摘要：随着空中交通流量的日益增长，繁忙机场的跑道容量接近饱和，无法接受航空公司新的时刻增长需求，尾流间隔标准已成为繁忙机场制约容量的关键限制因素，也是决定机场延误水平的重要因素。现行的繁忙机场采用的雷达管制间隔最低标准是基于距离间隔（DBS）的尾流间隔标准，该标准是基于无风情况下的标准，而飞机逆风着陆时地速的减少，会导致在单位时间内跑道降落的飞机数量减少，从而进一步导致航班大面积延误。本文在分析比较现有的基于距离间隔（DBS）的标准和基于时间的间隔（TBS）标准的基础上，结合上海浦东机场实际数据，定量分析在风速变化情况下采用两种标准对跑道容量的影响程度，讨论提升跑道容量的可行策略，分析结果表明采用TBS标准能在保证安全的基础上提升空管运行和跑道利用效率，单跑道可降落飞机数量每小时增长5架，运行效率提高13.2%，对指导智慧民航之智慧空管和智慧机场都具有显著实际应用价值。

一、 背景

伴随着我国从民航大国向民航强国的发展，空中交通流量的增长迅速，繁忙机场的跑道容量接近于饱和，无法接受航空公司更多新的时刻增长需求，因为飞机之间着陆间隔达到或接近间隔标准极限值，即飞机尾流间隔标准， 尾流间隔标准已成为繁忙机场制约容量的关键限制因素，也是决定机场延误水平的重要因素。国际上现行尾流间隔基本形成于上世纪60年代，如表1所示，大部分繁忙机场采用的雷达管制降落间隔最低标准是基于距离间隔（Distance Base Separation, DBS）的尾流间隔标准，该标准没有考虑到风的影响。但在实际运行中由于侧风、温度、湍流、大气层结特性和地面效应等的差异，大部分飞机尾流真实滞空时间和影响均低于现行标准，特别是在逆风天气条件下飞机尾流消散的速度更快，故现行标准在一定程度限制了大型繁忙机场容量。

国际民航组织(ICAO)在 航空系统组块升级（ Aviation Systems Blocks Upgrades-ASBU）中分三个阶段改善尾流间隔标准。第一阶段是进行尾流间隔标准的重新分类，出台了RECAT标准。第二阶段为动态尾流间隔标准的制定，欧美等国的研究机构相继开发了动态尾流间隔的原型系统，并在达拉斯、巴黎、法兰克福等机场进行了验证运行，提升了机场容量。第三阶段为推行基于时间的间隔（Time Base Separation, TBS）标准，欧洲于2015年开始试验，在伦敦希思罗机场终端区最后进近过程中使用TBS标准，取得超乎预想的积极效果，并计划提前陆续改进并推广该TBS标准。

我国目前的尾流间隔标准是2018年5月1日开始实施的民用航空空中交通管理规定(CCAR-93TM-R5)。其中将飞机按照最大允许起飞全重分为了重型机、中型机、轻型机共三类，根据前后不同机型的不同组合情况给出了不同种类的飞机非雷达间隔的尾流间隔和雷达间隔的尾流间隔，如表1-1和表1-2。由于A380-800较其他重型机的尾流强度更大，故规章中单独列出。

表1-1 我国非雷达间隔的尾流间隔标准

前机

后机/s

A380-800

重型机

(≥136t)

中型机

(7~136t)

轻型机

(≤7t)

A380-800

120

120

180

240

重型机(≥136t)

120

120

120

180

中型机(7~136t)

*

*

*

120

轻型机(≤7t)

*

*

*

*

注：*表示未做特定要求

表1-2 我国雷达间隔的尾流间隔标准

前机

后机/km(nm)

A380-800

重型机

(≥136t)

中型机

(7~136t)

轻型机

(≤7t)

A380-8000

*

11.1(6)

13.0(7)

14.8(8)

重型机(≥136t)

*

7.4(4)

9.3(5)

11.1(6)

中型机(7~136t)

*

*

*

9.3(5)

轻型机(≤7t)

*

*

*

*

注：*表示未做特定要求，但进近时雷达间隔最低要求为6km(3.24nm)，符合特定条件可缩减为5km(2.7nm)

我国现行的雷达间隔的尾流间隔标准是基于距离间隔的，当飞机在跑道上逆风降落时，风速加大，飞机的相对地速相应减小，五边飞行时间增长，前后两架飞机之间的时间间隔则随之增大。这将导致跑道降落容量的减小，无法使跑道吞吐量达到预期标准，甚至造成大量延误事件的出现。另外一方面，大风同时又会加速尾流的消散，削弱前机对后机的尾流影响，前后机之间的间隔标准有缩小的空间。

