基于流量管理的多跑道運(yùn)行下進(jìn)離場(chǎng)航班排序優(yōu)化策略研究

楊 洋

（民航西南空管局云南分局，云南 昆明 650000）

1 機(jī)場(chǎng)及多跑道概述

1.1 機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)

機(jī)場(chǎng)指用于航空器地面活動(dòng)、起飛和著陸的規(guī)劃區(qū)域，涵蓋基礎(chǔ)設(shè)置以及相關(guān)建筑物。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)共分為陸側(cè)和空側(cè)兩部分，其中，陸側(cè)部分由地面到達(dá)系統(tǒng)和航站樓構(gòu)成，用于乘客進(jìn)行交通模式的轉(zhuǎn)變；空側(cè)部分由停機(jī)坪、跑道和滑行道3部分構(gòu)成，是航空器地面活動(dòng)的主要場(chǎng)所。

1.2 多跑道

航班量激增背景下，跑道資源越來越緊張，多跑道運(yùn)行成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)使用的跑道數(shù)量能夠?qū)C(jī)場(chǎng)分為多跑道機(jī)場(chǎng)和單跑道機(jī)場(chǎng)。根據(jù)跑道構(gòu)型又可以分為平行跑道、V型跑道以及交叉跑道等。隨著航班增多，機(jī)場(chǎng)運(yùn)行壓力增大，越來越多的機(jī)場(chǎng)新建跑道使用混合或者半混合模式運(yùn)行平行跑道。

2 多跑道機(jī)場(chǎng)航班進(jìn)離場(chǎng)運(yùn)行過程

航空器基本運(yùn)行過程一共包括3個(gè)階段：離場(chǎng)、航路飛行及進(jìn)場(chǎng)，分別由不同管制單位提供管制服務(wù)，包括機(jī)場(chǎng)管制、區(qū)域管制以及進(jìn)近管制。

作為航空器飛行的第一階段，離場(chǎng)過程控制十分重要。航空器準(zhǔn)備離場(chǎng)之前需要向塔臺(tái)管制員發(fā)出相應(yīng)的請(qǐng)求，塔臺(tái)管制員根據(jù)系統(tǒng)情況基于飛行預(yù)報(bào)和放行許可等操作，確認(rèn)其是否可以開車；航空器駕駛員獲得管制員許可后才能進(jìn)行開車及推出停機(jī)位等操作，并需要根據(jù)管制員的相關(guān)指令沿滑行道滑行至離場(chǎng)跑道。經(jīng)地面管制員確認(rèn)沒有飛行沖突后將操作權(quán)及指揮權(quán)移交塔臺(tái)管制員，由塔臺(tái)管制員確認(rèn)符合間隔要求后發(fā)布進(jìn)跑道及起飛許可。航空器駕駛員接收指令并進(jìn)入跑道起飛。航空器起飛達(dá)到一定高度之后，塔臺(tái)將操作權(quán)和指揮權(quán)移交給進(jìn)近管制，在進(jìn)近管制的控制與引導(dǎo)下上升到指定高度并加入計(jì)劃航路，最終將操作權(quán)和指揮權(quán)移交給區(qū)域管制進(jìn)行航空器的最終控制，保證飛機(jī)等航空器進(jìn)入既定航線完成離場(chǎng)。

當(dāng)航空器沿計(jì)劃航路飛行至目的地所在管制區(qū)時(shí)，區(qū)域管制指揮下降高度并在協(xié)定位置將權(quán)限移交給降落機(jī)場(chǎng)所屬進(jìn)近管制室。進(jìn)近管制員判斷是否存在沖突以及空中運(yùn)行情況之后確定航空器進(jìn)場(chǎng)順序并安排航空器進(jìn)近。航空器進(jìn)至一定高度或位置后指揮權(quán)與操作權(quán)移交塔臺(tái)管制員，塔臺(tái)管制員確定航空器滿足著陸要求后給航空器發(fā)送相關(guān)指令，許可其落地并指揮脫離跑道。在不存在潛在沖突的前提條件下將操作權(quán)和指揮權(quán)移交地面管制員，在地面管制員指揮下航空器滑行至指定位置[1]。

3 多跑道運(yùn)行影響因素

3.1 空域結(jié)構(gòu)復(fù)雜

我國(guó)航路航線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，航路點(diǎn)數(shù)目繁多，呈現(xiàn)空中航空交通密集現(xiàn)象。民航機(jī)場(chǎng)周圍環(huán)境也相對(duì)復(fù)雜，存在障礙物、限制區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)以及禁區(qū)等，導(dǎo)致航空器之間可能存在飛行沖突和潛在風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)場(chǎng)流量較大，航班數(shù)目較多，可能存在不同航班之間的相互影響，進(jìn)一步增加了航空管制的難度。

