毕业论文-西安区域05扇区入界流量优化关键问题研究

第 页毕业论文 西安区域05扇区入界流量优化关键问题研究 摘要 近年来我国民航运输的持续高速发展，不仅极大地激活了航空需求，也导致飞行流量的迅猛增长，另一方面，我国现有的基于空域结构，网络布局，通导设施等构建的流量管理系统已不堪重负。通过增开管制扇区，将空中交通适当分配给多名管制员负责，并加强扇区间的协调配合，可有效减轻管制工作负担、提高飞行安全。本文针对西安飞行区域现有的飞行流量、管制员工作负荷、以及扇区容量等情况，研究区域导航下西安区域的扇区流量优化问题研究。首先本文详细总结了已有的空域容量的研究结果，分析了它们的优缺点和存在的问题，为本文的研究工作找到了突破口。然后，针对西安区域现有的飞行流量、运行风险、管制员工作负荷、以及扇区容量等等具体实际情况，本文运用现有的飞行流量模型、运行风险评价模型、管制员工作负荷模型、以及扇区优化模型等四种数学模型，提出了一种西安扇区流量优化的方案。关键字：西安区域；入界流量；05扇区第 页中国民航飞行学院毕业论文 RESEARCH ON THE KEY PROBLEMS OF THE OPTIMIZATION OF THE FLOW RATE OF THE 05 SECTOR IN THE AREA OF XIAN Abstract Student：Li Hanwen teacher：Kang RuiIn recent years, the sustained and rapid development of Chinas civil aviation transport, not only greatly activated in aviation demand, also led to the rapid growth of air traffic flow, on the other hand, our country existing based on spatial structure, network layout, guide facilities construction of traffic management system have been overwhelmed. The additional control sector, air traffic and assign the appropriate to the number of controller is responsible for, and strengthening of inter sector cooperation, can effectively reduce the regulatory burden and improve flight safety. This paper for Xian flight region existing traffic on the fly, the workload, and sector capacity situation, the study area navigation in Xian area sector flow optimization problem research.First of all, this paper summarizes the existing research results of airspace capacity, analyzes their advantages and disadvantages and existing problems, and finds a breakthrough for the research work in this paper. Then according to the actual situation of the Xian area existing traffic on the fly, run the risk, the workload and sector capacity and so on. In this paper, the use of existing air traffic flow model, operation risk assessment model, model of controller workload, and sector optimization model of four kinds of mathematical model, a Xian sector flow optimization scheme is presented. Key word：Xian area optimization of the flow rate 05 sector 第 页中国民航飞行学院毕业论文 目 录1.