[科普中国]-跑道容量

机场中最重要的一个建筑设施就是跑道。跑道的性能和相应的设施决定了什么样的飞机可以使用这个机场。原则上，飞机的重量越大，它所要求的跑道就越长而且宽。民航机场按照接待飞机的能力做了区分，由一个数字和一个拉丁文字母组成，数字只有1、2、3、4，字母从A到E。数字表示飞行场地的长度，数字越大代表跑道越长，可以起降更大的飞机。字母则表示此机场跑道所能允许的飞机的主轮的轮间距（也可以用飞机两个翼尖的距离表示）。 有了适当的宽度，飞机在跑道上运动时机轮才不至于越出跑道。字母越靠后，机场跑道的宽度就越大。我国的主要国际机场都是4E级。这类机场的跑道长度在3000米以上，宽度为45-60米。中小城市的机场多数是3C级，跑道长度在1500米左右，宽度在30米以上。 在高原地区由于空气稀薄，致使飞机升力和发动机的功率降低，所以这些地方的机场跑道需要长达4000米以上才行。在热带地区，因为气温高，飞机的升力下降，所以跑道也要修得长些。跑道越长，机场占地也就越大，对四周环境的影响也越大。国际民航界对此已达成共识，今后发展更大的民航飞机时要从技术上改进，使新型飞机要求的起降距离，不能比现在的大型机场跑道更长。所以，有的地区盲目修建超长跑道的机场是没有道理的。在低海拔地区，机场跑道只要有3600米就足够达到飞机起降使用的标准了。

是正确地估计跑道容量是减少飞机延误、改善机场运行的理论基础。

跑道容量评估是现代机场发展和机场规划中一个重要课题。

国外对跑道容量的研究开始于20世纪40年代,广泛用于编制机场总体规划和政府报告;国内的研究开始于20世纪90年代,介绍了机场跑道理论容量。3

是指某一空管单元(跑道、扇区、终端区等)，在一定的系统结 构(空域结构、飞行程序等)、管制规则和安全等级下，考虑可变因素(飞机流配置、人为因素、气象因素等)的影响，该管制单元在单位时间内所提供或者能提供的航空器服务架次。容量又可以分为饱和容量（最大吞吐量）、实际小时容量、公布容量和持续容量。

是在假设连续服务要求不违反空中交通规则，每小时跑道系统服务的飞机运行架次的期望数。是跑道在连续服务下实现其最大潜能，需要知道每小时平均可以服务的飞机运行架次。就容量度量而言，不管这意味着每次几分钟运行的延误还是几小时的延误，都是不重要的。

PHCAP是使用时间最长的度量，早在20世纪60年代FAA就提出了该度量。实际小时容量是指在每次运行的平均延误为4分钟时，跑道系统每小时服务的飞机运行架次的期望值。其定义了一个可接受的服务水平门槛值（每次飞机运行平均延误为4分钟），并且规定当延误超出门槛值时，跑道系统达到它的容量最大值。凭经验估计，PHCAP大约是饱和容量的80%～90%。

是在合理的服务水平下，机场每小时可以服务的飞机运行架次。延误是服务水平的一个主要指标。在每个拥挤的机场常“公布”一个容量来限制本机场每小时安排的飞机运行架次。

在于是否用延误的定义。航班的延误程度和服务 需求密切相关。在一段时间内，如果多架航空器同时请求服务，会造成比较严重 的延误；而如果它们陆续请求服务，就有可能降低甚至消除延误。最大容量不能 反映系统的拥挤程度和延误水平，但可以反映系统所能提供的最大服务能力。实际容量和最大容量是两个不同的概念但有着十分密切的关系。根据交通运输领域的实际经验，当航空需求达到或超过系统容量(最大容量)的75%时，延误 开始显著增加，当需求与容量之比为1时，延误呈指数增长。如果此时空中交通需求再继续增加，那么延误将趋于无穷，其对应的容量即为该管制系统的最大容量。图2.1容量－延误曲线图能很好地说明这两者的关系

是在合理的持续几个小时内，每小时的飞机运行架次的数目。“合理持续”主要参考了ATM系统和空管人员的工作量，其基本原理是ATM系统应该一直保持在良好状态，以取得最大吞吐量。在美国它常用来设定许多主要机场业绩目标，指定以几小时为时间段，每个参与机场要达到的跑道容量的适宜水平。一般来说，当使用饱和容量的跑道构形时，持续容量大约是饱和容量的90%，当使用低饱和容量时，持续容量几乎是饱和容量的100%4

跑道容量是一个跑道体系处理飞机活动的最大能力，即当有连续任务要求时，在一个规定的时间间隔离，确定一个跑道体系所能容纳的最大飞行运行架次，仅用于着陆的跑道体系的容量手下列因素的影响：

飞机机型组合，通常按进近速度将飞机分为几个等级来代表其特性

各个不同等级飞机的进近速度

跑道入口前各类飞机共用进近航道的长度

每条跑道的运行组合（到达/出发/混合运行）和运行的先后顺序

到达进入入口时间差的大小和共用进近航道上的速度误差

认为可以接受的违反最小空中交通间隔所规定的概率

飞机机型组合中各个等级飞机的平均占用跑道时间，以及在这些平均时间中分散的大小程度

跑道的数目和构形

ATM系统管理下的飞机间隔要求，最小空中间隔规定

能见度，云幕和降水量

风向和风速

使用该机场的机场机型组合

从跑道到滑行道的位置和类型

ATM的状态和性能

与噪声和其它环境因素有关的限制5

跑道是空中交通系统的重要组成部分，通常决定着整个机场的容量水平。常用的机场跑道容量评估模型主要有3种：

1）数据统计分析模型是基于对现有机场的流量统计资料绘制容量包络图，进而估算出机场容量，该方法是早期容量分析经常采用的模型，其缺点是仅能对较繁忙机场已有跑道系统进行容量评估， 缺乏预判性 ；

