新技术下的大型机场跑道容量的评估和提升

发表时间：2019-07-05T10:52:43.790Z 来源：《基层建设》2019年第11期 作者： 1 王建中2 葛林1[导读] 摘要：跑道是机场的主要设施，跑道容量是机场容量的主要决定因素。

1.旭鹏设计咨询（上海）有限公司 2.Strategic Planning Service，Inc.

摘要：跑道是机场的主要设施，跑道容量是机场容量的主要决定因素。随着航空业务量的增长，我国多数大型机场和干线机场都在增建或计划增建跑道，以缓解日趋紧张的运量压力。研究机场多跑道容量，特别是新技术下平行跑道容量对于指导我国未来机场建设具有重要的意义。本文从现有运行条件下典型机场平行跑道容量评估出发，探讨多起飞角度下跑道容量的提升，并建议积极采用多种先进空管运行程序和技术，以应对日益增长的容量要求。

关键词：跑道构型、跑道容量、进近、导航技术

随着航空业务量的迅猛增长，我国各主要民用机场面临着重大的发展机遇和挑战。跑道容量是决定机场发展或者说机场容量的重要因素，科学合理的规划跑道布局，是在高效率满足发展需求条件下实现土地经济性和机场发展可持续性的关键。在国内，当北京首都国际机场和上海浦东国际机场率先具备三组进近跑道条件后，我国越来越多的大型机场为保障未来发展的需求，纷纷规划将三组进近跑道作为远期跑道构型。一些新建机场的总体规划甚至预留未来四组进近跑道的可能性，如北京新机场和成都天府国际机场等。

如何基于现有运行方式，展望新技术应用和吸取国外先进经验，进行不同发展阶段跑道容量的科学合理评估和提升是进行机场扩建时的重要课题。本文首先应用蒙特卡罗运算方法基于现有运行条件下对具有两组和三组进近跑道构型的典型机场进行容量评估，探讨多起飞角度下跑道容量的提升，并建议积极使用有助于机场容量和运行效率提升的各种先进空管运行程序和技术。 一、进近跑道运行的有关规定

关于两条平行跑道运行规则，参照《平行跑道同时仪表运行管理规定》（中国民用航空总局令第123号，2004）： • 两条平行跑道中心线的间距不小于1035米时，允许航空器按照平行仪表进近的模式运行。 • 两条平行跑道中心线的间距不小于915米时，允许航空器按照相关平行仪表进近的模式运行。 • 两条平行跑道中心线的间距不小于760米时，允许航空器按照隔离平行运行的模式运行。 • 两条平行跑道中心线的间距不小于760米时，允许航空器按照平行离场的模式运行。

关于三组进近跑道的运行规则，目前美国联邦航空管理局（Federal Aviation Administration，FAA）在机场设计咨询通告（AC150/5300-13A）中对仪表飞行规则（Instrument Flight Rules，IFR）下平行跑道间距的规定是，一般情况下在机场海拔低于305米，机场跑道间距在大于1525米的情况下才能实施三跑道进近；FAA仍在研究当机场海拔高于（或等于）305米或跑道间距少于1525米的跑道运行情况。

国际民航组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）在机场设计手册（ICAO DOC 9157）中只有两跑道进近规则。前述中国民用航空局的规定与国际民航组织相同。

二、基于蒙特卡罗运算方法的单一跑道最大离场和到场容量评估

在现有运行条件下，采用以下的前后飞机最小间距要求进行跑道离场和到场容量评估： • 同一条跑道上起飞间隔：2分钟，前机为重型机则为3分钟；

• 同一条跑道上降落间隔：进场飞机间采用标准ICAO/CAAC尾流间隔（见下表1）；

• 同一条跑道起降运行：前序到底飞机脱离跑道后、后序到达飞机距离跑道端4公里之前，离场飞机可以起飞滑跑。 表1 飞机进离场最小间距要求

使用时间-距离（Time-Space）分析方法，可以计算出单一跑道最大离场/到场容量（见下图1）：

图1 飞机间距时间-距离分析示意

假设高峰小时机型组合为，超重型：1.4%；重型：16.4%；中型：82.2%，采用蒙特卡罗运算方法，计算得到单一跑道离场容量为25架次/小时，到场容量为32架次/小时。

