（交通运输规划与管理专业论文）基于GDP的多机场放行策略研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着民航运输的增长，终端区多机场系统流量日益增加。在机场网络相互耦合，多种运行 因素互相制约的情况下，航班延误不可避免。由于多机场系统运行因素之间的相互影响，如何 协调各机场航班的放行时刻，在不产生冲突的前提下提高终端区空域资源的使用效率，已成为 近年来流量管理理论与方法领域的研究热点。 为了提高终端区多机场系统的运行效率，本文主要研究了多机场放行策略模型及相关算法。 首先，介绍了世界范围内的多机场系统，分析了多机场系统的特点：结合我国现行管制放行的 实际情况，分析了影响离场放行的要素，并对多机场离场放行的约束条件进行了总结。其次， 在多机场系统的离场排序模型中，结合我国珠江三角洲的实际情况，运用启发式隐枚举算法， 减少了多机场的航班总延误时间。在多机场时隙交换模型中，通过引入稳定性概念，将2 对2 的时隙交换机制扩展到多对多的多机场时隙交换，用基于贪婪算法的时隙交换算法给出了优化 的可行解，提高了各航空公司的经济效益：此外，完善了中南地区流量管理系统，增加了多机 场放行策略模块。系统实际运行后表明多机场放行策略的算法是可行的，并且系统具有良好的 稳定性。 关键字：空中交通，流量管理，多机场，地面等待，放行策略，时隙交换 基于g d p 的多机场放行策略研究 a b s t r a c t w i t ht h eg r e a td e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y ，t h ea i rt r a f f i cf l o wi si n c r e a s i n gd a yb yd a y i nt h em u l t i a i r p o r ts y s t e m u n d e rt h e c o u p l i n go ft h em u l t i a i r p o r ts y s t e m n e ta n di n t h e m u l t i o p e r a t i o nr e c i p r o c a lr e s t r i c t sc o n d i t i o n ，f l i g h td e l a y sh a p p e no nh i g hf r e q u e n c y t h ed e c i s i o n m a k i n go fg r o u n dh o l d i n gp o l i c yt a k e sa ni m p o r t a n te f f e c ti nc o o r d i n a t ea i rw a f f l ea n dr e d u c et h e l o a do fa i r s p a c ea n da i rt i a t j f i cc o n t r o l l e r s i nt h em u l t i a i r p o r t s y s t e r m c o n t a i n e di no n e t e r m i n a l ，d e p a r t u r ea p p r o a c hi sa ni m p o r t a n tp r a c t i c e h o wt oc o o r d i n a t et h e i rd e p a t u r es c h e d u l i n g s d u et oi n t e r a c t i o n a lo p e r a t i o nf a c t o r sa n dt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fa i r s p a c er e s o u r c eb e c a m et h e s p o t l i g h ti nt h er e s e a r c hi nt h em e t h o da n dt h e o r yo f a t f m t oi m p r o v et h ee f f e c t i v i t yo fm u l t i - a i r p o r ts y s t e mi no n et e r m i n a la r e a ，i nt h i sp a p e r , w er e s e a c h o nt h em o d e l so fs c h e d u l i n gp r o b l e m sf o rm u l t i - a i r p o r td e p a r t u r ef l i g h t sa n dr e l a t e da l g o r i t h m 。 