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机场地面运行效率问题研究

来源:民航资源网 作者:邓松武 2016-11-09 15:40:57 我来说两句(1)

专业分类航务与运行 文章编号】3-2016-0183

  
机场地面运行效率问题研究

资料图

  超大型机场地面运行系统庞大,关键设施的跑道、滑行道、服务车道之间相互交叉,运行条件非常复杂,如何在这种庞大而又复杂系统条件下确保地面运作的安全、高效和顺畅一直以来是机场管理当局和学者研究的问题。

  我国机场发展迅速,根据民航局全国机场生产统计公报,到2015年,境内民用运输机场210个,旅客年吞吐量超过1000万人次的机场26个,飞机年起降架次超过20万架次的机场16个,实施多跑道(两条以上跑道)运行的机场12个。随着机场设施规模扩大和飞机起降架次的快速增长,我国大型机场地面运行效率问题已开始显现。本文从航空器地面运行角度出发,从航班在机位上的保障、机位编排和滑行通道使用、滑行路径选择、跑道系统构型和运行等四个方面来探讨机场地面运行效率问题。

  一、我国机场地面运行效率问题

  根据民航局运行监控中心的统计数据,我国21个时刻协调机场离港航班平均滑出时间和航班平均延误时间呈逐年增长趋势。

我国21个时刻协调机场2014-2015年平均滑出时间(分钟)

  图1:我国21个时刻协调机场2014-2015年平均滑出时间(分钟)

我国2014-2015年航班平均延误时间(分钟)

  图2:我国2014-2015年航班平均延误时间(分钟)


  与美国主要机场相比,我国机场的平均滑出时间要高出不少。例如:亚特兰大机场五条平行跑道构形与浦东机场是一样的,亚特兰大机场飞机起降架次是浦东机场的1.65倍,但地面滑行时间却只有浦东机场的0.65。虽然影响飞机滑出时间的因素很多,但可以从总体上反应出我国主要机场的地面运行效率与美国等国家还有较大差距。

  表1:2016年8月中国和美国机场平均滑出时间对比

机场名称

平均滑出时间(分钟)

离港班次

亚特兰大(ATL)

16.9

34166

芝加哥(ORD)

19.4

22226

丹佛(DEN)

16.1

20884

洛杉矶(LAX)

19.1

19726

达拉斯(DFW)

18.9

17277

首都(PEK)

26.5

24709

浦东(PVG)

26.2

20657

白云(CAN)

19.3

18709

  数据来源:1.美国运输部交通统计局(BTS);2.民航局《关于2016年8月份航班正常情况的通报》。

  二、提高地面运行效率的研究方向

  下面从航班在机位上的保障、航班机位编排和滑行通道使用、滑行路径选择、跑道系统构型和运行等四个方面来探讨机场地面运行效率问题。

  (一)航班在机位上的保障

  航班在机位上的保障项目较多,如何在计划离港时间(或者目标离港时间)前完成旅客、行李、货物保障,完成飞机加油、排污、客舱清洁服务项目,航班具备离港条件,涉及航班保障调度的各个方面。为了明确了航班各个保障环节的时间标准,民航局在2013年印发了《机场航班运行保障标准》,机场和各保障机构要对照标准,加强保障调度,提高保障效率。机坪保障设施、设备、人力资源的优化调度是提高航班保障效率的重要课题,在此不过多阐述。

  (二)航班机位编排和滑行通道使用

  我国很多机场的航站楼采用指廊式构型,这种构型的航站楼优点是在相同场地条件下可以建更多的近机位(廊桥机位),但存在两条指廊之间的“港湾地区”多个机位共用一条滑行通道问题,进位、离位飞机滑行通道占用时间冲突的概率较高。

  滑行通道占用时间冲突存在三种形式,即:同时离位时间冲突、同时进位时间冲突、进位与离位时间冲突,如何定义上述三种冲突状态与航空器滑行规则有关。一种相对保守的规则就是在一条通道上只允许一架飞机进位或者离位;另一种规则就是在满足安全间距条件下,可以允许一架飞机先推出后等待开始滑行指令,另一架飞机可以按照既定路线滑行进位。上述第一种规则可以达到很高的安全系数,但是以牺牲效率为前提;第二种规则的难点在于安全间距的控制,地面管制人员通过目视或者经验判断显然无法满足安全运行要求,这就需要以更强大的系统支撑为前提。

