毕业论文-考虑入界限制的双流机场晚高峰放行优化策略研究

中国民航飞行学院毕业论文 第 1 页 考虑入界限制的双流机场晚高峰放行优化策略研究考虑入界限制的双流机场晚高峰放行优化策略研究 摘要摘要 随着民航业的飞速发展 在给我们生活带来便利的同时也出现 了一些需要解决的问题 航班延误的问题 在世界范围内普遍存在 如何 有效缓解机场交通拥堵 加速航班流动 减少航班延误已成为当今民航界的热 点课题 本文针对成都双流国际机场在考虑入界限制的晚高峰放行进行优化研 究 对加快放行速度 减少早高峰航班地面延误时间有实际意义 本文首先介 绍了研究背景及意义 其次对双流机场以及其所在的成都终端管制中心进行了 介绍 说明了机场跑道 滑行道布局结构 管制间隔 指出了造成航班延误的 主要原因 论文针对双流机场流量分布 延误特征等统计数据 结合经典的流 量优化模型构造了双流机场航空器放行优化模型 该模型以总延误时间最小为 目标函数 加入了动态优化的方法 并结合了双流机场的航班实际运行数据 采用本文算法对晚高峰航班序列进行优化排序 并对优化结果进行了统计分析 发现优化后的航班序列放行总时间较少 并有效的减轻了航班延误的状况 最 后对全文研究进行了总结和展望 关键词关键词 入界点 放行优化 联合放行地面等待策略 航班延误 中国民航飞行学院毕业论文 第 2 页 CONSIDERING THE BOUNDARY LIMITS OF THE SHUANGLIU AIRPORT LATE PEAK RELEASE OPTIMIZATION STRATEGY RESEARCH Student XiaDuanLin Instructs teacher KangRui Abstract With the rapid development of civil aviation while bring convenience to our life there is some problems need to be solved Flight delay problems is common in the world and how to effectively alleviate the airport congestion accelerate flight flow reduce the flight delay has become a hot topic in today s civil aviation Aiming at chengdu shuangliu international airport in considering the boundary limits of late peak release optimization research to speed up the release reduce early peak ground delay flights have practical significance This paper first introduces the research background and significance the second to the chengdu shuangliu airport and its terminal control center are introduced the airport runway taxiway layout structure control interval points out the main cause of flight delays Paper aimed at the shuangliu airport traffic distribution delay characteristics such as statistics combined with the classical flow optimization model constructed the shuangliu airport aircraft release optimization model the model with the objective function is minimum total delay time joined a dynamic optimization