摘要:飞机在机场内的主要活动方式是地面滑行，其滑行效率的高低在很大程度上制约着整个机场的运行效率，因此提升飞机在地面的滑行效率是提高机场运行效率的重要途径。通过理论分析和国内外机场飞机地面运行状况比较，分析了目前我国大、中型机场的航站区构型、飞行区布局设计对于飞机地面滑行效率的影响，并基于飞机地面滑行效率提升提出了关于优化机场航站楼构型、飞行区布局的相关建议，进而从机场规划设计方面帮助机场提高地面运行效率，使机场能够最大限度地发挥其运输能力，提高机场在交通运输市场中的竞争力。
关键词:机场，平面布局设计，地面滑行效率，航站区，飞行区
1概述
飞机地面滑行效率在很大程度上决定机场运行效率，目前我国大、中型机场的飞机地面滑行效率普遍不高。例如，2017年欧洲机场中，希思罗机场额外滑出时间最长约为8．48min/架次，而北京首都机场2017年的额外滑行时间超过19min/架次，其他机场额外滑行时间大多在8min/架次～12min/架次。限制机场飞机地面滑行效率的原因一般有两种，分别是机场运行管理问题和机场时空资源问题。由于运行管理等后期因素对飞机地面滑行效率的限制可通过提高地面运行协同程度、优化航班时刻和滑行路径等方式进行缓解或解除，而机场时空资源规划不合理对于飞机地面滑行效率的不利影响需要通过机场改扩建来解决，这不仅需要很高的建设成本，还会影响机场的正常运行，因此机场应在规划设计阶段即充分优化机场布局以保障所服务飞机的地面滑行效率。本文分析了机场航站区布局、飞行区布局对飞机地面滑行效率的影响，提出了基于提升飞机地面滑行效率的机场航站区、飞行区布局规划优化建议，为从机场规划设计层面提高机场运行效率，帮助机场最大限度地发挥运输能力，提高机场在交通运输市场中的竞争力提供参考建议。
2机场平面布局限制
2．1航站区布局的限制
2．1．1航站楼构型航站楼为旅客提供从陆侧到空侧接驳服务，同时也为飞机提供靠泊服务。目前我国大中型机场主流的航站楼构型主要有五种:指廊型(fingerpier)、卫星型(satellite)、线型(linear)、转运车型(transporter)以及综合式。截至2019年年底，我国年旅客吞吐量超过一千万的大型机场(共39个)航站楼通常被设计为三种构型，分别为前列式、指廊式、指廊式与前列式结合的组合式，其具体统计情况如表1所示。航站楼的布局构型不仅影响旅客乘机体验，也在很大程度上决定了停机坪布局和停机位分布，影响飞机靠泊的便利性和飞机进离港滑行距离，进而影响飞机在航站区的滑行效率。如:A机场(如图1所示)和B机场(如图2所示)年旅客吞吐量接近，但平均离港滑出时间分别为27min和22．9min［1］。其原因之一就是A机场前列式航站楼在一定程度上延长了飞机地面滑行时间，占用了大量的机坪和跑滑系统资源，而B机场的指廊式航站楼则比A机场而言节省了大量的旅客转移和飞机滑行时间2．1．2机坪布局机坪区域是连接航站楼和跑滑系统的纽带，为飞机提供靠泊和进出停机位的滑行服务。我国大型机场的机坪布局各相迥异，对飞机滑行效率的影响主要体现在以下几个方面:1)机坪空间不足。一方面，停机坪面积不足导致无法设置更多的机坪滑行路径，使飞机在滑行过程中发生冲突时难以及时解脱;另一方面，停机坪空面积不足不能在大航班密度时为飞机地面滑行提供充足的空间和安全余度，既限制了机场地面容量，也使飞机地面滑行操作更加复杂，从而降低飞机地面滑行效率和安全性。2)机坪与跑滑系统的距离较远。飞机进出机坪需要滑行较长距离，一方面增加飞机地面滑行时间和安全风险，飞机占用跑滑系统的时间增加，造成其他飞机在跑滑系统外的排队等待。3)机坪构型不利于飞机滑进推出。飞机在进出机坪时产生滑行拥堵，增加飞机地面滑行延误。
