多跑道机场容量研究.pdf

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1、南京航空航天大学硕士学位论文 III 目录 第一章 绪论 . 1 1.1 研究背景及意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.2.1 机场容量的研究现状 . 2 1.2.2 多跑道容量增强技术的研究现状 . 4 1.2.3 提升多跑道机场容量利用率的研究现状 . 4 1.3 研究内容. 6 第二章 多跑道机场运行环境 8 2.1 机场概念 . 8 2.1.1 机场组成 . 8 2.1.2 航空器进离场飞行过程 . 9 2.2 机场容量与流量控制模型 10 2.2.1 机场容量 10 2.2.2 影响机场容量的因素 10 2.2.3 机场容量与平均延误 11 2.3 跑道系统 . 15

2、2.3.1 跑道容量影响因素 15 2.3.2 跑道容量的一般定义和基本假设 15 2.3.3 跑道容量包络图 16 2.3.4 多跑道构型 17 2.4 多跑道运行环境分析 18 2.4.1 平行跑道概念 18 2.4.2 空中交通安全间隔规定 20 2.4.3 平行跑道入口错开策略 21 2.5 本章小结 22 第三章 多跑道容量模型. 23 3.1 单跑道容量模型 23 3.1.1 连续到达容量模型 23 3.1.2 连续起飞容量模型 24 多跑道机场容量研究 IV 3.1.3 到达/起飞容量模型 . 24 3.2 平行双跑道容量模型 25 3.2.1 两条跑道的起飞流和到达流分别独立的

3、容量模型 25 3.2.2 两条跑道的到达流相关而到达流与起飞流相互独立 26 3.2.3 两条跑道的起飞流和到达流都相关 28 3.3 近距平行双跑道容量模型 29 3.4 交叉跑道容量分析 31 3.5 平行四跑道容量分析 31 3.6 本章小结 . 32 第四章 平行三跑道容量评估模型 . 33 4.1 平行三跑道跑道穿越情况分析 33 4.2 平行三跑道容量评估模型 33 4.2.1 三跑道容量评估模型（一组窄距，两组宽距） 34 4.2.2 三跑道容量评估模型（三组宽距） 35 4.3 案例分析与结论分析 37 4.3.1 北京首都机场概况 37 4.3.2 平行三跑道容量评估 38

4、 4.3.3 结果分析 41 4.4 本章小结 . 42 第五章 多跑道容量增强技术 . 43 5.1 不同跑道条数下容量分析 43 5.2 多跑道容量增强技术 46 5.2.1 空中交通规则改善 46 5.2.2 空中交通程序的改进 46 5.2.3 空中交通管制设备更新 46 5.2.4 TACEC 理念 47 5.3 多跑道机场提升容量利用率的研究 48 5.3.1 调度模型建立 48 5.3.2 离散粒子群多跑道调度分配算法 49 5.3.3 优化结果分析 53 5.4 本章小结 . 53 第六章 总结与展望 54 南京航空航天大学硕士学位论文 V 6.1 本文研究成果 54 6.2

5、进一步展望 . 54 参考文献 . 56 致谢 . 59 在学期间的研究成果及发表的学术论文 60 附录 . 61 多跑道机场容量研究 VI 图目录 图 2. 1 机场组成 . 8 图 2. 2 航空器飞行过程图 . 9 图 2. 3 航空器进离场平面图 . 9 图 2. 4 机场容量与平均延误的关系 12 图 2. 5 航空器延误的典型概率分布 12 图 2. 6 跑道容量包络图 16 图 2. 7 纽约 JFK 机场容量包络线 17 图 2. 8 几种多跑道构型及航站楼布局 18 图 2. 9 近距平行跑道相关进近 21 图 3. 1 相关平行进近时空图 26 图 3. 2 一混一降时空图

6、 27 图 3. 3 交叉跑道的几种构型 31 图 3. 4 平行四跑道的第一种布局 32 图 4. 1 上海浦东机场跑道构型简化图 34 图 4. 2 北京首都机场跑道构型简化图 35 图 5. 1 尾流间隔示意图 48 图 5. 2 优化算法设计流程 52 南京航空航天大学硕士学位论文 VII 表目录 表 1. 1 2011 年民航运输总周转量及增长百分比 . 1 表 1. 2 2011 年民航旅客运输量及增长百分比 . 1 表 1. 3 2011 年民航货邮运输量及增长百分比 . 1 表 2. 1 影响机场容量的因素 11 表 2. 2 跑道容量的影响因素 15 表 2. 3 平行跑道仪

