危險(xiǎn)天氣區(qū)域下的航班改航路徑規(guī)劃

韓斌

摘要：危險(xiǎn)天氣區(qū)域嚴(yán)重影響航班的飛行，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，航班增多，對(duì)于航班被動(dòng)的地面等待，嚴(yán)重阻礙了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為解決空中交通流量管理中惡劣天氣或流量受限下的航班改航問(wèn)題，本文將探討危險(xiǎn)天氣區(qū)域下的航班改航路徑規(guī)劃。

關(guān)鍵詞：危險(xiǎn)天氣區(qū)域；航班改航；路徑規(guī)劃

一、引言

危險(xiǎn)天氣區(qū)域下，導(dǎo)致飛行事故癥候的事件比較頻繁。在飛機(jī)巡航期間，由于受大范圍天氣系統(tǒng)的影響，雷雨，冰雹，龍卷風(fēng)、閃電等，如果飛機(jī)在航路上遇到大面積雷雨區(qū)時(shí)，一般就會(huì)飛機(jī)返航、備降。而通常雷暴是在云層中，有的時(shí)候即使不下雨，但是云層中依然會(huì)有雷暴。雷暴區(qū)域附近產(chǎn)生的下?lián)舯┝骱惋L(fēng)切變，會(huì)直接造成起降飛機(jī)失控。風(fēng)切變即是在短距離內(nèi)風(fēng)向、風(fēng)速發(fā)生明顯突變的狀況。強(qiáng)烈的風(fēng)切變瞬間可以使飛機(jī)過(guò)早地或者被迫復(fù)飛。在一定程度下就可以導(dǎo)致飛機(jī)失速和難以操縱的危險(xiǎn)，造成飛行事故。機(jī)組由于對(duì)雷暴的認(rèn)識(shí)不清，簽派員在遇到雷雨天氣條件下航班的放行時(shí)，往往主對(duì)天氣的了解和掌握也主要集中在機(jī)場(chǎng)終端區(qū)雷雨天氣的研究。航路雷雨天氣下的放行成為一個(gè)難點(diǎn)，對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)不明白，沒(méi)有事先做好充分的繞飛計(jì)劃，以及繞飛油量沒(méi)有帶夠等因素而導(dǎo)致返航備降。在航路上飛機(jī)飛行高度都比較的高，而空域范圍較廣，并且受到的地形限制非常小，解決的辦法可以讓飛機(jī)進(jìn)行繞飛或改變?cè)谠粕巷w行飛行高度等措施來(lái)避開(kāi)雷暴等危險(xiǎn)天氣的影響。本文將探討的就是危險(xiǎn)天氣區(qū)域下的航班改航路徑規(guī)劃。

二、人工勢(shì)場(chǎng)法路徑規(guī)劃

人工勢(shì)場(chǎng)模型人工勢(shì)場(chǎng)法由Khatib 1986年提出的一種虛擬力法，起初只是為了解決機(jī)械手臂在移動(dòng)抓取物體的時(shí)候，能夠不碰到工作臺(tái)。他的基本思想是把機(jī)器人在周圍環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)成一種抽象的人造引力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)點(diǎn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)生“引力”，障礙物對(duì)移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)生“斥力”，最后通過(guò)求合力來(lái)控制移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。后來(lái)該方法在移動(dòng)機(jī)器人上應(yīng)用也有很好的效果，能產(chǎn)生出非常平滑的運(yùn)行軌跡。人工勢(shì)場(chǎng)法的基本思想是在環(huán)境中建立目標(biāo)位置引力場(chǎng)和受限區(qū)周圍斥力場(chǎng)共同作用的人工勢(shì)場(chǎng)，搜索勢(shì)函數(shù)的下降方向來(lái)尋找無(wú)碰撞路徑。引力和斥力的合力作為移動(dòng)物體加速力來(lái)控制移動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)方向和計(jì)算移動(dòng)物體的位置。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在實(shí)時(shí)避障和平滑控制軌跡方面得到了廣泛的運(yùn)用。在采用傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)路徑規(guī)劃模型進(jìn)行航空器改航路徑規(guī)劃時(shí)，在狹窄區(qū)域容易發(fā)生振蕩現(xiàn)象，導(dǎo)致航空器左右來(lái)回運(yùn)動(dòng)，造成了規(guī)劃的不穩(wěn)定。人工魚群算法人工魚群算法是一種群智能多點(diǎn)并行搜索優(yōu)化算法。該算法的主要特點(diǎn)是不需要了解問(wèn)題的特殊信息，只需要對(duì)問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)劣的比較，有著較快的收斂速度，具有克服局部極值獲得全局極值的能力。王飛等將該算法應(yīng)用于飛機(jī)著落排序問(wèn)題和地面等待策略問(wèn)題，取得了較好的應(yīng)用效果。通過(guò)構(gòu)造單個(gè)人工魚來(lái)控制人工勢(shì)場(chǎng)函數(shù)的參數(shù)，調(diào)用改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)模型進(jìn)行改航路徑規(guī)劃，生成多條改航路徑，利用適應(yīng)度函數(shù)對(duì)生成的改航路徑進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)算法的覓食、聚群、追尾等行為的選擇，選出適應(yīng)度好的人工魚參與下一組魚群的進(jìn)一步計(jì)算，通過(guò)隨機(jī)行為可以在新的空間進(jìn)行新一輪的搜索，最終生成最優(yōu)的改航路徑。

