交叉跑道机场目视条件下航空器碰撞风险分析

张瑗晋， 朱代武

(中国民用航空飞行学院 空中交通管理学院， 四川 广汉 618307)

在民航发展的大背景下，许多机场的容量逐渐达到饱和状态。为了缓解航空交通压力和促进空中交通流量安全发展，国内一些大型机场已经开始采用新兴的交叉跑道的方式来提高跑道运行效率。为此，在目视条件下发挥飞行员作为运行终端的主观能动性，实现增加飞行流量、降低管制员工作负荷、增加塔台管制区容量的目的。

1 成都新机场的跑道构型与运行模式

国外使用交叉侧向跑道构型的大型机场主要有日本东京羽田、美国芝加哥奥黑尔、美国达拉斯、美国丹佛机场、美国夏洛特、美国休斯敦和美国拉斯维加斯机场[1]。交叉跑道能灵活地应对地面对强侧风的影响，使往不同方向去的飞机可在跑道不同方向起降，增加缓冲长度，从而提高机场容量，加快飞行流量。所以在交叉跑道占用的空间位置范围中，研究目视飞行条件下航空器所在位置的碰撞风险至关重要。

北京大兴国际机场是国内首次使用交叉跑道的机场，成都天府国际机场则是国内第二个使用交叉跑道构型的机场。其中01/19、02/20、11跑道同时运行，全天24 h开放，跑道运行模式是：01/19 和 02/20 跑道半混合运行，采用隔离平行运行、独立平行离场，11跑道仅用于由西向东起飞[2-3]。本文仅讨论一期工程中的北一跑道(11)和东一跑道(02/20)之间目视条件下的航空器碰撞风险。如图1所示，北一跑道长3 800 m，宽45 m，东一跑道长3 200 m，宽45 m。北一跑道西侧延长垂直于东一跑道的北侧延长线，两跑道头互不重叠。北一跑道的中心线距东一跑道头1 430 m，东一跑道中心线距北一跑道340 m。为了提高管制的便捷性，减少航空器运行中的冲突，当北一跑道用于向东起飞，东一跑道仅用于降落，隔离运行下且不考虑复飞概率，考虑北一跑道(11)与东一跑道(02/20)运行的相关性，北一和东一交叉跑道处在独立运行，在此种模式下的管制运行相对更加安全[4]。

图1 成都天府国际机场跑道构型图

2 基于目视条件下的碰撞因子的确定

目视飞行是最直接和最安全的飞行方式,每个飞行员最先接触到的飞行基本操作方式都是建立在目视条件下的。因为目视条件下带给飞行员的判断影响因素有很多，导致基于目视条件下的碰撞因子也比较复杂。目视条件下的飞行过程虽然是最安全的飞行方式，但同时带来的影响因素也因环境和人为影响的变化而不断变化。由于各种因素的影响，目视条件下的碰撞风险也由影响因素而加大，碰撞因子也会随之变化从而产生无法避免的误差。因此，目视飞行和各种外在条件存在的误差即碰撞因子，这都会直接影响航空器与航空器之间的安全间隔，从而带来碰撞风险。

若两架航空器在目视条件下起飞和降落时，可以通过目视跟进或者保持与航空器持续能见的方式来建立，那么在交叉跑道中的碰撞风险则是不可避免的。当航空器目视运行过程中，两航空器之间在目视空间位置上有发生重叠的可能性和碰撞风险性。为了使航空器的安全得到保障，航空器在空中运行时，其所占用的空间尺寸比航空器原始空间大得多才能避免风险。通过计算目视条件下两航空器之间的碰撞风险值大小，得到航空器在不同位置随运动时间变化的碰撞风险概率，从而避免两航空器之间有可能发生的空中碰撞。由于目视条件下的航空器碰撞风险影响因素比较多，如跑道长度，航空器的高度、速度、位置，目视精度、时间，转弯半径和转弯率等，具体目视飞行条件下的碰撞风险模型参数见表1。

