基于規(guī)則的機(jī)位附近滑行行為建模研究

高 偉，張 佳，王濤波（中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院，天津 300300）

基于規(guī)則的機(jī)位附近滑行行為建模研究

高 偉，張 佳，王濤波
（中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院，天津 300300）

航班量快速增長提高了機(jī)場的機(jī)位利用密度，機(jī)位附近的滑行過程更加復(fù)雜，容易引發(fā)航班延誤，必須優(yōu)化航班滑行過程，減少機(jī)坪區(qū)滑行沖突。通過詳細(xì)分析機(jī)坪區(qū)及其附近區(qū)域的滑行規(guī)則，歸納出實(shí)用的知識(shí)庫，建立起知識(shí)庫模型，再利用Java+MySql平臺(tái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，最后以廈門高崎機(jī)場廈門航空公司的專有機(jī)坪和廈航的實(shí)際航班數(shù)據(jù)為仿真實(shí)例，進(jìn)行系統(tǒng)仿真。通過比較仿真結(jié)果和機(jī)坪調(diào)度人員的實(shí)際操作，可知仿真相似度高。該研究結(jié)果是可行、有效的，能夠提供機(jī)坪調(diào)度的實(shí)時(shí)方案，有利于減輕機(jī)坪調(diào)度人員的工作負(fù)荷，同時(shí)該結(jié)果也可以作為調(diào)度問題的預(yù)測等相關(guān)問題研究的參考。

機(jī)位調(diào)度；沖突探測與解脫；知識(shí)庫；地面運(yùn)行

隨著航班量的持續(xù)增長，目前國內(nèi)機(jī)場廣泛通過合理分配機(jī)位、擴(kuò)大機(jī)位容量來滿足航空器停靠要求。但是該措施使得機(jī)位附近的滑行過程尤其復(fù)雜，經(jīng)常導(dǎo)致某些航班在未起飛前就已經(jīng)延誤，同時(shí)由于機(jī)位延誤容易引發(fā)大面積的航班延誤等連鎖反應(yīng)，因此，必須更合理地解決機(jī)坪附近的滑行沖突問題，優(yōu)化滑行過程。

目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了相關(guān)方面問題的研究[1-2]。從研究對(duì)象來看，有的研究從靜態(tài)的時(shí)刻計(jì)劃來優(yōu)化[3]，該方法不能合理應(yīng)對(duì)航班的動(dòng)態(tài)變化。有的考慮了航班動(dòng)態(tài)變化[4]，但是對(duì)機(jī)位附近的滑行過程缺乏深入研究。從研究方法來看，這些研究都是利用圖論或混合整數(shù)規(guī)劃的思想，通過建立簡單的地面網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)線結(jié)構(gòu)來解決機(jī)場場面運(yùn)行中可能出現(xiàn)的沖突。由于機(jī)場地面滑行過程包含很多運(yùn)行規(guī)則，而這些研究建立網(wǎng)絡(luò)圖時(shí)并未考慮這些規(guī)則，使研究結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行差距較大。

知識(shí)庫是以描述方法來存儲(chǔ)和管理知識(shí)的機(jī)構(gòu)，事實(shí)、規(guī)則和概念的集合[5]。而知識(shí)庫特指所存儲(chǔ)的內(nèi)容為業(yè)務(wù)規(guī)則[6]，它獨(dú)立于數(shù)據(jù)和程序。利用知識(shí)庫的概念建立起來的智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其內(nèi)部含有大量的某個(gè)領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)，可以加快解決問題速度。

本文先分析機(jī)位附近滑行的特點(diǎn)，建立地面網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫來描述機(jī)坪附近的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然后分析機(jī)坪附近滑行過程中的具體規(guī)則要求，按知識(shí)庫模型表達(dá)方式，表示規(guī)則的推理過程，再建立系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)，對(duì)模型實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證解決效果。