2．2飞行区布局限制
2．2．1跑滑系统布局跑滑系统主要由跑道、平行滑行道、垂直联络道、快速出口滑行道组成，是飞机在起飞和降落阶段的主要活动区域［2］。跑滑系统对机场地面滑行效率的限制主要体现在以下方面:1)跑道数量不足。在机场运行中，出于安全和时间、空间限制，单跑道在单位时间内能服务的飞机数量有限，因此跑道的数量直接决定了跑道的容量，当航班量超过跑道系统容量时，就会导致跑道系统内的冲突、拥堵和等待时间增加，直接限制飞机的地面滑行效率。以C机场和D机场为例，两机场的客货运输量和航班起降架次情况如表2所示，飞行区布局见图3，图4。2017年，两机场航空业务量相当，年起降架次均为18万架次左右(差额小于4%)，且航站楼构型相似，均为指廊式+前列式的综合式构型。C机场飞行区与跑滑系统间的联络道为11条，而D机场只有7条，因此C机航站区处理航班的能力应高于D机场。但是由于D机场跑滑系统构型为二跑二滑，两条跑道采用一起一降的隔离运行方式［3］，而C机场只有一条跑道来承担密集的航班起降架次，因此，根据2017年全国民航运行效率报告，C机场从飞机推出后至起飞的平均滑行时间接近D机场平均滑出时间的两倍。由此来看，跑道数量是影响飞机地面滑行效率的主要因素之一。2)快速出口滑行道设置不合理。快速出口滑行道可使飞机以较高速度滑行快速脱离跑道，可在一定程度上减少跑道、滑行道占用时间［3］。快速出口滑行道位置设计，应根据机场所在地的气象条件、机场跑道的物理条件、机型组合以及飞机的性能等确定，以使飞机能够在降落后减速到适当速度时能够便捷地找到相应出口脱离跑道，减少跑道占用时间。目前国内机场快速滑行道出口的位置通常是按照一定设计经验来设定，一般在距离跑道端1900m，2300m，2700m的位置设置角度为30°的快速出口，使得快速出口滑行道布置不一定满足飞机的滑行需求［5］。3)跑道入口数量不足。跑道入口是飞机从滑行道、停机坪等位置进入跑道的通道，跑道入口数量不足会导致飞机进入跑道的过程不流畅，进而造成拥堵或额外排队等待，限制飞机的地面滑行效率。国内机场通常最多在跑道端头设置两个入口，大部分机场只有一个跑道入口，当某个入口因为一些不可控的原因无法使用时，飞机无法通过其他跑道入口进入跑道，极大增加了飞机在跑道入口发生拥堵的概率，从而限制飞机滑行效率。国外很多机场，例如美国的E机场(见图5)，其35L号跑道的端头设置了3个跑道入口，极大降低飞机在跑道入口拥堵概率。4)跑道等待位置空间不足。当机场航班量较大时，处于排队等待状态的飞机会占用滑行道资源，从而影响其他航班对滑行道的使用，增加飞机平均滑出时间，降低飞机地面滑行效率。例如F机场(见图6)，跑道起飞等待位置的空间有限，在机场航班数较大时，这部分空间无法满足航空器的运行条件，只能占用T1，T2滑行道资源，这势必会在一定程度上对其他航空器的滑行造成拥堵，从而使航空器在地面的滑行效率低下。5)跑道穿越影响。对于航站楼在跑道一侧的近距平行跑道机场，一般采用内侧跑道起飞，外侧跑道降落的运行模式［5］。使用外侧跑道的降落飞机必须穿越内侧的跑道才能滑入对应的停机位，为使降落飞机有符合标准的时间间隔穿越内侧跑道，势必会增加内侧跑道起飞时刻的占用时间。