成都雙流機場平行跑道容量的評析

摘要近年來，隨著民航的發(fā)展，空中交通不斷增加，給機場帶來越來越多的負荷。一個好的航空運輸市場往往能決定一個好的航空運輸業(yè)，或者說沒有一個好的航空運輸業(yè)，那么它就不可能發(fā)展的好?，F(xiàn)在機場運輸量較往年大幅度增加，高峰時段機場日益增加的負荷導(dǎo)致許多問題，例如航班的延誤問題、在高峰時段機場容量達到飽和，高峰期機場內(nèi)跑道短缺，滑行道擁擠等問題。然而，導(dǎo)致這些問題的主要原因可以歸結(jié)到機場跑道容量受限還有飛機數(shù)量增多，相應(yīng)飛行流量增加的情況。結(jié)果，機場容量不再能滿足航班流量。機場交通管理系統(tǒng)應(yīng)再次改進。本文采用插縫放行的實驗?zāi)Ｐ?，進行多次重復(fù)實驗。首先對機場雙跑道的跑道運行模式進行了介紹分析，列出了不同模式下的運行條件，然后針對雙流機場的跑道實際情況進行計算分析，得出雙流機場能夠運行的模式。在實驗過程中，分析了跑道的基本知識，運用數(shù)學(xué)幾何和計算機幾何理論對跑道容量模型的原理進行了理論分析。此外，還分析了機場跑道容量參數(shù)等諸多因素。在理論模型研究和實際運行情況的基礎(chǔ)上，進行了系統(tǒng)分析。通過計算機仿真，得出的數(shù)據(jù)結(jié)果同實際雙流機場運行的情況基本一致，說明這個模型能夠用來對機場跑道容量進行研究。然后還研究了進離場機型比例對跑道容量的影響，得出結(jié)論。關(guān)鍵詞：跑道容量；容量評估；插縫放行AbstractAIRtransportationmarketistheenvironmentonwhichairtransportdepends.Andtheaviationindustrycan’tdevelopwellwithoutagoodairtransportmarket.Inrecentyears,withthedevelopmentofcivilaviation,airtraffichasbeenincreasing,bringingmoreandmoreloadstoairports.Theincreasingairportloadduringpeakhoursleadstomanyproblems,suchasfrequentdelaysofsomeflights,generaldeclineinservicequalityofwaiters,congestionofairporttaxiwaysduringpeakhours,shortageofairportrunwaysandotherproblems.However,themaincauseoftheseproblemsisthelimitationofrunwaycapacityandtheincreaseofflightflow.So,theairportcapacitycan’tmeetflightflowanymore.Andairtrafficmanagementsystemhastobechanged.Inthispaper,Iusedthemodelwhichiscalledreleaseinagaptoexperimentthousandstimes.Duringtheexperiment,Ianalyzethebasicknowledgeaboutrunwayandusemathematicalgeometryandcomputergeometrytolearntheprincipleofrunwaycapacitymodel.Inaddition,manyfactorssuchasairportrunwaycapacityparametersarealsoanalyzed.Onthebasisoftheoreticalmodelresearchandactualoperation,systematicanalysisiscarriedout.Finally,theresultsareconsistentwiththeactualsituationandhaveachievedgoodresultsbycomputersimulation.Keywords:runwaycapacity;capacityevaluation;releaseingap目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論 頁1緒論1.1研究背景及意義隨著中國對外開放的深入，經(jīng)濟體制改革的不斷推進和航空技術(shù)投資的增加，航空運輸業(yè)保持了快速發(fā)展，在國家運輸體系中發(fā)揮著越來越重要的作用。中國也正在從民用航空大國向民用航空強國轉(zhuǎn)變。航空工業(yè)作為國民經(jīng)濟的主要產(chǎn)業(yè)，在深刻的經(jīng)濟和政策變革背景下，面臨著更多的機遇和挑戰(zhàn)。2018年，我國民航業(yè)內(nèi)的相關(guān)重要運輸指標(biāo)同往年一樣，繼續(xù)保持較快的平穩(wěn)增長。在安全保證方面，累計的安全飛行時間達到了1153萬小時，跟去年相比增長了9個百分點，一共保證了各類航班562萬架次的安全運行，事故癥狀率跟去年相比也下降8.3%。這象征著中國跨入民航強國又更近了一步。2018年，中國民航的運輸周轉(zhuǎn)量達到了1206.4噸的新高峰，同去年相比增長了11.4噸；客運量突破6億大關(guān)，達到6.1億人次，基本同去年持平，其中國際航線貨郵運輸9.3萬噸。整個民航業(yè)內(nèi)飛機總數(shù)為6053架。其中，運輸飛機3638架，通用飛機2415架。全國頒證運輸機場235個，旅客吞吐量千萬級機場共37個，同比增加5個，三千萬級機場10個（1）。