非常規(guī)天氣的安全評(píng)估技術(shù)與動(dòng)態(tài)改航規(guī)劃

雷鳴 駱文杰 王亮 齊松嶺 馮瑤 趙緯經(jīng)

摘 ?要：近年來隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步，我國的航班數(shù)量不斷地上升，客流量和貨運(yùn)量突飛猛進(jìn)，延誤問題隨之而來。危險(xiǎn)天氣是造成航班的改航、備降的主要原因之一。該論文主要討論非常規(guī)天氣下航路飛行的安全評(píng)估技術(shù)與改航策略。選擇最優(yōu)的改航策略才能最大化的保證航班的安全性及經(jīng)濟(jì)性。文章是對(duì)危險(xiǎn)天氣運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行評(píng)估，確定改航策略，并對(duì)危險(xiǎn)天氣進(jìn)行避讓，保證航空器安全運(yùn)行，確定需要避讓后再給出適宜的改航策略，并以某地為例列出具體的改航實(shí)例來具體說明改航策略的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：非常規(guī)天氣;安全評(píng)估;改航策略;模糊綜合評(píng)價(jià)法

1 安全評(píng)估技術(shù)-模糊綜合評(píng)價(jià)法

隨著我國航空事業(yè)的高速發(fā)展，空中交通流量持續(xù)增長，空域環(huán)境日益復(fù)雜，航空“安全第一”的行業(yè)特點(diǎn)對(duì)空中交通管制提出了更高的要求?？罩薪煌ü苤葡到y(tǒng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)管理的需求已經(jīng)從“事后處理”發(fā)展到“事前預(yù)防”階段，由經(jīng)驗(yàn)管理轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理階段。由于飛機(jī)在非常規(guī)天氣下的飛行主要涉及到環(huán)境的影響，因此，運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法可以多方面考慮環(huán)境因素對(duì)飛機(jī)飛行安全的影響。

模糊綜合評(píng)價(jià)[5]是模糊數(shù)學(xué)在安全評(píng)價(jià)中的具體應(yīng)用，它從安全的角度出發(fā)，用模糊數(shù)學(xué)的知識(shí)對(duì)系統(tǒng)中多個(gè)相互影響的因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。它體現(xiàn)了系統(tǒng)安全是一個(gè)多因素、多變量、多層次的及其復(fù)雜的系統(tǒng)。該方法是目前通過實(shí)踐證明的簡便易行且實(shí)用的方法。該方法能綜合考慮到影響航空行業(yè)安全的各種因素，將各種評(píng)價(jià)因素的各種評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化處理，從而能對(duì)航空行業(yè)安全作出科學(xué)公正的安全評(píng)價(jià)分析。

它的實(shí)施步驟可分為以下幾個(gè)：

（1）確定系統(tǒng)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的評(píng)審要素集合：U={Ui} （i=1，2，…，n）;

（2）確定各評(píng)審要素的權(quán)系數(shù)向量：P=Pi;

（3）確定評(píng)價(jià)基準(zhǔn)及相應(yīng)的價(jià)值量：E=Ei ? （i=1，2…，n）;

（4）計(jì)算系統(tǒng)各評(píng)價(jià)項(xiàng)目的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣：R=（rij）;

（5）對(duì)模糊綜合評(píng)判矩陣進(jìn)行加權(quán)，得出模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果：Si=PR;

（6）計(jì)算評(píng)價(jià)項(xiàng)目的危險(xiǎn)度：Ni=SiET。

以一種非常規(guī)天氣為例：雨，對(duì)于飛機(jī)在雨中飛行進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。

確定系統(tǒng)項(xiàng)目的評(píng)審要素：（1）能見度;（2）發(fā)動(dòng)機(jī)受損;（3）機(jī)翼受損;（4）顛簸程度;（5）無線電受損等。當(dāng)然對(duì)于不同的危險(xiǎn)天氣，評(píng)審要素可以結(jié)合上文各危險(xiǎn)天氣對(duì)飛機(jī)飛行的危害來確定。至于確定各評(píng)價(jià)項(xiàng)目的權(quán)系數(shù)向量，飛行員、管制員或者其他評(píng)判人員可以結(jié)合雨的大小對(duì)各評(píng)審要素賦予相應(yīng)的權(quán)重。再然后就是確定評(píng)價(jià)基準(zhǔn)及相應(yīng)的價(jià)值量，在此我們可以直接數(shù)字化。E=（0.9，0.7.0.5，0.3，0.1）分別對(duì)應(yīng)影響程度的大小。這樣就可以得到一個(gè)各專家對(duì)雨的評(píng)議結(jié)果表，如表1所示。

