自由飛行環(huán)境下的危險天氣改航研究

張璐

自由飛行環(huán)境下的危險天氣改航研究

張璐

（中國民用航空西北地區(qū)空中交通管理局，陜西 西安 710082）

危險天氣是影響飛行安全并導(dǎo)致航班延誤的重要因素之一。為了保證飛行安全且節(jié)約運(yùn)行成本，提出了在自由飛行環(huán)境下的改航策略，建立改航策略的數(shù)學(xué)模型。利用實(shí)例對所建立的改航模型進(jìn)行了測試，驗(yàn)證了所建模型的合理性，相比于傳統(tǒng)改航，所規(guī)劃的動態(tài)航路更加有效和安全。

改航策略；自由飛行；危險天氣；飛行安全

危險天氣是威脅航空運(yùn)輸安全并導(dǎo)致航班延誤的重要原因。由于地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動和太陽的輻射造成大氣不斷的運(yùn)動變化，產(chǎn)生了各種各樣的天氣現(xiàn)象，其中雷暴、大氣湍流、低空風(fēng)切變等是對飛行安全構(gòu)成極大威脅的危險天氣。根據(jù)美國聯(lián)邦航空局（Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA）統(tǒng)計(jì)，近年來由于危險天氣原因造成的飛行事故約占總飛行事故的50%，是影響飛行安全的首要因素[1]。當(dāng)發(fā)生危險天氣時，中國現(xiàn)行的戰(zhàn)術(shù)流量管理只能讓航班被動在地面等待，即通過延誤航班起飛時刻以避讓危險天氣對計(jì)劃航線飛行的影響，直到計(jì)劃航線所經(jīng)過的空域恢復(fù)容量才能放行。其結(jié)果是導(dǎo)致航班在機(jī)場地面等待時間大大延長，機(jī)場成為空中交通管理系統(tǒng)中新的瓶頸，從而影響到整個航空網(wǎng)絡(luò)的順暢，同時波及后續(xù)航班的正常飛行。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國由于天氣原因造成的機(jī)場或空域容量急劇下降而直接或間接導(dǎo)致航班延誤的比例約占不正常航班的三分之一[2]，在美國由于天氣原因?qū)е碌暮桨嘌诱`比例更是高達(dá)69%[3]，危險天氣已成為導(dǎo)致航班延誤的重要原因。

歐美等發(fā)達(dá)國家對危險天氣影響下如何安排航班安全、有序、高效地飛行這一課題開展研究較早，并提出了在自由飛行（free flight）環(huán)境下的改航策略（Flight Rerouting Strategy，F(xiàn)RS）。改航策略指航班在其計(jì)劃飛行航線受危險天氣或?qū)Ш皆O(shè)備失效、軍航飛行等因素影響而無法正常使用的情況下，安排航班臨時選擇一條不受飛行限制區(qū)域影響的航線飛行的方法，它是空中交通流量管理的重要組成部分[4]。不同于以往的地面等待策略，改航策略是一種主動的空中交通流量管理方法，它建立在危險天氣區(qū)域預(yù)測、改航路徑規(guī)劃和起飛放行時刻調(diào)整等多項(xiàng)技術(shù)綜合運(yùn)用的基礎(chǔ)上。此外，隨著未來星基導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，航線的選擇將更加靈活，這也為改航策略的應(yīng)用提供了廣闊的空間。改航策略通過對空域資源的有效利用，既保障了航空運(yùn)輸?shù)陌踩?，又?shí)現(xiàn)了以“空間換時間”這一理念，提高了航空運(yùn)輸?shù)男?，正在逐步成為空中交通管理領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。

1 存在的不足

國外對改航問題的研究已有十余年的歷史，中國對該問題的研究尚處于起步階段，縱觀國內(nèi)外對于航班改航問題的研究，主要存在以下幾方面不足：①在危險天氣影響飛行區(qū)域劃設(shè)方面，未全面考慮天氣因素的動態(tài)變化和隨機(jī)因素的影響。應(yīng)用簡單多邊形對危險天氣影響區(qū)域進(jìn)行劃設(shè)，不利于改航路徑的進(jìn)一步規(guī)劃，當(dāng)航班沿凹多邊形危險天氣影響區(qū)域邊界繞飛時存在飛入影響飛行安全區(qū)域的隱患，且繞飛距離較長。②未能根據(jù)危險天氣的類型及其相應(yīng)分布特點(diǎn)提出具有針對性的改航路徑規(guī)劃方法，現(xiàn)有的改航路徑規(guī)劃方法在解決不同情況的改航問題時均存在一定的局限性。

