基于AirTOp的龍嘉機場地面滑行路徑優(yōu)化研究

李斌 謝春生

1.中國民用航空東北地區(qū)空中交通管理局 遼寧沈陽 110000;2.中國民航大學(xué) 天津 300300

摘 要：為了提高龍嘉機場的地面運行效率以及降低運行中的安全隱患，針對使用06號跑道的情況，通過地面滑行路徑和沖突等待點兩各層面討論了現(xiàn)有運行模式下機場地面運行存在的問題。針對性的提出了兩種優(yōu)化方案，結(jié)合典型航班日的實際運行數(shù)據(jù)，通過AirTOp仿真軟件，分別對現(xiàn)行以及兩種優(yōu)化方案下的機場地面運行進行模擬，對仿真得到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和對比，得出方案能夠減少等待時間與飛機滑行的沖突點。

關(guān)鍵詞：龍嘉機場;地面滑行;優(yōu)化方案;AirTOp

航空器地面滑行路徑規(guī)劃問題本質(zhì)上是一類資源規(guī)劃調(diào)度問題，即研究為多架航空器分配共享的、有限的場面滑行資源，以使航空器完成搞笑的滑行，并使整體規(guī)劃目標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。[1]國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)針對滑行路徑優(yōu)化開展了多方面的研究。2006年Marín將場面運行過程看作是線性多物流網(wǎng)絡(luò)，以總滑行時間最小為目標(biāo)構(gòu)造數(shù)學(xué)模型，采用分支定界法對分時間段的航班同時進行航班調(diào)度排序和滑行路徑優(yōu)化問題求解。[2]2010年P(guān)rateek Gupta等人在研究路徑優(yōu)化問題時，將研究時段劃分時間窗，采用Dijkstra算法求得最短滑行路徑，然后以時間窗內(nèi)延誤時間最短為指標(biāo)，使用MILP方法建立無沖突滑行路徑模型。[3]2012 年李楠針對滑行沖突影響飛行安全的狀態(tài)問題，提出在路徑優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中加入航空器滑行規(guī)則、滑行間隔要求及路由沖突避免限制三個約束條件，利用A*算法給出了問題的優(yōu)化航班滑行總時間。[4]2015年王玄對機場沖突熱點區(qū)域的時間和空間分布特點進行研究，在此基礎(chǔ)上提出基于有向圖的航空器路徑優(yōu)化模型，并設(shè)立相關(guān)約束條件。[5]

當(dāng)前，隨著旅客出行需求和貨郵運輸量的日益增長，長春龍嘉機場作為東北亞航空樞紐機場，對航班量的需求愈益增加。然而，有限的空域資源和地面設(shè)施正逐漸成為約束航班量增長的瓶頸。龍嘉機場跑滑系統(tǒng)規(guī)模相對不大，但由于部分滑行路徑以及停機位區(qū)域劃分設(shè)置不合理，其航班在地面運行過程中的滑行效率問題逐漸凸顯，這無疑會對航班放行正常性、機場塔臺調(diào)度指揮以及機場整體運行效率造成一定程度的影響。在現(xiàn)有運行條件下，對龍嘉機場的跑道、滑行道構(gòu)型和運行模式進行研究分析，結(jié)合實際運行數(shù)據(jù)，提出可行的改進方案，并使用AirTOp仿真工具加以比較，在提高機場航班的地面運行效率的同時降低運行中的安全隱患。

1 龍嘉機場飛行區(qū)運行情況

龍嘉機場飛行區(qū)目前擁有1條跑道，1條與跑道平行的滑行道A，另有一條未貫通的平行滑行道H，以及L1-L4，H1-H4若干垂直聯(lián)絡(luò)道及機坪滑行通道等。