method and connecting with the actual operation data of shuangliu airport flight the order of the peak late flight sequence optimization algorithm in this paper and the optimization result has carried on the statistical analysis found the optimized sequence of flight release total time is less and effectively reduce the conditions of flight delays Finally the full text research is summarized and prospected Key words boundary limits release optimization CO release of ground holding strategy flight delay 中国民航飞行学院毕业论文 第 3 页 目目 录录 引言引言 4 4 1 1 绪论绪论 4 4 1 1 研究背景 4 1 2 国内外研究现状 4 1 2 1 国外研究 4 1 2 2 国内研究 4 1 3 论文章节安排 4 2 2 成都双流国际机场概况成都双流国际机场概况 4 4 2 1 成都双流机场背景资料 4 2 2 成都双流机场航空业务量现状 4 2 3 成都双流机场场面结构与空域结构 4 2 3 1 成都双流机场概况 4 2 3 2 终端区航路结构 4 2 3 3 离港点设置 4 2 4 造成航班延误的因素分析 4 2 4 1 造成航班延误的主要原因 4 2 4 2 造成双流机场航班延误的主要原因 4 3 3 考虑入界限制的流量限制的多机场协同地面等待策略考虑入界限制的流量限制的多机场协同地面等待策略 4 4 3 1 问题提出 4 3 2 结构划分 4 3 3 建立入界限制流量限制的多机场协同地面等待模型 4 3 3 1 变量描述 5 3 3 2 约束条件 5 3 3 3 航班组优先级定义 5 3 3 4 起飞时限分配原则 5 3 3 5 建立序列树提高计算速度 5 3 3 6 算法步骤 5 4 4 考虑入界限制流量限制的双流机场晚高峰放行优化实例考虑入界限制流量限制的双流机场晚高峰放行优化实例 6 6 4 1 考虑入界限制流量限制的双流机场晚高峰放行延误问题分析 6 4 2 考虑入界限制流量限制的双流机场晚高峰放行优化 6 5 5 总结及展望总结及展望 6 6 致谢致谢 6 6 参考文献参考文献 6 6 中国民航飞行学院毕业论文 第 4 页 引引 言言 随着民航事业的发展 近年全国飞行量增长率高达 15 以上 但是我国航 班还远未达到社会需求 修建机场 开辟航线 增加航班充分利用跑道的要求 仍然比较强烈 随着飞行量的迅速增加 使得各种保障设施已不能充分适应这 种发展速度 以至于在许多航空旅途中 由于时间延误过长而使飞机在快速特 性方面的优点被大大地削弱了 空中交通管制能力和飞行量之间不相适应的矛 盾日益突出 因此如何加强空中交通管制能力 优化飞机的运行环境 保证飞 行的安全流畅 有序的减少飞行延误 已成为当今空中交通管制部门所面临的 迫切任务 怎样能有效的减少飞行延误 保证航班的正点率呢 研究放行优化 是一个比较好的方法 放行优化最直白体现无疑就是航班正点率 航班正点率是衡量航空公司运 行效率和服务质量的重要标准 航班延误是指超过班期时刻表公布的离站时间 后成都为 20 分钟之后起飞的航班 1 1 绪论绪论 1 11 1 研究背景研究背景 近年来 我国民航发展迅速 以 2014 年为例 年航班起降架次达到 850 万架 如图 1 所示 图图 1 1 民航高速发展的同时 航班延误问题日臻严重 这不仅严重影响了旅客 需求 同时对民航经济的持续发展起到了制约作用 航班延误及其引发的投 诉 纠纷逐渐成为社会关注的焦点 直接关系到民航整体服务质量的提高与和 谐民航建设的成败 以 2014 年航班执行情况为例 航班正常率仅为 68 37 相 较于 2006 年的 81 48 年均下降约 1 46 个百分点 如图 2 中国民航飞行学院毕业论文 