利用目標(biāo)事件預(yù)測方法優(yōu)化機(jī)場航班保障

郭洪源，賈鎮(zhèn)亮，吳亞波

1.首都機(jī)場集團(tuán)有限公司；2.北京中科九章軟件有限公司

一、背景

隨著中國國家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，中國民航業(yè)發(fā)展迅速，航班量急劇增加。2006年到2017年，各類飛行起降架次持續(xù)增長，11年間增長了178%，年均增長10.39%。2018年，全行業(yè)累計(jì)實(shí)現(xiàn)營業(yè)收入10142.5億元。航空運(yùn)輸量增加的同時(shí)，民航運(yùn)輸?shù)男屎桶踩枰岣吆捅Ｕ谩?jù)統(tǒng)計(jì)，2006—2015年，航班正常率隨航班量增長呈持續(xù)下滑趨勢，2016年止跌回升，2017年又有所下降[1]。

民航航班運(yùn)行對天氣的依賴程度很高，不利天氣導(dǎo)致的航班延誤在整個(gè)航班延誤量中占了很大的比例。2017年航班延誤的主要因素是天氣、其他空域用戶和航空公司自身原因，分別達(dá)到51.28%、27.73%和8.62%[1]，2018年航班延誤的主要因素是天氣、航空公司原因、空管原因（含流量原因）、其他，分別達(dá)到48.62%、21.00%、2.75 和 27.63%[2]。

對于民航業(yè)來說，惡劣天氣主要有強(qiáng)降雨、雷電、大雪、冰凍、大風(fēng)等，其中雷電常常伴隨著強(qiáng)降雨、冰雹和側(cè)風(fēng)等，是對機(jī)場作業(yè)危害很大的天氣狀況。

雷電是一種強(qiáng)放電自然現(xiàn)象，其本身屬于爆發(fā)性自然危害，主要表現(xiàn)為伴有雷鳴、閃電的放電現(xiàn)象，在不同地物條件下有不同雷電表現(xiàn)。從雷電活動(dòng)一般地物條件看，空曠地中孤立建筑物、接收天線、輸電線路、大樹以及其他帶有尖端放電特性的設(shè)備，均易受到雷擊，尤其對于電子化、信息化等設(shè)備，危害更加明顯。以當(dāng)前民航機(jī)場為例，現(xiàn)代化機(jī)場建設(shè)中逐漸引入較多電子電氣設(shè)備，如飛機(jī)跑道導(dǎo)航設(shè)備、程控交換機(jī)、塔臺內(nèi)指揮設(shè)備、衛(wèi)星接收設(shè)備、指揮中心設(shè)備、高頻收發(fā)設(shè)備、雷達(dá)設(shè)備、自動(dòng)轉(zhuǎn)報(bào)設(shè)備以及微波通信設(shè)備等，這些電子設(shè)備對雷電均保持較高的敏感性。雖然當(dāng)前電子設(shè)備的性能不斷地改善調(diào)整，但由于運(yùn)行中均需控制在一定電壓范圍下，所以對于雷電帶來的高壓很難應(yīng)對，一旦電子設(shè)備在處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)遭受雷擊影響，可能直接出現(xiàn)設(shè)備損壞問題，電子設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)也因此消失，將影響機(jī)場整體運(yùn)行，飛機(jī)起飛與著陸安全更加受到嚴(yán)重影響。同時(shí)，機(jī)場作業(yè)過程中若發(fā)生雷擊也會造成人員傷亡等重大安全事故。

民航系統(tǒng)一直以來不遺余力地采取了多種內(nèi)部挖潛措施，尤其是機(jī)場協(xié)同決策系統(tǒng)（ACDM）是一種降低航班延誤、整體提高機(jī)場運(yùn)營效率和安全的一種重要方案。

二、機(jī)場協(xié)同決策系統(tǒng)

