淺談A—SMGCS航空器滑行路線規(guī)劃

田力 付新偉

摘 要：隨著中國航空業(yè)的高速發(fā)展，人們的出行量越來越大，機(jī)場也不斷擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。雨和霧等低能見度天氣對場景運行的影響也在增加。機(jī)場運輸日益成為制約航空運輸進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。國際民航組織提出先進(jìn)場面活動引導(dǎo)與控制系統(tǒng)（Advanced Surface Movement Guidance and Control System，A-SMGCS）概念，提出引用最新的現(xiàn)場監(jiān)控以及計算機(jī)技術(shù)手段實現(xiàn)航空器場面運輸引導(dǎo)，從而實現(xiàn)自動化管理。本文分析了A-SMGCS航空器滑行路線規(guī)劃的問題、發(fā)展趨勢和最新研究成果，系統(tǒng)地介紹了A-SMGCS的研究基礎(chǔ)，國內(nèi)外的概念及發(fā)展歷史，功能要求和研究現(xiàn)狀，提并出了一種基于時間和空間的路徑規(guī)劃方法，從而解決航空器的路徑優(yōu)化與計算量之間的難題。

關(guān)鍵詞：A-SMGCS；實時路由調(diào)整；滑行路線規(guī)劃

中圖分類號：V24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-4428（2019）02-0168-02

一、 引言

實現(xiàn)空中交通管制的空地綜合空中交通管理系統(tǒng)無縫隙運行，是新一代民用航空運輸系統(tǒng)的目標(biāo)之一。不斷采用新的技術(shù)和理念，有利于盡早地實現(xiàn)機(jī)場范圍內(nèi)的無縫隙運行，從而提高航空系統(tǒng)的安全。隨著航空運輸量的不斷增多，場面運輸能力也越來越受到挑戰(zhàn)。但是，僅依靠VHF（VHF）呼叫的場景控制模式和傳統(tǒng)的控制器工作經(jīng)驗，難以處理目前繁雜的航空需求以及日益增長的航空運輸量，因而引發(fā)了一系列的矛盾，比如航空延誤，機(jī)場場面的安全隱患等，這些問題也引起人們廣泛的關(guān)注。

飛機(jī)滑行路線規(guī)劃基本上是資源合理分配的問題，即在有限的資源條件下（滑道，跑道，停車位），完成多架次飛機(jī)從滑行起點到終點的高效合理運行，最大化節(jié)約資源，降低人工復(fù)雜程度，最重要的是保證其滑行安全，從而實現(xiàn)目的，如最短的場面運輸車路線和最短的運輸時間。因此，本文主要研究和探討了A-SMGCS飛機(jī)滑行路線的規(guī)劃，并且詳細(xì)分析國內(nèi)外的最新研究現(xiàn)狀，并介紹了A-SMGCS的概念、功能要求、發(fā)展歷史、國內(nèi)外研究成果、場面運輸車路線設(shè)計思路等。

二、 航空器滑行路徑研究現(xiàn)狀

飛機(jī)滑行路線規(guī)劃作為典型的NP難問題，在國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究，在理論研究和應(yīng)用方面也都取得了大量的研究成果。

2004年，Smeltink首先使用混合整數(shù)線性規(guī)劃進(jìn)行飛機(jī)滑行路線調(diào)度研究，基于給定的滑行路線和進(jìn)出時間。通過復(fù)雜的計算，從而得到航空器在通過每個滑行路線點的時間，并將每個時間段整合，而得到最終的最短時間。

蒙托亞將航空器模型與滑行的約束條件相結(jié)合，采用混合整數(shù)線性規(guī)劃方法，來實現(xiàn)具有多個滑行路徑的航空器滑行路線調(diào)度。

Roling和Visser根據(jù)時空網(wǎng)絡(luò)建立了混合整數(shù)規(guī)劃模型，將其結(jié)合起來分析，選出最優(yōu)解，從而降低航空器的等待時間和滑行時間。

齊秀蘭利用第一松弛和固定分支求解算法設(shè)計出路徑規(guī)劃模型，并以北京首都國際機(jī)場為根據(jù)，進(jìn)行了實驗論證。王玉婷采用Petri網(wǎng)的場景進(jìn)行建模，并對其建立的模型，進(jìn)行路徑優(yōu)化，得到路徑規(guī)劃算法。王彥軍在最短路徑算法的基礎(chǔ)上，提出了航空器規(guī)避碰撞的實時滑行路徑算法。丁建立了一種改進(jìn)的蟻群協(xié)同算法和滑動窗口控制方法，從而改進(jìn)滑行道的滑行指揮，降低管制員的工作負(fù)荷。