到2018年12月31日為止，中國共有頒證的運輸機場一共235個。在這235個頒證的運輸機機場中，運輸旅客的數(shù)量超過三千萬的機場一共有10個，其中，前四個分別是北京首都機場，上海浦東機場，廣州白云機場還有就是成都雙流國際機場。在論文撰寫過程中，通過查詢Airportscouncilinternational（國際機場協(xié)會）公布的《2018年世界機場運輸報告》，可以得到亞特蘭大機場和北京首都機場是旅客吞吐量全球排名前十中，累計旅客運輸量突破億的大型機場。阿姆斯特丹機場1-11月吞吐量達到6578.4萬人，全年吞吐量超過7000萬人?？梢?，雖然北京首都機場的旅客呑吐量居全球第二位，但其起降架次居第五位，僅分別為美國芝加哥和亞特蘭大的飛機起降架次的66%和67%。這在一定程度上反映了在空域資源和管理緊張的現(xiàn)狀下，我國機場運營和空中交通流管理還有很大的改進和優(yōu)化空間（2）。從2015年到2017年3月的統(tǒng)計看，旅客出行量較高的7，8月份往往是航班大面積延誤的高發(fā)期。根據(jù)《2017年全國民航航班運行效率報告》，近年航班正常率隨著航班量激增呈小幅下滑趨勢，2015年正常率為72.34%，2016年度的航班正常率為69.25%。更嚴(yán)重的是，像北京，廣州，上海虹橋和成都雙流機場等大型民用機場，在高峰季節(jié)中航班量最大的時間段內(nèi)，平均下來每個小時的起飛落地飛機容量都已經(jīng)超出了民航局公布的每小時機場容量。在2017年6月，民航數(shù)據(jù)分析CADAS（CivilAviationDataAnalysis）發(fā)布的《全球機場發(fā)布精確率報告》對全球167座主要機場的發(fā)布準(zhǔn)時率進行了評估。中國機場囊括倒數(shù)8位，在倒數(shù)第二的27位中占21位。如果這種居高不下的航班延誤率不能得到有效的控制，那么旅客的出行可能就會拋開民航，而選擇其他更準(zhǔn)時高效的交通工具。這就意味著民航運輸業(yè)板塊會受到其他運輸方式的挑戰(zhàn)，特別是現(xiàn)在中國高鐵發(fā)展速度驚人，在未來的十年內(nèi)，高鐵會成為越來越多人出行的選擇，如果民航不能把航班延誤率這個問題解決好，那么必定會造成不好的后果（3）。說到航班延誤，造成航班延誤的因素有很多，其中比較重要的一個原因是機場流量的控制及其相應(yīng)的管理。由于在空中交通管制中，當(dāng)空中空域的飛機數(shù)量達到一定數(shù)值時，機場跑道容量的最大值就會成為限制空中管制飛機數(shù)的一個重要因素，會增加管制員的工作負荷。為了解決機場容量帶來的限制因素，大多地方的機場都采取不同形式的措施，列如，增加跑道數(shù)量，增設(shè)為雙跑道或多跑道，擴建機場等等還有一些優(yōu)化空域的辦法。當(dāng)然，這些措施的實施不是憑空想象出來的，他需要科學(xué)依據(jù)，數(shù)學(xué)計算的支撐。目前，我國有12個機場有兩條或兩條以上的跑道，有10個機場已經(jīng)開通了兩條跑道。今后，更多的機場將啟動和實施多跑道項目。雖然說現(xiàn)在我國大部分地方都已經(jīng)完成了由程序管制到雷達管制的轉(zhuǎn)化，但是仍然有一些地方還在用程序管制來指揮飛機。在一些中小機場，他們擁有雷達管制設(shè)備，但他們沒有采用雷達管制而是程序管制，或在一些緊急的情況下，比如雷達管制設(shè)備失效，無法再進行雷達管制時，這時候要轉(zhuǎn)化為程序管制來進行管制指揮。但是現(xiàn)階段研究跑道容量的模型主要是針對雷達管制下來進行的。1.2跑道容量評估的發(fā)展概述1.2.1國內(nèi)發(fā)展進展我國對跑道容量的研究起步相對較晚，并且早期大多數(shù)都是集中在單跑道容量相關(guān)問題的計算研究上，但是隨著運輸量的需求，客運量不斷提升，機場跑道容量值得到飽和，才逐漸的轉(zhuǎn)移到雙跑道，多跑道問題研究上。在單跑道容量評估研究方面，在2005年，詹建明提出了他創(chuàng)建的空域容量評估模型，然后對該模型進行了詳細的介紹，通過實例證明了這個模型在實際研究中的可用度，在實驗證明中，發(fā)現(xiàn)問題提出了這個模型可以繼續(xù)改善的地方(4)。2006年，彭麗娟在計算跑道容量的計算公式中，新加入了跑道使用優(yōu)先權(quán)系數(shù)，完善了機場的跑道容量評估模型，彭麗娟在后期的研究中還使用了時間空間算法以及逆推法來求出兩架相鄰飛機將降落時的最小間隔數(shù)值，計算出來的結(jié)果也證實了其建立模型的正確性（5）；2007年，張兆寧提出新的想法，他設(shè)法把機場和相鄰終端區(qū)出入的走廊口看作為一個整體，把這個整體來作為一個研究對象，并且根據(jù)實際的情況，統(tǒng)計出各個出入走廊口飛機所占的比重，再聯(lián)系機場流量，就建立出了他研究容量和流量的數(shù)學(xué)模型，通過比較計算后得出的數(shù)值與實際情況，可以證實這個模型的適用性(6)；2011年，孟祥偉通過對FAA，LMI和MACAD三種模型的深刻理解和思考，將這三種模型的邏輯思維融合后提出新的跑道容量計算模型，并且還驗證出了在不同實際情況下，使用不同的模型會對結(jié)果造成的影響，給以后的研究提供了方向，即根據(jù)實際情況來選取不同的模型進行計算(7)。