在龍嘉機場的實際運行中，使用06號跑道時的運行效率問題相較24號跑道更為突出，因而本文針對使用06號跑道時的地面運行效率進行研究分析。

在龍嘉機場現(xiàn)行的運行方案下，進港飛機停靠A08-A14停機位時，航空器由L3聯(lián)絡(luò)道沿L滑行線進入各機位;停靠A15-A19停機位時，航空器由L2聯(lián)絡(luò)道沿L滑行線進入各機位;停靠A20-A28、101-109機位?？繒r，航空器由L1聯(lián)絡(luò)道沿L滑行線進入各機位;停靠210-220停機位時，航空器由H4聯(lián)絡(luò)道沿L滑行線進入各機位;?？?21-232停機位時，航空器由H3聯(lián)絡(luò)道沿K1滑行線進入各機位;?？緽01-B05停機位時，航空器由H3聯(lián)絡(luò)道沿K1滑行線進入各機位。對于離港飛機，停靠A08-A14停機位時，航空器沿L滑行線由L4聯(lián)絡(luò)道進入A滑，?？緼15-A19停機位時，航空器沿L滑行線由L3聯(lián)絡(luò)道沿進入A滑，?？緼20-A28、101-109停機位時，航空器沿L滑行線由L2聯(lián)絡(luò)道進入A滑。停靠210-220停機位時，航空器沿L滑行線由L1聯(lián)絡(luò)道進入A滑，停靠221-232停機位時，航空器沿K2、L滑行線由H4聯(lián)絡(luò)道進入A滑，停靠B01-B05停機位時，航空器由H2聯(lián)絡(luò)道進入A滑。

2 地面運行分析及優(yōu)化方案

由上一節(jié)對運行情況的介紹可知，目前運行的方案總體依據(jù)原則為使用就近聯(lián)絡(luò)道，進離港航班并未通過聯(lián)絡(luò)道隔離運行，在目前航班量較低的情況下，管制員可以依據(jù)實際情況靈活指揮，該方案有利于各航空器沿理論上距離最短的路徑滑行。然而隨著航班量的增加帶來的管制員符合增加，在目前運行中未暴露出的H2、H3、H4、L1、L2、L3和A滑的交匯處的匯聚和交叉沖突;滑行道H2、H3、H4、L1、L2、L3上對頭沖突將存在很大的安全隱患。

基于以上討論和分析，依據(jù)以下幾個原則，提出兩個較為貼合實際的優(yōu)化方案。（1）停機位區(qū)域內(nèi)部形成循環(huán);（2）停機位區(qū)域之間避免對頭沖突;（3）主要使用的停機位滑行距離與滑行時間盡可能最短;（4）避免現(xiàn)行方案一些關(guān)鍵道口因沖突而產(chǎn)生的等待。

方案一的滑行方案為：進港飛機?？緼08-A19停機位時，航空器由L3聯(lián)絡(luò)道沿L滑行線進入各機位;?？緼20-A28、101-109、210停機位時，航空器由L1聯(lián)絡(luò)道沿L滑行線進入各機位;?？?11-217停機位時，航空器由L1聯(lián)絡(luò)道沿H滑行線經(jīng)H4沿L進入各機位;?？?18-221停機位時，航空器由L1聯(lián)絡(luò)道沿H滑行線，經(jīng)H4后，沿L進入各機位;或由H4聯(lián)絡(luò)道沿L滑行線進入各機位;?？?22-232停機位時，航空器由L1聯(lián)絡(luò)道沿H滑行線，經(jīng)H4后，沿L經(jīng)K1滑行線進入各機位;或由H4聯(lián)絡(luò)道沿L滑行線經(jīng)K1滑行線進入各機位;?？緽01-B05停機位時，航空器由L沿K1滑行線進入各機位。離港飛機?？緼08-A14停機位時，航空器沿L滑行線由L4聯(lián)絡(luò)道進入A滑;停靠A15-A19，A20-A28停機位時，航空器沿L滑行線由L2聯(lián)絡(luò)道沿進入A滑，?？?01-109停機位時，航空器沿L滑行線由L2聯(lián)絡(luò)道進入A滑;?？?10-217停機位時，航空器沿L滑行線由L2聯(lián)絡(luò)道進入A滑;?？?18-221停機位時，航空器沿L滑行線由L2聯(lián)絡(luò)道進入A滑;停靠B01-B05停機位時，航空器由H2聯(lián)絡(luò)道進入A滑。

