基于AirTOp的龍嘉機場地面滑行路徑優化研究

李斌 謝春生

1.中國民用航空東北地區空中交通管理局 遼寧沈陽 110000;2.中國民航大學 天津 300300

摘 要：為了提高龍嘉機場的地面運行效率以及降低運行中的安全隱患，針對使用06號跑道的情況，通過地面滑行路徑和沖突等待點兩各層面討論了現有運行模式下機場地面運行存在的問題。針對性的提出了兩種優化方案，結合典型航班日的實際運行數據，通過AirTOp仿真軟件，分別對現行以及兩種優化方案下的機場地面運行進行模擬，對仿真得到的數據進行統計和對比，得出方案能夠減少等待時間與飛機滑行的沖突點。

關鍵詞：龍嘉機場;地面滑行;優化方案;AirTOp

航空器地面滑行路徑規劃問題本質上是一類資源規劃調度問題，即研究為多架航空器分配共享的、有限的場面滑行資源，以使航空器完成搞笑的滑行，并使整體規劃目標達到最優。[1]國內外學者已經針對滑行路徑優化開展了多方面的研究。2006年Marín將場面運行過程看作是線性多物流網絡，以總滑行時間最小為目標構造數學模型，采用分支定界法對分時間段的航班同時進行航班調度排序和滑行路徑優化問題求解。[2]2010年Prateek Gupta等人在研究路徑優化問題時，將研究時段劃分時間窗，采用Dijkstra算法求得最短滑行路徑，然后以時間窗內延誤時間最短為指標，使用MILP方法建立無沖突滑行路徑模型。[3]2012 年李楠針對滑行沖突影響飛行安全的狀態問題，提出在路徑優化數學模型中加入航空器滑行規則、滑行間隔要求及路由沖突避免限制三個約束條件，利用A*算法給出了問題的優化航班滑行總時間。[4]2015年王玄對機場沖突熱點區域的時間和空間分布特點進行研究，在此基礎上提出基于有向圖的航空器路徑優化模型，并設立相關約束條件。[5]

當前，隨著旅客出行需求和貨郵運輸量的日益增長，長春龍嘉機場作為東北亞航空樞紐機場，對航班量的需求愈益增加。然而，有限的空域資源和地面設施正逐漸成為約束航班量增長的瓶頸。龍嘉機場跑滑系統規模相對不大，但由于部分滑行路徑以及停機位區域劃分設置不合理，其航班在地面運行過程中的滑行效率問題逐漸凸顯，這無疑會對航班放行正常性、機場塔臺調度指揮以及機場整體運行效率造成一定程度的影響。在現有運行條件下，對龍嘉機場的跑道、滑行道構型和運行模式進行研究分析，結合實際運行數據，提出可行的改進方案，并使用AirTOp仿真工具加以比較，在提高機場航班的地面運行效率的同時降低運行中的安全隱患。

1 龍嘉機場飛行區運行情況

龍嘉機場飛行區目前擁有1條跑道，1條與跑道平行的滑行道A，另有一條未貫通的平行滑行道H，以及L1-L4，H1-H4若干垂直聯絡道及機坪滑行通道等。

在龍嘉機場的實際運行中，使用06號跑道時的運行效率問題相較24號跑道更為突出，因而本文針對使用06號跑道時的地面運行效率進行研究分析。

在龍嘉機場現行的運行方案下，進港飛機停靠A08-A14停機位時，航空器由L3聯絡道沿L滑行線進入各機位;停靠A15-A19停機位時，航空器由L2聯絡道沿L滑行線進入各機位;停靠A20-A28、101-109機位停靠時，航空器由L1聯絡道沿L滑行線進入各機位;停靠210-220停機位時，航空器由H4聯絡道沿L滑行線進入各機位;停靠221-232停機位時，航空器由H3聯絡道沿K1滑行線進入各機位;停靠B01-B05停機位時，航空器由H3聯絡道沿K1滑行線進入各機位。對于離港飛機，停靠A08-A14停機位時，航空器沿L滑行線由L4聯絡道進入A滑，停靠A15-A19停機位時，航空器沿L滑行線由L3聯絡道沿進入A滑，停靠A20-A28、101-109停機位時，航空器沿L滑行線由L2聯絡道進入A滑。停靠210-220停機位時，航空器沿L滑行線由L1聯絡道進入A滑，停靠221-232停機位時，航空器沿K2、L滑行線由H4聯絡道進入A滑，停靠B01-B05停機位時，航空器由H2聯絡道進入A滑。