ICAO在ASBU中通过尾流改进计划来提高跑道运行效率。在B0组块中提出通过优化尾流间隔最低标准，修订飞机尾流间隔分类方法和程序来提高机场航空器进出港效率，将航空器尾流等级细分为六类。在B1组块中提出通过动态尾流间隔的方法提高跑道运行效率，具体方式为基于实时尾流状态的识别，通过动态管理尾流间隔最低值标准，提高离场和进场跑道的效率。

在B2组块中提出了基于时间的高级尾流间隔的概念，实施基于时间的飞机之间尾流间隔最低标准，并改变了实施尾流间隔最低标准的空管运行程序。在不改变飞机任何系统的基础上，通过使用基于时间的间隔（TBS）标准代替传统的基于距离的间隔（DBS）标准，减少过多的尾流间隔余度，特别是在大逆风、侧风等情况下效率提高更明显。

世界各国纷纷通过技术手段缩减尾流间隔以提高机场容量，美国联邦航空局(FAA)、美国宇航局(NASA)，以及欧洲空管局(EUROCONTROL)、德国宇航研究中心(DLR)、荷兰航空研究院(NLR)等机构在NextGen和SESAR项目的支持下，在动态尾流间隔方面开展了大量研究工作。

基于前期的理论研究和机场飞行试验实测数据基础，NASA研制成功了动态尾流间隔原型系统即尾流间隔系统(AVOSS)，可有效地缩小单跑道着陆间隔，与传统标准相比，大约可提高6%的机场容量，减少约40%的机场延误。德国的DFS开发了WVWS系统，计算确定危险时间，预计尾流最大传输距离，根据尾流间隔标准、跑道间隔和雷达间隔标准，提供三种备选进近程序给管制员，其中一种是建议最优选择。该系统的使用也极大地支持了RECAT的实施，并提高了机场运行安全。

二、 欧洲基于时间的尾流间隔标准研究

欧洲单一天空计划研究与开发中心(SESAR)、英国国家航空服务局(NATS)和洛克希德马丁公司经过多年的合作论证和科学研究，提出了以时间间隔TBS取代传统的距离间隔DBS来规定前后两机在最后进近时的间隔标准，并充分考虑到大风对于飞机性能的影响，通过保持固定的时间间隔的方法，弥补基于距离的间隔标准造成的机场容量的减小问题，减少了机场延误率，提高了航班正点率。

传统上基于雷达管制条件下的飞机尾流间隔标准是固定距离的间隔，其大小取决于它们飞行时产生的螺旋式湍流或尾流。在固定距离的间隔下，飞机在强逆风中地面速度会下降，因此需要比无风情况下更长的时间才能飞过相同的距离，导致着陆效率降低，是导致延误的一个重要原因。

在TBS标准部署之前，伦敦希思罗机场每年都有40多万分钟的到达延误，其中80%是由于恶劣的天气条件造成的。在所有延误中，风的影响占44%，是到达延误的最主要原因，并导致了大量航班取消。作为欧洲最大的枢纽机场，任何延误传导都会引起整个欧洲航空网络的连锁反应。表2-1和表2-2是希思罗机场所采用的DBS标准和TBS标准，对比我国的间隔标准，其分类更细，数值对应我国的标准有所不同。

表2-1 希思罗机场基于距离的间隔标准(DBS)

前机

后机/nm

A380-800

重型

中重型

轻重型

较轻型

轻型

≥162t

104~162t

40~104t

17~40t

≤17t

A380-800

4

6

7

7

7

8

重型

4

4

5

5

6

7

中重型

3

3

3

4

4

6

轻重型

3

3

3

3

3

5

较轻型

3

3

3

3

3

4

轻型

3

3

3

3

3

3

表2-2 希思罗机场基于时间的间隔标准(TBS)