f i r s t l y , w e i n t r o d u c es o m em u l t i a i r p o r t s y s t e mw o r l d w i d e ，a n da n a l y s et h e c h a r a c t e r so ft h e m u l t i a i r p o r ts y s t e m f o u n d e do nt h er e a ld e p a r t u r ec o n d i t i o ni no u rc o u n t r y , a n dc o n s i d e r st h em a i n f a c t o r so nd e p a r t u r ea n ds u m m a 诬t h er e s t r i c t so nd e p a r t u r ei nm u l t i a i r p o r t 。s e c o n d l y , b yi n d u c t i n g a s t a b i l i z a t i o n f a c t o r ，am a t h e m a t i c a lm o d e li sp r e s e n t e df o rs e q u e n c i n gd e p a r t u r ef l i g h t s i n d i f f e r e n ta i r p o r t sw i t h i no n et e r m i n a la r e a ，a i m i n gt or e d u c e st h et o t a ld e l a yo fa l ld e p a r t u r e si nm u l t i a i r p o m t h e nb a s e do nt h er e a lp r a c t i c ei nz h u j i a n gd e l t a ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ec h a r a c t e r so ft h e a i r s p a c ea n da i rt r a _ f 五cf l o wo fz h u j i a n gd e l t a ；ah e u r i s t i cl a t e n te n u m e r a t ea l g o r i t h m ( h l e a ) i s p r o p o s e dt os o l v et h em o d e l m u l t i a i r p o r ts l o te x c h a n g em o d e le x t e n d “2t o2 s c s ( s l o tc r e d i t s u b s t i t u t i o n ) t o nt on ”s l o tc r e d i ts u b s t i t u t i o ni nm u l t i - a i r p o r t ，w h i c ha p p l i e sg r e e d - s l o tc r e d i t s u b s t i t u t i o nt o p r o v i d e a o p t i m i z e dr e s u l t e a n di m p r o v em a n ya i r l i n e se c o n o m i cb e n e f i t o t h e r w i s e ，t h i sp a p e rg i v e ss u p p l e m e n tt ot h ea i rt r a f f i cf l o wm a n a g e m e n ts y s t e mo fc e n t r es o u t h b u r e a u ，a n da d dd e p a r t u r es c h e d u l i n gi nm u l t i a i r p o r tm o d u l et ot h es y s t e m t h es y s t e mi m p l e m e n t s h o w st h a tt h ea l g o r i t h mi sf e a s i b l ea n dt h es y s t e mi ss t a b l e k e y w o r d s ：a i rt r a f f i c ，a t f m ，m u l t i - a i r p o r t ，g r o u n dh o l d i n g ，d e p a r t u r ep o l i c y , s l o te x c h a n g e i i 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图2 1 世界范围内多机场系统分布图8 图2 2 珠三角机场分布9 图2 3 单机场离场过程1 0 图2 4 多机场进离场航线示意图1 3 图2 5 广州区域的离场航线示意图1 4 图2 6 广州终端区一周航班流量统计图。