如事例1、某航班執(zhí)行成都—西寧航線，由于西寧機(jī)場(chǎng)雷雨天氣備降蘭州。飛機(jī)在蘭州落地之后，西寧天氣好轉(zhuǎn)，雷暴向東移出本場(chǎng)，往蘭州機(jī)場(chǎng)方向移動(dòng)，正好在蘭州到西寧的航路上，且范圍較廣?？紤]到蘭州到西寧的航線距離較近，不到150公里，且該航路標(biāo)高較高，地形較復(fù)雜，飛機(jī)起飛后繞飛困難等因素，通過(guò)對(duì)天氣演變趨勢(shì)的詳細(xì)研究，制定詳細(xì)的繞飛計(jì)劃和帶夠足夠的繞飛油量后，再次放行飛往西寧。

事例2、某航班執(zhí)行成都—張家界航線，在飛機(jī)進(jìn)入長(zhǎng)沙管制區(qū)后，由于航路上有大面積雷暴區(qū)，使得飛機(jī)繞飛比較困難，而且機(jī)載油量有限，備降重慶。最終由于該天氣系統(tǒng)往張家界機(jī)場(chǎng)方向發(fā)展，時(shí)間較長(zhǎng)，且考慮到該機(jī)場(chǎng)是特殊機(jī)場(chǎng)，取消該航班。

事例3飛行受限區(qū)域昆明到貴陽(yáng)航線所經(jīng)航路點(diǎn)為： 昆明（ KMG） - 過(guò)馬河（SL）- P72- 貴陽(yáng)（KWE）； 通過(guò) Mercator投影建立經(jīng)緯度與X - Y 軸的投影關(guān)系，則KMG、SL、P72、和 KWE在該平面直角坐標(biāo)系中坐標(biāo)分別為 （ - 124. 8 220，64. 2 764）、（ - 118. 6 788，68. 3 736）、（ - 103. 9 652，71. 6 366） 和（ - 82. 2 684，76. 8 524）。根據(jù)天氣預(yù)報(bào)生成飛行受限區(qū)域，圖 1 中陰影部分為雷暴云團(tuán) A、B、C。假設(shè)雷暴云團(tuán) A向東北方向以 40 km /h的速度勻速漂移，云團(tuán)的形狀、面積和強(qiáng)度保持不變；云團(tuán) B繞云團(tuán)幾何中心旋轉(zhuǎn)，云團(tuán) C處于擴(kuò)張階段。

圖 1 飛行受限區(qū)域

優(yōu)化后的改航路徑利用人工勢(shì)場(chǎng)- 人工魚群算法，得到優(yōu)化的改航路徑。

如圖 2、圖 3所示。

圖 2 優(yōu)化的改航路徑

圖 3 路徑規(guī)劃中的航線角度

改航路徑的修正通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)彎角度較大的改航路徑點(diǎn)的判斷，來(lái)確定分段點(diǎn)，從而將初始的改航路徑分成 7段進(jìn)行線性擬合，并計(jì)算出擬合后 7段航線的交點(diǎn)，將交點(diǎn)順次連接，生成擬合的改航路徑。

圖 4 分段擬合后生成的改航路徑

如圖 4中實(shí)線所示。由于在第 6航段不滿足與受限區(qū)的最小距離的約束，所以需要進(jìn)一步修正。具體如下： 將圖 4中的航段 1、2、3，截彎取直，合并為如圖 5中的第 1航段，原航段 4改為第 2航段，將原航段 5、6合并為第 3航段，原航段 7變?yōu)榈?4航段，如圖 5所示。經(jīng)驗(yàn)證修正后的改航路徑，滿足約束條件，這樣就得到最終的改航路徑。

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