图2 蒙特卡罗方法对单一跑道离场容量评估示意 *缓冲设置为10%

图3 蒙特卡罗方法对单一跑道到场容量评估示意 *缓冲设置为10%

三、现有运行条件下的跑道运行容量评估

为实现三组平行仪表进近跑道布局，大型机场规划中常采用三条运行的远距离平行跑道，跑道间距不小于1525米，如北京首都国际机场（如图4）；或衍生的三组半混合运行的跑道，各组中用于进近运行的跑道间距不小于1525米，如上海浦东国际机场（如图5）。国内其他具备两组进近跑道的大型机场，如果具备条件，很多远期将采用类似上海浦东国际机场的跑道构型模式，如广州白云国际机场（如图6）、郑州新郑国际机场（如图7）等。后者这类跑道构型也是国际上很多大型机场采用的模式，如亚特兰大机场（如图8）等。

图4 北京首都国际机场跑道间距示意

图5 上海浦东国际机场跑道间距示意

图6 广州白云国际机场跑道间距示意

图7郑州新郑国际机场跑道间距示意

图8亚特兰大国际机场跑道间距示意

本文基于某大型机场规划的典型近期两组、远期三组半混合运行的跑道构型，进行跑道运行容量的研究。该大型机场南二、北二和北三跑道作为进近跑道，满足FAA三跑道进近间距要求。南一和南二、北一和北二跑道为窄距平行跑道，间距均小于760m，故只能采用一起一降的相关运行模式。

图9某大型机场远期跑道间距示意

图10现有运行条件下该跑道构型的近远期容量评估

根据前述现有运行条件下单一跑道最大离场和到场容量评估，假设没有其它条件，如降落跑道有充足和位置最佳的快滑出口，飞机没有连续起降（touch-and-go），没有跑道穿越等，且只考虑一种运行，即到场时没有或极少离场，离场时没有或极少进场情况下，该机场在远期五条跑道时，高峰到场容量为96（=3×32）架次，高峰离场容量为75（=3×25）架次。

考虑窄距离跑道之间的相关运行以及到达、出发高峰及平衡模式下的运行情况，在现有运行条件下评估该大型机场的跑道容量如下图所示，其中考虑南一和南二跑道错位，在南二跑道有飞机降落时，南一跑道的最大起飞容量有所折减。 四、多起飞角度对跑道容量的提升

美国FAA在关于空中交通管制规则JO 7110.65W中对同一或相关运行跑道上连续起飞飞机间距的要求为如同一跑道或跑道间距小于2500英尺（762米）起飞，起飞夹角等于或大于15度，并且飞机在距离跑道端1海里内被雷达识别，则可以按照雷达间距1海里，否则需要3海里。

图11（a）单条跑道多角度连续离场 图11（b）相关运行跑道多角度同时离场

基于先进导航技术和飞行程序的开发和使用，经美国FAA的反复验证和研究在一些机场开始实施了Equivalent Lateral Spacing

Operations（ELSO等效横向间距）规范：在两机同时采用performance-based navigation（PBN）离场程序，起飞夹角在10度及以上时，即可以将离场飞机间的雷达间距要求减小到1海里。

图12（a）相关运行跑道起飞夹角示意 图12（b）在等效横向间距下的起飞夹角

在拥有相似跑道构型的美国亚特兰大机场，通过利用ELSO规范（等效横向间距），可以在两条或三条起飞跑道时有4个起飞角度。此举使得亚特兰大机场高峰离场容量增加了8-10架次，从而增加了航班正点率和降低了延误，总效益为每年1千万美元的燃油节约。