在雙跑道及其多跑道的容量評估研究方面，聶建雄針對廣州白云機場，結(jié)合機場實際的運行模式還有空域限制等因素，提出了一個關(guān)于雙跑道一起一降模式下的跑道容量評估模型，還對機場提高容量給出了自己的相關(guān)意見(8)；2009年，張洪海研究的問題是，如何解決多跑道降落時候飛機的協(xié)同調(diào)度優(yōu)化，他為此創(chuàng)建出了一個模型叫做協(xié)同調(diào)度優(yōu)化模型，并且根據(jù)實際情況還制定出了保證安全和高效運行的空中交通管理決策，最后計算結(jié)果表明，這個模型比之前設(shè)計的先到算法更加準(zhǔn)確(9)；2010年，尹嘉男，胡明華，趙征三人著重的把研究重心放在了航班流如何生成上，還有對機場運行過程中對發(fā)生運行沖突的檢測及其預(yù)防，最后建立評估機場多跑道容量的模型，這個新建立出來的模型相比之前的計算模型，他的作用是通過有效的減少航班延誤的幾率從而來提高跑道容量(10)；2011年，臧志恒對機場地面平行跑道的容量進行了研究，建立了飛行區(qū)的網(wǎng)絡(luò)評估模型（11）；2012年，武丁杰以單跑道研究模型為基礎(chǔ)，對單跑道容量研究模型進行了細致的分析總結(jié)，他列舉出眾多影響雙跑道容量的相關(guān)參數(shù)，將兩條平行跑道視為同一個研究對象，并且把之前研究的單跑道容量計算公式運用到新的計算模型當(dāng)中，構(gòu)建了基于相關(guān)平行儀表進近運行模式下的容量評估模型(12)。除此之外，李凱運用了馬爾科夫模型來對設(shè)計平行進近程序的多個影響因素進行詳細的描述，針對這個程序，還解釋了尾流形成原因，可能造成的不良后果，重點是研究尾流形成的側(cè)向運動對不同型號航空器進近時相互產(chǎn)生的影響(13)。1.2.2國外研究進展機場是復(fù)雜航線網(wǎng)絡(luò)中航線與航線的各個相交節(jié)點，機場對于民航運輸業(yè)的重要性不言而喻，要想提高一個機場的運行服務(wù)能力，提高機場的跑道容量是一個重要的方向。經(jīng)過不斷的研究發(fā)展，計算跑道容量的模型在不斷的提升優(yōu)化，并且各位學(xué)者嘗試著把一些從跑道容量中到的相關(guān)算法及方法引用到對機場容量進行評估的模型中。在國外對跑道容量進行的歷程始于二十世紀(jì)的中期，到了70年代，容量研究開始擴展至機場終端區(qū)層面上，如果說研究80年代之前，研究的方法主要還是存在理論上時，之后的研究就逐漸的把理論研究成果和計算機仿真模擬進行結(jié)合使用，這樣對于最后得到的數(shù)據(jù)，也更加有說服力。到了90年代，開始對平行跑道的跑道容量還有他的相關(guān)運行模式進行更細致的模擬和驗證。極限容量的觀念是被布魯姆斯坦首次提出的，在極限容量這個概念被提出來之后，大部分研究跑道容量的專業(yè)人士都會采用這個概覽到研究的模型中。Harris在研究跑道容量時，自己的想法，創(chuàng)造出了基于隨機變量的跑道容量評估模型，這個模型的優(yōu)點就是能夠把人為因素和設(shè)備問題帶來的誤差考慮到影響最終結(jié)果的范圍內(nèi)(14)。R.S.Ratner在1970年研究跑道容量的建模過程中，第一次將整個終端區(qū)和機場聯(lián)系起來，將其視為一個整體進行研究（15）。艾迪里斯（Idrissi）考慮從容量的分配作為研究的突破口，他考慮了不同進近定位點下的跑道容量相互的差異，從而能夠構(gòu)建出在流量控制情況下最優(yōu)的模型（16）。另外，國外研究者也對平行跑道從運行理念、可用性、實際現(xiàn)狀、程序等多方面做了大量地分析研究。國際民航組織研究多跑道運行已有多年，并且出臺有相關(guān)的文件書籍，如DOC9643《在平行或近平行有儀表著陸設(shè)備的跑道上同時作業(yè)手冊》，這本書主要講的是航空器在平行跑道上運行時同時進近，相關(guān)離場還有隔離運行模式下的一些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定（17）。自20世紀(jì)80年代開始，計算機開始興起，跑道容量的模型計算也將計算機仿真融入其中，計算機仿真模型逐漸運用到跑道容量評估，機場容量評估和空域容量計算中。除此之外，國外的研究范疇已經(jīng)從宏觀部分轉(zhuǎn)移到微觀上的不同尺度并且創(chuàng)建了計算機仿真模型來評估跑道容量大小，這些模型具有代表性的有：美國聯(lián)邦航空局（FAA）的機場容量模型(FAAAAirfieldCapacityModel）、LMI(LogisticsManagementinstitute)等等著重用來研究跑道容量的模型有：LMIRUNWAYCAPACITYMODEL、MACAD空側(cè)容量及延誤模型（MANTEAAirfieldCapacityanddelaysmodel）等其他隨機模型，及機場和空域仿真模型（SIMMOD）（18）。1.3主要研究內(nèi)容本文的主要研究點有三條：第一條，跑道運行和跑道間距的關(guān)系；第二條，對插縫放行中三種情況下公式的理解運用；第三條，針對雙流機場跑道的構(gòu)型，研究其跑道的運行種類，并用蒙特卡洛實驗方法計算跑道容量。第一章緒論介紹了多跑道容量的研究意義、相關(guān)背景、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、常見的容量評估方式以及重點研究內(nèi)容。第二章機場跑道容量及運行模式首先對跑道容量進行詳細的描述，然后介紹了跑道容量的影響因素，最后比較大容量和實際容量之間的關(guān)系。第三章平行雙跑道容量評估模型介紹了“插縫放行”的方法，確定使用蒙特卡洛實驗方法來進行計算，并列出了實驗需要進行的流程圖。第四章跑道容量評估實例分析較為詳細描述了成都雙流機場相關(guān)數(shù)據(jù)，跑道構(gòu)型等，計算出機場跑道適用的運行類型，根據(jù)現(xiàn)實中的數(shù)據(jù)帶入公式進行多次計算，最后得出跑道容量值，再對數(shù)值進行分析。第五章總結(jié)與改進對本篇文章論述的東西進行一個簡單的總結(jié)，并且提及文章涉及到的數(shù)學(xué)模型和公式中一些沒有考慮周全的地方，對跑道容量的近一步研究工作給出一些自己的看法及其建議。