近年來，國內(nèi)主要繁忙機(jī)場都結(jié)合實(shí)際建設(shè)適用自身發(fā)展的機(jī)場協(xié)同決策系統(tǒng)。機(jī)場協(xié)同決策系統(tǒng)建設(shè)由機(jī)場牽頭組織，航空公司、空管以及其他相關(guān)單位共同參加，以構(gòu)建以提升地面運(yùn)行效率為核心的機(jī)場保障管理體系為指導(dǎo)，以提高航空公司、機(jī)場、空管等部門之間信息及時(shí)有效共享為目標(biāo)，通過優(yōu)化資源利用和改善時(shí)間節(jié)點(diǎn)可預(yù)測性，保證各單位間信息暢通，進(jìn)一步充分調(diào)動(dòng)保障資源，提升資源利用效率和機(jī)場整體運(yùn)行效率，尤其是進(jìn)一步提升機(jī)場地面運(yùn)行效率和大面積航班延誤下的快速響應(yīng)和處置能力。

中國民航目前采用的流量管理手段包括戰(zhàn)略階段和戰(zhàn)術(shù)階段。戰(zhàn)略階段的工作是合理調(diào)整全國和某些地區(qū)的航線結(jié)構(gòu)，合理安排制定班期時(shí)刻表和飛行前一日對非定期航班的飛行時(shí)刻進(jìn)行協(xié)調(diào)。戰(zhàn)術(shù)階段的工作是當(dāng)惡劣天氣時(shí)，對未起飛的航班一般采取計(jì)劃順延，已經(jīng)起飛的航班一般采取加大飛行間隔、空中盤旋等待或者備降到指定機(jī)場等措施；當(dāng)管制區(qū)域內(nèi)流量過大時(shí)，及時(shí)增開扇區(qū)，限制其他管制區(qū)飛機(jī)進(jìn)入本管制區(qū)時(shí)間。

為了有效地完成戰(zhàn)術(shù)階段的工作，精準(zhǔn)預(yù)測包括雷電在內(nèi)天氣情況、提前研判部署，積極應(yīng)對不利影響，對提升惡劣天氣條件下的航班運(yùn)行安全、效率和公平都有很重要意義。

在航班延誤發(fā)生時(shí)，為了應(yīng)對航班延誤造成的旅客積壓、滯留機(jī)場等問題，在特殊情況下確保旅客運(yùn)輸工作安全有序，提高服務(wù)保障質(zhì)量也迫切需要精準(zhǔn)的雷電預(yù)測。

本文提出用雷電預(yù)警在系統(tǒng)性雷暴（雷暴類型分為兩類：占絕大多數(shù)的系統(tǒng)性雷暴和小量的局地性雷暴）天氣條件下準(zhǔn)確預(yù)測雷暴團(tuán)到達(dá)機(jī)場的時(shí)間、離開機(jī)場時(shí)間和雷暴強(qiáng)度，基于這些雷暴過程參數(shù)調(diào)整航班保障節(jié)點(diǎn)時(shí)間的估計(jì)值，從而更加有效地獲得相應(yīng)地機(jī)場協(xié)同決策的里程碑估計(jì)，提高提升機(jī)場地面運(yùn)行效率和安全（見圖1）。

圖1 機(jī)場協(xié)同決策的里程碑[3]

三、雷電預(yù)警

本文中定義的機(jī)場防護(hù)區(qū)是指以對雷擊敏感的機(jī)場作業(yè)區(qū)域中心為圓心，10公里為半徑的圓的區(qū)域。針對具體機(jī)場，機(jī)場防護(hù)區(qū)雷暴期為在一個(gè)雷暴過程持續(xù)時(shí)間周期，也就是在機(jī)場防護(hù)內(nèi)第一個(gè)雷擊的時(shí)刻點(diǎn)作為雷暴過程的開始時(shí)間T1（如圖2），在機(jī)場防護(hù)內(nèi)最后一個(gè)雷擊作為雷暴過程的結(jié)束時(shí)間T2(如圖3)，機(jī)場防護(hù)區(qū)雷暴時(shí)間為兩者的間隔，即T2–T1。