绪论51.1选题背景及意义51.2 国内外研究现状61.2.1 流量预测研究现状61.2.2 终端区航路优化的研究现状61.2.3空域扇区划分研究现状72西安区域空域状况分析82.1西安管制区扇区划分及走廊口设置82.2西安管制区主要冲突93影响交通流量和进近模式的因素133.1空中交通管制因素133.1.1主观原因133.1.2客观原因133.2空域因素143.3飞行因素143.3.1机组准备情况143.3.2飞行员操作因素153.4跑道容量因素153.5其他因素154 终端区空中交通流量管理164.1 空中交通流量管理的定义和任务164.2 空中交通流量管理的作用和目的164.3 空中交通流量管理的分类165进近排序模型185.1终端区飞机着陆顺序的排定及优化185.2 问题的提出185.3 模型假设195.4 排序原理195.5终端区模型的建立205.6速度问题的解决26参考文献29第 1 页中国民航飞行学院毕业论文 引言近年来，伴随着西安的巨大发展与变化,西安咸阳机场民航旅客量大幅增加，驻西安的航空公司也发生了很大的改组,公司航空器趋向大型化；再加上航空器日益增多，飞行流量的不断增大，航线网络规模不断扩大，飞机间的冲突也越来越频繁。咎其原因，不难发现绝大多数事故都是由于西安特有地理条件、空中走廊、航路和空域结构的局限性所导致。因此对现有空中走廊、航路和空域扇区结构的优化成为了改善机场空域流量，减轻管制员工作负荷的必要途径。而如何对流量进行优化则是一项复杂而艰巨的工作。当今民航已经向国际统一化的趋势发展,各国对航路/航线和空域扇区规划制定方面有着不同却又相似的方法,学习借鉴民航发达国家的历史经验对于在提高航路/航线和空域扇区的优化这方面有很大的帮助,再结合当地地理人文条件形成具有地方特色的优化方案。近年来，关于如何提高优化管制终端区空域流量是国内外航空界界研究的一个热点问题。本文的目的就是建立区域流量模型，分析现行的流量控制方法存在的问题，找到并分析西安区域05扇区入界流量可优化的关键问题。1.绪论1.1选题背景及意义自改革开放以来，中国民航进入了高速发展的阶段。特别是80年代以来，由于中国经济的高速增长，为我国航空运输事业的发展提供了良好的外部环境，8090年代航空运输量以年平均近20%的速度增长。据最新出版的民用飞机中国市场预测报告（19972016）显示，预计19972006期间，中国航空客运周转量年均增长率将为11.9%，2006年将达到2294亿人公里，是1996年的3.l倍；20072016年期间的平均增长率将为9.2%，2016年将达到5543亿人公里，将是2006年的2.4倍。整个期间预测，旅客周转量将增长7.4倍，平均增长率为10.5%，高于国民生产总值（GDP）的增长率。航空货运量1998年为67808万吨，1999年在此基础之上增长了12.3%。据国际空运协会（IATA）和国际民航组第 27 页中国民航飞行学院毕业论文 织（ICAO）报告显示，中国19942003年的10年货运增长85，此后将以年增长率5.5的速度增长。我国航空运输在全世界的比重将由1996年的2.4上升到2016年的6.7。1随着航空运输业的发展，飞行流量不断增加,于此同时也产生了一些新的问题，例如：空域相对拥挤、地面设备的严重滞后、飞行冲突不断增加、人员素质难以适应等等；而这些问题常常导致在起飞前的飞行延迟、飞行中的等待、使用不经济的飞行高度层、改变航线或改航、打乱班机时刻、给航空器经营人带来经济与燃油损耗、机场或候机楼的拥挤和旅客不满意等多种负面影响。而终端管制区又是飞机上升下降最频繁的阶段，飞行冲突点相对最多，加上以上存在的诸多问题使得在终端管制区产生飞行冲突的机率不断增大。虽然目前许多地方已经实施了雷达管制，缩小了飞行间隔，有效的提高了终端管制区的运行效率，但由于终端管制区的运行效率受很多因素的影响，雷达管制不能保证效率的最大化。1.2 国内外研究现状 近些年来，国内外学者在终端区空域规划方面的理论研究很多，包括终端区流量优化管理、终端区空域扇区规划等都取得了一些成果，但是值得注意的是，关于终端区空域结构优化的研究始终没有一套系统的理论和方法，甚至是国际民航组织（ICAO）至今都尚未定义出终端空域的概念。欧洲航行安全组织对终端空域的定义是“终端空域是描述环绕某个机场提供空中交通服务空域的一般术语，它包括了目前在欧洲民航会议地区通用的所有各类术语”。对于终端区空域结构的优化，首先必须在采集空中交通相关历史数据的基础上对未来终端区空域内的飞机流量进行准确的预测，获取未来终端区空中交通分布状况，再实施终端区空域规划和航路网络规划。