1 機(jī)坪區(qū)航空器地面滑行分析

1.1 機(jī)位附近網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的建立

機(jī)位附近的網(wǎng)絡(luò)是指航空器活動(dòng)的軌跡集合，它承載各種航空器實(shí)體，本文把航空器當(dāng)做某個(gè)質(zhì)點(diǎn)為中心的保護(hù)區(qū)來研究，對(duì)物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抽象，G=（N，E）：表示地面物理網(wǎng)絡(luò)，N={ni|i=1，…，k}是G的節(jié)點(diǎn)集，N還包括三個(gè)子集，機(jī)坪起點(diǎn)C={ci|i=1，…，l}，一般節(jié)點(diǎn)A={ai|i=1，…，t}，機(jī)位B={bi|i=1，…，g}；E= {ei=（np，nq）|i=1，…，m；np，nq∈N}表示ei是從np到nq的有向線段，除構(gòu)建節(jié)點(diǎn)與線段的拓?fù)潢P(guān)系之外，還必須把鄰接點(diǎn)的關(guān)系（夾角，點(diǎn)屬性）存入數(shù)據(jù)庫，用于準(zhǔn)確地掌握航空器的狀態(tài)。

1.2 機(jī)坪區(qū)滑行過程描述

對(duì)于進(jìn)港飛機(jī)而言，飛機(jī)滑行從主滑行道滑到機(jī)坪區(qū)，在沒有沖突的情況下，可以直接滑入預(yù)定機(jī)位；有沖突時(shí)，在主滑行道末端進(jìn)行等待，對(duì)于離港航空器，沒有沖突的情況下申請推出，申請滑行，滑向主滑行道；有沖突時(shí)，在機(jī)位處等待，或在機(jī)坪滑行道等待。

基于對(duì)以上過程分析，航空器在機(jī)坪區(qū)的沖突大致可以分為：

1）推出間沖突，兩航空器在鄰近的時(shí)間內(nèi)推出；

2）推出與滑行沖突，離港與進(jìn)港航空器間沖突；

3）滑行沖突，其中滑行沖突包括對(duì)頭沖突、交叉沖突。

沖突的解脫策略為等待。對(duì)于進(jìn)港航空器，可以在機(jī)坪口、機(jī)坪區(qū)滑行道等待，對(duì)于離港航空器，在機(jī)位、推出完成后等待。在本文的后面會(huì)具體介紹航空器的幾種狀態(tài)。

根據(jù)現(xiàn)場控制的經(jīng)驗(yàn)，在航空器優(yōu)先級(jí)相同的情況下，具體規(guī)定了各種狀態(tài)的優(yōu)先級(jí)，具體為:進(jìn)機(jī)位航空器>推出過程中的航空器>進(jìn)港航空器>準(zhǔn)備滑行航空器>準(zhǔn)備推出航空器。

具體的沖突探測與解脫取決于2架航空器的時(shí)間、推出方向、機(jī)位的關(guān)系等因素，本文通過詳細(xì)分析這些因素，形成規(guī)則庫，來探測沖突和解決沖突。

2 知識(shí)庫設(shè)計(jì)

根據(jù)知識(shí)庫的設(shè)計(jì)要求，知識(shí)庫分為事實(shí)庫和規(guī)則庫兩部分，在知識(shí)庫中，一般采用多元謂詞的方式來表示。下面進(jìn)行詳細(xì)的分析。

2.1 事實(shí)庫設(shè)計(jì)

為了達(dá)到推理和解決問題的目標(biāo)，構(gòu)建知識(shí)庫必須在事實(shí)庫中引入航班的基本信息，如航班號(hào)、航班的進(jìn)離港情況、航班所?？康耐C(jī)位等，為了使推理過程能夠更加接近實(shí)際情況，同時(shí)把以下簡單的推理也歸納在事實(shí)庫設(shè)計(jì)中，如兩個(gè)機(jī)位是否鄰近、航空器距離機(jī)坪區(qū)的出口距離、航空器的機(jī)坪出口是否相同等，因此聲明如下復(fù)合域

AParam=AParam（X，Y，Z，A，B，C，T，L，P）

其中，謂詞AParam表示每一個(gè)航空器的信息，包括9個(gè)參數(shù)，在具體過程中，某些參數(shù)可以不用賦值。由于在統(tǒng)一的時(shí)間系統(tǒng)，一般參數(shù)T省略。參數(shù)的詳細(xì)定義如表1所示。

表1 AParam公式含義Tab.1 Definition of Aparam formula

其中Node為面向?qū)ο蟮念愋?，Gate與Spot繼承Node。P為一個(gè)Node數(shù)組。

通過以上分析，同時(shí)利用上面定義的謂詞為輔助定義事實(shí)規(guī)則，構(gòu)造知識(shí)庫系統(tǒng)的事實(shí)規(guī)則如下：