表1 目视碰撞风险模型参数

结合目视飞行条件下的两航空器运行状态，按照两航空器的危险接近程度分别将两航空器相撞和危险接近这两个距离值作为计算航空器碰撞风险的积分上下限[5-11]，即计算航空器进入危险接近直到相撞的概率建立基于位置误差碰撞风险模型：

(1)

式中：P(t)表示在t时刻两航空器之间的碰撞风险概率；fD(x)表示两航空器实际距离的概率密度函数；d表示两航空器之间的碰撞距离，即当两航空器之间的距离在-d到d之间则表示两航空器发生碰撞。

3 目视条件下的交叉跑道碰撞风险模型

在目视飞行条件下两航空器的碰撞风险大小主要是由于两机之间实际的位置距离产生，建立基于航空器位置误差模型的碰撞风险模型，暂不考虑航空器的尾流影响。以成都天府机场为例，如图1对新机场一期工程的02/20(东一)与11(北一)两条交叉跑道上航空器A和航空器B在进离场的运动过程，在目视条件下将上述碰撞风险模型细分成基于位置误差的纵向和侧向碰撞风险模型。在主跑道1上进近复飞的航空器A的航迹有可能穿越侧向跑道2的离场航迹或者靠近侧向跑道2，航空器A和航空器B实际相对位置随时间变化。根据跑道运行方向，分别对主跑道1 (02/20)和侧向跑道2(11)建立碰撞风险模型。

上述基于位置误差的纵向和侧向风险模型公式为

(2)

(3)

P(t)=Px(t)×Py(t)

(4)

02东一跑道上航空器A北向起飞，11北一跑道上航空器B东向离场，两架航空器的纵向、侧向实际距离随时间变化的函数如下：

Lx(t)=D+l-V01t

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

4 碰撞风险计算结果分析

结合仿真计算在目视飞行条件下航空器A在02/20跑道起飞，航空器B在11跑道同时起飞的碰撞风险概率。在指挥时将离场航空器与进场航空器充分分开，同时确保离场航空器在起飞时，进场航空器不会因为着陆失败而复飞，从而导致两航空器之间发生航迹交叉的风险[12-14]。如果此时航空器A和航空器B碰撞风险概率满足ICAO公布的可接受安全目标水平，则当前运行模式和位置误差模型可接受。通过计算结果分析在不使用上述提到的位置误差模型时，当航空器A在东一(02/20)跑道起飞，与航空器B在北一(11)跑道离场过程中碰撞风险仿真结果约为0.011 3次/飞行小时，如图2所示，其风险值远大于ICAO公布的安全目标水平5×10-9次/飞行小时，即该运行模式不可接受[15]。

图2 航空器A和航空器B碰撞风险

使用本文建立的目视飞行条件下的位置误差模型后，得到的两航空器碰撞风险如图3所示，约为4.72×10-9，满足ICAO公布的安全目标水平，验证了在目视条件下该模型的可行性。

图3 使用位置误差模型后航空器A和航空器B碰撞风险

5 结语

由计算结果得知，东一(02/20)与北一(11)跑道碰撞风险远小于精密进近航空器与障碍物碰撞的危险概率的安全目标。航空器A和航空器B在目视飞行并同时随着位置变化的这一个碰撞因子的条件下，将计算数值进行对比分析碰撞风险概率满足ICAO公布的可接受安全目标水平5×10-9次/飞行小时。在交叉跑道实施目视飞行条件下可以达到更安全、更准确的操纵方式，可以加速飞行流量、降低管制员工作负荷、提高机场运行效率和适航性、减少机场延误以及增加机场跑道的容量。

后续可进行以下两个方面的优化：①优化目视条件下航空器碰撞风险模型的参数，找出多个影响碰撞风险概率的碰撞因子并进行仿真计算，对比分析碰撞风险的计算结果；②根据FAA提出划设侧向跑道进场保护区域(arrival-departure window ADW)的方法，基于位置误差模型建立侧向跑道ADW可以帮助管制员在指挥离场航空器和进场航空器同时运行时满足最低安全标准的要求，从而降低进离场航空器之间的碰撞风险。