因此，选择合适的预测方法，获取准确的流量预测结果是终端区空域结构优化的前提和依据。1.2.1 流量预测研究现状有关交通流量预测的方法很多2,3：移动平均法、指数平滑法、回归分析法以及神经网络预测法等。移动平均法是用分段逐点推移的平均方法对时间序列数据进行处理，找出预测对象的历史变动规律，并据此建立预测模型的一种时间序列预测方法，它是以假定预测值同预测期相邻的若干观察期数据有密切关系为基础的；指数平滑预测法是在移动平均预测法的基础上发展起来的一种预测方法；回归分析法是根据交通流量的历史数据，建立回归模型，用以对未来长期交通流量做出预测；神经网络法有很好的曲线拟合能力、学习能力及抗干扰能力，但在精度要求方面对数据的需求量过大。在对飞机流的预测中，美国联邦航空局（FAA）根据全国流量分布特点，对于未来1020年全国交通流分布、旅客出行的分布等状况采用回归分析方法进行宏观预测；欧控组织根据所在区域空域分布特点、经济和人口增长等采用经济学思想，建立工业和经济发展模型对未来航空运输发展进行宏观预测；从国外的文献报道看，其预测更加重视宏观预测，多采用回归分析方法。国内也有一些学者在进行空中交通流的预测研究：崔德光等3提出人工神经网络结合回归分析方法对于大王庄导航台的流量进行短期预测，获得优于单独的人工神经网络预测结果；徐肖豪等4,5提出了建立基于时间序列的空中交通流量统计和预测系统，通过历史数据对全国性或大区域范围内的长期流量进行预测。1.2.2 终端区航路优化的研究现状对于终端区航路容量，国外学者在这方面的研究主要从三个方面着手：一是通过建立数学模型的方法来进行研究， Milan Janic和Vojin Tosic6在于1981年对终端区容量估计问题做了初步的研究。他们对空域结构做了很大程度的抽象和简化，建立了估计终端区容量的模型；国内南京航空航天大学的胡明华教授71999-2000 年对终端区容量模型进行了研究，建立了航路节点容量计算模型。这种方法的局限性在于很难建立一个能够精确描述管制区域的数学模型。二是针对管制区管制员的工作负荷量来评估终端区的容量，如日本电子导航研究所的Noriyasu Yofukuji 教授8对日本东京机场进行了调查和统计分析，他根据在交通繁忙的情况下，管制员工作的完成情况来判断空域容量极限是否达到，从而推算出终端区空域航路的实际最大容量。三是在考虑了前两种方法的局限性后提出来的，那就是对所要评估的空域航路进行仿真。这种方法的提出和实现有赖于计算机技术的飞速发展，在考虑各种限制因素和实际地形地貌的情况下对空域航路进行仿真飞行，再对仿真结果进行分析统计得到容量结果。但这种方法基于强大的计算机支持，很难独立实施。Doc9426-AN/9249和国际民航公约附件11 包含了部分与航路规划有关的内容， Doc9689-AN/95310总结了国际民航界在航路规划和空域规划设计方面更广泛的量化研究成果，成为国际空中交通管理人员进行空域规划设计的理论依据。航路网络规划方面，在过去的几年，许多数学模型和仿真模型已经被研究人员引入用以解决航路网络的拥挤问题。2004 年法国学者Thomas Riviere11提出在减少管制扇区前提下重新设计欧洲航路网，研究从一个简单的覆盖欧洲的网络开始，通过追求航路网的最短路和最大容量为目标对航路进行优化，最后得出的航路网在最短路的基础上增加了16的容量。1.2.3空域扇区划分研究现状空域扇区划分是指空域规划部门为了保证飞行安全，提高空域利用率和经济效率，将管制空域划分为几个扇区，每个扇区对应设立一个管制席位，进行空中交通的指挥和协调工作，通过扇区划分提高空域整个空域的容量。目前，国际上空域扇区规划设计的研究，主要集中在数学模型的选择上，如图论，遗传算法，计算几何，约束的规划方法等。该方面的主要研究成果有： Yousefi，Arash12提出一种基于管制员工作负荷和空域复杂度的扇区优化方法，该方法将美国国家空域按高度划分为三个高度区间，然后再对各区间进一步划分成2566 个单元，通过计算各管制负荷单元时间和空间对管制员工作负荷的贡献量来确定管制员工作负荷，该方法存在如下问题：第一，只考虑同高度层之间规划后的协调工作负荷问题，而未考虑对不同高度层之间的管制协调负荷问题；第二，优化以整个美国国家空域为研究背景，无法应用于存在频繁起降的终端区空域；第三，对于交叉点、冲突点的规划等重要约束条件没有考虑。国内空域扇区规划的研究开展较晚，韩松臣、裴成功13-15根据DORATASK方法12，通过对采集数据的分析，形成一个有通用性的管制员工作负荷统计模型，用来计算该管制席位管制工作负荷；王莉莉等16提出了基于排队论确定扇区划分数量的算法，以确保扇区管制员的工作负荷在可承受工作强度之内。