F1：Maneuver（X1，X2，Z1，Z2）:在T時(shí)刻X1航空器按Z1方式移動(dòng)，X2航空器按照Z2方式移動(dòng)；航空器的沖突解脫策略主要是通過此事實(shí)來表示。

F2：DistToGate（X，B）:在T時(shí)刻X航空器到B停機(jī)位的距離。

F3：DistToSpot（X，C）：在T時(shí)刻X航空器到C機(jī)坪出口點(diǎn)的距離。

F4：IsNear（X1，X2）：X1機(jī)位與X2機(jī)位是否相鄰的機(jī)位，相鄰為真，不相鄰為假。

F5：GateDist（X1，X2）：X1航空器機(jī)位與X2航空器機(jī)位的距離。

F6：Time（X1，X2，A1，A2）：X1航空器在A1點(diǎn)的時(shí)間與X2航空器在A2點(diǎn)的時(shí)間。

F7：SpotIsSame（X1，X2）:判斷X1、X2航空器是否從同一點(diǎn)出入，是為真，不是為假。由于航空器的推出方向受所用跑道、地形等結(jié)構(gòu)限制，為了滿足通用性，在設(shè)計(jì)過程中，用此事實(shí)來判斷航空器的推出方向是否一致。

F8：IsConflict（X1，X2）：X1與X2航空器是否沖突，如果沖突給出相應(yīng)的航空器動(dòng)作方式。

F9：State（X1，X2）：X1、X2表示同一時(shí)間兩個(gè)航空器的狀態(tài)。

2.2 規(guī)則庫的設(shè)計(jì)

考慮到機(jī)坪指揮員（或現(xiàn)場指揮）的需求，主要需要解決的問題為：

1）兩離港航空器是否存在推出沖突。

2）兩離港航空器，一個(gè)正在推出或完成推出，另一航空器是否能夠推出。

3）兩離港航空器，一個(gè)航空器開始滑行，另一個(gè)是否能夠推出。

4）兩離港航空器，一個(gè)航空器開始滑行，另一個(gè)正在推出。

5）一進(jìn)港航空器，一離港航空器，進(jìn)港航空器已經(jīng)進(jìn)入機(jī)坪區(qū)，離港航空器沒有推出。

6）一進(jìn)港航空器，一離港航空器，進(jìn)港航空器已經(jīng)進(jìn)入機(jī)坪區(qū)，離港航空器正在推出或已經(jīng)完成推出過程。

7）一進(jìn)港航空器，一離港航空器，進(jìn)港航空器準(zhǔn)備進(jìn)入機(jī)坪區(qū)，離港航空器已經(jīng)開始滑行。

8）兩進(jìn)港航空器分別從不同的機(jī)坪口進(jìn)入機(jī)坪區(qū)

R1：State（0，0）∧SpotIsSame（X1，X2）∧

IsNear（X1，X2）∧DistToSpot（X1，C1）∧

DistToSpot（X2，C2）∧Time（X1，X2，A1，A2）

→IsConflict（X1，X2）→（Maneuver（X1，X2，0，1）∨

Maneuver（X1，X2，1，0））

R1表示的滑行過程是：2架準(zhǔn)備推出的航空器，當(dāng)有相同的機(jī)坪出口、機(jī)位相鄰，通過比較推出時(shí)間和距離，可以得知是否會(huì)發(fā)生沖突。出現(xiàn)沖突時(shí)，解決策略是指揮一個(gè)航空器等待，另一個(gè)航空器開始推出。沖突的具體計(jì)算過程為

其中：toutX1為推出時(shí)刻；△tpb為推出所需時(shí)間；N1N2為兩航空器節(jié)點(diǎn)之間距離；Vt為航空器機(jī)坪區(qū)滑行速度；ε為最小間隔要求。通過式（1）計(jì)算兩個(gè)航空器的極限沖突情況，得到式（2）的判斷條件。其他規(guī)則的計(jì)算過程與此類似，不再贅述。