2 地面運行分析及優化方案

由上一節對運行情況的介紹可知，目前運行的方案總體依據原則為使用就近聯絡道，進離港航班并未通過聯絡道隔離運行，在目前航班量較低的情況下，管制員可以依據實際情況靈活指揮，該方案有利于各航空器沿理論上距離最短的路徑滑行。然而隨著航班量的增加帶來的管制員符合增加，在目前運行中未暴露出的H2、H3、H4、L1、L2、L3和A滑的交匯處的匯聚和交叉沖突;滑行道H2、H3、H4、L1、L2、L3上對頭沖突將存在很大的安全隱患。

基于以上討論和分析，依據以下幾個原則，提出兩個較為貼合實際的優化方案。（1）停機位區域內部形成循環;（2）停機位區域之間避免對頭沖突;（3）主要使用的停機位滑行距離與滑行時間盡可能最短;（4）避免現行方案一些關鍵道口因沖突而產生的等待。

方案一的滑行方案為：進港飛機停靠A08-A19停機位時，航空器由L3聯絡道沿L滑行線進入各機位;停靠A20-A28、101-109、210停機位時，航空器由L1聯絡道沿L滑行線進入各機位;停靠211-217停機位時，航空器由L1聯絡道沿H滑行線經H4沿L進入各機位;停靠218-221停機位時，航空器由L1聯絡道沿H滑行線，經H4后，沿L進入各機位;或由H4聯絡道沿L滑行線進入各機位;停靠222-232停機位時，航空器由L1聯絡道沿H滑行線，經H4后，沿L經K1滑行線進入各機位;或由H4聯絡道沿L滑行線經K1滑行線進入各機位;停靠B01-B05停機位時，航空器由L沿K1滑行線進入各機位。離港飛機停靠A08-A14停機位時，航空器沿L滑行線由L4聯絡道進入A滑;停靠A15-A19，A20-A28停機位時，航空器沿L滑行線由L2聯絡道沿進入A滑，停靠101-109停機位時，航空器沿L滑行線由L2聯絡道進入A滑;停靠210-217停機位時，航空器沿L滑行線由L2聯絡道進入A滑;停靠218-221停機位時，航空器沿L滑行線由L2聯絡道進入A滑;停靠B01-B05停機位時，航空器由H2聯絡道進入A滑。

該方案的優點主要體現在：（1）避免了現在運行方案下的大量潛在沖突。（2）優化了停機位區域的劃分，令210機位使用與A20-A28，101-109機位區域相同的進離港滑行路徑。將原先的210-220與221-232區域優化為221-217與218-232區域，有利于進離場滑行路線的分離。（3）避免了快速脫離道D與垂直聯絡道L1交匯處存在的進、離港飛機之間嚴重的安全隱患。

方案一也存在一定缺陷，為了消除安全隱患，211-217區域的飛機離場時將長時間使用L滑行道，因而影響A20-28，101-210區域飛機的推出。部分機位因為進、離場垂直聯絡道的隔離使用，滑行路徑有所增加。