该方法存在的不足是一方面仅以可测量的工作负荷（通话）作为扇区设计的基础，没有考虑管制员的思考负荷以及对突发事件处理所产生的工作负荷；另一方面，扇区的规划还应考虑保持不同时段各个管制扇区工作负荷的均衡以及扇区功能的尽量单一。2西安区域空域状况分析2.1西安管制区扇区划分及走廊口设置西安进近管制区范围仍为现行的进近管制区范围，具体为：洛川（N354646E1092239）商县N332646E1091258宁陕长武N353730 E1080846罗儿原 洛川（N354646E1092236）之连线范围内，垂直范围为标准大气压高度6000米（含）以下，塔台范围除外。 西安管制区目前分为5个扇区：西安区域01号管制区，西安区域02号管制区，西安区域03号管制区，西安区域04号管制区，西安区域05号管制区；3个走廊口：咸阳VOR宁陕VOR 咸阳VOR长武NDB 咸阳VOR宜君VOR/NDB. 图 1 西安管制区域图2.2西安管制区主要冲突 目前西安管制区机场密集，军民航飞行活动频繁。以西安咸阳机场为中心，半径50千米内，分布着阎良，武功，户县，临潼等四个大型军用机场。军民航空域使用矛盾突出，潜在不安全隐患突出，空管安全压力增大，是全国防相撞热点和重点地区之一。2.3西安区域05扇区相关：西安进近管制05扇区：ZLXYAP05扇区范围:（一）跑道05方向时：ZLXYAP05扇区：水平范围：N341653E1080221N343651E1083427N342648E1084506N341138E1085226N335337E1082747N341653 E1080221连线范围内；垂直范围：修正海平面气压3000米（含）至1800米（不含）。（2） 跑道23方向时： ZLXYAP05扇区：水平范围：N343651E1083427N345400E1090127N342700E1092955N341550E1091447N341138E1085226N342648E1084506N343651 E1083427连线范围内；垂直范围:修正海平面气压3000米（含）至1800米（不含）。开放时间:西安进近管制05扇区：开放由带班主任根据空中流量决定。ZLXYAP02ZLXYAP01ZLXYAP05ZLXYAP04ZLXYAP03N35 02 19E109 35 47N33 58 39E108 07 4005跑道扇区划设示意图ZLXYAP01ZLXYAP05ZLXYAP04ZLXYAP02ZLXYAP03N35 02 19E109 35 47N33 58 39E108 07 4023跑道扇区划设示意图3影响交通流量和进近模式的因素3.1空中交通管制因素空管系统的主要任务是对进行航空飞行的航空器提供安全保障。影响空管系统的因素可以分为以下两个方面：主观原因和客观原因。3.1.1主观原因在空管工作中主体是人。当然主观原因指的就是关于管制员管制工作的原因，主观原因中又分为：3.1.1.1管制能力的技术因素管制员管理能力直接与其空域理论及飞行的相关知识，飞行调配的经验。特殊情况处置的培训及个人智力，性格特征相关。而管制员的飞行调配，决策速度，飞行动态记忆能力，VHF通讯技巧等，这些能力综合在一起就形成了衡量管制能力的指标之一一个人管制容量指标，管制容量即管制员个人管制能力所能同时容纳管制飞行的数量上限。另一个指标是管制员安全记录，它是对管制人员安全稳定性的衡量。3.1.1.2管制能力的非技术因素：管制员的心理、生理状态是管制员工作过程中时刻起作用的重要因素如：紧张度。注意特征，情绪以及不断变化者的疲劳程度都很大程度上影响着管制员的工作表现。带病工作，睡眠不足，过于消耗精力的娱乐，药物的作用以及触发不良情绪的生活事件都直接导致管制员的工作状态不佳，即使管制员以正常状态投入工作，但要求管制在整个工作过程中保持最佳状态也是不切实际的。不断加剧的疲劳程度也是高强度连续工作中逐渐起作用的因素。疲劳在管制工作中的危害是隐性的，疲劳能导致注意力不集中，反应迟钝，决策能力和监控能力下降，最终导致工作的失误。3.1.2客观原因培养环境因素即指有关管制能力技能培训的客观因素例如：培训力度、培训时间、培训效果都是所指的培训环境因素，它们可以从客观上影响管制员的管制能力。培训力度强、培训时间长、培训效果好都能使管制员的管制能力有较大的提高。目前我国的雷达管制员的训练时间就很少，不能够胜任高密度飞行的管制指挥，在飞行量不断增加的空域环境中不仅工作效率低，而且直接威胁着飞行安全。3.1.2.2工作环境因素 是指在不同地区，不同时间的环境下，地形、天气等特点的不同造成复杂程度的不同，对管制工作和管制能力带来的影响。