R2：（State（0，1）∨State（0，2））∧

SpotIsSame（X1，X2）∧IsNear（X1，X2）∧

DistToSpot（X1，C1）∧DistToSpot（X2，C2）∧

Time（X1，X2，A1，A2）

→IsConflict（X1，X2）→（Maneuver（X1，X2，0，2）∨

Maneuver（X1，X2，0，3））

R2表示的規(guī)則與R1不同點(diǎn)在于R2中航空器有正在推出的，優(yōu)先級(jí)比較高。

R3：State（0，3）∧SpotIsSame（X1，X2）∧

GateDist（X1，X2）∧DistToSpot（X1，C1）∧

DistToSpot（X2，C2）∧Time（X1，X2，A1，A2）

→IsConflict（X1，X2）→Maneuver（X1，X2，0，3）

R3表示的過程為：一航空器在機(jī)坪滑行道滑行，一航空器準(zhǔn)備推出通過判斷出口位置，機(jī)位位置以及時(shí)間來判斷兩航空器是否沖突。如果沖突，機(jī)位航空器阻止推出，滑行的航空器繼續(xù)滑行。

R4：State（1，3）∧SpotIsSame（X1，X2）∧

GateDist（X1，X2）∧DistToSpot（X1，C1）∧

DistToSpot（X2，C2）∧Time（X1，X2，A1，A2）

→IsConflict（X1，X2）→Maneuver（X1，X2，2，4）

R4表示的為推出的航空器，如果與正在滑行的航空器沖突時(shí)，推出航空器繼續(xù)推出，滑行的航空器停止滑行。

R5：State（0，3）∧SpotIsSame（X1，X2）∧

DistToSpot（X1，C1）∧DisToGate（X2，B2）∧

Time（X1，X2，A1，A2）

→IsConflict（X1，X2）→Maneuver（X1，X2，0，5）

R5表示直到進(jìn)港航空器進(jìn)入機(jī)位，離港航空器才能允許推出。

R6：State（1，3）∧SpotIsSame（X1，X2）∧

DistToSpot（X1，C1）∧DisToGate（X2，B2）∧

Time（X1，X2，A1，A2）

→IsConflict（X1，X2）→Maneuver（X1，X2，2，4）

R6表示如果有正在推出的航空器，進(jìn)港航空器必須停止滑行。

R7：State（3，3）∧SpotIsSame（X1，X2）∧

DistToSpot（X1，C1）∧DisToGate（X2，B2）∧

Time（X1，X2，A1，A2）

→IsConflict（X1，X2）→Maneuver（X1，X2，3，4）

R7表示待離港航空器滑出機(jī)坪后，進(jìn)港航空器再進(jìn)入機(jī)坪區(qū)。

R8：State（3，3）∧SpotIsSame（X1，X2）∧

DistToGate（X1，B1）∧DisToGate（X2，B2）∧

Time（X1，X2，A1，A2）

→IsConflict（X1，X2）→（Maneuver（X1，X2，5，4）∨

Maneuver（X1，X2，4，5））

R8表示從不同機(jī)坪區(qū)點(diǎn)進(jìn)港的航空器。根據(jù)判斷讓其中一航空器停止，一航空器進(jìn)機(jī)位。

3 知識(shí)庫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 知識(shí)庫系統(tǒng)的組成

本文采用Java+Mysql的開發(fā)環(huán)境來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，知識(shí)庫系統(tǒng)包括3個(gè)組成部分：

1）事實(shí)庫：根據(jù)規(guī)則要求建立航班信息數(shù)據(jù)庫，同時(shí)建立航空器性能數(shù)據(jù)庫，包括航空器速度（最小、平均、最大）、幾何外形（長度、輪距、翼展）等。

2）知識(shí)庫：按照各種規(guī)則的條件，構(gòu)建多段JavaBean代碼匹配，從事實(shí)庫中分析數(shù)據(jù)，生成解決方案。

3）交互界面：包括航空器信息的輸入界面和沖突解脫結(jié)果的界面。

具體的流程如圖1所示。

圖1 知識(shí)庫系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of KB system

3.2 知識(shí)庫系統(tǒng)的驗(yàn)證

本文以廈門高崎機(jī)場為例，驗(yàn)證知識(shí)庫系統(tǒng)的可行性。機(jī)場的東北方向?yàn)閺B航的專用機(jī)坪，為簡化仿真過程，本文只研究靠廊橋的61～69機(jī)位。查閱機(jī)場細(xì)則得知62～69號(hào)機(jī)位可?？緽757或B737，61號(hào)機(jī)位只能?？緽737。圖2為部分機(jī)坪區(qū)的示意圖。圖3是用來抽象表示示意圖的機(jī)坪區(qū)點(diǎn)線結(jié)構(gòu)圖，圖中機(jī)坪和推出點(diǎn)分別不同標(biāo)注。此塊機(jī)坪有A5、A6兩個(gè)出口，在系統(tǒng)中分別用A、B表示。