2機場跑道容量及運行模式2.1跑道容量的概念跑道容量是現(xiàn)在世界上各個國家中，去研究機場規(guī)劃與發(fā)展中的一個必要項目，要想在跑道運行效率所有提高，跑道容量是首要的研究方向。跑道容量的分類比較多，主要是分為兩類，為最大容量（飽和容量），實際容量（每個小時的跑道容量），這也是本篇論文主要研究的兩個方向。在現(xiàn)實生活中，航班的延誤是無法完全避免的，所以在理論上，我們研究跑道最大容量，是指在不出現(xiàn)航班延誤下，單位時間內(nèi)起飛和降落的最大飛機數(shù)量，以及連續(xù)的服務(wù)請求。實際容量（每個小時的跑道容量）是在能夠接受的航班延誤期間可在一小時內(nèi)起飛和降落的最大飛機數(shù)量。根據(jù)上述定義，是否考慮航班延誤這個指標(biāo)，是研究最大跑道容量和實際每個小時跑道容量的根本區(qū)別。雖然研究最大容量時，并不能真實反映機場的運行狀態(tài)和飛機延誤，但研究出來的最大容量值，可以作為評估機場跑道在一定時間的最大的運行實力。實際運營能力反映了機場航班延誤與實際運營要求的飛機數(shù)量之間的密切關(guān)系。在現(xiàn)實生活工作中，如果同時存在多個飛機請求起飛或者降落時，那么必定會出現(xiàn)一定程度的航班延誤，我們在理論研究時，假設(shè)機場的跑道能夠滿足相應(yīng)的條件下，連續(xù)的起飛降落飛機，可以基本上消除延誤航班的數(shù)量，從而近視的計算出機場最大跑道容量。下圖1體現(xiàn)了機場中航班延誤的時間對跑道最大容量的影響，圖2則給出了航空器延誤的時間對飛行數(shù)量的影響（19）。圖2.1圖2.22.1.1跑道容量影響因素根據(jù)跑道容量的定義，我們可以得知影響其理論最大值的方面有很多，每個參數(shù)發(fā)生微小的調(diào)動，最后得出的數(shù)值都是完全不同的。并且，每個機場對于跑道容量的影響因素也不完全相同，所以要想得到一個機場的跑道容量最大值，必須對多個參數(shù)進行分析計算。通過翻閱教材和一線資料，現(xiàn)對一些比較重要的跑道容量影響因素進行總結(jié)：（1）跑道的數(shù)量、跑道的構(gòu)型和跑道的間距：跑道的數(shù)量，構(gòu)型和間距，主要影響飛機在跑道上的實際操作以及飛機與飛機之間的相互制約關(guān)系，并且根據(jù)民航局的規(guī)定，不同的跑道構(gòu)型限定了飛機起飛降落時的跑道運行模式。在這三個影響因素中，機場中跑道的數(shù)量對整個機場的跑道容量是具有決定性的，最關(guān)鍵的。（2）空管的飛行間隔要求：為了確保飛機在空中和地面上的安全，空管系統(tǒng)（ATMS）規(guī)定了飛行航空器與航空器之間的最小時間或距離間隔。按照規(guī)定的時間，距離間隔來實行空中交通管制，在跑道范圍內(nèi)，航空器的數(shù)目就會保持在一定的范圍內(nèi)。根據(jù)航空器的最大允許起飛全重，不同型號的航空器被歸為不同的種類，由此，民航局按照航空器起飛全重將其劃分為重、中和輕三種，不同類型飛機之間的起飛落地間隔就不同。相應(yīng)的，兩個航空器之間的時間或距離間隔越小，機場的跑道容量就越大。（3）機場落地起飛飛機的機型組合：起飛或降落前后不同的飛機類型，空中交通管制規(guī)定的飛機與飛機之間的時間或距離不同，因為模型組合的比例不同（重，中兩種模式的比例），最后得出的飛機序列肯定也會有差異，那么得到的跑道容量值就存在不同。（4）跑道的運行模式：機場跑道的不同運行模式和每條跑道的不同運行模式對機場跑道系統(tǒng)容量影響很重要。隔離運行下的跑道最大容量與混合模式下的跑道最大容量數(shù)值肯定是有差異的。2.2最大容量機場跑道最大容量指的是在一定時間內(nèi)機場運行期間可在機場運行的最大飛機數(shù)量，機場能夠容納飛機理論上的最大數(shù)值。最大容量僅存在于理論的計算當(dāng)中，在實際的運行當(dāng)中是無法達到的，計算出的跑道最大容量可以用來比較不同機場的運行服務(wù)能力，還可以從中找到提升機場實際容量的解決辦法。計算最大容量的模型要求航空器在相關(guān)間隔的規(guī)定下，必須不間斷的起飛或者降落，從而來達到在實際操作中不可能達到的條件。如果在現(xiàn)實機場的實際運行中，機場跑道的運行容量大于這個機場的最大容量值，將會極大的影響航空器正常運行的安全，甚至造成重大的安全事故，這也是機場跑道的警戒線，這是一個不可逾越的差距（7）。2.3跑道運行與跑道間距的關(guān)系跑道運行的規(guī)則主要是根據(jù)平行跑道之間的間距來決定的，查詢《平行跑道同時儀表運行管理規(guī)定》得到，用于航空器進場和離場的跑道運行模式有“獨立平行儀表進近”、“相關(guān)平行儀表進近”、“隔離平行運行”、“獨立平行離場”等4種基本模式。有部分機場中的平行跑道，兩條跑道的入口并不對齊，是相互錯開的。對于這種平行跑道，我們把跑道入口靠前的稱為“前跑道”，相應(yīng)的，跑道入口靠后的稱為“后跑道”。在實際的工作中，隔離運行模式包括“前起后落”和“前落后起”兩種（20）。為了方便分類，現(xiàn)將上述模式最終歸為3大類：隔離、半混合、混合。有關(guān)平行跑道的儀表運行模式見下表：表2.1平行跑道同時儀表運行模式根據(jù)《平行跑道同時儀表運行管理規(guī)定》第十五條的具體描述為：“兩條平行跑道中心線的間距不小于760m時，允許航空器按照隔離平行運行的模式運行(21)。出現(xiàn)下列情形的，跑道中心線的間距應(yīng)當(dāng)符合下列規(guī)定：以進近的方向為前，當(dāng)用作進近的跑道的入口比用作離場的跑道入口，每向后錯開150m時，兩條平行跑道中心線的最小間距可以減小30m,以此類推，但最小的間隔不能小于300m。