例如：当军航活动使空域使用受到突然限制；遭遇飞行特殊情况（如故障，劫机等）或恶劣天气条件下的绕飞，返航，备降以及航路，机场天气好转后蜂拥而至的积压航班都可以使得管制工作量在短时间内剧增，工作负荷的变化同样也会使管制能力发生变化7。3.2空域因素在雷达管制中空域对交通流和对终端区的排序都起着重要的影响作用。终端区内的空中交通流相对排列很紧密，由于飞机起、降的影响很容易造成飞行冲突，而空域受到地形、进离场航线、可用高度层等因素的限制，不可能完全合理的解决冲突，造成飞机进近时需要等待，不合理的空域结构，会使等待进一步，进近飞机的延误时间增长，使在固定时间内，终端区的空中交通流量下降。同时，进、离场进近飞机的进近队列时不得不仔细考虑，不能够完全按到场的先后时间次序安排飞机的进近次序，不使于进近队列的控制。因此，空域内航路和航线结构的优化调整，能够使终端区的空中交通流量加大，密度增加提高空域的有效利用率。北京、广州、上海、珠江三角洲和成都地区的航路、航线结构进行了优化调整后，基本实现了上述地区进离场的单向飞行，有效地缓解了飞行矛盾，为飞行安全创造了条件，完善空域结构，可以有效地增加飞行繁忙地区和航路、航线的容量，解决空域和航路、航线运行中的瓶颈现象奠定了基础。173.3飞行因素飞行因素包括机组准备情况和飞行员操纵因素。这两个因素对飞行安全和交通流的情况会产生直接的影响。如果机组准备不足或飞行员操纵失误，都可能会导致不必要的延误与冲突的发生，当然更有甚者致使机毁人亡。所以飞行因素对交通流的影响相当重要18。3.3.1机组准备情况机组在飞行前，应该对所飞行的区域做认真的准备。检查飞机的性能是还满足进行此次飞行的要求。如果忽视这些起飞前的准备，那么对于在进近时发生的特殊情况可能应付仓促。如对终端区的进场航路不够熟悉就会导致飞行员需要更多的时间进行查阅工作并且不得不与管制员进行多次交流，致使有时航空器不能正常进行，造成一定的延误。同时，由于终端区的气象情况是不断变化的，对于区域的天气变化，只有作好准备工作拿出预案才可以在不同的进近情况下仍然能够完成管制员的指令，而不影响到进近的其他航空器。3.3.2飞行员操作因素飞行员的操作对于终端区的航空器进近也是存在影响的。如果飞行员的反映时间比较长，相应的安全余度也就要增加，在计算飞机到场时间时，相应的时间也要增加。在排序时，也要考虑到这个因素。这样空域的利用率就减低了，也造成管制员在工作的额外负担，另外，比如说飞行员在起飞前进行了过度的娱乐活动，而使得在飞行时不能集中精力，还可能听错管制指令，造成一些不必要的失误等。3.4跑道容量因素跑道容量的限制是机场容量限制的另一个只要因素。跑道容量是指一个跑道体系处理飞机活动的最大能力，即当有连续服务时，在一个规定的时间间隔，确定一个跑道体系所容纳的最大飞行架次。影响跑道容量的因素有以下几个方面19。跑道系统的设计结构、跑道数目、跑道间隔和方向；滑行道与跑道出口的设计结构、数目和位置：机场空域入口的设置、大小和数目；起飞和下降飞机的跑道占用时间；在等待服务的飞机队列中，起飞和下降飞机的类型和不同类型飞机的排列方式；天气因素，特别是可见度，因为对于不同天气情况，空管规则差别很大：风的情况，它可以导致所有的跑道都无法使用：进行复飞操作的飞机数目和频率；导航设备的性能；3.5其他因素天气因素；陆空通话和通信设备因素；空军活动因素；4 终端区空中交通流量管理4.1 空中交通流量管理的定义和任务空中交通流量就是单位时间和空间范围内航空器飞行的数量。所谓空中交通流量管理就是指科学地安排空中交通流量，使得空中交通管制系统中总的交通流量与其容量相适应。即充分利用空中交通管制系统的可用容量，使得空中交通安全、高效、有序、提高空间和时间的利用率。空中交通流量管理的任务是完成收集各航空单位的飞行计划，统计空中航路飞行量和单位时间通过空域和机场的飞行量，合理安排飞行计划，减少延迟和等待，保证进入空中交通管制网络的飞机能够顺利地通过瓶颈地段，使空中交通流量通畅高效。4.2 空中交通流量管理的作用和目的空中交通流量管理的作用是监视一定范围内的空中交通状况，进行交通流量的预测和控制，防止特定航线、区域或扇区的流量过分集中，以求增大整个航空管制区的处理容量，减少空中和地面飞机的延误，空中交通管理系统超负荷运转，保证空中交通的安全和畅通20。空中交通流量管理系统的目的主要是为了安全而有效的使用现有的空域，ATC的服务和机场能力，并且提供给飞机运作者及时精确的信息以规划和实施一种经济的空中运输，以尽可能准确的预报飞行情报而减少延误。其目的实质就是减轻空中交通管制人员的负荷，同时，为用户提供良好的空中交通管制环境。4.3 空中交通流量管理的分类空中交通流量管理主要可以分为先期流量管理、飞行前流量管理和实时流量管理。