然后根據(jù)這個(gè)表得到一個(gè)矩陣：

D=（dij） ?P={P1 P2 P3 P4…Pn}（P1+P2+P3+P4+…+Pn=1）

D=

rij=dij/dij

于是進(jìn)一步可得模糊綜合評(píng)判矩陣：

R=

對(duì)模糊綜合評(píng)判矩陣進(jìn)行加權(quán)，可得出模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果：

S=P*R={P1 P2 P3 P4…Pn}*

計(jì)算課題的危險(xiǎn)度：Ni=S*ET

Ni=S*ET={P1 P2 P3 P4…Pn}*

*

當(dāng)危險(xiǎn)度達(dá)到一個(gè)預(yù)定值則認(rèn)為飛機(jī)需要改航，小于這個(gè)危險(xiǎn)值時(shí)則認(rèn)為不需要改航。而這個(gè)危險(xiǎn)度的預(yù)定值，飛行員可以結(jié)合實(shí)際飛行來確定這個(gè)值的大小。

仿真分析

設(shè)昆明-廣州航線LXI-BXE航段發(fā)生危險(xiǎn)天氣，某航班從昆明起飛預(yù)計(jì)在某一Ts時(shí)刻開始后飛越該航段，同時(shí)飛行員和管制員等人開始制定飛機(jī)在該危險(xiǎn)區(qū)域的飛行路徑并進(jìn)行安全評(píng)估，以此來確定是否需要改航。

（1）確定系統(tǒng)評(píng)審要素集合為：U={U1，U2，U3，U4，U5}。

U1：能見度;U2：發(fā)動(dòng)機(jī)受損;U3：機(jī)翼受損;U4：導(dǎo)航設(shè)備受損;U5：顛簸程度。

（2）確定各評(píng)審要素的權(quán)系數(shù)行向量：P=（P1，P2，P3，P4，P5）=（0.15，

0.20，0.10，0.25，0.30）。

（3）確定評(píng)價(jià)基準(zhǔn)及相應(yīng)的價(jià)值量：E=（E1，E2，E3，E4，E5）=（0.9，0.7，

0.5，0.3，0.1）。

即：評(píng)價(jià)等級(jí)分為5級(jí)。

（4）計(jì)算各評(píng)價(jià)項(xiàng)目的模糊綜合評(píng)判矩陣：

首先，根據(jù)上述評(píng)價(jià)項(xiàng)目及權(quán)系數(shù)、評(píng)價(jià)等級(jí)，9位專家對(duì)過危險(xiǎn)區(qū)域的航線進(jìn)行評(píng)議。評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示。

表2

然后，計(jì)算模糊綜合評(píng)判矩陣：R=（rij）

式中：rij=dij/dij

dij是矩陣D=（dij）中的元素。

D=

再由上式得到rij，從而可以得到模糊綜合評(píng)判矩陣：

Ri=

（5）對(duì)模糊綜合評(píng)判矩陣進(jìn)行加權(quán)，得出模糊綜合評(píng)判結(jié)果：

Si=PR=（0.244 ?0.538 ?0.204 ?0.012 ?0.00）

（6）計(jì)算各課題的可行度：Ni=S*ET

（7）N1=S*ET=（0.244 ?0.538 ?0.204 ?0.012 ?0.00）* ? ?=0.7

即可得出飛機(jī)在該危險(xiǎn)區(qū)飛行的危險(xiǎn)度0.7。

按照上述方法可以求出飛機(jī)在不同區(qū)域飛行的危險(xiǎn)度，依次比較，從而選出一條較為安全的航線。

2 改航策略

2.1 改航點(diǎn)的確定

初始改航點(diǎn)是在航班計(jì)劃航路點(diǎn)之外，按某種方法初步確定的改航點(diǎn)，它們還須進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚驼{(diào)整才能被確定為最終改航吃行路徑中的改航點(diǎn)。對(duì)于單個(gè)的塊狀吃行受限區(qū)而言，常用的改航點(diǎn)的確定方法有幾何法和快速確定法。文章采用幾何法[1]來確定初始改航點(diǎn)。

首先，針對(duì)需要改航飛行的航班建立相應(yīng)的直角坐標(biāo)系xoy，其中坐標(biāo)原點(diǎn)為改航航班的起飛機(jī)場，y軸正方向?yàn)榇疟?，x軸正方向?yàn)榇疟逼珫|90。設(shè)最終確定的靜態(tài)飛行受限區(qū)或改航時(shí)段內(nèi)的動(dòng)態(tài)飛行受限區(qū)各頂點(diǎn)為pi（xi，yi），i=1，2…，為了易于描述以圖1所示危險(xiǎn)區(qū)及航線為例，初始改航點(diǎn)位置的確定方法為：