7、表运行规定 19 表 2. 4 我国按最大起飞全重划分的航空器类型 20 表 2. 5 航空器起飞时间间隔规定（单位：秒） 20 表 3. 1 起飞流和到达流相互独立的平行双跑道容量模型 26 表 4. 1 不同运行策略下的平行三跑道理论跑道容量 42 表 4. 2 不同运行策略下的平行三跑道实际跑道容量 42 表 5. 1 单跑道机场公布的容量 43 表 5. 2 双跑道机场公布的容量 44 表 5. 3 三跑道机场公布的容量 44 表 5. 4 多跑道（跑道条数4）机场公布的容量 . 45 表 5. 5 几种进场结果对比分析 53 多跑道机场容量研究 VIII 缩略词 缩略词 英文全称 中

8、文全称 ATFM Air Traffic Flow Management 空中交通流量管理 FCFS First Come First Served 先到先服务 CPS Constrained Position Shift 位置交换约束 DPSO Discrete Particle Swarm Optimization 离散粒子群优化 PSO Particle Swarm Optimization 粒子群优化 FAA Federal Aviation Administration 美国联邦航空局 ICAO International Civil Aviation Organization 国际

9、民航组织 IATA International Air Transport Association 国际航空运输协会 MIT Miles in trail 航迹间隔 VMC Visual Meteorological Condition 目视气象条件 IMC Instrument Meteorological Condition 仪表气象条件 TACEC Terminal Area Capacity Enhancement Concept 终端区容量增强理念 PRM Parallel Runway Moilitor 平行跑道监视系统 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论 1.1

10、 研究背景及意义 近几年来航空运输业迅速发展，航空运输以及运输周转量不断递增，并继续保持强劲的发 展势头。例如，2009 年世界范围内的航空公司旅客量超过 25 亿人次，并且承担了 40%的国际贸 易运输。国际航空运输协会（IATA）预测 2014 年，国际航空旅客运输量将增 8 亿人次。与此同 时，国际航空货运量将新增 1250 万吨，从 2009 年的 2600 万吨增至 3580 万吨 1。随着经济的 飞速发展和改革开放政策的不断深入，我国民航运输发展稳中向好，实现了“十二五”时期的 良好开局。下面列表总结了 2011 年我国民航运输各项运输量各项指标再创历史新高。 表 1. 1 201

11、1 年民航运输总周转量及增长百分比 类别 数量 （亿吨公里） 增长百分比 运输总周转量 577.44 7.20% 旅客周转量 403.53 12.20% 货邮周转量 173.91 -2.80% 国内航线周转量 380.61 10.20% 港澳台航线周转量 12.64 9.10% 表 1. 2 2011 年民航旅客运输量及增长百分比 类别 数量（万人次） 增长百分比 旅客总运输量 29317 9.50% 国内航线 27199 9.50% 港澳台航线运输量 760 13.10% 国际航线运输量 2188 9.70% 表 1. 3 2011 年民航货邮运输量及增长百分比 类别 数量（万吨） 增长百分

12、百 货邮运输量 557.5 -1% 国内航线运输量 379.4 2.40% 港澳台航线运输量 21 -3.00% 多跑道机场容量研究 2 表 1. 3 （续） 国际航线运输量 178 -7.60% 面对航空运输服务需求量的空前增长， 航空运输系统面临了巨大的压力， 这引起了全世界的 航班延误和机场的拥堵现象。在美国，2011 年度航班正点率为 79%，与 2009、2010 年度持平。 在中国，根据民航局的统计，2011 年度航班正点率为 77.2%较 2007 年度的 83.09%有所下降， 比 2010 年的航班正点率提升了 2 %。随着不断增长的空中交通流量和航班量，机场承载的空中 交通

13、压力不断加剧，这将导致管制员工作量加大，继而造成航空运输业的巨大经济损失。持续 增长的空中交通量将促使民航系统增加基础设施投资和更新现代设备，很多机场都在实施相应 举措来提高机场的容量，主要包括增加跑道、扩建机场和建设新机场等来满足日益增长的空中 交通流量。在美国，就有七个大型机场正在建设新的跑道，其它十个新的跑道建设方案也已经 策划。 在我国， 十二五规划中也提出了到 2020 年,我国民航运输机场总数将达到 300 个,形成华 北、华东、中南、西南、西北五大区域机场群 2。然而，仅仅通过增加机场物理容量的方法并 不能容纳空中交通流量的迅猛增长。从历史的角度来看，建设新的机场跑道或扩展现有的