实施流量管理的原则是以先期流量管理和飞行前流量管理为主，实时流量管理为辅。先期流量管理或称战略流量管理，包括对全国和地区航线结构的合理调整、制定班期时刻表和飞行前对非定期航班的飞行时刻进行协调。主要是在实施之日的几个月至1天前进行的调整，在制定班期时刻表时对定期和非定期航班的飞行时刻加以控制，避开空中交通网络的拥挤区域，防止飞机在某一空域过于集中而使流量超过负荷。其手段主要是统一安排各航空公司的航班时刻表，合理分布各条航线，各个时间段的交通流量，避免繁忙航路上高峰时刻的拥挤现象。其目的是防止航空器在某一地区或机场过于集中和出现超负荷流量，危机飞行安全，影响航班正常。飞行前流量管理或称战术流量管理，是在飞机起飞前24小时之内，调整其起飞时刻，使其按照规定的管制间隔有秩序地飞行。其手段主要是通过改变飞机的起飞(即采用地面等待策略，调节飞机流量)、降落时刻，改航等方法，保证交通流量和飞机间隔。当发生天气恶劣，通信导航雷达设施故障，预计扇区或区域流量超负荷等情况下，采取改变航线、改变航空器开车起飞时刻等方法疏导空中交通，维持正常飞行秩序21。实时流量管理是指在飞机起飞前24小时之内，调整其起飞时刻，使其按照规定的管制间隔有秩序地飞行。其手段主要是通过改变飞机的起飞(即采用地面等待策略，调节飞机流量)、降落时刻，改航等方法，保证交通流量和飞机间隔。当飞行中发现或者按照飞行预报将要在某一段航路、某一区域或某一机场出现飞行流量超过限额时，采取改变航段、增开扇区、限制进入管制区的时刻或者限制通过某一导航设备上空的时刻，安排航空器空中等待，调整航空器速度等方法，控制航空器按照规定间隔有秩序地运行22。就实时流量管理来讲有两个层次。一个层次在航路上，管制区之间，各个航路汇集点（节点）及地区航路网络和全国航路网络上的整体的流量管理。另一个层次是在终端区，它考虑的对象是在一定距离范围内一个或多个具有单条跑道或多条跑道的机场，根据跑道的接收率在可调空域范围内对于进近的飞机进行排队。飞机的整个飞行过程包括七个阶段：准备起飞、飞离机场、飞离终端区、加入航线、到达终端区、进近管制和到达机场。终端区流量管理主要涉及到达终端区、进近管制和到达机场三个阶段。其中到达终端区的阶段是飞机飞临目的地机场所在的终端区，申请进入此终端区阶段，在此要向飞机发布一个放行许可并提供飞行数据；进近管制阶段是指飞机进入终端区后，对飞机进行实时管制，同时负责发布飞机继续向前飞行的放行许可；到达机场阶段是飞机脱离进近管制，切入仪表着陆系统或其他着陆设备，进行进场着陆阶段。终端区流量管理主要研究终端区飞机到达流的排序规划问题，在不违反飞机安全间隔的情况下，为保证空中交通流的快速、有序地流动，合理安排飞机着陆次序，根据不同的原则给出相应的算法。机场容量研究的目的之一就是追求机场的需求和机场的接纳容量之间建立起科学的关系，从而减少流量管理，使航空运输有序、畅通。5进近排序模型5.1终端区飞机着陆顺序的排定及优化 排定到达终端区飞机的着陆顺序是终端区交通流量管理系统的一项重要功能。当各个方向来的飞机汇合于某一机场时，必须以一定的顺序和间隔将它们汇到一条航路上，并调整整个过程中的间隔，直至飞机进入跑道入口。在保证飞行安全的前提下，应尽可能地减少延误和总的油耗。安排飞机的着陆顺序时使用什么规则对交通管理的效果，特别是到场飞机总的油耗起着重要作用。“先到先服务”是常用的规则。它已到场飞机预达目标点的时刻为依据，时间在先的先接受服务，参加次序排定，这也是符合实际操作特点的。当一架飞机进入控制范围之后，终端区交通流量管理系统开始使用飞机的正常到达速度，到达跑道的航段距离和预计的空中风，确定飞机的无延误情况下的到达目标点时间，并以次为基础决定飞机的着陆顺序，并初次排定着陆时间。在控制范围的飞机有最早和最晚到达的一个时间范围，它可以通过在飞机正常速度和可允许的最小速度范围内选择适当的一个值来实现。初始排定的着陆时间取下面两值中的大者：无延误预计着陆时间；排在它前面一架飞机的着陆时间 + 间隔标准 + 时间缓冲区。时间缓冲区主要是为了保证系统工作的安全。初期时间排定中的时间冲突只有通过延误本机和后机以及提前本机来解决。当机场到达高峰期时，各个方向来的飞机以接近甚至超过机场接收能力的到达率到场，因此必须优化初始排定的着陆顺序，尽量缩短飞机着陆序列所占用的总的时间长度。到场飞机的种类很多，飞机的尾流间隔是影响总的时间长度的一个重要因素，例如重型机在前，轻型机在后时要保证230秒尾流间隔；而调换一下顺序，轻型机在前，重型机在后，则仅需88秒，根据系统内包含飞机的类型，可以获得飞机间隔矩阵，着陆序列的时间优化，就是科学地调整飞机的着陆顺序，达到间隔最优，占用时间最短235.2 问题的提出在雷达管制中，管制员只要按照雷达管制中的最小间隔标准对航空器排序，以便飞能够在空中有序飞行，就达到了管制目的。