1 5 图2 7 航空器根据重量的分类1 8 图2 8 航空器的状态转移图2 0 图3 1 实例多机场问题2 3 图3 2 多机场离场模型示意图【3 3 1 2 4 图3 3h l e a 算法流程图。2 7 图3 4 广州区域航线图2 8 图3 5 优先级比例因子不同时机场延误时间3 3 图4 1r b s 算法的执行3 6 图4 2c o m p r e s s i o n 算法的执行3 8 图4 3s c s 的算法执行4 0 图4 4 多机场时隙交换示意图4 2 图5 1 中南地区流量管理系统功能结构图4 6 图5 2 系统数据流程图4 7 图5 3m r r 值发布界面。4 9 图5 4 进离场航班原始序列界面5 0 图5 5 广州机场放行策略界面5 0 图5 6 珠海机场放行策略界面5 l 图5 7 航班信息查询界面5 1 图5 8 空域交通状态监控界面5 2 图5 9 航班时刻的航路点时间轴显示界面5 2 图5 1 0 扇区信息查询界面5 3 图5 1 1 用户角色设置界面5 3 表2 1 广州白云机场区管与终端移交间隔汇总1 1 表2 1 广州白云机场区管与终端移交间隔汇总( 续) 1 2 表2 2 广州区域的离场航线示意图1 4 表2 3 广州进离场航线比例( 向南运行) 1 6 表2 4 广州进离场航线比例( 向北运行) 1 6 表2 5 按最大起飞重量分类的尾流间隔1 7 表2 6 航空器按最大起飞全重分类间隔1 9 表2 7i c a o 规定的最小间隔标准1 9 v 基于g d p 的多机场放行策略研究 v l 表2 8 航空器运行状态列表2 0 表3 iz g g g ：z g s d = 3 ：3 时的航班放行时刻表2 9 表3 2z g g g ：z g s d = 4 ：2 时的航班放行时刻表3 0 表3 3z g g g ：z g s d = 5 ：l 时的航班放行时刻表。3 l 表3 42 r 伽：z g s d = 6 ：o 时的航班放行时刻表3 2 表3 5 优先级比例因子不同时机场延误时间3 3 表3 6 两种时刻表的统计比较3 3 表4 1g s c s 算法的时隙分配4 3 南京航空航天大学硕士学位论文 缩写 a 嗄a 小t a s m 匣s a t c s c c a 删 a r m c d m d a d e p a r t s d s p f 从 f a s t g d p e g o s a f e m a d s m a n t e a m i t n a r s n l r s 队 s m s t m a 注释表 英文全称 a r r i v a lm a n a g e m e n t a i r s p a c em a n a g e m e n te v a l u a t i o ns y s t e m a i rt h 伍cc o n t r o ls y s t e mc o m m a n dc e n t e r a i rt h 伍cf l o wm a n a g e m e n t a i rt m 伍cm a n a g e m e n t c o l l a b o r a t i v ed e c i s i o nm a k i n g d e c e n ta d v i s o r d e p a r t u r ee n h a n c e dp l a n n i n ga n d r u n w a y t a x i w a ya s s i g n m e n ts y s m e n t d e p a r t u r es p a c i n gp r o g r a m f e d e r a la v i a t i o na d r n i n i s t r a t i o n f i n a la p p r o a c hs p a c i n gt o o l g r o u n dd e l a yp r o g r a m - e n h a n c e g r o u n d - o p e r a t i o ns i t u a t i o na w a r e n e s sa n df l o w e f f i c i e n c y m a n t e ad e p a r t u r es e q u e n c e r m a n a g e m e n to fs u r f a c e t r a f f i ci n e u r o p e a n a i r p o r t s m i