以進近的方向為前，當(dāng)用作進近的跑道的入口比用作離場的跑道入口，每向前錯開150m時，兩條平行跑道的中心線的最小間距應(yīng)當(dāng)增加30m(11)。根據(jù)以上的描述，我們可以通過公式來表示出兩條入口錯開的平行跑道，在要使用隔離運行模式下需要滿足跑道中心線間隔的大?。篋=760±△（米）（其中△=X÷150×30，當(dāng)進近跑道入口向前錯開時使用“+”，向后錯開時使用“-”，X為兩條跑道入口錯開的距離）?，F(xiàn)為了方便我們后面章節(jié)論文研究，我們用A、B、C、D、E分別來代表5種基本的雙跑道運行模式，如下圖所示：表2.2雙跑道基本模式與最小間距對照表代碼基本模式最小間距（米）A獨立平行儀表進近1035米B相關(guān)平行儀表進近915米C隔離（前起后落）D=760－△D隔離（前落后起）D=760＋△E隔離平行離場760

3平行雙跑道容量評估模型3.1平行跑道運行特點分析每個雙跑道或多跑道機場之間的平行跑道間隔有大有小，間隔大的機場跑道，可以采用隔離模式來進行飛機的起降。跑道中心線間隔較小的平行跑道，不能夠滿足隔離模式。當(dāng)不滿足隔離運行的條件，還可以實施類隔離運行模式，即一條跑道用來起飛，另外一條跑道用來落地，這樣做的目的，讓起降飛機能夠保持一定的距離，保證了飛機與飛機之間的規(guī)定尾流間隔。另外，有規(guī)章規(guī)定，當(dāng)這兩條跑道上都同時用來起飛時，此時離場的航空器之間的放行間隔大小應(yīng)當(dāng)依據(jù)單跑道放行規(guī)則。本篇文章采取“插縫放行”的模型對跑道進行研究分析，所謂“插縫放行”是指管制員在管制的工作中，將離場起飛的飛機放在兩架即將著陸的航空器之間放行，該方法能有效的減少航空器使用跑道的時間。在實際運行中,為滿足機場流量需求，不同的時間段采用不同的跑道運行模式，早高峰時段起飛航空大于著陸航空，這段時間采用運行模式，其余時間都采用上述的“類隔離”跑道運行模式。此外,為同時滿足起降航空器需求，原則上采用起飛飛機和著陸飛機1：1的比例。但翻閱資料數(shù)據(jù)和尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)后得出，如果在管制過程中，完全使用“插縫放行”，最后統(tǒng)計出的結(jié)果不能完全滿足航空器1：1的起降比。當(dāng)進場航空器較多時,為了滿足1:1的起降比，采用讓落地飛機優(yōu)先落地的想法，即著陸優(yōu)先原則。此時假設(shè)進近著陸的航空器之間的間隔都剛好滿足最小間隔標(biāo)準(zhǔn)，一旦兩架進近航空器之間的距離大小能夠滿足一架離場航空器起飛，則允許該航空器起飛，在兩架進場飛機之間插縫放行。當(dāng)起飛離場航空器的數(shù)量增多時，不采用著陸航空器優(yōu)先原則，在此條件下，為了滿足起飛離場飛機之間的最小起飛所需間隔，適當(dāng)?shù)脑龃笾懞娇掌髦g的間隔距離，這種模式叫起飛航空和著陸航空器同等優(yōu)先原則。因此,著陸優(yōu)先原則和著陸起飛航空器同等優(yōu)先原則在“類隔離”運行模式下，可以計算出著陸容量和起飛容量的理論最大值。為了使最后得出的數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，本文只針對著陸優(yōu)先原則下的跑道容量,并用蒙特卡洛方法進行計算。3.2蒙特卡洛方法的基本思想MonteCarlo方法稱為隨機模擬(Randomsimulation)方法，有時也稱作隨機抽樣(RandomSampling)技術(shù)。蒙特卡洛的基本思想大致是，為了解決數(shù)學(xué)，物理，工程技術(shù)和生產(chǎn)管理中的問題，根據(jù)所面臨的實際情況，建立概率模型和隨機過程，使其參數(shù)等于問題最后的解;然后通過對模型和過程的觀察或抽樣測試，最后來計算參數(shù)的統(tǒng)計特征。最后，給出近似值。解的精度可以用估計值的標(biāo)準(zhǔn)誤差表示（21）。要看蒙特卡洛模擬過程是否取得成功，創(chuàng)造出隨機分布的變量是一個重要的環(huán)節(jié)。在本篇論文中，使用區(qū)間（0，1）中均勻分布的隨機數(shù)來作為隨機變量。在蒙特卡洛的實驗過程當(dāng)中，隨機數(shù)可以用來實現(xiàn)其他的隨機變量抽樣，可以看出隨機數(shù)是該模型當(dāng)中進行隨機抽樣的必備元素?，F(xiàn)目前很多數(shù)學(xué)研究生成的隨機數(shù)都是通過計算機來完成，該隨機數(shù)的特點，第一是占用的內(nèi)存小，第二就是生成的速度很快，并且再現(xiàn)容易，還與計算機的條件無關(guān)。但是，隨機數(shù)必定是由遞歸公司所得出，他是擁有周期性的。在一開始確定初始值之后，就確定了所有的隨機數(shù)，且不滿足了真隨機數(shù)的要求。因此，它通常被稱為數(shù)學(xué)。用遞推公式方法得出的隨機數(shù)是偽隨機數(shù)。在實際的計算中，要把他們用作實數(shù)隨機數(shù)，就需要讓這些偽隨機數(shù)通過一系列的統(tǒng)計和檢驗。3.3蒙特卡洛數(shù)值仿真模型建立蒙特卡羅能力評估方法通過記錄指定時間段內(nèi)的飛機飛行來計算跑道容量。模擬過程中使用的參數(shù)是確定性的。為了使引用的數(shù)據(jù)為隨機數(shù)，保證實驗數(shù)據(jù)的隨機性，采用多次重復(fù)實驗的方法。簡單的數(shù)學(xué)公式很難真實地反映出許多隨機變量的各種組合。本文采用蒙特卡羅模擬思想模擬變量的隨機性。