所以对航空器的排序方法的研究就显得很是迫切和需要了。下面就航空器在进近中的排序问题做一个模型，以便更好的利用飞行容量，达到真正雷达管制的目的。从终端区的不同方向以不同高度进近，由于机型及天气人的因素等综合因素的影响，多架飞机到达机场的过程是一个动态过程，其进近次序及每架飞机所需要的最短延误时间并不能从雷达信息中直接得到，因此，现在世界上各主要终端区对进近航空器的进场次序的调配还停留在管制员的经验级个人的主观判断上，甚至设产专门的管制席位对进近航空器实行排序。而人由于受各方面的影响以经验公式和个人的判断得到的进近次序缺乏确确的理论计算，有时甚至会影响交通流量，形成人为的交通拥挤和航班延误造成不必要的空中等待，从而大大降低了空域的使用率。同时对终端区进近航空器的流量控制，也还停留在人工判断的基础上，在快达到饱和时才进行控制，往往为时较晚且无法准确的控制，同时控制之后可能没有达到饱和。因此研究航空器在终端区的进近次序即对航空器的排序是尤为重要的18。人工排序时管制员需考虑的因素有：航空器最后进近入口的距离、航空器的类型或者说是航空进近航段的速度、航空器进入终端区的高度、航空器进港航线的长度及其可伸缩性等。这些因素虽然错综复杂，但其最根本的依据仍是各航空器预计到达进近入口的早晚，其实也就是早到早服务的原则，依据这一原则就可以建立排序数学模型，模拟管制员的人工排序过程24。5.3 模型假设1.该模型不考虑起落飞机之间的飞行冲突；2.不考虑终端管制区的飞行容量。5.4 排序原理在终端管制区给飞机排序的基本原则是“先到先服”，但考虑到飞机之间的尾流因素、机型的差异、最后进近速度的不同，为了达到效率的最大化，我们就必须对按照每架飞机的ETA先后顺序给出的初始排序方案进行调整，从而达到缩短队长和降低平均延误的目的。空中交通管制系统中的排序模型应该能够在进近终端交通繁忙的情况下，高效地为到达的空中交通流安排合理的着陆次序，并在不违反航空器间隔规定的情况下给出各航空器经过优化的着陆时间。进近排序模型给进近的飞机进行两次排序，第一次根据每架飞机的ETA的先后顺序得到初始排序结果；第二次根据飞机机型的差异、最后进近速度的不同以及尾流的因素对飞机之间的顺序进行再次调整，称之为微调。动态规划是对进近次序的微调，它是将飞机之间可能存在的排列顺序全部罗列出来，寻求一个最短的路径（即每架飞机之间的时间间隔之和最小），就得到了改组飞机的最佳次序。5.5终端区模型的建立空中交通管制系统中的排序模型应该能够在进近终端交通繁忙的情况下，高效地为到达的空中交通流安排合理的着陆次序，并在不违反航空器间隔规定的情况下给出各航空器经过优化的着陆时间。本模型介绍的先进先服务（FCFS）算法是在航空器预计到场时间（ETA）的基础上，对于到达的航空器给出合理的次序，并给出合理的间隔。在此基础上要利用不同类型的航空器相互尾随所需地尾流间隔不同及不同类型的航空器最后进近速度的差异，对航空器的序列进行轻微的调整，从而缩短队长和降低平均延误。5.5.1经过改进的先进先服务（FCFS）算法简单的FCFS算法，依靠飞机的ETA次序来排飞机的着陆次序。而经过改进的FCFS算法采用前面介绍的两个排序界限。每架新来的飞机穿越排序边界时，带来一组新的数据，包括飞机穿越排序边界的时间、ETA、飞机的类型和飞机的标准由系统给出相应的飞机到达跑道的计划到达时间（STA）。具体的算法如下：如果没有先前已排序飞机的STA比新到来飞机的ETA迟时，则先前已排序飞机的STA不受影响。为了保证与前面的飞机保持适当的时间间隔，当前飞机安时间间隔要求的计划到达时间（STADR）如下表示：当前飞机的计划到达时间（STADR）=前一架飞机的计划到达时间（STA）+后一架飞机与当前飞机的间隔要求+安全余度新到来飞机的STA取STADR和ETA两者之间较大的一个时间值。在此算法中，不考虑飞机在终端区进近过程中的冲突，根据雷达管制的要求，只考虑飞机在五边上，应该与前机保持10公里的进近间隔。因此，我们可以看成在极限位置，即前机刚到跑道入口时，后机与前机保持10公里的进近间隔。安全余度在考虑别的影响因素的情况下得到，按照航空器的分类，大型机、中型机和小型机尾随尾流间隔各不相同，在最后进近中应保持的距离间隔也不一样。由此，可以得到：当前飞机的计划到达时间（STADR）=前一架飞机的（STA）+S安全间隔+安全余度S安全间隔=max（10KM/后机的最后进近速度，前机与当前飞机的着陆尾流间隔）新来飞机的STA=max（新来飞机的STADR，新来飞机的ETA）如果新到来飞机的ETA落在了先前已排序的飞机所停留的时间间隙内，而且已排序的飞机中没有一架进入冻结区，则新到来的航空器按照其ETA插入飞机队列中，并且保持与前一架飞机的合适的间隔，所有在新到来的飞机后面的先前已排序好的飞机则按照相互间的间隔要求重新进行排序，并改变相应的STA。