第 5 页 图图 2 2 年度航班正常率统计年度航班正常率统计 针对航班不正常原因 进行分类统计 统计结果如表所示 表表 l l 20l420l4 年航班不正常原因分类统计年航班不正常原因分类统计 通过表中数据可以看出 由于航空公司及流量原因造成的航班不正常事件较 多 且由于流量原因造成航班不正常的比例呈上涨趋势 因此 针对该类可 控因素展开研究 进行科学合理的流量调配管理意义重大 目前国内针对航 班地面等待问题开展了大量的研究 地面等待能在一定程度上缓解空中的压力 但对于航班延误问题没有太大的改善 由于同一航空器在一天之内 需要执行三 至五次国内飞行任务 因此 由于地面等待可能引发的累积延误问题不容忽视 1 21 2 国内外研究现状国内外研究现状 1 2 1 国外研究 自八十年代中期以来 国外关于出港流量管理的研究十分活跃 在理论 研究和实际应用方面取得了丰硕成果和重大突破 上世纪 90 年代以来 欧美西方国家根据本国 本地区的实际情况和特点 利用先进 科学的流量管理方法和技术 陆续组建了各自的流量管理中心 这 不仅对空中交通流量的协调 控制和管理等方面起到了重要作用 同时还大大 原因所占比例 航空公司原因26 4l 流量原因26 33 天气原因22 34 其他9 54 中国民航飞行学院毕业论文 第 6 页 加速了空中交通流量 提高了空域利用率 减轻了管制员工作负荷 增加了飞 行安全水平 1990 年 Odoni 和 Terrab 对单一机场地面等待策略问题进行了完整的 全 面的研究 提出了一种具有更高效率的算法 1992 年 Odoni 与 Peter B Varanas 等人对多机场地面等待策略问题进行 了论述 1993 年 Richetta 针对静态确定型地面等待策略问题进行了研究 并提出 了随机线性规划解决方法 1994 年 Varanas 等人对地面等待策略的实时性问题以及多机场受限的地 面等待策略问题进行了研究 此外 美国在对相关问题进行理论研究的基础上 把地面等待策略应用于实际的空中交通流量管理中 并且取得了很好的效果 Bersimas 等使用 0 1 整数规划方法对确定型多机场 GDP 进行了研究 并且对航 路空域的容量限制问题也进行了一定考虑 1995 年 Dimitris Bertsimas 及 Sarah Stock Patterson 又把受限元扩展 到了航路上 使该理论更加趋于完善 与此同时 美国麻省理工学院的 Sarah Stock Patterson 对空中交通流量管理中的改航问题进行了研究 并提出了拉 格朗日生成算法 Lagrangian Generation Algorithm 以解决此问题 1997 年 Eugene P Gilbo 首次对起飞和降落容量相互影响的 GDP 问题进行 了同时考虑 提出了机场的起飞 降落容量曲线 并对 Logon 机场进行了仿真研 究 2000 年 Giovanni Andreatta 等人通过对 自由航班 进行了考虑和初步 分析研究 提出了一种更具实时性的整数线性规划模型 2001 年 Thomas Vossen 等人提出了一种优化 协调 交换的 GDP 算法 该 算法建立在协同决策机制的基础上 对如何分配时隙 交换时隙使 GDP 执行结 果更优进行了描述 2003 年 Michael O Ball 等提出了一种基于距离的 GDP 算法 该算法在执 行时只对起飞机场到目的机场的距离不超过一定 距离值 的航班进行考虑 并 距离值 参数的设置进行了讨论 国外对相关方面的研究十分丰富 成果显著 但并未形成空中交通流量管 理的统一模式 也不一定完全适用于我国实情 故而存在一定的局限性 1 2 2 国内研究 国内对空中交通流量问题及相关问题的研究起步较晚 近年来 随着我 国经济 社会的飞速发展 空中交通流量急剧增加 流量问题日渐突出 引起 了国内空管部门和民航院所的极大重视 开展了一系列卓有成效的研究工作 1995 年 胡明华和陈爱民开始对单机场地面等待问题模型展开了研究 并 中国民航飞行学院毕业论文 第 7 页 提出了确定性容量和随机性容量两种情况的数学模型 算法和仿真结果 给出 了确定性多元受限地面等待策略问题的数学模型 与此同时 提出了一个基于 人工智能方法的算法 对随机性多元受限地面等待策略问题进行了初步分析研 究 结合我国广州区域的流量管理实际情况 