該方案的優(yōu)點主要體現(xiàn)在：（1）避免了現(xiàn)在運行方案下的大量潛在沖突。（2）優(yōu)化了停機位區(qū)域的劃分，令210機位使用與A20-A28，101-109機位區(qū)域相同的進離港滑行路徑。將原先的210-220與221-232區(qū)域優(yōu)化為221-217與218-232區(qū)域，有利于進離場滑行路線的分離。（3）避免了快速脫離道D與垂直聯(lián)絡(luò)道L1交匯處存在的進、離港飛機之間嚴(yán)重的安全隱患。

方案一也存在一定缺陷，為了消除安全隱患，211-217區(qū)域的飛機離場時將長時間使用L滑行道，因而影響A20-28，101-210區(qū)域飛機的推出。部分機位因為進、離場垂直聯(lián)絡(luò)道的隔離使用，滑行路徑有所增加。

方案二的滑行方案為：進港飛機?？緼08-A14停機位時，航空器由L2聯(lián)絡(luò)道沿L滑行線進入各機位，?？緼15-A19停機位時，航空器由L2聯(lián)絡(luò)道沿L滑行線進入各機位，?？緼20-A28、101-109、210停機位時，航空器由L2聯(lián)絡(luò)道沿L滑行線進入各機位，?？?11-217停機位時，航空器由H4沿L進入各機位，?？?18-221停機位時，航空器由H4沿L進入各機位，?？?22-232停機位時，航空器由H4沿L經(jīng)K1滑行線進入各機位，?？緽01-B05停機位時，航空器由H4沿L經(jīng)K1滑行線進入各機位。離港飛機?？緼08-A14停機位時，航空器沿L滑行線由L4聯(lián)絡(luò)道進入A滑，停靠A15-A19停機位時，航空器沿L滑行線由L3聯(lián)絡(luò)道沿進入A滑，?？緼20-A28、101-109、210停機位時，航空器沿L滑行線由L1聯(lián)絡(luò)道進入A滑。停靠211-217停機位時，航空器沿L滑行線由L1聯(lián)絡(luò)道進入A滑，?？?18-221停機位時，航空器沿L滑行線經(jīng)H3由H經(jīng)L1進入A滑，?？緽01-B05停機位時，航空器經(jīng)H2由H經(jīng)L1進入A滑。

方案二的優(yōu)點為：（1）在規(guī)避了現(xiàn)運行模式中存在的大量沖突的前提下，對比方案一機坪運行效率有所提升。（2）從機坪運行安全角度出發(fā)，避免快速脫離道與機坪垂直滑行道交匯處存在的進離港的航班流的安全隱患。（3）?？?18-232停機位的飛機離場使用滑行道H，可減少與由快速脫離道進入A滑的進港飛機的沖突和匯聚。

3 航空器地面運行仿真建模

參考以往建模方法，[6-8]根據(jù)進、離港路線分析和龍嘉機場機場細(xì)則中的限制要求，建立了飛行區(qū)仿真模型。建立仿真系統(tǒng)，需要對系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)置。主要包括：（1）典型日航班時刻表，包括航空公司、航班號、機型、計劃進離港時間、停機位、進離港跑道編號;（2）跑道占用時間（ROT）;（3）進出港安全間隔;（4）飛機滑行速度;（5）停機位的使用按照飛機機型、航空公司來分配;（6）跑道同時只能被1架飛機占用;（7）航空器在飛行區(qū)的其他運行標(biāo)準(zhǔn)參考相關(guān)規(guī)定;（8）飛行區(qū)AutoCAD布局圖。仿真系統(tǒng)主要分為機場道面物理模型、運行條件設(shè)置、航班計劃導(dǎo)入、仿真顯示與控制以及仿真結(jié)果統(tǒng)計與分析。