針對未來自由飛行空域環(huán)境下的危險天氣改航問題，研究其建模和求解算法，將具有重要的理論和實(shí)際意義。

2 模型建立

2.1 基本參數(shù)及決策變量定義

本文所建模型考慮了24 h完整的空中交通流量管理調(diào)度時段（每15 min為一個單元，總共96個單元），以下給出基本參數(shù)定義：

i，i′：從第機(jī)場飛往第機(jī)場的飛機(jī)總數(shù)。

：所有飛機(jī)最低飛行高度。

：第機(jī)場緯度位置。

：第機(jī)場經(jīng)度位置。

：非常大的正整數(shù)，本文設(shè)定為1 000 000。

相關(guān)決策變量如下所述：

2.2 模型構(gòu)建

相關(guān)模型建立流程如下所述。

2.2.1 飛機(jī)起降機(jī)場的機(jī)場容量約束

飛機(jī)起降機(jī)場的機(jī)場容量約束為：

2.2.2 飛機(jī)離散狀態(tài)約束

飛機(jī)離散狀態(tài)約束為：

2.2.3 飛機(jī)水平位置約束

2.2.4 飛機(jī)垂直位置約束

飛機(jī)垂直位置約束為：

3 案例測試

所建模型的測試基于VS015環(huán)境下的C++語言開發(fā)，硬件平臺為Windows PC，硬件信息為2.5 GHz CPU和4 GB RAM。危險天氣信息和數(shù)據(jù)來源于西北空管局2016-06-21陜西空域上空的積雨云信息。

在2016-06-21T10：00—14：00，陜西空域中有部分區(qū)域被積雨云團(tuán)覆蓋，造成了大面積航班延誤。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)形成積雨云在空域中的三維覆蓋區(qū)域，帶入所建模型進(jìn)行測試。以2016-06-21T10：00—14：00從榆林機(jī)場飛往西安機(jī)場的一架航班為例，測試結(jié)果如圖1所示。

測試分析如下：藍(lán)線代表未考慮危險天氣/積雨云團(tuán)的計(jì)劃航路。作為對比，紅線代表了所建模型規(guī)避積雨云的路線。為了表示所建模型的合理性，與文獻(xiàn)[5]中的模型（其調(diào)度出的結(jié)果如圖1中黑線所示）進(jìn)行了比較?？梢钥闯觯Ｐ驼{(diào)度出了動態(tài)航路結(jié)果更為有效和安全。

4 結(jié)論

危險天氣已經(jīng)成為威脅飛行安全和導(dǎo)致航班延誤的首要原因，每年都會給航空運(yùn)輸業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。隨著中國航空運(yùn)輸量的不斷增加，相對落后的管制手段與激增的飛行流量之間的矛盾日益突出。因此，研究應(yīng)對危險天氣影響下的空中交通管理方法，實(shí)施改航策略已是當(dāng)務(wù)之急，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。針對未來自由飛行空域環(huán)境下的危險天氣改航問題的建模和求解算法進(jìn)行研究，并利用實(shí)際測試案例進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果較好地滿足了實(shí)際需求，為未來實(shí)際工程化應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

圖1 測試航班在有無危險天氣影響下的動態(tài)航路變化

［1］李春生.雷暴——航空飛行的天敵［J］.空中交通管理，2006（1）：38-39.

［2］中國民用航空局規(guī)劃發(fā)展司.從統(tǒng)計(jì)看民航2015［M］.北京：中國民航出版社，2015.

［3］ZOBELL S M，BALL C G，SHERRY J E.Rerouting as a strategy for collaborative weather problem resolution ［G］//AIAA Technology，Integration and Operations Forum，Los Angeles，2001.

［4］李錦文，文涇.空中交通管理［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2017.

［5］孟令航，徐肖豪，李善梅，等.不確定強(qiáng)對流天氣下動態(tài)改航路徑規(guī)劃［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，2012，47（4）：686-691.

V328.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.18.013

2095－6835（2019）18－0032－03

〔編輯：張思楠〕