洛杉矶国际机场机坪布置图

  图3:洛杉矶国际机场机坪布置图

指廊式航站楼港湾地区机位布置图

  图4:指廊式航站楼港湾地区机位布置图

  在航班停放机位的优化编排方面,目前国内机场的机位分配管理系统,一方面只关注单一机位自身的冲突情况,不关注相邻机位的使用和滑行通道的占用情况,在这种分配模式下,通道冲突情况可能会变得非常普遍,进港飞机在通道外等待进位或者离港飞机在机位上等待推出情况变得严重;另一方面是优化分配模型基本未发挥作用,基本是人工或半自动分配状态。

  因此,要提高飞机在机坪区域运行效率,可以从以下几个方面入手,一是在可接受安全水平条件下,研究建立更加高效的机坪滑行通道使用规则;二是将滑行通道使用规则作为约束条件,加入机位分配模型中;三是航班机位预分配的优化编排,如:同一通道两侧机位的始发(早离港)航班,离港时间间隔相互错开15分钟以上(如图5所示);四是机位和通道冲突的实时监控和预警,根据航班运行时间的动态变化,通过系统手段实时监控机位和通道的冲突状态,按照机位容量、区域限制等约束条件,自动搜索并形成调整目标机位列表,为机位管理人员提供决策依据。

始发航班机位优化编排结果

  图5:始发航班机位优化编排结果(理想条件下)

  (三)滑行路径选择

  路径规划是运筹学研究的问题,目前手机和车载导航软件已经具备这方面的功能,它可以提供给用户多种选择方案,如:路线最短、时间最短以及其他偏好选择等。事实上,飞机在地面的滑行路线优化与车辆道路交通线路选择是类似的,按照到达飞机的预计落地时间、离港飞机的预计从通道滑出时间,实时预判进入滑行道系统的飞机数量,然后根据确定的滑行模式、滑行道上飞机流量、每架飞机实时位置和速度、冲突预判等,采用计算机模型不断运算在各种可选择滑行路径情况下的总滑行时间,选取最短时间(min)方案。

  从机场规划建设角度来看,多跑道机场航站楼构型选择对于飞机地面滑行效率影响是显而易见的。以两条宽距平行跑道、航站楼位于两条跑道之间这种布局为例,传统的单体式航站楼布局方式,停放在航站楼中部机位的航班需要到另一侧跑道起飞时,需要从两侧联络道绕滑较长距离才能到达跑道端等待起飞,不仅滑行距离长,而且冲突点多,相比之下卫星式航站楼布局(如亚特兰大、希斯罗T5、仁川等),由于每个卫星厅之间设置了单条或者多条滑行通道,进离场飞机可直接穿越无需绕滑,距离和时间可明显降低。按照白云机场运行经验,绕滑飞机可能比单侧滑行飞机增加60%以上的地面滑行时间。

亚特兰大机场卫星式航站楼布局(卫星厅之间设置两条通道)

  图6:亚特兰大机场卫星式航站楼布局(卫星厅之间设置两条通道)

白云机场指廊式航站楼布局(T1-T4是两侧跑道的联络滑行道)

  图7:白云机场指廊式航站楼布局(T1-T4是两侧跑道的联络滑行道)

  (四)跑道系统构型和运行

  以跑道系统及配套设施规划建设、跑道运行模式角度,从跑道等待位置设置,跑道入口设置,跑道快速出口设置,跑道穿越道和绕滑道设置,多跑道运行模式下跑道使用均衡性等方面探讨跑道系统运行效率问题。

  1.跑道等待位置设置。

  繁忙机场,离场飞机在跑道端等待起飞现象非常普遍,当跑道端部等待空间不足时,排队等待飞机会占用滑行道空间,造成滑行道堵塞。如白云机场在西跑道北端空间有限,等待起飞的飞机经常在T4滑或者F滑上排队,对于从东侧落地需要通过T4滑绕行至西区机位的进港飞机造成堵塞。

白云机场19号跑道飞机等待情况示意图

  图8:白云机场19号跑道飞机等待情况示意图

达拉斯机场35L号跑道的等待坪

  图9:达拉斯机场35L号跑道的等待坪

  2.跑道入口设置。

  增加跑道入口数量可以为飞机进入跑道提供更多选择,当前面飞机故障或其他特殊原因无法进入跑道起飞时,其他飞机可以通过侧边入口进入跑道,不会造成堵塞。国内机场一般只在跑道端设置一个或者两个跑道入口,而美国机场一般会根据使用情况在跑道端设置多个入口,如图9中的达拉斯机场,在35L号跑道端就设置了三个入口。