l e si nt r a i l u k n a t i o n a la i rt h f i l es e r v i c e n a t i o n a la e r o s p a c el a b o r a t o r y s u r f a c em o v e m e n ta d v i s o r s u r f a c em o v e m e n ts y s t e m t h 伍cm a n a g e m e n ta d v i s o r 中文名称 着陆管理 空域管理与评估系统 空中交通控制系统指挥中心 空中交通流量管理 空中交通管理 协同决策 下降顾问 增强计划和跑道滑行道分配系 统 离场间隔项目 美国联邦航空局 最后进近间隔工具 增强型地面等待策略 地面操作态势读取和流量效率 欧洲机场场面交通管理 欧洲机场场面交通管理 距离表示间隔 英国国家空中交通服务 荷兰航空实验室 场面活动顾问 场面活动系统 交通管理顾问 v i i 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：涩型驾 日 期：型啤划 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 2 0 世纪6 0 年代以来，国家航空运输需求的大幅增长扩大了空中交通的规模，给空中交通 管理带来了巨大的挑战。尽管我国空中交通流量远小于民航业发达的国家和地区，但流量分布 不均衡和空域结构不合理导致的空域拥挤问题非常突出。据统计，近几年来我国东部地区集中 了全国近7 0 以上的航空业务量，仅北京首都、上海浦东、广州白云三大机场就集中了我国民 航约4 0 的旅客量和6 0 的货物量【】卅；西部地区虽然流量较少，但导航和管制技术相对落后， 空域限制较多，空域结构也不尽合理。在我国几个交通繁忙的机场，空域结构不合理状况尤为 严重。例如北京、广州、成都、沪杭等地，由于邻近机场多，航路进出通道既有严格限制，也 易受相邻机场活动的干扰影响，因而常造成这些区域的堵塞拥挤。其中广州终端管制区，由于 受邻近机场活动的限制，西空域只能使用一条走廊、两个高度层进行飞行，东空域也只能限制 使用，民航用户实际可自由使用的空域大约只占整个空域的1 4 。由于限制条件多，使进离场 航线只能按走廊方式划设，走廊的宽度最宽为1 0 公里，最窄只有8 公里，调配余地小；同时还 造成进离场航线交叉汇聚点多，冲突多，不利于保障飞行安全。这不仅增加管制员和飞行员的 工作负担，也直接影响到各航空公司运营效益。 随着计算机技术及通信技术的发展使得缓解和解决空中交通拥挤成为可能。人们开始研究 一种基于系统全局优化的流量管理方法，其目的是最大限度地利用系统空域资源，使系统内的 航班因延误造成的损失降到最低，由此产生空中交通流量管理系统。 空中交通流量管理( 删) 的目的是：在保证航空器安全、高效运行的前提下，使任一 给定点上或给定区域内所处理的交通总量与空中交通管理系统的容量相适应。流量管理作为空 中交通管理的一种有效方法，也逐渐成为最主要的运行手段，用以保障航空运输系统的安全、 效率和迅捷。地面等待策略以其显著的安全性和成本效率成为流量管理的重要方法，地面等待 策略是为了规避航空器飞往拥挤机场或穿越拥挤空域，不按预定时刻起飞而延迟起飞的一种方 法。从本质上说地面等待是一种主动的流量管理方法。 空中交通流量管理着重对于目的机场的现有容量所造成的不可避免的延迟尽量最小化。为 了达到这个目的，流量管理部门需要采用一定手段去控制进入目的机场的流量。使进入的流量 尽量匹配现有容量。主要控制手段有以下几种： 1 地面等待( g r o u n d - h o l d & g a t e - h o l d ) ：将在目的机场因拥挤产生的空中延误通过地面等 待在起飞前吸收掉。 2 计量控制( m e t e r i n g ) ：调节飞机流入某航线或某终端区的流量。 基于g d p 的多机场放行策略研究 3 航路改变( e n r o u t er e r o u t i n g ) ：修改被选择中飞机的飞行计划使其绕开拥挤区域。 4 航路速度控制( e x e r c i s i n ge n r o u t es p e e dc o n t r 0 1 ) 对航路上的飞机进行速度控制，使 其在合适的时间通过航路点或到达终端区。 5 高空等待( h i g h a l t i t u d eh o l d i n g ) ：因飞机在低高度层上的油耗要大于在高高度层上的 油耗，所以飞机在较高的高度层盘旋等待，从而避免飞机到达拥挤的终端区后不得不在较低的 高度层上盘旋等待。 以上五种控制手段，除了地面等待是在飞机起飞前进行主动控制，其他都是在飞机起飞后 被动实施的。由于地面等待获得的效益最大，所以它是空中交通流量管理采用的主要手段【5 】。 