14、机场 跑道为提高航空系统容量提供了最大的潜力改善航空系统。 但由于周边社区的开发、 环境忧虑、 所需资金等等因素，这些计划以提高机场容量的方案现在越来越难以实现 3。因此，客观、科 学和准确地评估机场容量，在不增加机场物理容量的前提下提出容量的提升方案，便成为 ATFM （空中交通流量管理）的亟待解决问题之一。随着上海世博会、广州亚运会、十八大和其他大 型活动的开展，为了确保机场地面运行的安全操作，减少航班延误，从而针对对多跑道机场的 运行特点进行的分析，对多跑道机场的容量的研究至关重要。通过对多跑道机场的容量进行评 估研究，找到多跑道机场容量的瓶颈，为航班时刻的制定和机场的运行规划提出理论依

15、据，继 而为 ATFM 提供合理实际的建议。 为了满足日益增长的航空运输量， 国内外枢纽机场都在进行扩 建，越来越多的平行跑道出现在空中交通枢纽城市。因此，对多跑道的机场容量增强研究不容 被忽视。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 机场容量的研究现状 在国外，发达国家对机场规划与运行的预测评估研究开展的较早。机场是航空运输系统的 一个组成部分，是民航一切活动的中心，是民航系统结构中最复杂的子系统 4。二十世纪七十 年代后期，在民航运输量的快速增长的现今，原有的机场运行系统已经不能满足不断增加的空 中交通量需求，因而造成了大量航班的延误，导致了航空公司承受了众多旅客的投诉，面临巨 大的经济损失

16、，越来越多的研究者着手于对现有机场的容量进行评估研究，对未来一段时间的 南京航空航天大学硕士学位论文 3 空中交通需求进行分析预测，研究制定出符合日益增长的航空需求的的机场运行规划。1969 年 HARRIS 提出从飞机到达间隔服从正态分布入手，建立有随机因素的容量计算模型，并在模型中 考虑导航设备误差和人的因素 5。1970 年 R.S.Ratner 首次将跑道容量评估的概念进一步扩充 至整个终端区以及航路的流量管理和容量评估问题 6。1975 年，FAA 极为重视对机场容量的研 究，由 FAA 及运输系统中心主办了关于机场陆侧容量的会议；1979 年 NEWWELL 根据到达和起飞 流，建

17、立了凸状容量曲线 7。1983 年 FAA 出版了机场陆侧容量评估建议89，接着开发出了用 于对机场空侧容量评估的建议性程序 10；J.WBavmum11出版了机场陆侧容量的重要性一 书， 系统性地介绍了机场系统、 陆侧容量影响因素、 陆侧容量的重要性等等； 1983 年 Horonjeff R.Francis X M. 12发表了机场设计与规划 ，对机场的规划和运行中的关键性问题进行了探 讨分析， 给机场运行的决策者提供一定的可行性建议； 1998 年 David A.Lee,Coroline Nelson 和 Gerald Shapiro 在总结前人研究的基础之上，提出了机场容量和延迟模型

18、，并将该模型应用于 美国十多个机场的容量评估项目中，取得了不错的效果 13。2001 年 Francisco Montoto 和 Nicolas Suarez 通过确定塔台管制员的工作负荷来计算机场的容量，建立了管制员工作负荷与 机场容量的关系曲线 14。2003 年 Eugene P.Gilbo 以圣路易斯兰伯特机场为例研究了进离场容 量协同优化策略，并且开发了机场实时运行决策支持工具 15。2010 年 Sander J.Hebly 和 Hendrikus G.Visse 研究了增强的降噪离场程序下的跑道容量问题，并对航空器的航迹进行优 化，以减小机场周围的噪声污染 16。 国内，我国对机

19、场容量的研究起步相对发达国家较晚；相对于欧美国家来说，我国民航事 业的起步较晚，相关研究的进行也较晚。早些年间，2003年，罗凤娥针对整个国家机场系统的 运行规划以及单个机场系统的运行规划进行了论述，并通过学习研究国外机场的运行规划的先 进理念，针对我国民航机场系统的规划布局存在的问题进行了全面具体的分析和讨论，提出更 好地建设我国机场系统运行规划的相关建议 17。2005年陈勇、曹义华针对首都机场的运行模式 进行分析和研究，推导建立了双跑道机场系统的容量评估模型并进行了验证 18。2007年，陈宽 明提出将航空器跑道脱离时间作为关键参数，对航空器的实际间隔和跑道占用时间进行分析， 在可接受的