以确定性多元受限地面等待策略 为基础 开发出一套广州区域流量管理系统软件 1997 年 胡明华和钱爱东等人在多机场地面等待理论的基础之上对多机场 受限的地面等待策略模型和方法进行了分析研究 在给出了确定性多机场地面 等待策略问题的整数规划数学模型的同时 还提出了一种启发式算法 1999 年 李丹阳等人对单机场地面等待问题进行了深入分析和研究 并且 分别提出了相互独立和相互关联降落 起飞的简单和复杂动态规划模型和算法来 解决该问题 2000 年 胡明华与朱晶波在确定性多机场地面等待问题的基础上对航班时 刻优化的理论方法进行了研究 在给出了多元受限航班时刻优化模型的同时 提出了相应的 前推 后推 启发式算法 2002 年 罗喜伶针对单跑道地面等待数学模型 提出了基于离散事件系统 的确定性模型和随机性模型 且对跑道降落服务时间参数以及空中等待和地面 等待费用比参数的特性进行了研究 张新军等人通过将机场 航路管制区作为 飞行流量限制节点 构建了基于地面等待的流量管理整数规划模型 2004 年 罗喜伶提出了基于离散事件系统的起降容量受限的地面等待随机 数学模型 模型中对多跑道 连程航班等因素进行了考虑 李树波等人对解决 单机场地面等待问题的线性规划方法进行了研究并发现其局限性 针对线性规 划方法不足 结合使用排队方法 解决了线性规划方法的局限性问题 同时也 达到了平滑交通流量的目的 2006 年 王莉莉等人对单机场地面等待模型进行了更加深入的研究 并使 用遗传算法对该模型进行求解 1 31 3 论文章节安排论文章节安排 本文主要探讨考虑入界限制的双流机场晚高峰放行优化策略 限于时间 能力 资料 数据 论文主要以分析模型作为主要研究方法 对通过入界限制 的航班放行进行优化 从而减少航班延误率 提高航班正点率 第一章主要介绍了流量优化的重要性以为研究背景 同时对国内外研究对 流量优化研究情况进行了简单的介绍 明确了研究目的以及主要研究内容 第二章是双流机场的相关介绍 第三章是建立入界限制流量限制的多机场协同地面等待模型 第四章结合了通过入界限制的飞行数据和航班数据 对航班进行优化 并 统计优化之后的延误情况 并分析 中国民航飞行学院毕业论文 第 8 页 第五章是对本文的总结和展望 总结本文的主要内容并对所做工作进行评 价 对工作的不足进行分析 2 2 成都双流国际机场概况成都双流国际机场概况 2 12 1 成都双流机场背景资料成都双流机场背景资料 成都双流机场于 1957 年通航 历经多次改扩建工程 该机场现有 1 条 3600 米 45 米和 1 条 3600 米 60 米跑道以及相应的滑行道系统 飞行区指标 分别为 4E 和 4F 建筑面积为 13 2 万平方米的 T1 航站楼和 29 6 万平方米的 T2 航站楼 以及相应的空管 供油设施和各类公用配套设施 设计能力为保障目 标年 2015 年机场年旅客吞吐量 3800 万人次 货邮吞吐量 80 万吨 飞机起降量 32 1 万架次的需要 2014 年双流机场实现旅客吞吐量 3345 万人次 居全国第 5 位 货邮吞吐量 50 2 万吨 飞机起降量为 24 9 万架次 2005 年民航局批复 的成都双流国际机场总体规划 2005 版 规划了 3 条平行跑道 3 条跑道的相 互位置关系是 第二跑道位于第一跑道东侧 1525 米 其北端与第一跑道南端错 开 1040 米 第三跑道位于第二跑道东侧 1525 米处 南 北两端与第二跑道齐 平 2 22 2 成都双流机场航空业务量现状成都双流机场航空业务量现状 双流机场 2006 2014 年的民航起降架次统计如下 表 1 2 双流机场 2006 2014 年的民航起降架次统计 200620072008200920102011201220132014 156360167032159599190846208025221848244917250523270054 2014 年双流机场实现旅客吞吐量 3767 5 万人次 全国第 5 位 货邮吞吐 量 54 5 万吨 飞机起降量 27 万架次 预计双流机场 2025 年旅客吞吐量为 3500 万人次 货邮吞吐量 60 万吨 起降架次为 27 万架次 成都机场远期目标 年 2035 年的预测旅客吞吐量为 6800 万人次 货邮吞吐量为 280 万吨 飞机起 降量为 49 万架次 流量分布 东侧 北京方向和上海方向 