前机

后机/s

A380-800

重型

中重型

轻重型

较轻型

轻型

≥162t

104~162t

40~104t

17~40t

≤17t

A380-800

90

135

158

158

158

180

重型

90

90

113

113

135

158

中重型

60

60

60

90

90

135

轻重型

60

60

60

60

60

113

较轻型

60

60

60

60

60

90

轻型

60

60

60

60

60

60

为了抵消风对着陆速度的影响，为机场运行提供弹性，使用基于时间的间隔(TBS)标准，以时间间隔代替距离间隔。NATS和EUROCONTROL 5年的数据收集和分析得出保证安全的TBS间隔标准，涵盖所有飞机类型和风速风向的尾涡数据。TBS标准利用从飞机上下行的实时数据，动态计算实际风，以确定飞机之间的最佳安全尾流间隔。最后，通过向管制员提供实时间隔指示，以协助管理最终的飞机间隔。

TBS 标准的制定过程中充分考虑了在最后进近阶段的安全间隔的所有限制因素。其中包括：最小雷达间隔、跑道类型、跑道间隔、最后进近间隔、满足刹车要求以及滑行道入口位置要求和服务容量等条件对间隔的要求、跑道实时使用情况、风的实时情况、特定情况对于时间间隔要求等。

北约和欧控组织合作研究了15万多架飞机到达伦敦希思罗机场的路径，使用先进的设备准确地测量飞机尾涡的行为。结果表明，逆风分量越强，尾涡消散越快，最终进场时飞机间的距离减小，为安全保障提供了依据。例如，2015年3月30日，随着最后进近出现35节逆风，NATS管制员平均每小时多降落两架飞机，与类似情况相比，延误减少了一半。在TBS标准推出之前的3月2日，3000英尺平均30节的风造成了9750分钟的空中交通流管理(ATFM)延迟。2015年11月进行的分析表明，TBS标准节省了25000多分钟的延误时间，其中有15天受到强逆风的影响。11月10日，3000英尺处有40节逆风，着陆效率比没使用TBS标准时每小时增加3-4次。

图2-1 希思罗机场风速-间隔缩减图

在希斯罗机场进近的模拟运行证实了TBS 标准是安全可靠的，图2-1为希思罗机场的风速-间隔缩减曲线图，该曲线由希思罗机场的激光雷达数据采集的数据分析得出。出于安全考虑，为保证TBS标准的容错性，逆风较小时，TBS标准此时和DBS标准相同，不缩减间隔。在逆风约为3.6m/s(7kt)时，此时TBS标准下的间隔缩减10秒，且随着逆风的增强，间隔进一步缩减，能有效的缓解强逆风时的容量减少。下文将以上海浦东国际机场的航班数据和风速数据为例进行尾流间隔仿真分析。

三、 上海浦东国际机场基于时间的尾流间隔分析

上海浦东国际机场是我国最繁忙的机场之一，为4F级民用机场，2018年起降航班达到504972架次，旅客吞吐量达到7405.42万人次，年货邮吞吐量达到376.19万吨，容量已经达到饱和。此时在DBS标准下，逆风将严重影响机场的容量，随着风速的增大，航班延误越频繁，会造成极大的损失。

图3-1 浦东机场跑道布局图

浦东机场目前拥有4条平行跑道，分别组成两组近距平行跑道，其中1、2号跑道(17L/35R、16R/34L) 主要用于起飞，3、4号跑道 (17R/35L、16L/34R) 用于降落，如图3-1所示。

本文根据2019年1月1日至2019年2月20日浦东机场51天的气象数据分析浦东机场的跑道逆风情况下的运行效率。图3-2是该段时间浦东机场日平均风速曲线图，图中黄线为希思罗机场TBS标准开始缩减间隔的逆风风速参考值3.6m/s，共有28天的日平均风速在该标准以上，约占统计时间的54.9%。

图3-2  2019.1.1~2019.2.20浦东机场日平均风速

图3-3是浦东机场该段时间，不同风速区间占总时间的百分比柱形图，以及小于等于该风速区间的累积百分比折线图，例如，风速段3.0m/s~3.5m/s占总时间的百分比为11.2%，风速度0~3.5m/s占总时间的百分比为48.9%。

图3-3  2019.1.1~2019.2.20浦东机场不同风速区间占时间百分比及累计百分比图

现以空客A320为例，以此来定量分析DBS和TBS不同间隔标准对于机场容量的影响。A320的最大允许起飞全重约为78吨，在我国的现有航空器尾流等级标准中属于C类航空器，A320机型之间属于中型机-中型机，对应我国的DBS标准为6km。表3-1是NATS给出的TBS标准中，时间和距离的换算表格，插值计算，6km距离间隔对应的TBS标准为74s(73.3向上取整)，此时的航空器的平均速度为291.8km/h(157.6kt)。

表3-15 NATS TBS距离时间换算表

距离间隔(nm/km)