20、安全水平下，考虑了缓冲余度，推导出了更加切合实际的跑道容量模型，并运用该 容量模型验证分析了双流机场容量 19。同年，陈欣、陆逊、朱金福等学者利用Promode构建了 在不同条件下的机场容量的仿真模型，对机场 容量评估和容量瓶颈进行分析 20。2006年韩松 臣教授带领的课题研究组从管制员工作负荷的角度出发，开发了昆明巫家坝机场空地联合仿真 容量评估系统，2008年以成都双流国际机场为对象开发了机场容量评估系统，并对由天气变化 所造成的延误问题进行了评估。2009年钟育鸣研究了机场地面运行仿真评估问题。2009年，陈 亚青、韩云祥通过分析机场跑道的实际运行过程，推导建立单跑道机场的容量模型并且

21、利用该 模型对单跑道机场容量进行了分析评估 21。 多跑道机场容量研究 4 近几年，随着我国民航的发展和科研技术的进步，机场运行仿真评估的理论研究及实际应 用都取得了一定的进展。国内从20世纪90年代开始了机场容量评估理论的研究和系统的开发， 在多年积累的容量评估研究理论和空管实践经验的基础之上，南京航空航天大学民航学院在计 算机仿真领域的研究处于领先地位。其中南航大空管研究所胡明华教授所带领的容量评估团队 在这方面做出了突出的贡献，该团队在以往课题研究的基础之上研发了机场容量评估系统，并 以此撰写了多篇有关机场容量评估的相关论文 22-28。2009年至2010年该团队承担了上海虹桥、 浦东

22、国际机场、广州白云国际机场等大型枢纽机场的容量评估工作，在平行跑道运行方面总结 了一定的经验。 2010年5月在国家空管委举办的机场容量评估资质认证评比中， 该团队获得了优 异的成绩，被授予“国家空域评估技术支持单位”证书，承担空域评估理论技术研究及系统研 发，参与空域规划设计、调整飞行繁忙地区空域结构、新建和扩建机场空域论证等评估工作， 为国家空域技术重点实验室提供技术支持。2012年，袁小珂分析了影响机场容量评估中的不确 定因素， 在D-S证据理论的基础上提出了一种改进的同时考虑折扣率和权重的信息融合方法， 并 将该方法应用到实际机场动态容量预测过程中 29。 1.2.2 多跑道容量增强技

23、术的研究现状 对于增强平行多跑道容量的技术不多， 国内外目前都处于理论研究阶段， 主要有 Pritchett 等人提出的 PRM（Parallel Runway Moilitor）系统，利用特殊雷达更高的更新频率，使航空 器的定位更加精确，从而使在 IMC 下，航空器能独立进近的跑道间距变得更小 30。Raytheon 的 TACEC 3132。J. N. Hallock, S. P. Osgood 研究了在法兰克福国际机场航空器尾流的地面效应 对双跑道运行的影响。 研究了尾流消散的距离和时间与横测风， 机型和大气乱流的尺度的关系。 尾流的地面效应的衰减受环境因素的影响很小，可以忽略 33。K

24、laus-Uwe Hahn, Carsten W. Schwarz 分析得出尾流间隔是机场着陆容量的限制性因素。不断增长的航空量需求可以随着实 时天气情况和航班情况参数而变化的更加灵活的尾流间隔程序。需要对现行的间隔标准进行十 分细致的调查分析旨在发现在不影响安全的条件下可能的提升限制的空间 34。刘芳的利用以时 间为基础的最后进近间隔代替 ICAO 的以距离为基础的间隔， 提高在强风较多的机场跑道的容量 35。丁磊的在 CSPR（近距平行跑道）中采用配对进近的方法36。 1.2.3 提升多跑道机场容量利用率的研究现状 目前在提升容量利用率的研究中大多数是采用航班调度优化方法。 航班着陆调度问

25、题 （ASP） 是典型的 NP-hard 问题， 具有大规模多约束的特点。 1976 年， 麻省理工学院 MIT 的 Roger Dear 37 第一次提出了约束位置交换 CPS（Constrained Position Shift)的思想，即优化序列中的航空 器位置是不能任意的，和最初的 FCFS 序列相比，其最大位移数不超过某一数值。1989 年，NASA 的 Erzberger 3839博士首次研究了优化航空器的着陆排序问题的各种算法，他研究了进场排序 南京航空航天大学硕士学位论文 5 中的时间优化、位置优化等问题，同时开发出了一系列的启发式算法，并被美国管制区自动化 系统 CTAS 所