3.2 氣象因素的影響

航空器對(duì)氣象條件的要求比較苛刻，只有在氣象條件符合規(guī)定的情況下才能夠正常運(yùn)行。惡劣的天氣一般會(huì)導(dǎo)致通行能力下降，甚至出現(xiàn)大規(guī)模航班延誤或者返航備降。另外，氣象變化還會(huì)影響跑道情況，給交通管制帶來極大的難度。

3.3 跑道運(yùn)行效率

跑道運(yùn)行效率直接決定了航空器的飛行情況，我國(guó)目前有多個(gè)機(jī)場(chǎng)建立了多跑道系統(tǒng)。跑道容量、跑道運(yùn)行效率與跑道構(gòu)型以及跑道運(yùn)行方式密切相關(guān)。采用不同的運(yùn)行方式以及不同的跑道構(gòu)型，需要不同的運(yùn)行間隔以及進(jìn)離場(chǎng)方式。

3.4 人為因素與設(shè)備因素

（1）人為因素：管制員以及相關(guān)工作人員的綜合素質(zhì)和專業(yè)水平會(huì)直接影響多跑道的運(yùn)行情況。

（2）設(shè)備因素：機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施以及相關(guān)設(shè)備的精度、種類、可靠性等均會(huì)影響多跑道運(yùn)行。

4 多跑道機(jī)場(chǎng)進(jìn)離場(chǎng)航班協(xié)同排序優(yōu)化

4.1 排序策略

當(dāng)前多跑道運(yùn)行，航班流量也有所增加，因此，需要考慮進(jìn)離場(chǎng)航班的排序問題。目前常用的進(jìn)離場(chǎng)航班排序策略是基于跑道時(shí)隙分配的，包括離場(chǎng)優(yōu)先、空中優(yōu)先、進(jìn)離場(chǎng)聯(lián)合排序。采用不同的進(jìn)離場(chǎng)航班排序策略，最終會(huì)取得不同的排序效果，環(huán)境因素、人為因素、設(shè)備因素等也會(huì)影響排序效果，魯棒性也有所不同。

（1）空中優(yōu)先策略：在進(jìn)離場(chǎng)航班排序中，進(jìn)場(chǎng)航班具有優(yōu)先權(quán)，應(yīng)基于此進(jìn)行離場(chǎng)航班時(shí)隙分配。空中優(yōu)先策略能有效保證航空器的飛行安全，目前我國(guó)機(jī)場(chǎng)航班進(jìn)離場(chǎng)排序中多采用此種方式[2]。（2）離場(chǎng)優(yōu)先策略：主要目的是有效避免機(jī)場(chǎng)等待的航空器過多，合理配置機(jī)場(chǎng)資源，應(yīng)基于此優(yōu)先安排離場(chǎng)航空器占用時(shí)隙，在中間穿插進(jìn)場(chǎng)航班進(jìn)場(chǎng)。一般離場(chǎng)優(yōu)先策略應(yīng)用于進(jìn)場(chǎng)航空器較少的情形。

空中優(yōu)先策略和離場(chǎng)優(yōu)先策略主要應(yīng)用于不同場(chǎng)景進(jìn)行航班排序，但極易受到外界因素影響，且無法保證進(jìn)離場(chǎng)航班排序的公平性。當(dāng)航班進(jìn)離場(chǎng)數(shù)量較大時(shí)，效率較低。在進(jìn)離場(chǎng)聯(lián)合排序中應(yīng)綜合考慮運(yùn)行效率和公平性，采用優(yōu)化算法合理安排進(jìn)離場(chǎng)航班分配跑道時(shí)隙。本研究基于模擬退火算法進(jìn)行進(jìn)離場(chǎng)聯(lián)合排序優(yōu)化。