平行跑道容量模擬評估的思路流程如下圖：開始開始設(shè)定仿真航班問題N仿真次數(shù)=1開始生成交通流起降模型生成各航班飛機類型分配各航班跑道生成各航班間隔起降時刻截取起降時間在3600s以內(nèi)的航班，輸出本次仿真跑道容量仿真次數(shù)+1＜N否計算跑道容量平均值結(jié)束是根據(jù)上圖，有幾點需要進行補充說明：（1）使用航班的間隔矩陣來確定出，前后兩架航空器的間隔，根據(jù)兩架飛機起飛降落使用的跑道，起降的模式還有機型來確定的。（2）各飛機起降時刻注意事項。第一架出現(xiàn)的飛機，無論是起飛還是降落，都將其時刻設(shè)為0。通過遞歸方法,起飛的飛機插在兩個著陸飛機之間，計算出飛機的起飛降落時刻，前后兩機的間隔，和后面飛機的時間。需要注意的是，對于多跑道運行來說,任何兩架飛機都應(yīng)該考慮兩機之間的安全間隔，不僅要考慮第i架和第i+1架飛機之間的間隔，還需要根據(jù)分配的跑道考慮第i-1架和第i+1架飛機之間的間隔，如果第i-1架飛機與第i+2架飛機之間的間隔不夠，那么也應(yīng)當(dāng)?shù)鹊介g隔達到標(biāo)準(zhǔn)，再放行。計算一次仿真的容量值。統(tǒng)計出t≤3600s的航班數(shù)量（即一個小時的跑道容量），將這個數(shù)值記為在當(dāng)前條件下的跑道實際容量。3.4插縫放行模型在著陸絕對優(yōu)先原則下，起飛航空器采用插縫放行原則,如下圖所示。圖3.1插縫放行情形示意圖注：（1）下標(biāo)出現(xiàn)k的為起飛航空器，下標(biāo)出現(xiàn)i的為著陸航空器;（2）數(shù)字1、2、3分別代表離場飛機3種放行情形。情形1表示第k架與第k-1架航空器所需要的起飛間隔小于第i架與第i+1架航空器落地的實際間隔要求，第k架航空器能夠在第i+1架航空器著陸后立即起飛，即：。相對應(yīng)的，第K架航空器不需要等待起飛，他距第i＋1架航空器降落后的等待時間Ti(k)=0,起飛時間間隔為：（1）公式（1）中，vi＋1為第i＋1架著陸航空器的進近速度，vi＋1的數(shù)值大小有實際情況決定。Tmin(k,k－1)為第k架起飛航空器與第k－1架之間的最小起飛間隔，最小起飛間隔由規(guī)章中數(shù)據(jù)來計算。情形2表示第k架航空器和第k-1架著陸航空器間所需要的飛機間隔大于了第i架與第i+1架航空器實際的著陸間隔，即第k航空器需要等待第i+1架航空器著陸后，并且與前一個起飛飛機之間的間隔滿足了最低要求時，滿足第K－1架與第K架航空器起飛間隔要求，才能夠放行起飛。此時等待時間為：（2）且此時起飛的航空器與即將著陸的航空器之間的間隔大小還要大于等于DA，即D(i+2,i+1)－T1(k)≥DA，則起飛時間間隔為：（3）情形3表示情形2中第k架航空器等待時間T1（k）后，第i+2架航空器距第k架航空器間隔，不滿足起降航空器規(guī)定間隔要求,即D(i+2，i+1)－T1(k)xvi+2＜DA,此時航空器還需等待：（4）則此時起飛時間間隔為：（5）由于起飛的飛機不一定完全在兩架著陸航空器之間放行，如果全部按照在著陸飛機之間放行起飛，這樣在計算過程中可能造成起降航空器架次的錯列。因此，處于結(jié)果準(zhǔn)確性的考慮，現(xiàn)在計算模型中多增加了一個著陸因子ak。當(dāng)ak為0時表示第k架航空器于第i+1架航空著陸后起飛,為1時第k架航空器于第+2架航空器著陸后起飛。由上述的三種不同起飛模式，我們可以計算出每架航空器的起飛等待時間； 令 其中一次等待時間為； 0M≥0T1(k)=—MM＜0，（7）如果一架航空器在進行了一次等待后，間隔仍然達不到要求，需要進行二次等待，直到第i+2架航空器著陸后，此段時間記為二次等待時間： 0T1(K)=0或T1(k)≠0且N≥DAT1(k)=T1(K)≠0且N＜DA（8）由T1(k),T2(k)可得第k架航空器距最近著陸航空器起飛等待時間為:0T2(k)≠0＝ T1(k)T2(k)=0(9) 0T2(k)=0 1T2(k)≠0（10）在一次實驗計算（t≤3600s）中，通過循環(huán)累計計數(shù)可以得到起飛離場航空器總數(shù)CD。由于起飛航空器在著陸航空器之間插縫放行,可以通過計數(shù)的方法來累計求和得到跑道著陸容量CA。由此，我們可以得到跑道總?cè)萘考礊镃=CD+CA。由于航空器的序列，機型都是計算機隨機匹配出來的，不同的序列最后得出的跑道容量值是不同的，為了減小這種隨機性帶來的結(jié)果差異，本文采取多次重復(fù)實驗的方式來得出較為精確的結(jié)果。在進行了N次的重復(fù)實驗后，在再將每次的實驗結(jié)果進行取平均值。最后跑道起飛容量，跑道著陸容量，還有總?cè)萘咳缦拢?11)

4跑道容量評估實例分析4.1雙流機場要素雙流國際機場位于成都市雙流區(qū)的西南部，距成都市16公里，是中國八大區(qū)域樞紐機場之一。成都雙流國際機場還是中國中西部城市中最繁忙，流量最大的民用機場，是中國西南地區(qū)重要的航空樞紐港和客貨集散地，成都雙流國際機場是中國民航繼北京首都國際機場、上海浦東國際機場后第三家開放Ⅱ類的機場（10）。雙流機場將西南片區(qū)通過民航運輸?shù)姆绞脚c全世界聯(lián)系了起來的，使人們的出行更加的方便快捷。成都雙流機場跑道與其他機場平行跑道構(gòu)型相比較為特殊，南北分布較窄。跑道是一條平行的跑道，但跑道入口錯開，兩條跑道中心線的間距為1040米。02L入口和02R跑道入口交錯4640米。跑道號分別為02L和02R，20L和20R，跑道長度為3600米，其中02L/20R跑道寬度為60米（包括道肩），02R/20L跑道寬度為75米（包括道肩），機場的飛行區(qū)域等級是4F，兩條跑道橫向間隔1040米兩條跑道之間的縱向距離為1500米。