方案二的滑行方案為：進港飛機停靠A08-A14停機位時，航空器由L2聯絡道沿L滑行線進入各機位，停靠A15-A19停機位時，航空器由L2聯絡道沿L滑行線進入各機位，停靠A20-A28、101-109、210停機位時，航空器由L2聯絡道沿L滑行線進入各機位，停靠211-217停機位時，航空器由H4沿L進入各機位，停靠218-221停機位時，航空器由H4沿L進入各機位，停靠222-232停機位時，航空器由H4沿L經K1滑行線進入各機位，停靠B01-B05停機位時，航空器由H4沿L經K1滑行線進入各機位。離港飛機停靠A08-A14停機位時，航空器沿L滑行線由L4聯絡道進入A滑，停靠A15-A19停機位時，航空器沿L滑行線由L3聯絡道沿進入A滑，停靠A20-A28、101-109、210停機位時，航空器沿L滑行線由L1聯絡道進入A滑。停靠211-217停機位時，航空器沿L滑行線由L1聯絡道進入A滑，停靠218-221停機位時，航空器沿L滑行線經H3由H經L1進入A滑，停靠B01-B05停機位時，航空器經H2由H經L1進入A滑。

方案二的優點為：（1）在規避了現運行模式中存在的大量沖突的前提下，對比方案一機坪運行效率有所提升。（2）從機坪運行安全角度出發，避免快速脫離道與機坪垂直滑行道交匯處存在的進離港的航班流的安全隱患。（3）停靠218-232停機位的飛機離場使用滑行道H，可減少與由快速脫離道進入A滑的進港飛機的沖突和匯聚。

3 航空器地面運行仿真建模

參考以往建模方法，[6-8]根據進、離港路線分析和龍嘉機場機場細則中的限制要求，建立了飛行區仿真模型。建立仿真系統，需要對系統參數進行設置。主要包括：（1）典型日航班時刻表，包括航空公司、航班號、機型、計劃進離港時間、停機位、進離港跑道編號;（2）跑道占用時間（ROT）;（3）進出港安全間隔;（4）飛機滑行速度;（5）停機位的使用按照飛機機型、航空公司來分配;（6）跑道同時只能被1架飛機占用;（7）航空器在飛行區的其他運行標準參考相關規定;（8）飛行區AutoCAD布局圖。仿真系統主要分為機場道面物理模型、運行條件設置、航班計劃導入、仿真顯示與控制以及仿真結果統計與分析。

4 航空器地面運行仿真結果分析

4.1 進港滑行方案仿真結果分析

進港航班地面運行時間是指進港航班接地時間至停機位時間之間的時間長度，由于研究范圍為機坪，統計的進港滑行時間為脫離跑道至停機位的時間。

由上圖分析可知，在現行的航班量下，現行方案的總體進港滑行時間分布均勻，分布區間在1分30秒至3分鐘左右。考慮到沖突隱患，方案二調整了部分機位的滑行路徑，導致部分機位的進港滑行時間增加，然而在主用機位210-232，方案二平均滑行時間為163秒，與現行方案平均滑行時間156秒相差不大。方案一主要考慮運行安全性因素，整體進港滑行時間居中。

由上圖分析可知，在現行的航班量下，現行方案、方案一和二的進港滑行時間整體分布均勻，分布區間在100秒至250秒，且集中分布在8時至23時，少量航班滑行在凌晨0時至3時。其中現行方案滑行時間最優，平均滑行時間為114.74秒。方案二和現行方案的進港滑行時間相差不大，方案二平均滑行時間為130.28秒，方案一較其他兩種方案進港滑行時間長，平均滑行時間為137.03秒。

4.2 離港滑行方案仿真結果分析

離港航班地面運行時間是指離港航班從停機位推出到航班離地之間的時間長度，由于研究內容為機坪運行，統計內容為航班從停機位推出到跑道頭之間的時間。

由上圖分析可得，現行方案、方案一和二的大部分機位的離港滑行時間一致，無明顯差別，且滑行時間區間在400秒至600秒。方案二在101-109機位較其他方案平均高出50秒左右。

由上圖分析可知，在現行的航班量下，現行方案、方案一和二的離港滑行時間整體分布均勻，分布區間在400秒至600秒，部分時段航班的離港平均滑行時間會達到630秒。航班集中分布在早上6時至晚上23時。在現行運行情況下，現行方案、方案一和二的平均離港滑行時間為328.04秒、336.01秒和346.39秒，現行方案的離港滑行時間最短。