圖2 第一個(gè)雷擊發(fā)生時(shí)間T1

圖3 最后一個(gè)雷擊發(fā)生時(shí)間T2

用歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以獲得地多次該機(jī)場防護(hù)雷暴時(shí)間，取該統(tǒng)計(jì)值95%分位點(diǎn)，記為TMAX，單位是小時(shí)。2018年首都機(jī)場雷暴過程如表1所示。

表1 2018年首都機(jī)場雷暴過程[4]

為了有效估計(jì)將在機(jī)場作業(yè)區(qū)發(fā)生雷暴過程的強(qiáng)弱，定義雷暴密度，雷暴密度用雷擊在定義區(qū)域落雷頻率來衡量，通常在可獲得的歷史雷擊數(shù)據(jù)中，雷擊都有詳細(xì)的雷擊特征：位置信息（經(jīng)緯度）等。雷暴密度定義為機(jī)場防護(hù)區(qū)（即機(jī)場區(qū)域中心為圓心，10KM半徑圓內(nèi)）在雷暴過程中總雷擊數(shù)除以雷暴過程持續(xù)時(shí)間（分鐘數(shù)）。例如在3小時(shí)的雷暴過程中，在機(jī)場防護(hù)區(qū)內(nèi)共發(fā)生250個(gè)雷擊，則雷暴密度是250/（3X60），即1.388次每分鐘。收集多年（例如2013年-2018年）具體機(jī)場防護(hù)區(qū)的歷史雷暴過程數(shù)據(jù)，共有N個(gè)雷暴過程，每個(gè)雷暴過程的雷暴密度Di，統(tǒng)計(jì)所有這N個(gè)雷暴密度，求均值P.獲得均值P后，以該均值P為閾值，對某一雷暴過程若雷暴密度大于該閾值，定義該雷暴過程為強(qiáng)雷暴過程，否則為弱雷暴過程。

本文的雷電預(yù)警模型預(yù)測出防護(hù)內(nèi)雷暴開始與雷暴結(jié)束時(shí)間，同時(shí)也預(yù)估出相應(yīng)雷暴過程的強(qiáng)度。

（一）雷暴過程預(yù)警模型

本節(jié)中的雷電預(yù)測模型是基于深度學(xué)習(xí)的門控循環(huán)單元（GRU）的encoder-decoder網(wǎng)絡(luò)模型[5,6]，基本架構(gòu)如圖4所示。

圖4 GRU網(wǎng)路模型

其中x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9,x10為 輸 入 變 量，y1,y2,y3,y4,y5,y6,y7,y8,y9,y10為輸出變量。Xi,Yi都一定間隔樣本數(shù)據(jù)，每個(gè)是50×50的矩陣向量。

每幀的時(shí)間間隔為TCLIP分鐘，模型級聯(lián)encoder和decoder個(gè)數(shù)n由TMAX/TCLIP確定（例如TMAX為1時(shí)間即60分鐘，TCLIP為6，則n取10）。

現(xiàn)在，我們需要預(yù)測未來TMAX小時(shí)的雷電情況，我們可以應(yīng)用這種encoder-decoder模型來實(shí)現(xiàn)這個(gè)預(yù)測。

1.模型樣本數(shù)據(jù)生成方法

構(gòu)建一個(gè)以機(jī)場區(qū)域中心為中心的50×50網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格中的每個(gè)小方格代表1平方公里，收集每一次具體機(jī)場的雷暴過程數(shù)據(jù)，以雷暴過程開始之前TMAX小時(shí)開始，每TCLIP分鐘取一幀，一直到雷暴過程結(jié)束時(shí)間，如果有幾個(gè)雷電落在小方格所代表地范圍之中就標(biāo)記該方格的值為幾。如圖5：有7個(gè)雷電落在第1行第2列的方格中，就標(biāo)記該方格的值為7，而第1行第3列的方格中沒有落雷，則標(biāo)記為0（圖中空白為0）。如圖6：示例了雷暴接近防護(hù)區(qū)對應(yīng)矩陣，有3個(gè)雷電落在第2行第2列的方格中，就標(biāo)記該方格的值為3，而第3行第4列的方格中有1個(gè)落雷，則標(biāo)記為1（圖中空白為0）。這樣我們就得到一個(gè)50×50的矩陣。