26、采用， 该系统为了在各种不同情况下能够达到实时性、 效率性和管制员负荷等各方 面的平衡，从而针对不同的交通流强度，选取不同的启发式算法。1992 年，NASA 的 Brinton 40 采用隐枚举算法，对能满足复杂约束的实时算法进行了深入的研究。1993 年，J.Abela 41在航 班调度问题中使用了以时隙为染色体的遗传算法，并给出了 20 架航空器的仿真结果。2006 年， Aditya P.Saraf 42对繁忙机场的进场航班的优化提出了一种有效的组合优化方法。 然而相对于发达国家，国内的对多跑道的有限容量利用率的研究相对起步较晚，但近年来 随着延误问题的日益突出， 越来越多的学者开始涉

27、及该领域， 主要集中在对终端区航班排序上， 旨在提高多跑道利用率。2004 年，张兆宁，王莉莉对航班的起降航班提出了基于流量和滑动窗 的排序算法，对航班排序采用穷举法进行求解，滑动窗算法规定了每次排序的航空器架次，从 而大大减少了计算量 43。2005 年，江波，张飞桥对航班进场排序提出了基于最早预计到达时刻 的排序模型及算法 44。2006 年，张兆宁，李志荣将蚁群优化算法应用于进港航班调度问题，建 立以航班延误总时间最小为目标的规划模型,将航班着陆排序问题转化为非对称的 TSP 问题。 用 蚁群算法寻找出符合实际操作的优化序列， 通过对某机场实际数据的仿真计算,并与实际运行相 比较得出验证

28、结论 45。2008 年，王飞，徐肖豪等以人工鱼群算法为基础，借鉴遗传算法的选择 操作和模拟退火算法的依概率接受的思想，设计混合人工鱼群算法，对航空器着陆排序问题进 行仿真研究，并与先到先服务、蚁群算法、模拟退火算法相比，混合人工鱼群算法优越性显著 46。2012 年，冯兴杰，孟欣提出了一种结合免疫思想的 DPSO 优化算法，将免疫系统的多样性 保持能力和粒子群优化算法的明确方向性搜索的优势相结合， 避免了在待调度航班队列更新时， 由于动态调用排序算法很难获得稳定的排序结果而是造成的额外开销 47。 基于以上的讨论和分析，了解到国内外专家学者对平行跑道容量的研究已经取得了一些成 果，但是，目前

29、还没能系统地建立平行三跑道乃至更多条平行跑道的容量模型。因此，本文通 过对平行双跑道容量评估模型的系统学习，探究平行三跑道的容量模型，并运用模型对大型枢 纽机场的跑道容量进行评估。 同时总结几种多跑道容量的提升方法。 同时根据本文附录 2 所示， 大多数国际机场的容量利用率在 45%90%，而其中只有少数机场的容量利用率能达到 90%。因 此，本文除了对如何提高多跑道的容量做出了研究，同时对于对限定容量如何提升容量利用率 进行了深入研究。目前对于提高跑道利用率的研究大多数是采用航班优化调度的方法来提高跑 道的服务能力，提高跑道的利用率，而对于多跑道调度或多目标调度问题，现有的算法大多是 针对多

30、跑道的单目标或者单跑道的多目标来研究。对于多跑道的单目标问题，现有的方法针对 的问题航空器数量很少，一般不超过 20 架，问题规模比较小，在单跑道的多目标问题的解决方 法中，应用的算法都存在各自的不足点，有的算法规模较小，有些规模稍大，而这些多目标优 化只给出了一个可行解，并非真正的多目标优化。由于多跑道多目标优化问题需要同时确定航 多跑道机场容量研究 6 空器的降落跑道、降落时间、降落顺序，问题比较复杂，航空器数量较多时，解空间比较大， 一般算法无法在短时间内得到最优解，所以现在针对多跑道的多目标优化问题的优化算法还比 较罕见。因此本文通过在前人工作的基础上提出适应多跑道航班调度的改进优化算

31、法。 1.3 研究内容 本文具体章节安排如下： 本文首先阐述了机场系统、航空器进场过程，机场和跑道容量的概念，影响机场、跑道容 量的因素等,得出结论-跑道容量是机场容量的关键制约因素。 接着分析多种多跑道的运行模式， 以及每种运行模式下跑道容量模型（单跑道容量模型，平行双跑道容量模型，近距平行跑道容 量模型等） ， 重点介绍了平行三跑道在穿越情况下的容量模型， 并以上海浦东机场和北京首都机 场为典型例子进行了分析，计算了北京首都机场的最大跑道容量及估算出实际运行时的容量， 并与参考文献中给出的容量数值进行对比，证明误差所差无大。最后介绍了几种提高跑道容量 的方法，采用 PRM 系统、以时间为安