2）数学理论分析模型是通过适当假设，建立机场和空域运行参数的数学方程组，进而求出跑道容量，主要用于宏观容量评估，缺少对运行细节的考虑，模型通用性差 ；

3）计算机仿真模型是目前应用最广泛的机场容量评估方法，它通过仿真软件构建目标机场的运行环境和管制规则模型，可较为逼真地反映机场的实际运行情况， 通过分析模拟运行数据得出机场的容量水平 ， Simmod和TAAM是当前主流的机场容量评估仿真软件。

然而，现有的容量研究多集中于对单跑道或特定机场的分析 ，缺少对远距、中距和近距平行跑道容量的系统研 究， 而平行跑道系统是当前机场建设所采用的最主要的多跑道构型方式。因此，本文将应用Simmod软件建立计算机仿真模型，对几种典型平行跑道的容量做定量和定性的分析，为今后机场平行跑道的规划及建设提供理论依据。

在分析跑道容量模型之前必须考虑以下几个假设:󰀁飞机对跑道的请求是连续不断的;󰀁进近飞机的到达概率完全是随机的;󰀁各个参量的随 机误差为期望值为零的正态分布变量。飞机尾流间隔标准各国都有相应的规定。中国民用航空局(AviationAdministrationofChina,Civil)发布的文件󰀁中国民用航空空中交通管理规则󰀁 (CCAR-93TM-R2)根据飞机最大允许起飞重量将飞机分为3类:轻型(S)、大型(L)和重型(H),并规定了进近时相应的雷达尾流间隔距离标准。此外美国联邦航空管理局(FAA)也做了 相应规定,如表1所列。

假设对于某种飞机的类型i,在到场或离场的飞机流中所占的概率是Pi,其后的飞机类型为j,它们组成一个飞机对,前机i和后机j是相互 独立的,那么可以得出该飞机对占到场或离场的飞机流的概率为Pij=PiPj

设后机的平均最后进近速度为vb,到场飞机 最后进近段的最小尾流间隔标准为󰀁a ij,设到达飞 机的跑道占用时间间隔为ta。如图1所示,当后 机速度小于前机速度时,前后到场的2架飞机i,j的最小间隔发生在飞越最后进近定位点之前。此 时着陆最小间隔时间为󰀁ariij=max[ta,󰀁a ij/vb];当 后机速度大于前机速度时,前后到场的2架飞机i,j的最小间隔发生在跑道入口处。设最后进近 段长度为󰀁,此时着陆最小间隔时间为󰀁ari ij=max[ta,(󰀁aij+󰀁/vb)]。代入到场容量公式(1)计算：

前机开始起飞滑跑后,后机从等待线进入,直到对正跑道,令这个时间为󰀁。再经过时间󰀁接到管制员的起飞指令开始滑跑起飞,如图2所示。设后机的平均起飞速度为vb，公共起飞段长度为󰀁,离场飞机的跑道占用时间间隔为td，离场飞机的尾流间隔标准为󰀁d ij。当后机速度小于前机速度时，最小间隔时间出现在后机起飞时,前后离场的2架飞机i,j的起飞时间间隔󰀁depij=max[󰀁+ td,󰀁dij/vb]。当后机速度大于前机速度时,最小间 隔时间出现在前机飞越出航转弯点时,此时前后连续离场的2架飞机i,j的起飞时间间隔为󰀁dep ij =max[󰀁+td,(󰀁d ij+󰀁)/vb],得到离场飞机的起飞 时间间隔后还要按照CAAC规则进行调整。规 则中规定:当先后2架起飞离场的飞机为重型机和中型机、重型机和轻型机、中型机和轻型机,且使用同一跑道时,前后飞机的尾流间隔时间不得小于2min。代入离场容量公式(2)进行计算：6

这种情况即为2架连续到场的飞机之间插入一架离场飞机,具体处理可以采用到场容量相似的方法进行,若前机的跑道占用时间和待插入起飞的跑道占用间隔之和大于到场2机的飞机尾流间隔时间,2架连续到场的飞机的跑道占用时间 可以表示为tA=ta+td,交替到离场的情况如图3所示。

对于进离场混合运行时,必须遵循以下原则:󰀁到场飞机对离场飞机有优先权;󰀁在任何瞬间 只能有1架飞机占用跑道;󰀁随后到场飞机离跑道入口处小于一个规定的时间不能放行离场飞机。由于到场飞机对离场飞机有优先权,到场飞机以最小间隔安排其顺序,除非到场飞机之间超过一个规定的时间间隔,才可在2架到场机之间,插入1架离场机。

由混合到离场的情况可以看出,如果连续的2架到场飞机之间没有足够的距离间隔插入离场飞机,2架飞机的间隔距离即为飞机的尾流间隔。 若跑道占用时间小于尾流间隔标准,当飞机流全部为到离场交替的情况时所获得的容量为混合到 离场容量的最大值。7