圖4.1雙流機場跑道示意圖4.2雙流機場構(gòu)型對跑道模式的選擇根據(jù)第二章列出的平行跑道運行規(guī)則，使用△=X÷150×30，Dmin=760±△的公式進行計算（X為兩條平行跑道入口錯開的距離），能夠求出在不同模式運行下，兩條跑道中心線間距需要滿足的最小間隔：Dmin前起后落=760-928=-168（米）Dmin前落后起=760+928=1688（米）由資料得出，實行隔離的條件之一為，兩條跑道的跑道中心線之間間距大于等于三百米，可以得出結(jié)果：Dmin前起后落=300米＜1040米Dmin前落后起=1688米＞1040米表4.1代碼基本模式最小間距實際間距限制A獨立進近1035米1040米√B相關(guān)進近915米1040米√C1前起后落300米1040米√C2前落后起1688米1040米×D獨立離場760米1040米√根據(jù)圖六可以得出，雙流機場跑道在根據(jù)跑道構(gòu)型的要求下，除了前落后起的模式不能運行外，其他的模式都可以適用于跑道。通過組合不同的基本模式，我們可以得到成都雙流國際機場：表4.2復(fù)合模式起降模式組合方式隔離前起后落C1半混合雙起單落C1+D半混合雙落單起C1+A(B)根據(jù)兩兩組合，一共可以得出其中不同的結(jié)果，但由于C2模型，跑道不能達到要求，所以只有C1、C1+D、C1+A（B）這3種起降模式符合要求。即復(fù)合模式下的“隔離模式”和“半混合模式”能夠用于跑道實際運行。4.3算例分析4.3.1參數(shù)分析（1）為了得到不同機型在起飛降落時所占的比重，自己在一線處記錄下了起飛，降落高峰期時段的飛機類型，如下圖所示：表4.3高峰時段起飛飛機的機型ATD05120530054705450556060605590612061606080615機型A319A320CRJ9CRJ9A332A320A319A320A319A332A321ATD06140612062206300619063306100632062406320637機型A319A320A330A319A319A319A319A319A320A320A320ATD06350628064106260639064406540700064406580658機型A320A320A320A321A321A320B737A321A319A332A332ATD06480650070606560654064606580656064207040708機型A319AJ27A319A320B738A320A321A319A321A319A321ATD07140705071007080714070507100708070107020712機型A319A320A332A321B738A320A332A350A320A320A332ATD072007220726073107330730072807320753機型A332A321B738A320A332A319A321A319A320表4.4高峰時段降落飛機機型ATA09000929091709150934092709300919093209500928機型A319B738B789A321A321A320B738B738B738A320A319ATA09450959100210000958100709570946102210180958機型A320A320B738B738B738B738B738A320B789A320B789ATA10070957094610221018095810091025104010370958機型B788A320B788B738A320B788A319B738B738B788A321ATA10021007103110541009103910341001100510231101機型B788A319B738B738A321A320B737B738A320A333B738ATA10201101112510521037104011001110104910451049機型A319A332A321B789A350A320A321B738B738A320B788ATA10301127110411001053103711081106114611191125機型A319A319A321A332A320A319A332B738B738A319B788由圖八可以得出，雙流機場起飛高峰期05:00—08:00時間內(nèi)，根據(jù)統(tǒng)計可以得到，重型機起飛架次36架，中型機起飛架次39架，重型機所占的起飛比率為48%，中型機所占的起飛比率為51%。在這個期間內(nèi)，起飛飛機兩個機型計次基本相同。由圖九可以得出，雙流機場降落高峰期09:00—11:30時間內(nèi)，根據(jù)統(tǒng)計可以得到，重型機降落架次為45架，中型機降落架次為22架，重型機所占的降落比率為67%，中型機所占的降落比率為33%。在這個期間內(nèi)，降落飛機中，重型機架次多于中型機架次。由于本次模擬實驗，需要在一段時間內(nèi)的起降飛機各個機型所占的不同比重，所以將這次統(tǒng)計出來的數(shù)值結(jié)果，近似的當(dāng)做雙流機場運行高峰期下，重、中型飛機各自的比重。可以通過簡單計算出重型機的比重為60%，中型機的比重為40%。（2）本文模擬計算當(dāng)中的前后兩機之間的尾流大小，按照《中國民用航空空中交通管理規(guī)則》，相關(guān)數(shù)據(jù)由下圖所示，其中橫著的第一行代表前機，豎著的第一列代表后機，之間的數(shù)字代表所要達到的間隔。尾流間隔的數(shù)據(jù)大小，代表連續(xù)不間斷進港時，飛機與飛機之間需要遵循的間隔最低標(biāo)準(zhǔn)。在實際情況中，管制部門會根據(jù)天氣和空域的限制使用情況，來給出符合要求的最小間隔。表4.5項目輕型/KM中型/KM重型/KM輕型61012中型6610重型668（3）跑道占用時間，降落的飛機肯定是需要一定的時間來滑出跑道，那么這個飛機占用跑道的時間也是一個不確定的值，是一個隨機數(shù)，但各個飛機之間差別較小，對最后得出的跑道容量研究結(jié)果影響不大。