地面等待是当空中交通流量管理系统中预计目的机场产生拥挤需要进行空中等待时，把延 迟放在起飞机场，要求飞机推迟起飞时间以保证空中交通系统的安全稳定运行。地面等待的主 要任务是在航班起飞之前和到达进近点准备降落之前确定哪几架航班实施等待，等待多长时间。 而地面等待策略( g r o u n d - h o l d i n gs t r a t e g y ) 就是如何将原来需要进行空中等待的航班改为在原 起飞机场进行地面等待，以增进飞行安全并降低延误成本。 多机场地面等待策略是在航班的飞行符合空中交通管制规则要求( 按规定航路飞行、满足 起飞和着陆的间隔标准等) 且满足区域内各空域和各机场容量限制的条件下，将空中等待转化 成地面等待，求出每个航班的最优地面等待时间，使得由此产生的总损失最小。 多机场系统的离场放行策略是协同流量管理问题的子问题。同一终端区内的多个机场构成 多机场系统，使用多个公共离场定位点。尽管各国学者在离场排序问题方面进行了大量研究， 但以往的研究多集中于单机场离场航班排序策略问题，协调同一终端区内多机场系统的离场放 行策略研究才刚刚起步，多机场系统航班离场排序问题是n p 难题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 地面等待理论研究 随着民航运输业的迅猛发展，地面等待问题因其巨大的社会效益和经济效益，吸引了国内 外众多学者不断地探索。先后经历了确定性模型、静态随机模型、动态随机模型、网络规划模 型等几个阶段。1 9 8 7 年，o d o n i 首次系统地阐述了地面等待问题，建立了地面等待问题的静态 随机模型【6 1 。同年，a n d r e a t t a 和r o m a n i n a c u r 对地面等待问题静态随机模型的求解进行了尝 试【7 】o9 0 年代，r i t l d n ，b a l l 和h o f f r n a n ，改进了随机型地面等待数学模型，减少了决策变量 却通过预处理和后处理使模型产生同样的解；证明该模型的相关整数规划问题是对偶网络，可 通过多项式时间网络算法求解以及线性规划的松弛问题可产生整数解。此后地面等待问题的动 态模型研究逐步展开。1 9 9 3 年r i c h e t t a 和o d o n i 提出了地面等待问题的动态算法i s l 提出了关于 机场容量的经验公式。v r a n n a s 、b e r t s i m a s 、o d o n i 与b e r t s i m a s 、s t o c k 在动态模型研究方面取 2 南京航空航天大学硕士学位论文 得了一定的成果，但仍限于确定性分析。动态规划对问题的维数要求较严，而地面等待问题本 身就是一个高阶的实际问题，所以用动态规划方法求解难度较大【9 】。为此，p a n a y i o t o u 和 c a n s s a n d r a s 先处理样本路径信息，利用有限扰动分析( n a ) 预测离散事件系统的性能取得了 很好的效果。地面等待问题也可以看作空中交通流量管理( 朋阿讧) 的一个特殊问题，从理论上 讲，用于解决空中交通管理问题的许多模型同样可用于地面等待问题。地面等待问题和流量管 理问题都被当作网络流规划问题分析解决。 在单机场地面等待问题研究的同时，多机场问题的研究也逐步明确并开展。1 9 9 4 年，v r a n a s 首次提出多机场地面等待问题，并用数学规划对这个确定型网络流模型进行求解。a n d e a r r a 和 b r u n e t t a 专门考虑一类由目的机场引发阻塞的多机场地面等待问题，并对三类典型的多机场地 面等待问题模型：v b o 模型( v r a n a s ，b e r t s i n a s 和o d o n i ) 、a t 模型( a n d r e a t t a 和t i d o n a ) 和b s 模 型( b e r t s i m a s 和s t o c k ) 进行了分析比较。t u y ，m o b a l l ， a n dj w o l f g a n g ，则从离场延误概 率角度研究了离场延误的分配问题【lo 】。 国内对空中交通流量管理的研究起步较晚，2 0 世纪9 0 年代中后期，南京航空航天大学的 胡明华团队开始对机场地面待问题进行研究并取得了一定的研究成果。该团队提出多元受限概 念，建立多元受限地面等待模型，进而建立了多元受限航班时刻优化模型，研究了单机场地面 等待策略问题，并以上海虹桥机场和广州白云机场的运行数据进行了仿真；进行了多元受限 地面等待策略问题研究【l2 1 。2 0 0 4 年西北工业大学的樊军、中国民用航空学院的王莉莉通过对单 机场地面等待模型进行合理转换，提出基于h o p f i e l d 神经网络的启发式算法f 1 3 】。同年清华大学 马正平、崔德光对首都机场建立机场航班延误优化模型，该模型考虑了连续航程的航班到达和 起飞之间的相互影响，得出降低后续影响的优化方案【1 4 1 。