的航班约占 49 的流量比 南侧 昆明方向 贵阳方向 的航班约占 33 的流量比 北侧 九寨方向 兰州方 中国民航飞行学院毕业论文 第 9 页 向 的航班约占 13 的流量比 西侧 拉萨方向 的航班约占 5 的流量比 可 见 各个方向的流量分布极不均匀 大部分航班集中于东侧 如下图所示 双流机场航班流量分布图 26 23 38 13 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 1 航班流量来向 分布比例 上海方向 北京方向 昆明贵阳方向 九寨兰州方向 拉萨方向 图 1 1 双流机场航班分布 2 32 3 成都双流机场场面结构与空域结构成都双流机场场面结构与空域结构 2 3 12 3 1 成都双流机场概况成都双流机场概况 成都双流国际机场位于四川省成都市双流县 距离成都市人民南路省展览 馆中心真方位 230 16 8 公里 现有 2 条跑道 02L 20R 跑道 02R 20L 跑道 中国民航飞行学院毕业论文 第 10 页 跑道构型如图所示 中国民航飞行学院毕业论文 第 11 页 成都双流国际机场现有 2 条跑道 02L 20R 跑道和 02R 20L 跑道 西跑道 4E 级 长 3600 米 宽 45 米 跑道两侧各有 1 条宽 7 5 米的道肩 可以直接起 降各类大型飞机 跑道两端端头安全区 RESA 长 200 米 东跑道 4F 级 长 3600 米 宽 60 米 跑道两侧各有 1 条宽 7 5 米的道肩 可以起降包括空客 A380 在内的各类大型飞机 跑道共有 4 条快速出口滑行道和 3 条垂直出口滑行道与 3 条平行的滑行道 A B C 相连 其中 B 和 C 是停机坪边缘滑行道 滑行道宽 23 米 两端都有宽 10 5 米的道肩 另有一个围绕停机坪的滑行通道网络 2 3 22 3 2 终端区航路结构终端区航路结构 成都地区现有 17 条对外开放航路航线 包括 1 条对外开放临时航线 23 条国内航路航线 包括 7 条国内临时航线 其中还有 1 条 RNAV 航路和 1 条 RNP4 航路 成都区域航路航线结构如下图所示 中国民航飞行学院毕业论文 第 12 页 成都终端区航路航线结构 成都进近范围内划设有 5 条空中走廊 共有金堂 五凤溪 资阳 富家场 和崇州五个进出点 如下图所示 中国民航飞行学院毕业论文 第 13 页 成都进近范围内空中走廊 为与终端区有效衔接 满足增大的航班流量需求 按以下原则对外围航线 进行调整 一是采用 PBN 新技术 根据中国民航 PBN 实施路线图的要求 外围航线本 着 PBN 航线取代现行航路 以进出分离 局部循环的理念进行规划 采取 RNAV 2 导航规范 航线标称航迹最小间隔为 10 海里 18 52 公里 考虑到传 统飞行方法 本次采用了最小为 20 公里的侧向间隔 二是调整飞越航线 削减飞行密集点航班流量 简化空中运行环境 结合 周边地区的空域规划方案 整体考虑成都地区乃至西南地区的飞越航线调整 本次飞越航线的调整 在东北方向 综合考虑了与西安地区的航线衔接 基于 中国民航飞行学院毕业论文 第 14 页 京昆大通道的设计思路进行规划设计 理顺了 G212 航路在成都地区的走向 在 东侧 综合考虑了与重庆地区的航线衔接 基于重庆三跑道的空域规划进行规 划设计 理顺了 B213 航路在成都地区的走向 在东南方向 综合考虑了与贵阳 地区的航线衔接 基于贵阳机场进离场分流的空域方案进行规划设计 理顺了 B330 航路在西南地区的走向 实现广兰大通道方案在西南地区的单向运行 在 西南方向 综合考虑了与昆明地区的航线衔接 对与昆明地区的移交点进行了 调整 理顺了 G212 航路在西南地区的走向 在西侧 综合考虑了未来拉萨方向 的飞行流量和管制运行需求 实现了 B213 航路在西南地区的单向运行 三是兼顾全国航路网规划 2012 年 民航局空管局规划全国骨干航路网 提出了 5 轴 9 纵 16 横 方案 外围航线调整兼顾全国骨干航路网规划 借鉴 10 条大容量通道的规划思路 理顺了经成都至西安 北京 上海 广州方向的 往返航线 尽量减少对其他地区的影响 2 3 32 3 3 离港点设置离港点设置 在确定成都终端管制区范围的基础上 布设了 7 进 8 出 共 15 个进离港 点 进港点 B1 B2 B3 B4 B5 B6 J6 出港点 A1 