32、全间隔代替距离的安全间隔、配对进近方法及优化航班调 度等方法。同时建立了多跑道调度模型的约束条件并以同时优化航班延误成本与最大化降落架 次为目标，建立了多目标多跑道航班调度优化模型。其次将禁忌搜索算法引入离散粒子群优化 算法设计出适合多跑道调度优化模型的混合粒子群优化算法，并编写了混合粒子群求解的 MATLAB 程序。最后，利用所编程序对进港航班数据进行仿真，将各自单一优化目标及双目标优 化结果和 FCFS 排序结果进行对比证明设计方案的优良性。 第一章 绪论 介绍本课题的研究背景及研究意义，总结了机场容量、多跑道容量及容量增强方法的国内 外研究现状，最后叙述了本文的主要研究内容。 第二章 多

33、跑道机场容量研究 研究机场系统、航空器进离场过程，机场和跑道容量的概念，影响机场、跑道容量的因素， 找出跑道容量是机场容量的瓶颈；阐述平行跑道的概念、运行环境、运行策略及平行跑道入口 交错策略。 第三章 多跑道容量模型 主要研究了连续到达流、连续起飞流、到达/起飞流下的单跑道容量模型，两跑道起飞流和 到达流相互独立、到达流相关且到达起飞流独立、到达和起飞都相关的平行双跑道容量模型、 近距平行双跑道容量模型、交叉跑道容量分析及设想下的平行四跑道可能的三种运行方式及各 自的容量。 第四章 平行三跑道容量评估模型 研究平行三跑道的运行模式及三跑道运行中存在的跑道穿越问题，并以上海浦东和北京首 都机场

34、为平行三跑道的典型例子（一组窄距、两组宽距和三组宽距） ，详细分析了上述两种典型 南京航空航天大学硕士学位论文 7 的平行三跑道的容量模型 第五章 多跑道容量增强技术 研究探讨增强平行多跑道容量的技术。找出限制多跑道容量的因素，通过改善一些 现有的空中交通规则，更新现有的空管硬件和软件设备并通过合理的安排航班进港顺序，合理 的搭配机型等来探讨如何增强在限定容量下的多跑道容量利用率。 第六章 总结与展望 对论文工作的总结，并对多跑道机场容量增强技术前景进一步的展望。 多跑道机场容量研究 8 第二章 多跑道机场运行环境 2.1 机场概念 2.1.1 机场组成 机场既是飞行过程中各航段的经停点，也是

35、起始端点 48。它的运行状况直接影响着进场航 班的效率。机场系统分为空侧和陆侧两个部分，图 2.1 显示了机场的基本组成。一般研究认为 机场的运行限制主要在于空侧，机场空侧也称为飞行区，包括空中和地面两部分，空中部分指 机场空域，地面部分主要包括跑道系统、滑行道系统、停机坪、登机门等。 机场进近空域 离港飞机流进港飞机流 跑道 跑道入口等待区 快速脱离道 等待机坪 滑行道系统 停机坪/停机位 候机楼 车辆环形路/停车场 离港客货流/车辆进港客货流/车辆 城市交通系统 陆侧 空侧 图 2. 1 机场组成 南京航空航天大学硕士学位论文 9 2.1.2 航空器进离场飞行过程 机场是空中交通网络中的节

36、点，从一个机场到另一个机场之间飞行的航班将各机场联系在 一起，形成了空中交通网络。航空器的飞行活动是空中交通管理的主要对象。航空器从始发机 场起飞往目的机场降落，都要经历离场过程、航路飞行、进场过程三个不同阶段，不同的管制 区负责不同的飞行阶段，图 2.2 表示航空器飞行过程图，图 2.3 表示航空器进离场平面图。 航空器离场航路飞行航空器进场 机场管制进近管制区域管制进近管制机场管制 图 2. 2 航空器飞行过程图 FAG 等待区域 跑道 进场 离场 图 2. 3 航空器进离场平面图 多跑道机场容量研究 10 离场过程是航空器执行任务的第一个阶段，当航空器准备离场时，驾驶员向地面管制员发 出

37、开车请求，地面管制员根据该航空器与有关管制区（主要是本机场所在的进近管制区及区域 管制区）及机场管制区范围内有关航空器的冲突情况、该航空器的飞行预报及放行许可等，确 定是否同意开车；地面管制员同意驾驶员的开车请求后，引导航空器推出停机位，航空器开车， 并开始按管制员指定的滑行路线滑至跑道外等待点，等待起飞许可指令。当此航空器不再与任 何其他航空器产生冲突时，地面管制员将此航空器的指挥控制权移交给塔台管制室；塔台管制 员向该航空器发布起飞许可，航空器进入跑道滑行起飞，按照批准的离场程序飞离机场，当航 空器爬升至一定高度后， 塔台管制将航空器移交给进近管制， 进近管制按照航空器的离场程序， 引导航

