CN112307624B - 一种快速制定近距平行跑道机场绕滑运行策略的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速制定近距平行跑道机场绕行滑行道(以下简称绕滑)运行策略的方法，包括如下内容：以进离港航班平均滑行时间最小为目标，以动态选择的方式构建绕滑运行策略模型，进而确定进港航班最优的滑行策略。与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明以进离港航班平均滑行时间最小为目标，分析并建立基于端绕行滑行道模式的绕滑运行策略模型，并以某机场两条近距平行跑道为实例，验证绕滑使用策略模型的适用性。通过本发明方法确定的绕滑使用策略，可以同时降低机场进、离港航班的延误水平，提高地面滑行效率。进一步地，通过对机场起降比及高峰小时起降架次进行调整，分析其对绕滑使用率产生的影响，进而确定科学的绕滑运行策略。

Description

一种快速制定近距平行跑道机场绕滑运行策略的方法
技术领域
本发明涉及一种快速制定近距平行跑道机场绕滑运行策略的方法。
背景技术
截止2020年底，我国已通航的多跑道机场数量已达16个，由于用地限制 等因素，部分多跑道机场采用近距平行跑道的平面布局形式，由此导致着陆飞 机需要穿越起飞跑道才能到达站坪，严重威胁着跑道运行安全。为提高机场运 行安全水平，提升跑道运行容量，绕行滑行道(以下简称“绕滑”)应运而生。 然而，绕滑的应用在我国起步较晚，在构型设计、运行策略等方面经验不足， 致使已设置的绕滑未能充分发挥其作用。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种快速制定近距平行跑道 机场绕滑运行策略的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种快速制定近距平行跑道 机场绕滑运行策略的方法，包括如下内容：以进离港航班平均地面滑行时间最 小为目标，根据机场平面布局、高峰小时运行机型、起降比等以动态选择的方 式构建绕滑运行策略模型，进而确定适宜于该机场的绕滑使用策略的决策模型。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
为机场制定和优化飞机地面滑行路径提供理论依据，本发明通过对绕滑的 基本类型及运行特点进行分析，以进离港航班平均滑行时间最小为目标，分析 并建立基于端绕行滑行道(EAT)模式的绕滑运行策略模型，并以某机场两条 近距平行跑道为实例，验证绕滑使用策略模型的适用性。算例结果表明，通过 本发明方法确定的绕滑使用策略，可以帮助空管人员快速决策着陆飞机的地面 滑行路径，同时降低机场进、离港航班的延误水平，提高地面滑行效率。进一 步地，根据本发明针对某具体机场飞机地面运行数据的统计分析，由于起飞跑 道交通密度与绕滑使用率之间存在较为明显的正相关关系，通过对起降比及高 峰小时起降架次进行调整，将会对绕滑使用率产生影响，进而确定科学的绕滑 运行策略。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为进离港航班地面滑行策略图；
图2进港航班滑行方式决策系统程序框图；
图3为实施例的机场跑滑构型示意图。
具体实施方式
一种快速制定近距平行跑道机场绕滑运行策略的方法，包括如下内容：
1、绕行滑行道类型及运行特点
绕滑作为设置在跑道端并与之相连的环形滑行道，根据其与跑道及平滑系 统连接的位置不同，分为如下三种类型：
1)小环绕滑：通过延伸跑道两侧的平行滑行道连接的“U”型滑行道，航 空器落地后向左侧脱离跑道后绕行至机坪，绕行距离较短；
2)大环绕滑：通过延伸两跑道外侧平行滑行道的连接的“U”型滑行道， 航空器落地后向右侧脱离跑道后绕行至机坪，绕行距离较长；
3)结合式绕滑：同时连接两跑道两侧平滑，可实现滑行道之间相连互通 的“W”型滑行道，航空器根据空管要求脱离跑道后向机坪绕行，绕行距离依 据管制指令而不同，但建设成本较高。
