术支持。
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