通過采集了大量雙流機場的實際運行數(shù)據(jù)，記錄下進跑道對正不超過60s，飛越跑道入口脫離不超過50s,劃跑到離地不超過50s，這里近視的處理起飛飛機和落地飛機他們的跑道占用時間取他們平均占用跑道時間來進行計算研究，統(tǒng)一為60s。（4）由大量的實際運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果得出，重型機的最后進近平均速度300km/h,中型機的最后進近平均速度為240km/h。（5）根據(jù)雙流機場統(tǒng)計結(jié)果，未考慮尾流情況下，起飛航空器最小間隔90s，考慮尾流影響情況下最小起飛間隔為120s，起降航空器之間間隔為5KM，在這個計算模型這個，我們要考慮起飛前后飛機的尾流間隔。為了使最后結(jié)果有一定的精確度，現(xiàn)分別進行N=10,100，1×103，1×104，1×105次仿真實驗，經(jīng)過計算機計算過后，得出以下的結(jié)果：表4.6實驗次數(shù)N1028.56329.99358.55610028.46829.57258.0401×10328.24529.30957.5541×10428.08329.44857.5311×10528.09429.43857.5324.3.2參數(shù)對跑道容量的影響為了提高跑道容量，我們可以從影響其容量的參數(shù)入手，進離場飛機的機型比重，肯定會對跑道最大容量產(chǎn)生不同的影響，本文當(dāng)中統(tǒng)計的重型機進離場比列為60%，中型機進離場比列為40%，現(xiàn)在假設(shè)提高重型機的架次比，或提高中型機的架次比，來研究分析對最終計算出來的跑道容量的影響。在使用隔離模式下，不同機型比重下的計算結(jié)果如下圖：表4.7機型比重跑道容量（架/小時）重型機80%中型機20%45重型機70%中型機30%52重型機60%中型機40%58重型機50%中型機50%55重型機40%中型機60%48圖4.3.6通過計算的結(jié)果反映到了圖十二中，可以看到在機場實際運行當(dāng)中，當(dāng)重型機占比為60%時，計算出來的平行跑道容量值最大為58架次/小時，當(dāng)重型機的比重增加或減少時，相對應(yīng)的跑道容量都會降低，機場的連續(xù)服務(wù)能力就會打折扣。并且當(dāng)重型機所占的比重越大或越小的情況下，其跑道容量的最大值就會差容量峰值越多，跑道的承受能力大大降低。但60%的比率并不一定是機場跑道容量最優(yōu)時的重型機占比，可以大概確定這個最優(yōu)比率在50%到70%之間，如果想要計算出這個最優(yōu)值，還需要近一步的研究分析。4.4雙流機場跑道容量評估分析上面的計算數(shù)據(jù)得出，由于整個模型采用的是“插縫放行”，并且著陸優(yōu)先原則。即著陸航空器滿足一定條件時，管制員才能夠?qū)﹄x場飛機采取放行。由于起飛的飛機是插在兩架著陸飛機間隔當(dāng)中放行的，所以最后得到結(jié)果的起飛率應(yīng)當(dāng)是小于1的。采用多次重復(fù)實驗的目的就是為了減少實驗的隨機性對最后結(jié)果產(chǎn)生的影響，根據(jù)多次結(jié)果的比較，最后基本達到預(yù)期值，并且以1×105次實驗的數(shù)據(jù)來作為最終的結(jié)果。由上表中的最后計算結(jié)果可知，起飛跑道容量為28.094架次/h，著陸跑道容量為29.438架次/h，起降比為0.94，符合實驗前的預(yù)期值，也基本符合雙流機場實際的運行特點。最后計算出來的機場雙跑道總?cè)萘繛?7.53架次/h也和實際跑道容量數(shù)值基本符合，說明這個模型用來計算機場雙跑道容量可行。模擬結(jié)果接近實際機場最大容量值，可見MonteCarlo方法運用在處理機場相關(guān)隨機變量問題時，例如本篇論文隨機生成的航空器進離場序列，是非常適用的。本文在研究跑道容量是，模型仍然存在一些缺陷或不足，還需要近一步的改良，所以本文最后得出的結(jié)果不是很準(zhǔn)確。但是，即便沒有對參數(shù)，運行環(huán)境，天氣等因素進行更完善的補充，用蒙特卡洛方法來多次重復(fù)計算機場容量的思想還是所闡述的內(nèi)容。在實際運用中，除了上述這些限制因素外，機場的容量還要受天氣，跑道實際情況，空域的運用等等因素限制。如果要對這個模型進行更深層的研究，可以涉及到更多的變量，便可以達到預(yù)期值。

5總結(jié)與改進5.1論文總結(jié)本文以雙跑道電容評估模型為基礎(chǔ)，使用重復(fù)測試法對跑道容量進行綜合評估和比較。這篇文章主要是實現(xiàn)的：（1）采用著陸飛機優(yōu)先，使用“插縫放行”的原則，并且同時考慮到起飛和著陸飛機之間的最小間隔。（2）采用多次重復(fù)試驗的方法，不同隨機排列組合出的飛機序列，體現(xiàn)出的是前后飛機需要保證的間隔，最后得出不同的跑道容量值，多次試驗結(jié)果的求均值可以減小誤差。（3）多次重復(fù)計算出來的結(jié)果與實際機場最大容量值比較接近，說明了蒙特卡洛方法來研究機場跑道容量有實用性。（4）雙流機場在高峰期時，可以采用本篇文章的模型，計算出來的結(jié)果與跑道最大容量數(shù)值相近，此時跑道實際容量最大，可以提高機場的運行效率。5.2進一步工作本文雖然較為系統(tǒng)地對平行雙跑道建立了容量評估模型，并采用了多次試驗的方法用實例對模型進行檢驗，但仍存在以下不足：（1）成都雙流機場跑道入口為錯距式平行跑道，本文沒有過多考慮到錯距入口對跑道容量帶來的影響。（2）沒有考慮到管制員的負荷和管制員的經(jīng)驗在內(nèi)的管制因素，還有導(dǎo)航帶來的誤差，以及關(guān)鍵的機場天氣對跑道容量帶來的影響。（3）應(yīng)該綜合考慮放行優(yōu)先等原則的應(yīng)用，建立更為全面合