2、绕滑运行策略模型构建
2.1模型原理
将飞机从跑道外等待点开始进入跑道，至到达昼间在100米以上、夜间在 150米以上或者开始第一转弯的多边形区域定义为起飞跑道组件。当进港航班 到达穿越点时，若起飞跑道组件处于空闲状态，且剩余跑道组件空闲时间大于 等于航班穿越时间，进港航班选择直接穿越起飞跑道；但若进港航班到达穿越 点时，起飞跑道组件处于被占用状态，或跑道组件处于空闲状态但剩余空闲时 间少于航班穿越时间，此时通过计算进港航班穿越需要的等待时间+穿越时间， 以及与由此引发的所有离港航班滑出损耗的等待+起飞时间的总时间，并将两 者之和与使用绕滑的滑行时间进行比较，判断采取滑行时间较小的方案，同时 对起飞跑道组件占用时间集合进行更新，如图1所示。
2.2模型构建
以EAT(End Around Taxiway)运行模式为研究对象，将航班平均滑行时 间最小作为优化目标，通过分析不同场面运行情况下的进离港飞机滑行过程， 以动态选择的方式构建绕滑运行策略模型，进而选择进港航班最优的滑行策略。
目标函数：
Figure BDA0002754773690000031
式中，
Figure RE-GDA0002790059510000032
为航班平均滑行时间；tir为进港航班i从机轮接地滑行至穿越节点 r所耗时间；tie为进港航班i从穿越节点处开始使用绕滑滑至机坪管制进港移交 点的绕滑时间；tje为离港航班j从机坪管制移交点完成移交到滑入跑道端准备 起飞的时间；tw为进港航班从穿越节点开始直接穿越或等待至穿越进港航班管 制移交点的时间与影响的所有离港航班的等待起飞时间之和；m，n分别为某 时段内进离港航班数量。
设置跑道组件关闭的起始时刻为离港航班从跑道外等待点开始滑行的时 间点，记为Tbj(j＝0,1,2…,j,…,n)；跑道组件关闭的终止时刻为航班完成离场的时间 点，记为Toj(j＝0,1,2…,j,…,n)；组合跑道组件关闭集合为C＝[(Tb1,To1)；(Tb2,To2)…(Tbn,Ton)]；K＝{Tk1,Tk2,…,Tkm}为航班到达穿越点时刻的集合。
约束条件：
1)进港航班从机轮接地滑行至穿越节点r时刻的约束条件为
Tki＝ai+tir (2)
Figure BDA0002754773690000042
式(2)和(3)中，ai为第i架进港航班到达跑道入口的时刻；L为着陆跑 道长度；Lir为航班i选择的穿越节点距绕滑入口的距离；Lair为进港航班从跑道 入口至航空器主轮接地的空中距离；LRET为快滑长度；LRR为快滑结束点至穿越 节点r的距离；
Figure BDA0002754773690000043
为进港航班i在跑道上的平均滑行速度；
Figure BDA0002754773690000044
为进港航班i在快 速出口滑行道的平均滑行速度；
Figure BDA0002754773690000045
为普通滑行道的平均滑行速度。
2)进港航班绕滑滑行时间的约束为：
Figure BDA0002754773690000046
式(4)中，LEAT为绕滑长度；Lef为绕滑结束点至进港移交点的距离；
Figure BDA0002754773690000047
为 进港航班从穿越节点开始至管制移交点的平均滑行速度。
3)进港航空器选择穿越或等待穿越的损耗时间约束为：
Figure BDA0002754773690000051
tig＝tit+tif (6)
Figure BDA0002754773690000052
Figure BDA0002754773690000053
tiw＝min{(To1-Tki),(To2-Tki),...,(Ton-Tki)}...tiw≥0 (9)
Figure BDA0002754773690000054
式(5)-(10)中，tig为进港航班i从穿越节点开始直接穿越至进港移交 点完成移交的时间；tiw为进港航班i在穿越节点等待跑道组件解除占用的时间； tig为进港航班i从穿越节点开始直接穿越至进港移交点完成移交的时间；tit为进 港航班i穿越跑道的时间；tif为进港航班i从穿越完成到机坪管制进港移交点完 成移交的时间；tjw为离港航班j等待起飞的延误时间。