圖5 某幀樣例: 空白區(qū)為0

圖6 雷暴團(tuán)更接近防護(hù)區(qū)時(shí)某幀樣例: 空白區(qū)為0

根據(jù)時(shí)間序列的連續(xù)性，按照TCLIP分鐘進(jìn)行一次切割，把TCLIP分鐘的數(shù)據(jù)按照樣本數(shù)據(jù)生成的方式進(jìn)行處理，生成一個(gè)50×50的矩陣。觀察窗口為TMAX小時(shí)，表現(xiàn)窗口為TMAX小時(shí)。在觀察窗口這TMAX小時(shí)內(nèi)可以生成TMAX×10個(gè)樣本數(shù)據(jù)，即TMAX×10個(gè)50×50的矩陣。同樣，在表現(xiàn)窗口這TMAX小時(shí)內(nèi)也可以生成10×TMAX個(gè)樣本數(shù)據(jù)，即TMAX×10個(gè)50×50的矩陣。

2.模型訓(xùn)練與評估

基于具體機(jī)場多年的雷擊數(shù)據(jù)，我們就可以用生成樣本的方法得到大量的樣本數(shù)據(jù)。

將生成的樣本數(shù)據(jù)輸入進(jìn)構(gòu)建好的GRU encoder-decoder模型進(jìn)行模型訓(xùn)練，將樣本數(shù)據(jù)分為兩部分，訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)和測試樣本數(shù)據(jù)。模型利用訓(xùn)練樣本進(jìn)行重復(fù)訓(xùn)練直到均方誤差趨于穩(wěn)定，利用測試樣本對訓(xùn)練好的模型進(jìn)行測試以觀測模型的訓(xùn)練效果。

3模型輸出

模型輸出的結(jié)果如圖7所示。

圖7 預(yù)測出的第i個(gè)結(jié)果Yi

（二）防護(hù)區(qū)雷暴時(shí)間估計(jì)

根據(jù)一系列共TMAX×10個(gè)Y輸出，能確定預(yù)測的機(jī)場防護(hù)區(qū)雷暴開始和結(jié)束時(shí)間。

設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)組LIGHTNING_TIME_ARRAY,該 數(shù) 組 共TMAX×10個(gè) 元素，對于Yi,若有雷擊分布在機(jī)場防護(hù)區(qū)覆蓋的至少一個(gè)網(wǎng)格中，如圖7，有一個(gè)網(wǎng)格中有3個(gè)雷，則LIGHTNING_TIME_ARRAY[i]=1,表示預(yù)測在（i-1）×6分鐘到i×6分鐘之間機(jī)場防護(hù)區(qū)有雷擊。否則LIGHTNING_TIME_ARRAY[i]=0，表示預(yù)測在（i-1）×6分鐘到i×6分鐘之間機(jī)場防護(hù)區(qū)不會發(fā)生雷擊，如圖8所示。

圖8 預(yù)測防護(hù)范圍內(nèi)不會發(fā)生雷擊

這個(gè)數(shù)組LIGHTNING_TIME_ARRAY會出現(xiàn)如下幾種情況：

（三）雷暴過程強(qiáng)度估計(jì)

根據(jù)雷暴過程強(qiáng)度的定義和閾值P.根據(jù)模型輸出獲得在機(jī)場防護(hù)區(qū)內(nèi)總預(yù)測的雷擊數(shù)SUM_LIGHTNINGS， 再根據(jù)模型輸出矩陣獲得的雷暴持續(xù)時(shí)間THUNDERSTORM_TIME,計(jì)算預(yù)測雷暴密度(SUM_LIGHTNINGS除 以THUNDERSTORM_TIME).當(dāng)結(jié)果大于閾值P，預(yù)測結(jié)果是強(qiáng)雷暴過程，否則是弱雷暴過程。