2 0 0 5 年北京航空航天大学的周茜、张 学军、柳重堪研究了单跑道混合使用跑道时隙问题，建立了在着陆跑道时隙间隔中插入起飞时 隙的模型【”】。2 0 0 6 年王莉莉、史忠科根据不同飞机的不同延迟费用，建立新的事件驱动型单机 场地面等待模型，并提出改进的序号编码遗传算法【l q 。 国内对多机场问题也进行了初步探讨，胡明华团队根据国内空域的实际情况对多机场地面 等待策略问题建模并求解，在此基础上开发出一套确定航班时刻的专家系统【1 7 1 ；在确定性多机 场地面等待问题的基础上研究了航班时刻优化的理论方法，建立多元受限航班时刻优化模型 【1 8 】，进而提出了解决该模型的改进的启发式算法【”】。 1 2 2 离场排序研究 终端区进离场流量管理是a t f m 的重要组成部分，有效的进离场管理能充分利用空域资源。 国内外学者对着陆排序问题( a s pa r r i v a ls c h e d u l i n gp r o b l e m ) 进行了大量研究1 2 0 。e g d e a r 用位置交换约束法研究航班排序【2 1 1 ，p s a r a f t i s 和b i a n c o 显示a s p 是累计不对称旅行商问题【2 2 】 3 基于g d p 的多机场放行策略研究 【2 3 1 。他们用动态规划模型获得问题的下限，并应用了启发式算法。b e a s l e y 等人对着陆排序给 出了混合整数规划模型，终端区被当做单一资源，采用多约束和多目标函数。但是这些研究没 有考虑空域资源的限制【2 4 1 。e r z b e r g e r 和g i l b o 证明了跑道和定位点都会发生拥挤。他们考虑空 域限制的进场问题 2 5 - 2 8 】，分别考虑了航空器的机动性，最后进近阶段的各航段和等待程序 2 9 1 。 同时许多学者关注离场排序规划问题( d s p ) 。b o l e n d e r 研究了离场相关的两大主要问题， 一个是对离场航空器安排起飞时刻，另一个是在拥挤空域环境中，将离场航空器安排进可用航 路【3 0 1 。a t k i n g 等人对一些离场航班时刻安排研究工作做了总结，用贪婪搜索算法和遗传算法来 求一组离场航空器的最小起飞时间，应用混合后启发式算法辅助伦敦西斯罗机场的跑道时刻安 排【3 1 1 。b a l a k r i s h n a 等人提出了基于动态规划的有效算法，满足多种上游航班流和下游航班流的 限制田j 。 已有的单机场航班排序相关研究表明：先到先服务( f i r s tc o m ef i r s ts e r v e d ) 排队方法整体 效率较低；滑动时间窗动态排序方法的局部最优解与全局最优解差异较大；作为一种群智能多 点并行随机搜索方法，粒子群算法在进行大规模搜索时收敛速度有待提高；考虑实际地理因素 限制的离场排序模型在采用退火、禁忌搜索和陡峭下降搜索等算法时，某些情况下结果差异很 大；遗传算法的适应度和交叉算子参数较难确定；基于动态理论的排序算法的特征系数得出的 排序位置对实际改动太大。 前人的研究主要集中于单机场进场航班时刻安排( s a a s p ) 或单机场离场时刻安排 ( s a d s p ) 方面。2 0 0 8 年，南京航空航天大学王艳军研究了多机场系统的离场航班时刻安排， 用带约束条件的航班位置交换法得出优化的航班时刻【3 3 1 。b o n n e f o y 等人的研究表明单机场系统 向多机场系统过渡将是空中交通运输系统中的关键机制，并将满足未来航空运输增长的需求 3 4 - 4 2 1 。 1 2 3 相关应用系统研究 随着科技的进步，计算机技术广泛应用于民航运输领域。国外已经有较成熟的系统支持离 场放行，它们对管制员提供辅助决策，在交通流量管理方面取得了突出成绩。例如：f a a 在自 由飞行第一阶段提出场面移动咨询( s m a ：s u r f a c em o v e m e n t a d v i s o r ) 。与f a a 合作的n a s a a m e s 研究中心已经开发了s m s 系统。s m a 和s m s 都被应用在a t c 和航空公司席位上，提供 实时状态信息并共享机场场面交通态势。特别是两个系统都能保证管制员获得将来离场需求信 息、跑道队列长度、滑行延误和多种可能战术条件下的机场离场率。 f a a 自由飞行第二阶段就是开发机场管理决策系统支持工具( d s t ) 。d s t 决策支持工具 用来帮助终端区管制员处理离场和进场交通。进场d s t 是交通管理顾问( t m at r a f f i c m a n a g e m e n t a d v i s o r ) 、下降顾问( d a d e c e n t a d v i s o r ) 、最后进近间隔工具( f a s tf i n a l a p p r o a c h 4 南京航空航天大学硕士学位论文 s p a c i n gt 0 0 1 ) 和着陆管理( a m a n ) 等的组合。 