4)离港航班滑出时间的约束条件为：
Figure BDA0002754773690000055
Figure BDA0002754773690000056
式(11)、(12)中，tje为离港航班j从机坪管制离港移交点完成移交至滑 入跑道端准备起飞的时间；ter为离港航班j从机坪管制离港移交点完成移交至 滑入跑道端准备起飞的无障碍滑行时间；
Figure BDA0002754773690000057
为离港航班平均排队等待时间；Ler为离港移交点至跑道外等待点的距离。
根据模型原理和上述公式，得出进港航班的滑行方式决策系统图如图2所 示，具体包括如下步骤：
第一步、输入跑道组件关闭集合C，其中：
C＝{(Tb1,To1)(Tb2,To2)(Tb3,To3)...(TbJ,ToJ)...(Tbn,Ton)}；
第二步、输入TkI，tIt，tIf，tIe；I＝i，J＝j；
第三步、判定TkI是否在集合C内：若是，则进入第四步；若否，则进入 第十一步；
第四步、计算tIw＝ToJ-TkI；
第五步、判定(ToJ+tIt)是否小于等于Tb(J+1)：若否，则进入第六步； 若是，则进入第八步；
第六步、计算tIw＝(ToJ+tIt)-Tb(J+1)；
第七步、判定To(J+1)+t(J+1)w是否小于等于Tb(J+2)：若否，则令J＝j+1， 然后进入第六步；若是，则进入第八步；
第八步、计算tw；
第九步、判定tw是否小于等于tIe：若是，则进入第十步；若否，则进入 第十六步；
第十步、输出tw；选择方案一“等待-穿越”，更新集合C；然后返回第二 步；
第十一步、判定TbJ-TkI是否小于tIt：若是，则进入第十二步，若否， 则进入第十四步；
第十二步、计算tIw＝tIt-(TbJ-TkI)；
第十三步、判定tIw+ToJ是否小于等于Tb(J+1)：若否，则令J＝j+1，计 算tIw＝tIw+ToJ-Tb(J+1)，然后返回第十三步；若是，则进入第十四步；
第十四步、计算tw；
第十五步、判定tw是否小于tIe：若否，则进入第十六步；若是，则进入 第十七步；
第十六步、输出tIe；选择方案二“使用绕滑”；
第十七步、输出tw；选择方案三“直接穿越”，更新集合C；然后返回第 二步。
其中：
第十步所述更新后的集合C为：{(Tb1,To1)(Tb2,To2)(Tb3,To3)... (TbJ,ToJ)(TbJ+tIw,ToJ+tIw)(Tb(J+1)+t(J+1)w,To(J+1)+t(J+1)w)... (Tbn,Ton)}。
第十七步所述更新后的集合C为：{(Tb1,To1)(Tb2,To2)(Tb3,To3)... (TbJ,ToJ)(Tb(J+1)+t(J+1)w,To(J+1)+t(J+1)w)...(Tbn,Ton)}。
3、模型应用
3.1某机场跑滑布局及高峰小时运行数据
以某机场两近距平行跑道在ETA模式下的运行为例，该机场大部分着陆飞 机需穿越起飞跑道前往2号航站楼区域，如图3所示。节点1和2对应的快滑 出口位置距离36R跑道入口分别为2000m和2350m，快滑长450m，36L跑道宽 60m，节点3，4对应的穿越联络道长度120m，小环绕滑长1730m。节点5为进 港移交点，节点6、7、8和9为出港移交点，与36L跑道外等待点距离分别为 1400m，1200m，1000m和850m；该机场C、D、E类航空器(按翼展宽度划分)在跑道平均滑行速度分别为35m/s，38m/s，40m/s；快速出口滑行阶段平均滑 行速度为20m/s，跑道穿越阶段平均滑行速度为13.8m/s，普通滑行道平均滑 行速度为10m/s，转弯及拥堵机坪阶段平均滑行速度为5m/s，设置绕滑滑行阶 段平均滑行速度为13.8m/s；航空器启停损耗时间为30s,离港平均排队时间 3.5min。该机场某高峰小时进离港航班共计55架次，具体信息见表1所示。