图13（a）亚特兰大机场多角度起飞方式1 图13（b）亚特兰大机场多角度起飞方式2

如前所述，当同一或相关跑道上起飞飞机可以建立15度航向偏离（或PBN运行加10度航向偏离），则起飞间距可以减少到1海里（保守换算后约为1分钟）。考虑到航班安排的局限性，假设连续起飞的飞机使用不同起飞角度的概率为50%至70%，重新进行蒙特卡罗模拟后，得出单一跑道离场容量为30至32架次；如果五条跑道（两组近距离跑道和一条远距离跑道）采用4个起飞角度（如亚特兰大机场），该机场总体规划跑道离场容量为80～82（=25×2+30～32）架次（由于窄距跑道隔离运行时离场飞机受进场飞机，建议将两个起飞角度安排到北三跑道）；本期四条跑道离场容量为60～（=30～32+30～32）架次。

图14多角度起飞条件下该跑道构型的近远期容量评估 表2 现有运行及多角度起飞情况下跑道容量评估值

五、其他提高跑道使用效率的措施

在最近执行的某机场飞行区仿真模拟研究工作中发现一些国内机场航班排布上具有很大优化余地，并通过模拟评估分析得出来通过对航班排布的优化（将单位时间内超出跑道容量的航班安排到不繁忙时段）可以得到一定程度的延误降低效益。

图15优化航班排布示意图

另外，通过对该机场飞行区运行模拟发现较高的离场延误经常是由于一个或几个跑道需求与容量不匹配所造成的。按照该机场目前的运行情况，60分钟内一条跑道不应安排超过27架次起飞。若起飞飞机不受同跑道或相关跑道降落飞机的影响，或有两个或以上的起飞角度，60分钟内可以考虑安排30或更高的起飞架次。

图16该机场起飞跑道航班排布与容量对应关系

图17起飞高峰时段起飞跑道端排队等待情况

为最大化的利用现有程序和技术能力，目前可以采用的措施还包括：

• 使用基于性能的导航技术（Performance-based Navigation，PBN），取代雷达引导。

• 采用进近运行模式，进行多跑道同时仪表进近的定量分析以评估风险和效益。在现有低航班量的情况下进行同时仪表进近的实践，以提高管理者信心，为将来繁忙机场的进近管理做好准备。 • 采用尾流重新分类，逐步减少前后飞机间距，提升跑道容量。

• 在天气条件允许是采用目视进近。目视进近可以增加跑道容量，需要尽快对目视进近进行可行性分析。 在可以预见的将来，可以通过以下措施提升跑道容量：

• 应用卫星导航 Ground Based Augmentation System（GBAS）系统，提升运行效率，降低低能见度状况下的延误。

• 应用先进到离场交通管理程序（Arrival/Departure Traffic Management，AMEN/DMEN）改善空中交通管制，降低终端区延误。 • 提升场面监控能力，为管理者和飞行员在全天气状况下提供现场情况。

• 为空管、机场和航空公司应对日常和非正常状态建立协作决策（Collaborative Decision Making，CDM）。 六、小结

大型机场跑道容量是影响机场运行效率和容量水平的关键因素，为满足日益繁忙机场运行的要求，本文探讨了在现有运行水平下进行跑道容量提升的有效手段，包括多角度起飞应用后对跑道容量的提升效应，优先考虑充分利用机场所有跑道的可用容量，优化航班时刻安排，提高运行效率和降低延误水平，以及积极使用有助于机场容量和运行效率提升的先进空管运行程序和技术，如PBN运行、进近、尾流重新分类、目视运行、GBAS系统、AMAM/DMAN、场面监控、和CDM等。 参考文献：

【1】中国民用航空总局令第123号，《平行跑道同时仪表运行管理规定》，2004. 【2】杨衡，蒙特卡罗模拟优化与风险决策分析的应用研究[D]，天津大学，2004.

【3】R.H.Mayer，Matthew Pollock，Jonathan T.Schwalbe，Dennis J.Zondervan，Toward a performance-based NAS：Airports forpotential application of PBN-enabled departure separation standards，Integrated Communications，Navigation and SurveillanceConference（ICNS），2013