随着机场航空业务量的不断增加，飞机穿越量也不可避免的增多，因此，内侧跑道资源被不断占用，降低了跑道的运行效率。2．2．2机坪与跑滑系统联结状况机坪和跑滑系统是飞机在地面活动的两个主要场所，飞机的进港和离港过程需要在这两个场所之间进行转换，因此除了机坪和跑滑系统本身的条件对飞机的滑行效率产生影响之外，机坪和跑滑系统的联结状况也是飞机能否在地面流畅滑行的关键。目前，我国的大、中型机场由于最初的设计缺陷或者后期的改扩建不够合理，机坪与跑滑系统联结状况参差不齐，绝大部分机场存在机坪和跑滑系统之间联络道数量不够，布局不够合理的状况。以G机场和H机场为例，两个机场基本情况见表3，飞行区布局如图7，图8所示。由表3可以看出:一方面，G机场的飞机起降架次比H机场少7．1%，运行压力较小，但G机场飞机的平均滑出时间约为H机场的1．4倍;另一方面，G机场和H机场的航站楼构型与跑滑系统布局相似，但是机坪与跑滑系统之间的联结状况存在较大差异。首先，两机场联络道的数量不同，如图7，图8所示，G机场机坪与东、西跑道之间有12条联络道，而H机场机坪与东、西跑道之间有17条联络道，显然G机场联络道的数量较少，飞机从机坪到滑行道的过程中，可供选择的滑行路径较少。其次，G机场机坪与跑滑系统之间的联络道较窄，且不存在机坪与滑行道直接相连的情况，这使飞机在运行时的活动空间有限，降低了飞机的操纵灵活性，延长了滑行时间。
3机场平面布局优化措施
3．1航站区布局改进
3．1．1航站楼构型航站楼构型应提供充足的停机位的数量和合理的停机位位置分布。其设计的改进可以参考以下几条措施:1)尽量采用主楼+卫星厅构型。一方面，这种构型的航站区布局更具灵活性，也可以提供更多的停机位，特别是可以提供更多的近机位;另一方面，围绕这种构型的航站楼分布的停机位一般呈放射状分布，便于飞机进出;而且，此类航站楼为未来机场的改扩建提供了空间。2)指廊型航站楼应在指廊之间留有充足空间。随着机场发展，不仅机场服务的飞机型号会不断变化，停靠的飞机体积也会越来越大。如果指廊间的空间不足，会限制大型飞机的停靠且在大型飞机的进出时极易造成拥堵和增大安全风险，从而影响飞机的地面滑行效率。3．1．2机坪布局机坪应为飞机地面滑行提供充足的空间、路径需求，保证飞机从跑滑系统到停机位的滑行顺畅便捷。其设计的改进可以参考以下几条措施:1)保证机坪面积足够。着眼于机场的长期发展，综合机场将承担的旅客和货邮运输任务量，在建设之初需要为机场机坪提供充足的面积，以保证在机场航班密度较大时，飞机仍有足够的活动空间，减少飞机运行冲突，提高飞机运行效率。2)保证机坪构型合理。在保证每架飞机拥有足够的活动空间的同时，应保障飞机进出机位滑行的便捷性，避免“瓶颈”区域的出现。3)保证机坪和跑滑系统布局的紧凑性，便于飞机快速脱离跑滑系统到达停机位，减少滑行时间和滑行冲突。
3．2飞行区布局改进措施
飞行区是飞机在机场地面的主要活动区域，在机场规划设计之初要着眼于机场的长期发展对其空间布局进行综合规划，以求为后期的改扩建提供良好的基础及避免空间浪费。3．2．1跑滑系统布局1)合理设置跑道的数量和间距。目前，我国39个千万级机场中有25个机场为单跑道机场，其中有13个机场正在或拟建新跑道。由此可见，很多机场在规划建设之初未充分考虑其远期发展趋势，从而将跑道这一重要设施的数量规划的不合理。当机场远期旅客吞吐量超过1000万时，应考虑建设两条以上跑道以保证其运输能力。