4 航空器地面運行仿真結(jié)果分析

4.1 進港滑行方案仿真結(jié)果分析

進港航班地面運行時間是指進港航班接地時間至停機位時間之間的時間長度，由于研究范圍為機坪，統(tǒng)計的進港滑行時間為脫離跑道至停機位的時間。

由上圖分析可知，在現(xiàn)行的航班量下，現(xiàn)行方案的總體進港滑行時間分布均勻，分布區(qū)間在1分30秒至3分鐘左右?？紤]到?jīng)_突隱患，方案二調(diào)整了部分機位的滑行路徑，導(dǎo)致部分機位的進港滑行時間增加，然而在主用機位210-232，方案二平均滑行時間為163秒，與現(xiàn)行方案平均滑行時間156秒相差不大。方案一主要考慮運行安全性因素，整體進港滑行時間居中。

由上圖分析可知，在現(xiàn)行的航班量下，現(xiàn)行方案、方案一和二的進港滑行時間整體分布均勻，分布區(qū)間在100秒至250秒，且集中分布在8時至23時，少量航班滑行在凌晨0時至3時。其中現(xiàn)行方案滑行時間最優(yōu)，平均滑行時間為114.74秒。方案二和現(xiàn)行方案的進港滑行時間相差不大，方案二平均滑行時間為130.28秒，方案一較其他兩種方案進港滑行時間長，平均滑行時間為137.03秒。

4.2 離港滑行方案仿真結(jié)果分析

離港航班地面運行時間是指離港航班從停機位推出到航班離地之間的時間長度，由于研究內(nèi)容為機坪運行，統(tǒng)計內(nèi)容為航班從停機位推出到跑道頭之間的時間。

由上圖分析可得，現(xiàn)行方案、方案一和二的大部分機位的離港滑行時間一致，無明顯差別，且滑行時間區(qū)間在400秒至600秒。方案二在101-109機位較其他方案平均高出50秒左右。

由上圖分析可知，在現(xiàn)行的航班量下，現(xiàn)行方案、方案一和二的離港滑行時間整體分布均勻，分布區(qū)間在400秒至600秒，部分時段航班的離港平均滑行時間會達(dá)到630秒。航班集中分布在早上6時至晚上23時。在現(xiàn)行運行情況下，現(xiàn)行方案、方案一和二的平均離港滑行時間為328.04秒、336.01秒和346.39秒，現(xiàn)行方案的離港滑行時間最短。

4.3 增量運行仿真分析

考慮到未來龍嘉機場的日航班量的增加以及滑行方案對未來機場運行的適應(yīng)性，以及暴露潛在的沖突點，綜合考慮龍嘉機場滑行道分布與高峰小時架次后，決定在現(xiàn)航班量基礎(chǔ)上增加20%航班量，在計算機仿真基礎(chǔ)上進一步對滑行方案進行分析對比。

由上圖可知，基于停機位下三種方案的進港滑行時間在1.2倍航班量的運行情況下，大部分機位的進港滑行時間相差不大，整體趨勢平穩(wěn)。主用機位210-223的平均進港滑行時間在100秒至150秒之間。

由上圖分析可知，在1.2倍的航班量下，現(xiàn)行方案、方案一和二的進港滑行時間整體趨勢平穩(wěn)，分布時段多集中在150秒至250秒，且均集中分布在8時至23時，少量航班滑行在凌晨0時至3時。在增量運行情況下，現(xiàn)行方案、方案一和二的平均進港滑行時間為120.08秒、135.04秒和135.41秒，三種方案的平均進港滑行時間相差不大。

由上圖分析可知，方案一、方案二和方案三平均滑行時間分別為552.97秒、558.05秒和555.38秒，平均離港滑行時間平穩(wěn)，三種方案之間無明顯差距。

由上圖分析可知，在1.2倍的航班量下，方案一、二和三的離港滑行時間整體分布均勻，分布區(qū)間在400秒至600秒，航班集中分布在早上6時至晚上23時，在9點的時間段，航班運行出現(xiàn)高峰期，方案一的離港滑行時間達(dá)到800秒。在增量情況下，方案一、二和三的平均離港滑行時間為360.09秒、354.24秒和341.97秒，方案三的離港滑行時間最短。