38、空器到达一定位置和高度，再将航空器移交给区域管制，航空器飞离终端区，进入航线 飞行，结束离场飞行过程。 进场过程是航空器执行任务的最后一个阶段，当航空器准备进场时，驾驶员向进近管制员 发出降落请求，进近管制员根据该航空器有关管制区（主要是本机场所在的进近管制区和区域 管制区）及机场管制区范围内有关的航空器冲突情况、雷达安全间隔及进场排序情况等，确定 是否同意进近。当航空器降落到一定高度后，进近管制员将此航空器的指挥控制权移交给塔台 管制室。根据落地条件、尾流间隔，塔台管制员向该航空器发送落地许可，当该航空器不与其 他航空器发生冲突时，塔台管制员将此航空器的指挥控制权移交给地面管制员，航空器进入

39、跑 道滑行降落。 2.2 机场容量与流量控制模型 空中流量往往受制于整个系统中某个或者一些瓶颈点，包括机场，空域，航路航线等。其 中任何地方出现问题都会导致整个系统容量受到限制。而机场作为航班汇聚的地点，是瓶颈的 主要形成区，其对空中交通流量起着非常重要的作用。 2.2.1 机场容量 机场容量 3的定义有两种:实际容量和最大容量。 实际容量是指在延误不超过给定延误值条 件下所能容纳的航空器起降架次数量 （起飞架次数量和着陆架次数量） 。 最大容量是指在确定时 间内，有持续服务请求时，一个空域所能容纳的航空器架数。这里我们讨论的是实际容量。附 录中摘录了国外某些大型机场的机场容量及机场利用率。

40、2.2.2 影响机场容量的因素 机场容量不是一个时间的常量，受一些自然的或者运行因素例如机场上方的空域结构、空 中交通管制规则和程序、 天气以及航班的组合比例等影响。 表 2.1 列出了影响机场容量的因素。 南京航空航天大学硕士学位论文 11 表 2. 1 影响机场容量的因素 序号 影响因素 1 跑道的设计结构、跑道数目、多跑道的跑道间隔和方向(包括交叉跑道) 2 跑道与滑行道进出口的设计结构、数目和位置(快速脱离跑道可以增加机场容 量) 3 终端区空域进出口的大小、位置和数目 4 起飞和落地航空器的跑道占用时间 5 起飞和落地航空器的类型，不同类型航空器的排列方式 6 天气因素，特别是能见度

41、和升限，因为天气状况制约着管制手段 7 风的情况，风的大小和方向制约着跑道的使用情况，甚至不能使用 8 噪声限制措施可以对使用跑道的方式和时间产生制约（同样影响塔台管制员 的指挥） 9 起飞和落地航空器的相对架数 10 进行复飞操作的航空器的数目和频率 11 航空器的尾流间隔 12 通信导航设施的性能 13 供进离场航空器航路使用的空域结构 14 空管系统和自动化系统的性能和作用范围 2.2.3 机场容量与平均延误 无论何时，只要两架或者两架以上航空器试图同时占用跑道、滑行道、门卫机位或者其他 任何空侧设施时，延误就会在飞行场地出现 48。从机场容量的定义我们可以看出，它与平均延 误时间密切相

42、关，如图 2.4 所示。图 2.5 显示了在一定需求水平下航空器相对应的延误的典型 分布情况。 多跑道机场容量研究 12 平 均 延 误 时 间 实际容量 允许延误时间 服务请求 最大容量 图 2. 4 机场容量与平均延误的关系 飞 机 数 量 每架飞机的延误时间（分钟） 每架飞机的平均延误（5分钟间隔） 图 2. 5 航空器延误的典型概率分布 人们通常认为航空器的到达是服从某个特定的理论分布的，同时经大量研究证明，到达航 空器流是具有泊松流的特点的 49。其平稳流、无后效性和普通性的特点用数学表达式描述为： 记)(tN为, to内的航空器到达数，令： ntNtNPttPn)()(),( 12

43、21 （2-1） 21 ()0tt n （2-2） 南京航空航天大学硕士学位论文 13 当满足下列条件： 1、不重叠区间内到达事件是相互独立的； 2、)(),( 1 tttttP （2-3） 其中)( t是t的高阶 无穷小量（当0t时） ，是正常数。 3、 )(),( 2 ttttPn n （2-4） 那么就称航空器的到达事件是一泊松流事件。在空管系统中，单位时间内航空器到达机场的数 量是一个随机变量，该变量服从泊松分布。 2 , 1 , 0, ! )(k K e kxP k （2-5） 式中:x为单位时间内到达的航空器数量;为航空器的平均到达率(单位时间的平均到达数)。 在排队理论中，对于多