4.3 增量運行仿真分析

考慮到未來龍嘉機場的日航班量的增加以及滑行方案對未來機場運行的適應性，以及暴露潛在的沖突點，綜合考慮龍嘉機場滑行道分布與高峰小時架次后，決定在現航班量基礎上增加20%航班量，在計算機仿真基礎上進一步對滑行方案進行分析對比。

由上圖可知，基于停機位下三種方案的進港滑行時間在1.2倍航班量的運行情況下，大部分機位的進港滑行時間相差不大，整體趨勢平穩。主用機位210-223的平均進港滑行時間在100秒至150秒之間。

由上圖分析可知，在1.2倍的航班量下，現行方案、方案一和二的進港滑行時間整體趨勢平穩，分布時段多集中在150秒至250秒，且均集中分布在8時至23時，少量航班滑行在凌晨0時至3時。在增量運行情況下，現行方案、方案一和二的平均進港滑行時間為120.08秒、135.04秒和135.41秒，三種方案的平均進港滑行時間相差不大。

由上圖分析可知，方案一、方案二和方案三平均滑行時間分別為552.97秒、558.05秒和555.38秒，平均離港滑行時間平穩，三種方案之間無明顯差距。

由上圖分析可知，在1.2倍的航班量下，方案一、二和三的離港滑行時間整體分布均勻，分布區間在400秒至600秒，航班集中分布在早上6時至晚上23時，在9點的時間段，航班運行出現高峰期，方案一的離港滑行時間達到800秒。在增量情況下，方案一、二和三的平均離港滑行時間為360.09秒、354.24秒和341.97秒，方案三的離港滑行時間最短。

4.4 等待時間分析

根據AirTOp仿真工具進行仿真，對仿真運行中的航班所有等待或等待（blocked狀態）進行分析。基于AirTOp仿真工具的特點，這種blocked狀態按照運行邏輯可以分為等待和沖突兩種類型。等待是由于進入跑道排隊、起飛排隊等情況導致的航班等待，這種情況會造成航班等待進入下一個運行階段而消耗一定的時間。沖突的出現則時由于機場運行過程中出現的順向、逆向和交叉沖突進行等待而消耗的時間。針對使用06號跑道的情況進行仿真，每種方案運行10次，獲取每次仿真運行所有航班平均等待數據如下表所示。

在現行運行情況下，06方案二和現行方案的進離港的平均等待時間比方案一少，平均每架航班的等待時間為10秒左右。

在1.2倍航班增量的情況下，06方案二的平均等待時間為18.82秒，較現行方案、方案一平均少等13.4秒、9.79秒，方案二的等待時間較其他兩種方案有明顯優勢。

對各種方案性能進行了對比分析，為了避免對頭沖突，06跑道優化方案一和方案二部分機位的滑行距離稍長。在現行航班量下，06跑的進離港滑行時間，現行方案都小于優化方案，然而隨著航班量的增大，現行方案中為避免沖突而產生了等待，推薦方案的優勢得以體現。1.2倍增量情況下，06跑道時平均每個航班滑行時間減少19秒，24跑道時，平均每個航班滑行時間減少34秒。從等待時間上分析，優化方案的沖突等待時間無論在現行航班量還是在1.2倍增量情況下都有一定的優勢。

5 結語

對龍嘉機場的飛行區整體情況進行了介紹，重點分析了使用06號跑道運行存在的問題，提出了兩個優化方案。結合典型航班日的航班運行數據，應用AirTOp仿真軟件對不同方案下的機場地面運行效率進行了模擬;通過建立AirTOp仿真模型，結合實際運行數據，對不同優化方案下的地面運行進行模擬。統計得到的數據顯示：方案二在航班進、離港滑行時間、等待時間的優化效果總體優于方案一，且隨著航班量的增加，方案二的滑行時間增加比例與當前模式和方案一比較，相對較小。綜合上述理論分析和仿真所得數據，推薦采用優化方案二。

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