f a a 开发了d s p ( d e p a r t u r es p a c i n gp r o g r a m ) 它的目的是有效的帮助管制员协调离场交通 流。d s p 通过协调多机场起飞来计算航班起飞时刻。它的主要功能是：评估机场航班起飞计划， 通过在离场资源( 离场定位点，离场跑道) 处预测航空器需求来优化起飞许可、滑行、进跑道 和离场队列的顺序，为管制员提供可以用来起飞的时间窗，用电子进程单取代了纸质进程单， 提供最新的电子信息的交换，减少通过内线电话通讯的协调时间，确保终端区到航路的过渡时 资源的最大化利用。 m a n t e ad e p a r t u r es e q u e n c e r ( m a d s ) 是帮助塔台管制员指定计划的支持工具，由荷兰航 空实验室( n l r n a t i o n a la e r o s p a c el a b o r a t o r y ) 开发。m a d s 可以帮助管制员指定最优的离 场顺序、制定初始爬升航线和优化跑道使用率。 m i t e r 公司的增强计划和跑道、滑行道分配系统( d e p a r t s d e p a r t u r ee n h a n c e dp l a n n i n g a n dr u n w a y t a x i w a y a s s i g n m e n ts y s m e n t ) 是一个基于最优化理论的工具，用来结合目前机场条 件、离场需求、滑行航班状态、后续航班流限制和用户选择对滑行路径、跑道和离场点进行最 优化分配和排序。o p t i m a ls y s t h e s i s 公司正在开发地面操作态势读取和流量效率( g o s a f e ： g r o u n d - o p e r a t i o ns i t u a t i o n a w a r e n e s sa n df l o we f f i c i e n c y ) 。这个工具与d e p a r t s 有相似的技术 核心和基于最优理论的方法，但是g o s a f e 并不被整合应用到a t c 和航空公司席位，而是面 向于在机舱内的应用。它在滑行道过程中，提供精确的指引、导航和放行许可。 在欧洲，主要机场使用d m a n ( d e p a r t u r em a n a g e m e n t ) 规划离场航班时刻，并进行离场 交通管理。该系统由英国国家空中交通服务( n a t s ：u k n a t i o n a la i r t r a 伍cs e r v i c e ) 领导研 发，涉及机场场面和终端区运行。离场管理系统d m a n 包括对离场交通的排序，测量和建议 服务系统等，例如： 评定航班优先级别高的航班在时隙上优先于没有评定优先级的航班。 采用混合模式运行法来优化跑道容量：根据排队理论，a m a n 系统的着陆流尽可能被 安排在缩短离场顺序的地方，以减少总延误。 后续航班不使用相同的离场航路来对离场航班进行排序，这样可以更好的分配s i d 交 通流。 由于所有的航空公司都会碰到某些对时间有严格要求的航班，所以参与这项运行方式的航 空公司都会从更灵活的运行方式中受益。对d m a n 更全面的使用能够对停机位的管理更有效 同时能增加跑道使用率。 在欧洲先进场面移动引导和管制系统( a s m g c s ：a d v a n c e ds u r f a c em o v e m e n tg u i d a n c e a n dc o n t r o ls y s t e m s ) 计划框架下，德国航空研究公司( d l r ) 目前正在开发滑行道和停机坪管 理及系统( t a r m a c ：t a x i a n d r a m p m a n a g e m e n t a n d c o n t r 0 1 ) 。美国航空实验室( n l r ：n a t i o n a l 5 基于g d p 的多机场放行策略研究 a e r o s p a c el a b o r a t o r y ) 正在开发a s m g c s 下的另一个项目m a n t e a ( m a n a g e m e n to fs u r f a c e t r a f f i ci ne u r o p e a na i r p o r t s ) 。 在我国，a s m e s 是由南京航空航天大学民航学院、民航数据通信公司、四川大学智胜软 件公司和中国民用航空大学联合开发的空域管理与评估系统，主要对空中交通管理数据提供可 视化管理，并利用先进模型算法对机场、终端区、管制区和航路的交通容量进行科学评估。 美国已经把增强的地面等待策略应用于实际的运行之中了。