44、服务窗口排队系统，如果其到达队列服从泊松分布，则有: 221 12 2 1 () 2 (1)!()() / () /(1)!() k k n k nk tt W t kkttntkkt （2-6） 式中：W=每个排队者的平均等待时间； =平均请求率； t=服务窗的平均服务时间，其倒数为平均服务率，即单位时间内服务窗所完成的顾客均 值数； =服务窗的平均服务时间的标准偏差； k=服务窗的数目。 在此为了达到显著的效果而简化计算量，将1k（即对单跑道而言） ，方程X简化为 222 22 () 2(1)/(1) tt W tttt （2-7） 或： 22 1/ () 2(1/) W （2-8） 对于

45、进场航空器在机场跑道的排队问题，我们定义: a w=到达航空器的平均延误时间； a =平均到达率； 多跑道机场容量研究 14 a =到达航空器的平均服务率； a =到达航空器的平均服务时间的标准偏差； 于是，式（2-8）式可化为： 22 (1/) 2(1/) aaa a aa w u （2-9） 考虑到影响航空器延误的多个参数： 平均到达率， 平均服务时间的标准偏差和平均 服务率。 由于平均到达率和平均服务时间的标准偏差的优化较为困难，因此如果要减少航班平均延误时 间，就只有从提高航空器的平均服务率入手。本文为了证明航班平均延误时间和平均服务率的 关系，假设存在某一机场跑道的的平均服务时间是

46、60 秒，平均服务时间的标准差是 12 秒，平 均到达率为 45 架/小时，到达航空器平均服务率是平均服务时间的倒数，即为 60 架/小时，则 有 22 45(12/3600)1/60 0.0261.6 2(1 45/60) a w 分钟 （2-10） 由此可得，每架降落航空器的平均延误时间 是 1.6 分钟。 为了证明跑道容量与平均等待时间的关系，在此假设平均服务时间的标准偏差、平均到达 率不变，令 平均延误时间4 a w分钟，反求 a ，则有 22 45(12/3600)1/4 2(1 45/)60 a a （2-11） 得：52 a 架/小时。 这就说明如果航空器的平均服务率从 60 架

47、/小时降至 52 架/小时， 平均等待时间就会由1.6 分钟增至 4 分钟。也就是说在平均服务率上升了 15%的同时，平均等待时间却下降了 60%。而类 似于这种轻微增加跑道容量的同时，机场的平均等待时间却急剧下降的情况，在容量接近饱和 的机场非常典型。因此，为了减少每架航班的平均等待时间，就需要从提高跑道容量开始入手。 同时当跑道出现跑道入侵，道面损坏等问题时，甚至被迫暂时关闭机场，由此可见跑道容量的 重要性。因此不难得出结论，即一个机场的容量大小在很大程度上是取决于机场跑道容量的大 小。而对跑道容量起绝对性作用的因素是连续航班流之间的间隔。它与天气、导航设施、航空 器类型等因素密切相关。因

48、此，合理安排不同类型航空器的起降顺序，对提高机场容量，增大 机场流量的意义重大。 南京航空航天大学硕士学位论文 15 2.3 跑道系统 2.3.1 跑道容量影响因素 跑道系统的容量（最大吞吐量）依赖于众多参数和因素 50世界上不同地区的主要机场所涉 及的跑道系统容量差别很大。在发达国家，主要机场每条跑道每小时的运行架次从 20 架次到 60 架次不等。在美国，少数机场同时运行的现有跑道数可多至 4 到 7 条，每小时可以为 200 多 架次的航空器提供服务。表 2.2 列出了跑道容量的影响因素。 表 2. 2 跑道容量的影响因素 序列 影响因素 1 跑道的数目和几何构型 2 ATM 系统管理下的航空器间隔要求 3 能见度、云幕和降水量 4 使用该机场的机型组合 5 风向和风速 6 每条跑道的运行组合 7 ATM 系统的状态和性能 8 噪声和其他环境因素有关的限制 9 通信、导航、监视及辅助着陆系统等机场保障设施 10 从跑道到滑行到出口的位置和类型 2.3.2 跑道容量的一般定义和基本假设 跑道容量定义为单位时间内跑道能够服务的最大航空器架次 51。跑道容量一般用跑道对所 有类型的航空器服务时间的加权平均值表示： 1 C E T （2-12） 1