4.2 進(jìn)離場(chǎng)航班協(xié)同排序基本原理—模擬退火算法

進(jìn)離場(chǎng)協(xié)同排序中引入優(yōu)化算法，以給進(jìn)離場(chǎng)航班提供最優(yōu)起飛/著陸時(shí)間間隙，通過該種航空器協(xié)同排序模型能有效提高空域和機(jī)場(chǎng)資源利用效率。在算法引入過程中需充分考慮一些約束條件：管制放行間隔標(biāo)準(zhǔn)、優(yōu)先級(jí)、尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)、起降時(shí)間等。采用模擬退火算法對(duì)航班進(jìn)離場(chǎng)聯(lián)合排序進(jìn)行優(yōu)化，將最小化航班總延誤量作為目標(biāo)函數(shù)（靈敏度最高），結(jié)合當(dāng)前機(jī)場(chǎng)實(shí)際管制運(yùn)行流程確定航班排序優(yōu)先級(jí)。將航班排序問題和物理固體退火類比，結(jié)合熱運(yùn)動(dòng)能量變化特性對(duì)局部搜索算法進(jìn)行優(yōu)化擴(kuò)展。模擬退火算法是典型的全局最優(yōu)算法，從某一高溫進(jìn)行溫度衰減，利用概率突跳性有限度地接受鄰域內(nèi)某些目標(biāo)函數(shù)值較差的解，有效規(guī)避局部最優(yōu)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)控制。

4.3 航班進(jìn)離場(chǎng)動(dòng)態(tài)排序模型

作為NP-Hard問題的代表，航班排序會(huì)因航班數(shù)量增加變得更加復(fù)雜。文章在航班進(jìn)離場(chǎng)動(dòng)態(tài)排序模型優(yōu)化中引入模擬退火算法和滾動(dòng)時(shí)域控制策略，將航班進(jìn)離場(chǎng)劃分為多個(gè)子問題進(jìn)行優(yōu)化處理。最終結(jié)合初始條件、約束條件實(shí)現(xiàn)進(jìn)離場(chǎng)航班的高效率優(yōu)化排序。

4.3.1 模型算法

文章提出的基于模擬退火算法的進(jìn)離場(chǎng)航班排序優(yōu)化模型，其算法偽代碼如圖1所示。

圖1 基于模擬退火算法的進(jìn)離場(chǎng)航班排序優(yōu)化模型

假設(shè)Ω為解空間，令f:R→Ω是定義在Ω上的目標(biāo)函數(shù)。N(s)為s∈Ω的鄰域。進(jìn)離場(chǎng)航班優(yōu)化排序的目標(biāo)是找到目標(biāo)函數(shù)的全局最小值，即找到一個(gè)最優(yōu)序列s*，使得該時(shí)段內(nèi)進(jìn)離場(chǎng)航班f(s*)≤f(s)?s∈Ω。

4.3.2 基于該模型的航班進(jìn)離場(chǎng)排序

基于模擬退火算法進(jìn)離場(chǎng)航班排序優(yōu)化模型的航班進(jìn)離場(chǎng)排序步驟：（1）在航班進(jìn)離場(chǎng)排序模型中設(shè)置參數(shù)，如控制參數(shù)、初始溫度、排序時(shí)間窗等。（2）模型需結(jié)合機(jī)場(chǎng)中進(jìn)離場(chǎng)航班的飛行計(jì)劃，通過思維航跡預(yù)測(cè)推算模擬出航班預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間，并進(jìn)行離場(chǎng)航班飛行計(jì)劃、場(chǎng)面滑行時(shí)間修正，基于此推算模擬得到航空器的預(yù)計(jì)起飛時(shí)間。（3）初始溫度設(shè)置，是基于模擬退火算法進(jìn)離場(chǎng)航班排序優(yōu)化模型的要點(diǎn)，在確定航空器起降時(shí)間之后能夠得到航班初始排列隊(duì)列，初始溫度即為該目標(biāo)值。（4）基于模擬退火算法得出當(dāng)前時(shí)間窗內(nèi)進(jìn)離場(chǎng)航班的最優(yōu)起降序列。（5）結(jié)合第四步得出的離場(chǎng)航班目標(biāo)起飛時(shí)間及場(chǎng)面平均滑行時(shí)間，更新離場(chǎng)航班目標(biāo)許可開車時(shí)間（Target Scheduled Flight Allowed Time，TSAT），從而增加管制員對(duì)場(chǎng)面交通態(tài)勢(shì)的把握，從而進(jìn)一步提高場(chǎng)面的運(yùn)行效率。（6）滑動(dòng)至下一時(shí)間窗內(nèi)對(duì)航班進(jìn)行優(yōu)化排序，重復(fù)上述步驟，并將結(jié)果顯示在人機(jī)界面上[3]。

5 結(jié)語

科學(xué)、高效、合理的調(diào)度與控制，能夠保障航空器安全、高效運(yùn)行，而且有利于空中交通流量合理化，有效解決航班延誤等問題，對(duì)提高機(jī)場(chǎng)資源利用率也有重要作用。