虽然我国在这方面有相关的研 究，但这些研究只是针对理论模型的建立，而并没有真正应用于实际的空中交通系统的运行之 中，所以在这方面的研究，对于中国民航的安全性、经济性将会有重要的意义，必然会带来相 当大的社会效益。 1 3 论文研究内容与组织结构 本文首先对多机场离场放行的各种限制条件进行了分析，其次考虑地面等待策略，并基于 多机场系统具有公共离场定位点的空域结构特点，建立多机场系统的航班放行策略模型。针对 模型本文采用启发式隐枚举算法，通过引入机场优先级，并协调经由公共离场定位点的各机场 航班比例，优化各机场航班的放行时刻，使多机场系统的航班总体延误最小。同时将“2 对2 ” 时隙交换机制推广到多机场“多对多”时隙交换，考虑了航空公司的经济利益，不考虑航班和 机场优先级，具有较强的公平性。这两种思路是对多机场放行策略从两个不同方面的考虑，前 者从管制角度考虑国家空域资源的实时使用效率，后者从航空公司的角度对空域资源的经济效 益做了很好的优化。 本文主要研究多机场放行策略，内容安排如下： 第一章绪论 介绍课题的研究背景和研究意义，总结国内外研究现状，并简述本文的主要工作。 第二章多机场运行特性分析 描述航空器的离场过程，对区域多机场系统给出定义，对机场离场放行的限制因素进行了 分析，如机场地理位置限制、运行限制、相邻扇区管制移交限制、相邻机场进离场航路影响、 共同航路点的影响、机场优先级等。 第三章基于g d p 的多机场放行策略研究 概述了地面等待策略并对其进行了分类；介绍了单机场地面等待问题和多机场地面等待问 题；改进了多机场系统离场放行模型，通过计算机仿真求解各机场航班总延误最小的航班放行 时刻表。 6 第四章多机场时隙交换机制研究 南京航空航天大学硕士学位论文 介绍了协同流量管理中的r b s 模型、c o m p r e s s i o n 模型和s c s 交易机制，并改进了多机场 时隙交换模型，应用贪婪算法对其进行了求解。 第五章系统设计与实现 在中南地区流量管理系统的基础上，增加了多机场离场管理系统模块。 第六章结束语 总结全文工作，并对多机场离场问题提出了相关展望。 7 十g d p 的；机场放行泉镕研究 第二章多机场运行特性分析 由于多机场地面等待问题是一个典型的大系统问题，它维数高，变量多，而且机场和机场 之间的航行计划相互关联，随着时间的推移整个空域的流量不断变化互相影响。要对这个 复杂的太系统求建立适于分解的台理模型，并找出台适的解决方法，需要对多机场离场的各种 甩制因素分类进行分析。 2i 多机场系统 某些经济区域的核心经济城市至少都建有两座以上的大型机场，形成了多个机场服务于同 一地区的所谓多机场系统( m u ma 】p 鲥甲脚n ) 。目前世界主要多机场的分布情况见图2 1 。 ， ! i _ | _ ：审 j ，+ j 匕* i 礤驴 船， 一 ；摩 、 图2i 世界范围内多机场系统分布图 我国长三角都市群以上海为龙头，包括浙江省杭州、宁波、绍兴和江苏省南京、无锡、苏 州、常州等1 5 个城市，地区总面积约i l 万平方公里，占我国国土面积的1 ，人口8 1 6 0 万， 约占人口总量的6 长三角地区现有各种规模的运输机场1 1 个。我国珠江三角地区( 此处指 大珠三角地区) 都市群，包括分布于广东省南部珠江域沿岸的广卅 、深圳、珠海、佛山、惠州、 中山、东莞、肇庆、江门9 座内地城市和香港、澳门特g 行政区，区域面积42 8 万平方公里， 区域范围内核心城市为广州、香港、浑圳市。目前珠三角区域范围内共建有5 个大型民用运输 机场，分别是广州白云国际机场、深圳宝安国际机场，珠海三灶机场、香港国际机场和澳门国 际机场，五个民用运输机场之间的直线距离不超过1 5 0 公里，此外。还有3 座军用机场和两座 直升机场，机场密度居全国之首，其分布见图2 2 l 。 一鬻_ 商京航i 航天大学硕学位论i 图22 珠三角机场分布 22 离场放行过程概述 航空器从进场到离场是一个复杂的过程，见圈2 3 。开始着陆时航空器下降高度由区调移交 给进近，然后航空器由进近移空给塔台，着陆后由塔台移交给地面管制，最后移交给机场或航 空公司。航空器着陆后滑行至停机位，加轮档下乘客，卸载货物，补给油料等，然后登机， 撒轮档准备开车，槽行至跑道口进入起飞队列，起飞，出队。 离场过程是进场过程的反向过程。当航空嚣准备离场时，管制员给予放行许可。地面管制 员随后指引飞行员以便控制航空器在滑行道的运动。当航空器接近跑道末端并且不再与任何其 它航空器产生冲突时地面管制员就会将航空器的控制权转交给塔台管制员。当航空器安全起 飞后，塔台管制将航空器移交给进近管制，进近引导至航空器到达一定高度或位置时将航空 器移交给区域管制，区域管制将航空器引导到指定航路或区域出口，再将航空器移交给另一个 区域管制。整个过程采用过站程序管理备单位分担责任。 基于g d p 多机场放行镕略研究 目珏目 酾掘熬辈。 应用僦过蛄程序管理系统 严严 移竺增豳 ，8m 图23 单机场离场过程 23