A-SMGCS是從SMGCS發(fā)展而來的，是SMGCS的升級版。A-SMGCS與SMGCS的區(qū)別在于A-SMGCS可以提供更廣泛的天氣狀況信息，車輛位置和機(jī)場建筑布局，并可以提供更詳細(xì)的服務(wù)。A-SMGCS將在各種環(huán)境中使用通用模塊，特殊環(huán)境中使用的模塊將根據(jù)每個機(jī)場的具體要求確定。采用A-SMGCS將會更加符合每個機(jī)場的需求，從而減少傳統(tǒng)依靠管制員和飛行員的目視指揮能力，某些功能將利用自動控制來提供路由、指導(dǎo)和控制。A-SMGCS主要用于在低能見度條件下（但不限于）促進(jìn)場景的操作。在能見度高的情況下，機(jī)場容量也可以大大提高。

現(xiàn)有SMGCS和A-SMGCS之間的主要區(qū)別在于A-SMGCS可以為現(xiàn)場車輛和飛機(jī)提供更準(zhǔn)確的導(dǎo)航。為他們控制合理的安全距離，提高現(xiàn)場的安全系數(shù)，減少發(fā)生危險事故的可能性。現(xiàn)有SMGCS與A-SMGCS之間的主要區(qū)別，在于目視距離是A-SMGCS可以為場面用的車輛和航空器提供更為精準(zhǔn)的導(dǎo)航，為他們保持合理的安全距離，增加場面的安全系數(shù)，降低發(fā)生危險事故的可能性，并且主要針對使用目視維持其安全的情況下。

三、 A-SMGCS的功能介紹

A-SMGCS的4項基本功能分別是監(jiān)視、控制、路由和引導(dǎo)，它們之間相互依存、互相支撐、協(xié)同工作，其工作方式如圖1所示。

如圖2所示，A-SMGCS與外部信息系統(tǒng)和控制器有效集成，并使用一系列先進(jìn)的信息和控制技術(shù)來實現(xiàn)以下功能。

（一）目標(biāo)監(jiān)視

通過收集多種傳感器的數(shù)據(jù)，為管制員提供準(zhǔn)確的信息，進(jìn)行識別判斷航空器的位置信息，來完成航空器的調(diào)度工作。

（二）沖突監(jiān)測

監(jiān)測現(xiàn)場飛機(jī)的活動，避免飛機(jī)運行期間發(fā)生沖突。并對潛在隱患進(jìn)行沖突告警并解除，實現(xiàn)航空器在場面的安全高效運行。

（三）滑行路線

在合理考慮現(xiàn)場運行條件的情況下規(guī)劃飛機(jī)的最優(yōu)滑行路線。

（四）滑動引導(dǎo)

通過控制飛行區(qū)滑行道中線燈的爬行照明，以及關(guān)閉滑行道路燈的控制，完成飛機(jī)的滑行引導(dǎo)任務(wù)。

A-SMGCS飛機(jī)滑行路線計劃的目的是根據(jù)飛行計劃規(guī)劃在現(xiàn)場操作的飛機(jī)的飛行。從出租車（停機(jī)坪或跑道）開始到出租車（跑道或停機(jī)坪）盡頭的快速出租車路線。A-SMGCS飛機(jī)滑行路線計劃可以幫助控制器合理地命令飛機(jī)運行并降低控制器上的壓力，減少飛機(jī)滑行時間，減緩現(xiàn)場飛機(jī)可能發(fā)生的交通擁堵，從而提高場面運行容量。因此，主要問題是如何在飛機(jī)開始滑行之前為飛機(jī)設(shè)計最合理的滑行路線。這種方式使飛機(jī)的滑行時間被最小化并且盡可能地縮短滑行路徑的距離。

四、 結(jié)論與展望

目前，主要采用兩種場面航空器路徑規(guī)劃方法。

一是采用混合整數(shù)線性規(guī)劃方法，采用飛機(jī)的滑行路徑進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，將場景滑動問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)建模中的最短路問題。雖然混合整數(shù)線性規(guī)劃方法可以準(zhǔn)確地獲得最佳滑動路徑，但滑動過程中的變量是復(fù)雜的。計算量巨大且耗時，并且無法實現(xiàn)A-SMGCS系統(tǒng)的路線規(guī)劃的及時性。