四、用雷電預(yù)警結(jié)果調(diào)整航班保障節(jié)點(diǎn)時(shí)間的估計(jì)

（一）雷暴天氣航班保障作業(yè)策略

ACDM是基于不斷更新的數(shù)據(jù)信息做出決策方案，根據(jù)具體機(jī)場航班保障作業(yè)的特征，運(yùn)用關(guān)鍵路徑法將這些作業(yè)按時(shí)間先后關(guān)系分解。一個(gè)實(shí)例如圖9所示。再根據(jù)保障作業(yè)的特征制定雷電防護(hù)策略，一個(gè)實(shí)例如表2所示（實(shí)際特征應(yīng)根據(jù)具體機(jī)場相關(guān)部門研究制定）。

圖9 機(jī)場航班保障作業(yè)流程

表2 機(jī)場保障作業(yè)特征實(shí)例

（二）航班保障節(jié)點(diǎn)時(shí)間的估計(jì)

機(jī)場航班保障作業(yè)，為了達(dá)到運(yùn)營效率的優(yōu)化，根據(jù)保障作業(yè)特征和作業(yè)之間的相互關(guān)系，做出如下保障節(jié)點(diǎn)時(shí)間估計(jì)（見圖10）。

圖10 原航班保障節(jié)點(diǎn)估計(jì)

從上輪擋到撤輪擋，有多條保障作業(yè)流路經(jīng)（如path_i, path_j,path_m）,它們之間是并行的， 同時(shí)，在每一條路徑之內(nèi)，有1個(gè)或多個(gè)作業(yè)流串行。其中的最大路徑（一條路徑上所有串行作業(yè)時(shí)間之和）決定了估計(jì)的撤輪擋時(shí)間。在雷暴天氣條件下，需要對航班保障節(jié)點(diǎn)做出新的估計(jì)。

根據(jù)雷電預(yù)警，得到的機(jī)場雷暴過程的開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。假設(shè)它們與原估計(jì)各保障作業(yè)節(jié)點(diǎn)關(guān)系如圖11。根據(jù)雷電預(yù)警預(yù)測出雷暴過程的強(qiáng)度（弱或高強(qiáng)度），重新基于最大路徑法的估計(jì)就會出現(xiàn)與原估計(jì)不同的估計(jì)結(jié)果（見圖12、圖13）。其中Process_j1可能在弱雷暴強(qiáng)度可以繼續(xù)作業(yè)。

圖11 雷暴過程與某航班保障作業(yè)時(shí)間重疊

圖12 強(qiáng)雷暴過程

圖13 弱雷暴過程

機(jī)場根據(jù)業(yè)務(wù)要求，以合適的頻率更新機(jī)場協(xié)同決策系統(tǒng)中各里程碑節(jié)點(diǎn)估計(jì)時(shí)間，機(jī)場協(xié)同決策系統(tǒng)的各個(gè)用戶，決策方就能根據(jù)這些變化作出相應(yīng)的調(diào)整以適應(yīng)雷暴天氣情況下的航運(yùn)要求。

五、總結(jié)

民航系統(tǒng)近年來為了降低航班延誤、整體提高機(jī)場運(yùn)營效率在大力部署機(jī)場協(xié)同決策系統(tǒng)的建設(shè)，為了有效地估計(jì)機(jī)場協(xié)同決策的里程碑時(shí)間點(diǎn)，本文提出了用雙模型雷電預(yù)警預(yù)測雷暴團(tuán)經(jīng)臨機(jī)場的開始結(jié)束時(shí)間、雷暴過程強(qiáng)度的方法，從而對航班保障過程節(jié)點(diǎn)做出及時(shí)的調(diào)整，各決策方能夠更高效地利用機(jī)場協(xié)同決策系統(tǒng)完成運(yùn)營任務(wù)。