4.4 等待時間分析

根據(jù)AirTOp仿真工具進行仿真，對仿真運行中的航班所有等待或等待（blocked狀態(tài)）進行分析?；贏irTOp仿真工具的特點，這種blocked狀態(tài)按照運行邏輯可以分為等待和沖突兩種類型。等待是由于進入跑道排隊、起飛排隊等情況導(dǎo)致的航班等待，這種情況會造成航班等待進入下一個運行階段而消耗一定的時間。沖突的出現(xiàn)則時由于機場運行過程中出現(xiàn)的順向、逆向和交叉沖突進行等待而消耗的時間。針對使用06號跑道的情況進行仿真，每種方案運行10次，獲取每次仿真運行所有航班平均等待數(shù)據(jù)如下表所示。

在現(xiàn)行運行情況下，06方案二和現(xiàn)行方案的進離港的平均等待時間比方案一少，平均每架航班的等待時間為10秒左右。

在1.2倍航班增量的情況下，06方案二的平均等待時間為18.82秒，較現(xiàn)行方案、方案一平均少等13.4秒、9.79秒，方案二的等待時間較其他兩種方案有明顯優(yōu)勢。

對各種方案性能進行了對比分析，為了避免對頭沖突，06跑道優(yōu)化方案一和方案二部分機位的滑行距離稍長。在現(xiàn)行航班量下，06跑的進離港滑行時間，現(xiàn)行方案都小于優(yōu)化方案，然而隨著航班量的增大，現(xiàn)行方案中為避免沖突而產(chǎn)生了等待，推薦方案的優(yōu)勢得以體現(xiàn)。1.2倍增量情況下，06跑道時平均每個航班滑行時間減少19秒，24跑道時，平均每個航班滑行時間減少34秒。從等待時間上分析，優(yōu)化方案的沖突等待時間無論在現(xiàn)行航班量還是在1.2倍增量情況下都有一定的優(yōu)勢。

5 結(jié)語

對龍嘉機場的飛行區(qū)整體情況進行了介紹，重點分析了使用06號跑道運行存在的問題，提出了兩個優(yōu)化方案。結(jié)合典型航班日的航班運行數(shù)據(jù)，應(yīng)用AirTOp仿真軟件對不同方案下的機場地面運行效率進行了模擬;通過建立AirTOp仿真模型，結(jié)合實際運行數(shù)據(jù)，對不同優(yōu)化方案下的地面運行進行模擬。統(tǒng)計得到的數(shù)據(jù)顯示：方案二在航班進、離港滑行時間、等待時間的優(yōu)化效果總體優(yōu)于方案一，且隨著航班量的增加，方案二的滑行時間增加比例與當(dāng)前模式和方案一比較，相對較小。綜合上述理論分析和仿真所得數(shù)據(jù)，推薦采用優(yōu)化方案二。

參考文獻：

[1]唐勇.A-SMGCS航空器滑行路由規(guī)劃及三維仿真研究[D].南京航空航天大學(xué)，2014.

[2].Marín，E.Codina，Network design：Taxi planning，Annals of Operations Research[J]，vol.157，no.1，pp.135-151，2008.

[3]Prateek Gupta，Harishwar Subramanian and Rajkumar S.Pant，Generation Optimized Routes and Schedules for Surface Movement of Aircraft on Taxiways，10thAIAA Aviztion Technology，Integration and Operations（ATIO）Conference，F(xiàn)orthWorth，Texas，2010

[4]李楠，趙擎，徐肖豪.基于 A～*算法的機場滑行路徑優(yōu)化研究[J].計算機仿真，2012，29（7）：88-92.

[5]王玄.基于場面沖突熱點的航空器滑行路徑優(yōu)化研究[D].中國民用航空飛行學(xué)院，2015.

[6]朱承元，衛(wèi)宏，刁琳.珠三角地區(qū)多機場系統(tǒng)航班時刻的仿真優(yōu)化[J].計算機工程與應(yīng)用，2013，49（4）：236-239.

[7]溫媛媛，戴福清.基于TAAM機場終端區(qū)容量評估方法研究[J].中國民航飛行學(xué)院學(xué)報，2013，24（6）：9-14.

[8]吳浩寧，李雄，陳芊.首都機場地面運行容量仿真研究[J].航空計算技術(shù)，2014，44（3）：101-105.