二是為了降低場面航空器路線的復(fù)雜性，減少花費的時間，航空器規(guī)劃路線設(shè)計逐步完成。從時間和空間兩個方面來考慮即將滑行路由規(guī)劃問題，從而降低計算復(fù)雜度，將其劃分為初始路由規(guī)劃和動態(tài)路由指派。初始路由規(guī)劃是將其最初的滑行點到最終的滑行點進(jìn)行路徑規(guī)劃，動態(tài)路由指派是分配航空器在滑行過程中的每一個時間點?；新肪€分為兩個方面來考慮，雖然減少了計算量，但最短路徑上的多架飛機(jī)會出現(xiàn)擁堵。而非最短路徑的場面滑行道沒有利用。這導(dǎo)致資源分配的不合理性，就像駕車的人一樣。但往往十分擁堵，若選擇繞城高速則可以更加快捷的抵達(dá)目的地。

A-SMGCS路線規(guī)劃需要解決問題解決難度與路線規(guī)劃優(yōu)化之間的矛盾，有必要最小化計算量，同時確保路由結(jié)果的優(yōu)化。簡單地切割這兩者是不可能的，并且不可能通過空間和時間分解成兩個問題來單獨計劃。這也說明了路由規(guī)劃問題，其時間和空間屬性無法分割。假如駕車由西向東穿越城市，設(shè)置時間最短為目標(biāo)?？臻g上最短的距離肯定是城市主干道由西向東，但對于一個大型城市來講，往往車輛很多，交通擁堵，雖然距離短但耗時長；假如選擇繞城路線，雖然距離會長一些，但是在道路暢通的條件下，可以適當(dāng)提高車速，也會以較短的時間完成任務(wù)。相對的，如果人們都認(rèn)為主干道的交通堵塞，從而選擇繞城環(huán)道，這也會造成繞成環(huán)道的車輛增多，從而主干線的車輛降低，交通條件良好，假若此時選擇交通主干道，則會大大的縮短時間。

因而，針對航空器滑行路由的規(guī)劃問題，我們必須要將時間和空間結(jié)合起來，在不同的時間段，根據(jù)每個滑行道的交通狀況，實時計算和規(guī)劃，從而選擇整體最優(yōu)的滑行路線。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉鵬飛.“機(jī)場綜合交通監(jiān)視與引導(dǎo)系統(tǒng)”應(yīng)用示范協(xié)調(diào)會在成都召開[EB/OL].（2011-10-26）http：∥www.caacsri.com/view.phptid=2250&cid=68.

[2]Watnick M， Ianniello J W. Airport Movement Area Safety System[C]∥Proc. of the 11th Digital Avionics Systems Conference， October，1992：549-552.

[3]Clare G， Richards A， Sharma S. Rece ding Horizon， Iterative Optimization of Taxiway Routing and Runway Scheduling[C]∥Proc. of the AIAA G uidance， Navigation， and Control Conference， Chicago，2009：1-14.

[4]Foyle D C， Andre A D， McCann R S， et al. Taxiway navigation and situation awareness（T-NASA） system： Problem， design philosophy， and description of an integrated display suite for low-visibility airport surface operations[J]. SAE Transactions： Journal of Aerospace，1996（105）：1411-1418.

[5]江志斌.Petri網(wǎng)及其在制造系統(tǒng)建模與控制中的應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[6]朱新平，湯新民，韓松臣.基于DES監(jiān)控理論的滑行道對頭沖突控制策略[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2011（4）：664-670.

[7]湯新民，安宏鋒，王翀，等.面向沖突避免的航空器場面滑行引導(dǎo)方法[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2011，46（6）：1032-1039.

[8]周其煥.歐洲的未來空中交通管理系統(tǒng)——EATMS和ATM-2000+[J].國際航空，1999（3）：36-38.

[9]嚴(yán)宏，鄔秋香，張威.A—SMGCS演示系統(tǒng)實現(xiàn)中有關(guān)問題的探討[J].現(xiàn)代電子工程，2007（4）：25-28.

[10]凌明，張軍.A-SMGCS系統(tǒng)動態(tài)工作方法[J].計算機(jī)仿真，2007，24（8）：57-60.

作者簡介：

田力，男，陜西西安人，中國民用航空飛行學(xué)院空中交通管理學(xué)院碩士研究生；

付新偉，中國民用航空飛行學(xué)院空中交通管理學(xué)院。