如果有已冻结的排序飞机的STA比新到来飞机的ETA迟时，则首先检查是还存在足够大的时间间隔，使新到来的飞机按照规定的时间间隔插入到一架已被冻结的飞机的前面，而又不改变其他任何一架已被冻结的飞机位置。如果找不到这样足够大的时间间隔，则新到来的飞机被排序到第一架还没有冻结的飞机前面，在新到来飞机后面还没有被冻结的飞机则需要重新排序。FCFS算法常产生排列紧密的空中交通流。相对于它们的ETA，每组空中交通流中的第一架飞机没有延误，而随后的飞机越在后面延误越多，而且每组空中交通流之间又存在着较大的时间间隔。 图5 排序流程图5.5.2带有约束的位置偏移（CPS）的动态规划优化由经过改进的先来先服务（FCFS）算法排序得到的飞机队列是由不同类型的飞机混合组成的，由飞机尾流列表可知，不同类型的飞机相互尾流所需要的尾流间隔也不同。且不同飞机的最后进近速度也有差异，所以利用不同的尾流间隔及不同飞机由最后进近速度不同所产生的时间差异，对前面得到的飞机组进行协调，从而达到缩短对长和降低平均延误的作用，这就是CPS动态规划优化的功能。CPS动态规划优化是建立在动态规划的基础上的，并且只有在一组飞机的位置已全部给定的情况下，才能对它们进行彻底的优化。它对所有可能的飞机排列树进行寻优，找到一条花费（此处指每两架飞机之间所需的时间间隔的总和）最小的路径，即得到了该组飞机的最佳次序。但这样可能会试队列的次序有较大的变动，加重管制员的负担，同时也增大了实现的难度，在此提出了带有约束的位置前移，即飞机的位置只能被排在初始位置附近最适当的位置上，它只能与其它前面或者后面一架飞机交换位置。图6给出了一个简单的8机进近模式，规定每一组中第一架飞机的位置不能改变25。 C D E F G H当前飞机后面一架A B C D E F G 最初给定的飞机 队列 B C D E F当前飞机前面一架 图6 8机进近模式飞机的位置变化 在图6中，A始终是队列中的第一架飞机，在最后的队列中可能出现在第二位置上的飞机是B和C，如果最后得到的队列A-B，那么C或D就可能出现在第三的位置上。然而，如果队列开始于A-C，那么B在队列中一定被排在第三位，因为B能毫无延误地出现在第三位，沿着同样的路线推理方法就可以把队列的剩余部分排好。在排列过程中对最小花费计算是通过动态规划理论实现。5.4.2.1阶段按照时间顺序排列的航空器21，依照进近次序可以分为7个阶段：从1到7可以分成从1到2（有A-B,A-C两种选择）；2到3（有B-D,B-,C-B三种选择）；3到4（有C-D,C-E,B-D,B-E,D-C五种选择）；4-5（有E-D,D-F,D-E,C-F,C-E五种选择）；5-6(有F-E,E-F,E-G,D-G,D-F五种选择)；6-7（有G-F,F-H,F-G,E-H,E-F五种选择）。为了方便计算，将上述排队序列的7个阶段稍做修改，得到3条分离的排序队列，分别计算得出这3条排序队列中的总花费（指每两架飞机之间所需的时间间隔的总和）最小的路径，再比较三条队列的最小花费，三条路径中的最小值，即为所求排序方案。分别从G-A,F-A,H-A，共7个阶段，k=1、2、3、4、5、6、7。 B1 A D1 E1 C2 A E1 C2 D2 B3 AF G B3 C4 A D2 E3 C4 B5 A图7 由F到A的排序 C1 D1 B1 A E1 D2 C2 B2 A F1 B3 C3 AH D2 E3 C4 B4 A C4 D5 B5 A E2 F3 B5 C5 A D5 C7 B7 A图8 由H到A的排序 C1 B1 A D1 E1 B2 C2 AF1 C2 D3 B3 A C4 B4 A D2 E3 G B5 C6 A C4 D6 B6 A E2 F3 C7 B7 A D5B8 C8 A图9 由G到A的排序5.5.2.2状态将各阶段开始时的客观条件定为状态，即各阶段中，在航空器进近排序队列上，各航空器所对于的进近顺序。描述各阶段状态，即为航空器在各阶段的可能进近顺序变量。所有状态变量sk表示第k阶段的状态变量。所有状态变量sk的取值集合（状态集合）用sk表示。根据电台规划原理，各阶段的状态给定后，则此阶段的航空器进近次序给定，在这阶段以后过程的航空器进近次序的改变，不受以前各阶段状态的影响，无后效性，以次构造动态规划模型，可得到：以G作为最后进近飞机的状态分析：第一阶段状态为：G；第二阶段状态为：F1,E2(有两个)；第三阶段状态为：E1,D2,F3(有三个)；第四阶段状态为：D1,C2