表1高峰小时进离港航班信息表
Figure BDA0002754773690000081
3.2绕滑使用前后进离港飞机地面滑行时间对比分析
利用本文所列模型，借助计算机JAVA SE13对该时段内进港飞机滑行方式 决策程序进行计算，整理得到绕滑运行前后进离港航班滑行策略如表2所示。 对于进港航班，运行方式AC(across)表示穿越，W(wait)-AC(across)表 示等待-穿越，EAT表示使用绕滑；对于离港航班，运行方式E(exit)表示直 接滑出，W-E表示等待-滑出。
表2绕滑运行前后进离港航班运行策略结果比较
Figure BDA0002754773690000091
通过对以上计算结果的对比分析，高峰小时该机场进港25架航班中有9 架选择使用绕滑，占比36％；绕滑运行前后，航班平均滑行时间分别为431s 和300s，减少30.4％；进港穿越航班中等待穿越架次分别为29架和15架，减 少56.0％；平均滑入时间分别为540s和262s，减少51.5％；起飞延误的离港航 班数量分别为29架和17架，减少40.0％，平均滑出时间分别为338s和328s， 减少2.8％。
3.3该机场绕滑使用策略研究
为探讨绕滑使用策略与起飞跑道可穿越频次、进离港航班数量间的内在定 量化关系，本文分别对绕滑使用率与起飞跑道可穿越频次变化以及高峰小时进 离港航班架次变化进行相关性分析。
3.3.1进港航班穿越跑道频次对绕滑使用率影响分析
将起飞跑道密度分别设置为10，15，20，25及30架次/小时，依次计算 穿越跑道频率变化下绕滑使用次数，进而计算得到绕滑使用率，并将计算结果 绘制成曲线。结果显示，绕滑使用率与进港航班穿越跑道频次呈正相关关系， 当离港航班数量不变情况下，绕滑使用率随穿越跑道频次增加而缓慢增长。
3.3.2起飞跑道交通密度对绕滑使用率影响分析
分别设定该机场某时段的穿越跑道频率为10，15，20，25和30架次/小 时，通过改变起飞跑道交通密度，分析在穿越跑道频率一定的情况下，即进港 航班数量不变时，定量分析起飞跑道密度变化对绕滑使用次数的影响，计算得 到绕滑使用率与离港航班数量的关系，并将计算结果绘制成曲线。结果显示， 对比绕滑使用率曲线的斜率可以得出，起飞跑道交通密度小于10架次/小时， 在穿越跑道频次增加情况下，绕滑使用率随之增长，但整体较为平缓；而起飞 跑道交通密度在10至25架次/小时范围内时，绕滑使用率稳步上升；当起飞 跑道交通密度在25架次/小时及以上时，绕滑使用率快速增加。
相比跑道穿越频率，起飞跑道交通密度与绕滑使用率之间的正相关关系更 为紧密，原因在于影响绕滑使用策略的决定性因素为起飞跑道组件资源的占用 情况。当起飞跑道组件资源时间占用较长时，则空闲时间减少，穿越航班与离 场航班冲突必然增加，同时等待-穿越时间明显高于绕滑滑行时间，此时进港 航班选择绕滑有利于提高机场整体运行效率。
3.3.3起降比和高峰小时航班数量变化对绕滑使用率影响分析
基于绕滑使用模型，分析航班起降架次为35，40，45，50，55，60架次/ 小时，不同起降比下即起飞跑道交通密度分别为20％，40％，60％，80％时，分别 计算绕滑的使用次数，进而得到绕滑使用率，将计算结果绘制成曲线。结果显 示，航班起降架次为35-45架次/小时，绕滑使用率增长较为平缓；航班起降 架次为50架次/小时及其以上时，绕滑使用率加快。此时，若航班序列中离港 航班占比大于40％，绕滑使用率的曲线斜率显著增加。
3.3.4绕滑使用策略分析
针对实例中的机场，在给定的跑滑构型下，绕滑使用策略总结如下：
1)当小时起降架次在35架次以内且离港占比低于40％时，所有进港航空 器均采用直接穿越或等待穿越，完全不使用绕滑；
2)当小时起降架次在35架次且离港航班占比超过40％，或小时起降架次 在35-60架次且离港航班占比低于80％时，进港航班选择直接穿越，等待穿越 和部分使用绕滑；
3)当小时起降架次在50架次及其以上且离港航班占比处较高水平，即达 到80％时，进港航班全部使用绕滑。