步驟1：確定飛行受限區(qū)邊界與航線的交匯點(diǎn)。沿航線方向最先與危險(xiǎn)區(qū)邊界相交的點(diǎn)為飛入交匯點(diǎn)，F(xiàn)（xe，ye）;另一交匯點(diǎn)為飛出交匯點(diǎn)，G（xl，yl）。若航線與危險(xiǎn)區(qū)邊界重合則認(rèn)為該段航線在危險(xiǎn)區(qū)之外，未受飛行危險(xiǎn)區(qū)的影響。

步驟2：確定改航航段起始點(diǎn)P 和結(jié)束點(diǎn)Q。在航線上選取距離F點(diǎn)最近，且在危險(xiǎn)區(qū)之外的航路點(diǎn)定義為P點(diǎn) ，距離G點(diǎn)且在危險(xiǎn)區(qū)外的航路點(diǎn)定義Q點(diǎn)。定義FG的中點(diǎn)為H。

步驟3：PQ將危險(xiǎn)區(qū)分為兩部分，將屬于兩部分的各頂點(diǎn)分別放入集合U1和U2，U1={E，G}，U2={A，B，C}。

步驟4：在U1和U2中找取距離H點(diǎn)最遠(yuǎn)的點(diǎn)（圖中的B，E兩點(diǎn)），并分別把距離記為d1和d2，選取Rmin=min{d1，d2}。

步驟5：在Rmin所在一側(cè)（B所在一側(cè)），作垂直于PQ航線的射線L，以H為中心Rmin為半徑作弧，與射線L的交點(diǎn)R，即為所求改航點(diǎn)。其坐標(biāo)值可由下式得出。原先由P飛往Q的航線可改為由P經(jīng)R再飛往Q點(diǎn)?；蛘咔腥胫付ê骄€，即由P經(jīng)R再經(jīng)J飛往Q點(diǎn)。如此，可保證飛機(jī)在非航線區(qū)的飛行時(shí)間減少，從而保證安全。

Xr=-kr（α-β±λ）/（kr2+1）

Yr=（α+kr2β±λ）/（kr2+1）

其中

kr=（yl-ye）/（xl-xe）

α=（xlye-xeyl）/（xl-xe）

β=（xl2+yl2-xe2-ye2）/2（yl-ye）

λ=（kr2+1）1/2Rmin

如果xl=xe，那么

Xr=xe±Rmin

Yr=（ye+yl）/2

如果yl=ye那么

Xr=（xl+xe）/2

Yr=ye±Rmin

當(dāng)R在點(diǎn)集U1一側(cè)，則λ和Rmin取“+”，相反，則取“-”號(hào)。

在特殊情況下，若U1或U2中只存在一個(gè)點(diǎn)，且該點(diǎn)到H點(diǎn)的距離等于Rmin，則該點(diǎn)即為改航點(diǎn)R。

步驟6：如果PR（或RQ）與危險(xiǎn)邊界相交，則需要在PR（或RQ）間增加新的改航點(diǎn)，其方法為，將R轉(zhuǎn)化為新的Q（或P）回步驟3，直到新的改航路徑不會(huì)穿過危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)橹埂?/p>

由上，可得到一個(gè)初步的改航路徑，每次求得的點(diǎn)R，即為初始改航點(diǎn)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)權(quán)重

文章改航策略的優(yōu)化主要針對(duì)改航代價(jià)的大小，而改航代價(jià)包含飛機(jī)改航的安全性，經(jīng)濟(jì)性，舒適性等評(píng)價(jià)指標(biāo)。利用模糊綜合評(píng)價(jià)法分別對(duì)繞飛、爬升、以及穿云團(tuán)三種遇到危險(xiǎn)天氣下所做的策略進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)。如此便可以得到相應(yīng)的權(quán)重，再除以相應(yīng)的飛行距離d便得到了改航代價(jià)Q。

用Ui表示各評(píng)審要素，Ai表示研究方案，Pi表示評(píng)審要素的權(quán)系數(shù)，Ei表示評(píng)價(jià)基準(zhǔn)及相應(yīng)的價(jià)值量。

對(duì)于各評(píng)審項(xiàng)目權(quán)系數(shù)的確定用兩兩比較法[5]，兩兩比較法就是將所有要進(jìn)行評(píng)價(jià)的項(xiàng)目列在一起，兩兩比較，其價(jià)值較高者可得1分，價(jià)值低者不得分，最后將各項(xiàng)目所得分?jǐn)?shù)相加，計(jì)算可得出每個(gè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的評(píng)價(jià)系數(shù)。如表4：