同时，当跑道数量一定时，跑道间距较大的跑道系统具备更好的容量扩充能力。当实施合理的进离场程序时，间距大于300m的跑道系统容量提升空间明显高于间距小于300m的跑道系统，且其运行程序的可实施性和灵活性也优于小间距跑道［7］。如上海浦东机场，东侧两条跑道间隔760m，高峰小时每小时的起降架次达到46架，而西侧跑道间隔460m，每小时起降架次为34架。2)合理设置跑道穿越道和绕滑道。国内外消减跑道穿越对飞机影响正常滑行的方法一般有两种。以M，N机场为代表的机场设置绕行滑行道(见图9，图10)，即在跑道端修建一条或者多条绕行滑行道，到港飞机无需穿越跑道，只需通过绕行绕滑道即可到达机位。此方法不影响内侧起飞飞机的运行，同时减少了穿越跑道飞机的地面等待时间，可显著提升机场地面运行效率;第二种方法是在内侧跑道设置多条穿越道，当航班比较密集而需要穿越跑道的飞机较多时，可安排多架飞机同时在跑道一侧的不同穿越道等待，待内侧跑道空闲时同时穿越。3)设置充足的辅助滑行资源。机场联络道、跑道入口数量、快速出口滑行道、跑道端等待位置的设计要贴合机场规划运行设计实际，不仅要满足配套齐全要求，各部分设施的设计还要能满足飞机地面滑行的流畅性和未来机场航空业务量发展。3．2．2机坪与跑滑系统联结状况1)增加机坪与跑滑系统的联络通道。机坪紧密排列于跑道一侧，使机坪与跑滑系统之间直接相联结;跑滑系统和机坪之间通过多个较宽的联络道连接或使跑滑系统与机坪之间无障碍区域，使机坪与跑滑系统敞口相连;使机坪与跑滑系统的联络道尽量分布于整个机坪所在区域，而不是集中分布于机坪的某部分区域。2)减少机坪到跑滑系统的距离。机坪与跑滑系统在保证净距的前提下布局紧凑，一方面减少机场占地面积，提高土地的利用率;另一方面，减少飞机从机坪到滑行道的滑行距离，节省滑行时间，提高滑行效率。
4结论
本文从机场规划角度分析了机场航站区、飞行区布局对飞机地面滑行效率的影响，并据此提出了基于飞机地面滑行效率提升的机场平面布局优化措施:1)机场在设计之初应充分考虑自身近期、远期发展，合理规划基础设施布局并留有改扩建空间，保证各设施资源的使用余度，满足航班密集和冲突解决的使用需求。2)飞行区布局设计改进措施。在跑滑系统中增加快速出口滑行道、入口滑行道的数量以及跑道端等待位置的空间面积，保证飞机有更多的活动空间和滑行路径选择;增加机坪到跑滑系统的联结通道，保证机坪和跑道系统联结的紧凑性。3)航站区设计改进措施。充分考虑航站楼空侧部分近机位提供能力和飞机滑行的便捷性、对不同机型停靠的兼容性;机坪布局合理保证飞机到达跑滑系统的通达性。
参考文献:
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［2］刘长有，丛晓东．基于遗传算法的飞机滑行路径优化［J］．交通信息与安全，2009，27(3):6-8，19．
［3］丁毅萍．机场规划与运行分析［D］．南京:南京航空航天大学，2009．
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［5］罗伯特·霍隆杰夫，弗兰西斯·马卡维．机场规划与设计［M］．北京:中国民航机场建设总公司，1981:212-217．
［6］颜于杰．配对运行模式下的近距平行跑道关键技术研究［D］．南京:南京航空航天大学，2016．
［7］任武玲．多跑道机场容量评估模型研究［D］．天津:中国民航大学，2017.
作者：王维 倪佳琦 单位：中国民航大学机场学院