综上所述，为节省建设成本，提高航班地面运行效率，设有近距平行跑道 的机场应根据本场运行的主要机型、起降比、高峰小时起降架次、飞行程序设 计、终端区导航设施、净空条件、用地限制等因素合理规划跑滑构型。虽然绕 滑的设置会增加离港航班的地面滑行路径长度，但通过对机场高峰小时起降架 次、起降比与绕滑使用率的量化关系的分析可知，合理制定绕滑运行策略可有 效减少进离港航班的地面运行时间，从而达到提升机场地面运行整体效率的目 标。

Claims (7)

1.一种快速制定近距平行跑道机场绕滑运行策略的方法，其特征在于：包括如下内容：以进离港航班平均滑行时间最小为目标，以动态选择的方式构建绕滑运行策略模型，进而确定进港航班最优的滑行策略；其中：
所述绕滑运行策略模型的目标函数为：
Figure FDA0003541192730000011
式中，
Figure FDA0003541192730000012
为航班平均滑行时间；tir为进港航班i从机轮接地滑行至穿越节点r所耗时间；tie为进港航班i从穿越节点处开始使用绕滑滑至机坪管制进港移交点的绕滑时间；tje为离港航班j从机坪管制移交点完成移交到滑入跑道端准备起飞的时间；tw为进港航班从穿越节点开始直接穿越或等待至穿越进港航班管制移交点的时间与影响的所有离港航班的等待起飞时间之和；m，n分别为某时段内进离港航班数量；
所述绕滑运行策略模型的约束条件包括：
1)进港航班从机轮接地滑行至穿越节点r时刻的约束条件为
Tki＝ai+tir (2)
Figure FDA0003541192730000013
式(2)和(3)中，ai为第i架进港航班到达跑道入口的时刻；L为着陆跑道长度；Lir为航班i选择的穿越节点距绕滑入口的距离；Lair为进港航班从跑道入口至航空器主轮接地的空中距离；LRET为快滑长度；LRR为快滑结束点至穿越节点r的距离；
Figure FDA0003541192730000014
为进港航班i在跑道上的平均滑行速度；
Figure FDA0003541192730000015
为进港航班i在快速出口滑行道的平均滑行速度；
Figure FDA0003541192730000016
为普通滑行道的平均滑行速度；
2)进港航班绕滑滑行时间的约束为：
Figure FDA0003541192730000021
式(4)中，LEAT为绕滑长度；Lef为绕滑结束点至进港移交点的距离；
Figure FDA0003541192730000022
为进港航班从穿越节点开始至管制移交点的平均滑行速度；
3)进港航空器选择穿越或等待穿越的损耗时间约束为：
Figure FDA0003541192730000023
tig＝tit+tif (6)
Figure FDA0003541192730000024
Figure FDA0003541192730000025
tiw＝min{(To1-Tki),(To2-Tki),...,(Ton-Tki)}...tiw≥0 (9)
Figure FDA0003541192730000026
式(5)至(10)中，tig为进港航班i从穿越节点开始直接穿越至进港移交点完成移交的时间；tiw为进港航班i在穿越节点等待跑道组件解除占用的时间；tit为进港航班i穿越跑道的时间；tif为进港航班i从穿越完成到机坪管制进港移交点完成移交的时间；tjw为离港航班j等待起飞的延误时间；其中：
Tbj(j＝0,1,2…,j,…,n)为跑道组件关闭的起始时刻，Toj(j＝0,1,2…,j,…,n)为跑道组件关闭的终止时刻，跑道组件关闭集合为C＝[(Tb1,To1)；(Tb2,To2)…(Tbn,Ton)]；航班到达穿越点时刻的集合为K＝{Tk1,Tk2,…,Tkm}；
4)离港航班滑出时间的约束条件为：
Figure FDA0003541192730000031
Figure FDA0003541192730000032
式(11)、(12)中，tje为离港航班j从机坪管制离港移交点完成移交至滑入跑道端准备起飞的时间；ter为离港航班j从机坪管制离港移交点完成移交至滑入跑道端准备起飞的无障碍滑行时间；