由模糊綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算可得到每一個(gè)改航策略的權(quán)重Ni。改航代價(jià)Q=Ni*d。

2.3 仿真示例

以北京到上海航段的一次動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)天氣為例，如圖2所示，以危險(xiǎn)天氣前最近的航路點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)Ox，在距其30km外有一圓形云團(tuán)，在圖中各黑點(diǎn)均表示航路點(diǎn)。橫向航路點(diǎn)之間距離為25km，縱向航路點(diǎn)之間距離為30km，云團(tuán)垂直向上移動(dòng)速度25km/h，飛機(jī)平均地速500km/h，云團(tuán)高度2km，云團(tuán)中心與飛機(jī)重心處于同一高度。選擇位于云團(tuán)右側(cè)30km的航路點(diǎn)為歸航點(diǎn)q，以O(shè)x為坐標(biāo)原點(diǎn)，預(yù)定航線方向?yàn)閤軸正方向，按照右手定則建立直角坐標(biāo)系。

經(jīng)計(jì)算，飛機(jī)繞飛時(shí)的軌跡為Ox454q，繞飛距離為163km;爬升時(shí)，從Ox點(diǎn)開始爬升，以4.0%的爬升梯度進(jìn)行爬升，爬升距離為110.2km。穿云團(tuán)時(shí)，飛機(jī)按預(yù)定航線進(jìn)行飛行，所經(jīng)距離為110km。

針對(duì)三種飛行策略，用模糊綜合評(píng)價(jià)法分別對(duì)其賦予相應(yīng)的權(quán)重，順序如下：

（1）確定評(píng)審要素：安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性、時(shí)間延誤。

對(duì)于各評(píng)審要素用兩兩評(píng)分比較法進(jìn)行計(jì)算，得到評(píng)價(jià)系數(shù)的權(quán)系數(shù)。如表5。

（2）確定評(píng)價(jià)基準(zhǔn)Ei=（0.9，0.7，0.5，0.3，0.1），即評(píng)價(jià)等級(jí)分為五級(jí)。

（3）對(duì)于繞飛策略進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果如表6。

綜合運(yùn)算的繞飛的權(quán)重N=0.73

矩陣D=（dij）

由rij=dij/dij得

對(duì)模糊綜合評(píng)判矩陣進(jìn)行加權(quán)得出模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

P={0.5 ?0 ?0.33 ?0.17}

S=PR={0.471 ?0.388 ?0.056 ?0.029 ?0}

計(jì)算繞飛的權(quán)重：

（4）按照上述方法，可以依次求出爬升和穿云團(tuán)的相應(yīng)權(quán)重為：

N2=0.55，N3=0.16

（5）改航代價(jià)Qi=Ni*di

Q1=163/0.73=223.3

Q2=110.2/0.55=200.4

Q3=110/0.2=550

從上述結(jié)果看出，改航代價(jià)最小的策略是爬升，其改航距離是110.2km。相對(duì)于繞飛來講，其改航距離減少了52.8km，改航代價(jià)少了22.9，而對(duì)于穿云團(tuán)，雖然改航距離多了0.2km，但改航代價(jià)少了249.6。綜合來看，在該危險(xiǎn)天氣下，爬升是最好的飛行策略。

3 結(jié)束語

文章針對(duì)非常規(guī)天氣條件下的安全評(píng)估及改航規(guī)劃問題，建立一種基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的評(píng)估模型，模糊綜合評(píng)價(jià)法的天氣評(píng)估模型能綜合考慮天氣影響飛行安全的多種因素，從而求出飛機(jī)在不同區(qū)域飛行的危險(xiǎn)度，依次比較，選出一條較為安全的航線。同時(shí)，基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的改航模型考慮飛機(jī)飛行安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性和時(shí)間延誤等因素，在不同的天氣條件下策略性地選擇相應(yīng)的改航方案，使飛行的改航代價(jià)最小，保證航空公司的經(jīng)濟(jì)效益，提升服務(wù)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]李雄.飛行危險(xiǎn)天氣下的航班改航路徑規(guī)劃研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2009.

[2]孟令航，徐肖厚，李善梅，等.不確定強(qiáng)對(duì)流天氣下動(dòng)態(tài)改航路徑規(guī)劃[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012

[3]E.Harkleroad A.vela J.kuchlar B.Barnett R.Merchant-bennett Risk-based Modeling to Support NextGen Concept Assessment and Validation [R].Washington：Federal Aviation Administration，2013.

[4]鄭昌文，嚴(yán)平，丁明躍，等.飛行器航跡規(guī)劃[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[5]劉舒燕.交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程[M].北京：人民交通出版社，2012：156-166.

[6]胡運(yùn)權(quán).運(yùn)籌學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2014.