3/5.56

4/7.41

5/9.26

6/11.11

7/12.96

8/14.82

时间间隔(s)

68

90

113

135

158

180

图3-4所示的是2019年1月1日至2月20日中，平均风速最大的一天即2月7日当天的半小时平均风速，日平均风速达到7.1m/s，8:00至10:00的平均风速达到10.2m/s，受限于强逆风的影响，航班延误较平时有所增加。

图3-4  2019.2.7浦东机场每半小时平均风速

8:00至10:00降落的航空器类型，如图3-5所示，共57架航空器，其中重型机13架，中型机44架。根据航班降落顺序，不同的航空器尾流等级对数如图3-6所示。为对比DBS、TBS标准在强逆风条件下对机场容量的影响，结合实际航班分析，2月7日8:00~10:00期间，浦东机场降落跑道为34R和35L，平均小时平均架次数28架次（28.5向下取整）。

图3-5 2019.2.7 8:00~10:00航空器尾流等级统计

图3-6 2019.2.7 8:00~10:00期间前后航空器尾流等级统计

为量化DBS标准和TBS标准对容量的影响，现在考虑单跑道降落模型，假设将现在两条跑道降落的飞机都集中到单一跑道中这样就会出现单跑道需求超容量情况，便于分析对比，然后分别采用DBS和TBS标准，并根据航空器进近时的实际情况，设重型航空器进近平均速度为320km/h，中型航空器的进近平均速度为291km/h，进行计算。

仿真模拟计算结果表明，该航班序列，在DBS标准下，花费的总时间为87.8分钟，折算为平均小时架次约38架次（38.9向下取整），在TBS标准下，花费的总时间为78.1分钟。折算为平均小时架次约43架次（43.7向下取整），平均小时架次增长5架次，TBS标准对比DBS标准效率约提升了13.2%。

四、 结论及建议

基于智慧民航之智慧空管和智慧机场的理念，基于国外的成功运行经验，通过将基于距离的间隔运行模式改为基于时间的间隔运行模式将是未来空管和机场发展的方向。本文围绕基于TBS标准对跑道到达容量影响分析，以上海浦东机场2019年2月7日08:00到10:00时间为例，采用TBS标准时单跑道小时可降落飞机数量增长5架，运行效率提高13.2%。主要结论和建议如下：

1) 在单位逆风12MPS的情况下，假如如北京、上海和广州机场的单跑道使用效率每小时都能增长5架次，则双跑道降落小时效率总提高会超过10架次以上，故困扰我国现有的由于机场跑道原因造成的延误可以大大减少，航班正常率至少可以提高10%以上；

2) 采用TBS标准在有风情况下对跑道容量有所提升，特别是在强风条件下，尤为显著。随着风速逐渐增大，TBS标准对于跑道容量的改善和减少机场延误水平的作用越明显。因此，建议我国及早开始实施TBS间隔，可考虑在收逆风影响较大的繁忙机场开展试点工作，待技术成熟后再全国推广；

3) TBS标准相对DBS标准，具有理论和实验数据的支撑，更加科学，也更适合机场多变的风向条件，可以在保证安全水平的前提下显著提升跑道容量和利用效率。因此，建议我国开始修订相关规则，允许突破现有的雷达管制尾流间隔标准，特别是在使用国外已经成功实验基础上的我国试点或实验工作放松管制；

4) 由于现有标准中重型机后方的尾流间隔标准较高，其在大逆风情况的尾流消散速度更快，采用TBS标准后的效果更明显。因此，在重型机较多的机场尽早采用TBS标准代替现有的DBS标准，至少可以采用TBS与DBS结合的折中方式；

5) 从DBS过渡到TBS需要相应的设备和技术改进，采用对应的尾流观测设备和手段，研究相应的管制辅助决策工具，同时，管制理念和方法都需要改进或转变；

6) 但是当逆风极强的时候，基于TBS 标准的时间间隔会缩减到低于航空器占用跑道时间(ROT)，此时影响跑道容量的已不是尾流间隔，而是跑道占用时间所带来的间隔，机场此时欲提升容量，则需优化航空器的跑道占用时间。因此，当飞机着落间隔进一步缩小后，为了减少航空器降落时跑道占用时间，合理增加快速脱离道，优化现有的机场跑滑结构，增加跑道道面监控设施，将跑道建设成智慧跑道，将机场建设成为智慧机场。(潘卫军 中国民用航空飞行学院)

参考文献

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