  3.跑道快速出口设置。

  合理的跑道出口应当是落地飞机在减速到适当速度(标准上,飞机在93km/h速度下可以从30度角的快速出口脱离跑道)时就能够找到相应出口脱离跑道,尽可能减少落地飞机的跑道占用时间,提高跑道使用效率。美国FAA曾资助弗吉尼亚理工学院对跑道快速出口位置设置问题做过深入研究,从跑道物理特性(标高、坡度等)、气象条件(大气温度、风向、风速)、机型组合(各种型号飞机所占比率)、飞机着陆性能(使用减速板、刹车、反喷等)、跑道干湿条件(干跑道和湿跑道所占比率)等因素入手,研究飞机着陆过程,建了跑道快速出口优化模型,优化目标就是研究机队加权平均跑道占用时间最短条件下的出口位置、数量和类型(角度)。

  国内机场在规划设计时,一般是按照经验,如在距离跑道端1900m、2300m、2700米位置设置30度夹角的出口,而不是根据上述因素的详细计算得出快速出口的最佳位置。因此,在实际运行过程中,跑道出口效率并不是处于最佳状态。

  4.跑道穿越道和绕滑道设置。

  在近距平行跑道构形条件下,外侧跑道落地的飞机需要穿越内侧跑道才能到达停机坪,内侧跑道起飞飞机必须留出足够的时间间隔来满足飞机穿越要求。因此,当飞机穿越量不断增加后,对内侧跑道起飞时刻的占用会不断增加,跑道运行效率受到一定影响。为减小飞机穿越对跑道时刻占用影响,一种方案是在内侧跑道两侧修建多条穿越道,多架落地飞机在穿越道口等待,当内侧跑道留出足够穿越间隔时,多架飞机同时穿越,减少穿越次数;另一种方案就是在跑道端修建绕滑道,到达飞机无需在穿越道口等待,可通过绕滑道到达机坪。

达拉斯机场35L和35C跑道绕滑道

  图10:达拉斯机场35L和35C跑道绕滑道

亚特兰大机场8R跑道绕滑道

  图11:亚特兰大机场8R跑道绕滑道

  绕滑道设置要考虑两个方面因素,一个是进近面和起飞爬升面的限制,另一个就是要避免从跑道另一端起飞飞机目视到绕滑飞机(机组可能会误以为绕滑飞机是跑道入侵飞机)。亚特兰大机场采取了一种方案来解决这个问题,其8R跑道绕滑道距跑道端仅480米,为了避免绕滑飞机垂直尾翼穿透进近面或起飞爬升面,采取降低绕滑道标高、限制B757以下机型通行的方式,同时,在距跑道端约325米位置修建遮蔽墙来阻挡飞行员视线。

  5.跑道使用均衡性。

  在多跑道运行条件下,要尽量保持跑道使用的均衡,这种均衡表现在两个方面,一方面是各条跑道使用量相对平衡,一旦使用量向其中一条跑道倾斜,就可能会导致一条跑道在满负荷或者超负荷运行,大量飞机在排队起飞或着陆,另一条跑道则负荷较低甚至处于空闲状态;另一方面是时间上的相对平衡,要将起降时刻按照更小的时间区间加以细分(以往都是以1小时间隔来排时刻),例如在1小时的区间内起降量是低于跑道系统容量的,但是细分到15分钟的时候就可能会超容。

  一般地,国内机场跑道使用与空中走廊口使用相对应,而走廊口又与航线相对应,因此,要做到跑道使用均衡,就需要在航班计划时刻编排时将时间区间平衡性和航线分布平衡性两个因素考虑在内。例如,以下是国内某机场两条跑道以15分钟为间隔的使用情况,从中可以看出,两条跑道使用不均衡,部分时段内一条跑道接近满负荷运行,而另一跑道却处于空闲状态。

国内某机场两条跑道以15分钟为间隔的使用情况(单位:架次)国内某机场两条跑道以15分钟为间隔的使用情况(单位:架次)

  图12:国内某机场两条跑道以15分钟为间隔的使用情况(单位:架次)

  三、总结与建议

  我国机场目前正在经历从量变到质变的过程,要顺利实现这个过程,就需要全面提高效率,提升管理水平。以上阐述了提高机场地面运行效率的四个研究方向,事实上,每个方向都可以作为深入研究的课题。作为机场管理机构以及航班保障、地面指挥机构,按照民航局关于航班正常保障和提高运行效率工作要求,建议从上述几个方面入手,成立专项小组,研究优化解决方案。(邓松武/文)

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