Figure FDA0003541192730000033
为离港航班平均排队等待时间；Ler为离港移交点至跑道外等待点的距离；
确定进港航班最优的滑行策略的方法包括如下步骤：
第一步、输入跑道组件关闭集合C；
第二步、输入TkI，tIt，tIf，tIe；I＝i，J＝j；
第三步、判定TkI是否在集合C内：若是，则进入第四步；若否，则进入第十一步；
第四步、计算tIw＝ToJ-TkI；
第五步、判定(ToJ+tIt)是否小于等于Tb(J+1)：若否，则进入第六步；若是，则进入第八步；
第六步、计算tIw＝(ToJ+tIt)-Tb(J+1)；
第七步、判定To(J+1)+t(J+1)w是否小于等于Tb(J+2)：若否，则令J＝j+1，然后进入第六步；若是，则进入第八步；
第八步、计算tw；
第九步、判定tw是否小于等于tIe：若是，则进入第十步；若否，则进入第十六步；
第十步、输出tw；选择方案一“等待-穿越”，更新集合C；然后返回第二步；
第十一步、判定TbJ-TkI是否小于tIt：若是，则进入第十二步，若否，则进入第十四步；
第十二步、计算tIw＝tIt-(TbJ-TkI)；
第十三步、判定tIw+ToJ是否小于等于Tb(J+1)：若否，则令J＝j+1，计算tIw＝tIw+ToJ-Tb(J+1)，然后返回第十三步；若是，则进入第十四步；
第十四步、计算tw；
第十五步、判定tw是否小于tIe：若否，则进入第十六步；若是，则进入第十七步；
第十六步、输出tIe；选择方案二“使用绕滑”；
第十七步、输出tw；选择方案三“直接穿越”，更新集合C；然后返回第二步。
2.根据权利要求1所述的一种快速制定近距平行跑道机场绕滑运行策略的方法，其特征在于：第八步和第十四步计算tw时，采用式(5)至(10)的公式进行计算。
3.根据权利要求1所述的一种快速制定近距平行跑道机场绕滑运行策略的方法，其特征在于：第十步所述更新后的集合C为：{(Tb1,To1)(Tb2,To2)(Tb3,To3)...(TbJ,ToJ)(TbJ+tIw,ToJ+tIw)(Tb(J+1)+t(J+1)w,To(J+1)+t(J+1)w)...(Tbn,Ton)}。
4.根据权利要求1所述的一种快速制定近距平行跑道机场绕滑运行策略的方法，其特征在于：第十七步所述更新后的集合C为：{(Tb1,To1)(Tb2,To2)(Tb3,To3)...(TbJ,ToJ)(Tb(J+1)+t(J+1)w,To(J+1)+t(J+1)w)...(Tbn,Ton)}。
5.根据权利要求1所述的一种快速制定近距平行跑道机场绕滑运行策略的方法，其特征在于：通过设置不同的起飞跑道密度，利用绕滑运行策略模型计算穿越跑道频率变化下的绕滑使用次数，进而计算得到绕滑使用率，并将计算结果绘制成曲线，通过绕滑使用率与进港航班穿越跑道频次之间的量化关系，得到离港航班数量不变但小时穿越跑道频次变化下的绕滑使用结论。
6.根据权利要求1所述的一种快速制定近距平行跑道机场绕滑运行策略的方法，其特征在于：在不同的穿越跑道频率下，通过改变起飞跑道交通密度，利用绕滑运行策略模型计算起飞跑道密度变化下的绕滑使用次数，进而计算得到绕滑使用率，并将计算结果绘制成曲线，通过绕滑使用率与离港航班数量的关系，得到起飞跑道交通密度变化下的绕滑使用结果。
7.根据权利要求1所述的一种快速制定近距平行跑道机场绕滑运行策略的方法，其特征在于：通过设置不同的航班起降架次和不同起降比下的起飞跑道交通密度，利用绕滑运行策略模型确定进、离港航班地面滑行时间最小绕滑使用策略，分别计算绕滑的使用次数，进而计算得到绕滑使用率，并将计算结果绘制成曲线，得到起降比变化和离港航班密度变化的绕滑使用统计结果，针对机场平面布局确定的情况下，根据高峰小时航班起降架次、起降比、机型等因素，制定适用于该机场的绕滑使用策略。
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