圖2 機(jī)坪區(qū)示意圖Fig.2 Chart of apron area

圖3 機(jī)坪區(qū)點(diǎn)線結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Network of apron area

以調(diào)配2架航空器推出為例，對(duì)調(diào)配工具進(jìn)行簡單介紹。圖4為航空器輸入信息界面。在輸入過程中，由于航空器進(jìn)入機(jī)坪的時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，所有設(shè)計(jì)為取系統(tǒng)時(shí)間按鈕，這樣可以更準(zhǔn)確地給規(guī)則庫提供必要的信息。

圖5、圖6為2架航空器沖突解決界面。

4 結(jié)語

本文通過綜合考慮機(jī)位附近航空器運(yùn)行的影響因素，把重點(diǎn)放在解決2架航空器物理沖突上的知識(shí)庫的建立，形成規(guī)則方案。最后在仿真環(huán)境中運(yùn)行，顯示調(diào)配的結(jié)果是否合理。

圖4 航班信息輸入界面圖Fig.4 Input of flight information

圖5 無沖突界面圖Fig.5 Conflict-free results

圖6 沖突界面圖Fig.6 Conflict results

通過界面的形式，方便機(jī)坪管制員在調(diào)配2架航空器物理沖突上給出一定的建議和措施。利用規(guī)則庫的特點(diǎn)，方便計(jì)算機(jī)建模。

在以后的研究過程中，可以適當(dāng)?shù)丶尤霗C(jī)位優(yōu)化策略，以使調(diào)度的效率更加提高。

[1]SANG HYUN，KIM ERIC FERON，JOHN-PAUL CLARKE.Assigning Gates by Resolving Physical Conflicts，AIAA-5648[C].Atlanta，GA，USA：Georgia Institute of Technology，2009.

[2]薛 磊.基于滑行道等待的地面沖突解脫策略研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2008.

[3]張 瑩，胡明華，王艷軍.航空器機(jī)場地面滑行時(shí)刻優(yōu)化模型[J].中國民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，17（5）：3-6.

[4] STEPHEN ATKINS.Christopher Briton.Implication of Variability in AirportSurfaceOperationson4-DTrajectoryPlanning，AIAA-8960[C]. Alaska，USA，September，2008.

[5]安向明.基于規(guī)則的公交識(shí)別專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2011，1（4）：42-44.

[6]黃 敏，饒明雷，李 敏.基于規(guī)則的交通路網(wǎng)建模及應(yīng)用[J].公路交通科技，2012，29（1）：134-138.

（責(zé)任編輯：楊媛媛）

Rules-based study of conflicts detection and resolution in apron area

GAO Wei，ZHANG Jia，WANG Tao-bo，WANG Tao-bo
（College of Air Traffic Management，CAUC，Tianjin 300300，China）

The fast growth of flights has urged a higher rate of gates utilization，thus making taxi operations in and around aprons more complex，even leading serious flights delays.In order to reduce the conflicts of in apron area，the optimization of taxi operations becomes necessary.Based on the detailed analysis of the taxi rules in these areas，an useful knowledge base（KB）is summarized，and the KB model，realized through running on a Java-Mysql platform，is proposed.Then taking the XiaMen airlines aprons and the actual flights schedules at XiaMen GaoQi airport as an simulation example，through comparing the simulation results with the actual operations of apron，it is reasonable thus illustrating that the modeling method for the ground operations is feasible and efficient.The simulation results can provide the immediate operation method and also relieve the workload of apron controllers.Meanwhile it can be a relevance to other forecasts on apron controls or gates assignments.

gate assignment；conflicts detection and resolution；knowledge base；ground operation

V355

A

1674－5590（2013）01－0022－05

2012-05-04；

2012-08-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61039001）；中國民用航空局科技基金項(xiàng)目（MHRD200913）

高 偉（1971—），男，天津人，副教授，碩士，研究方向?yàn)槊窈浇煌ㄟ\(yùn)輸規(guī)劃與機(jī)場運(yùn)行仿真.