A2 A3 A4 A5 B5 A6 MIKOS 中国民航飞行学院毕业论文 第 15 页 2 42 4 造成航班延误的因素分析造成航班延误的因素分析 2 4 12 4 1 造成航班延误的主要原因造成航班延误的主要原因 航班延误是一个比较复杂的问题 受到很多因数影响 FAA 美国联邦航空 局 把航班延误分为两种 一种是飞行器等待空中流量控制资源或流量管制流限 制 简称为技术延误 另一种是有效进港延误 木文中 我们将航班延误原因分为 五 天气原因 航空公司原因 空域 流量控制 原因 人为原因 特情 天气原因包括出发地机场天气状况 目的地机场天气状况以及飞行航路上 天气状况 一旦三者有一处遇到不宜飞行的天气 包括强对流天气 雷兩区 高空激流 航路积冰等 根据机型 飞行人员技术状况及起降机场和航路航线地 面设施情况 航班不能按时起飞 飞越或降落 这都会造成延误 航空公司方面的原因包括航空器故障 机组成员迟到 飞行运力 不足等状况 人为原因主要分为旅客原因和民航人员原因 其中民航人员原因占主要 在 空管人员身上体现为工作负荷过重 决策失误等情况 主要原因是我国一线管制 单位缺乏成熟管制员 而新晋管制员的工作效率 指挥水平 往往不能承受一线单 中国民航飞行学院毕业论文 第 16 页 位大流量的压力 其次的 航空器的直接操纵者 机组的每一个动作 每一个决定 都会在飞行过程中产生重要的影响 而机组人员的不作为 例如着陆失误导致的 复飞 不听从管制员的指挥 误听管制员的指令都将影响航班次序 并给管制员造 成额外的负担 近几年 旅客原因导致的航班延误情况开始增多 机场广播里时常能听到催 促旅客登机的情况 因一 两位迟到的旅客 造成整飞机的旅客短则几分钟 多则 半个小时的等待 累积下来就造成了后续飞机比预计时间晩起飞 造成越来越 大的延误 记得几年前的新闻 某官员在候机时睡着错过飞机 改签后又错过一班 第 二次改签后的航班却延误了 结果大闹机场 谁又能说明白 这是不是他自己导致 的蝴蝶效应呢 据统计 旅客原因导致的航班延误已达到占不正常航班的 3 和 因航空器放障造成的延误数量相差无儿了 特情主要指的是军方活动 国家性质的活动以及航空器失联 发动机失效等 特殊情况导致的延误 例如航空器失联后 需要将相关空域内的航空器引导出 去 给失联航空器安全的间隔 这就造成了被引导航班的延误 不过这种特殊 情况有很大的不确定性 难以用数学形式表现 在本文的研究中不做考虑 2 4 12 4 1 造成双流机场航班延误的主要原因造成双流机场航班延误的主要原因 1 空中交通管理和流量控制 作为旅客 遇到航班延误时 最常听到的解释恐怕就是 流量控制 了 虽然 导致航班延误可能并不是流量控制 但在众多原因中 流量控制原因造成的延 误确实是比重最大的 2 军方活动 成都终端管制区内有多个军用机场 一旦军航有重大活动 会对民航产生 严重影响 除了导致多条临时航路关闭 空域流量控制外 还会有更严格的高度限 制 某些达不到爬升要求的航空器 只能取消航班或者换成其他机型 这些问题 势必会减少机场的分钟起飞架次 从而造成航班延误 3 3 考虑入界限制的多机场协同地面等待策略考虑入界限制的多机场协同地面等待策略 3 13 1 问题提出问题提出 在一个空间范围内包含多个机场 这些机场均含有独立的离场程序 航班 按照起飞机场的离场路径 离开本场进近空域 在终端区内汇集 再沿着相同 中国民航飞行学院毕业论文 第 17 页 航路段飞行 这一过程中来自多个机场的航班有可能在终端区出界点或航路上 产生拥挤 空域结构示意图空域结构示意图 如图所示 机场 A 与 B 起飞的航班经过不同的路径进行管制区 其中出界 点 1 由 A B 共同使用 它们不但是终端区的出界点 管制区的入界点还是航路 的交汇点 在日常空中交通过程中 根据航班时刻表的安排 机场从 A B 出港 分别使用航路 1 和 2 的航空器流量分布均衡 不会影响管制区 航路 1 的入界 流量拥堵 假如在某段时间内 由于恶劣天气或者设备设施故障等原因 机场 A 关闭 机场开发后的一段时间内大量从 A 机场起飞延误航班将通过由出界点 1 和 2 进入航路 管制区 从而导致航路 管制区内飞行流量迅速增加 可能 产生拥挤 如何控制关键出 入界点的航班流量是解决问题重点 受入界间隔管理的航空器间距离或时间间隔都需满足航空器最小间隔的标 准 在管制区边界处的航空器飞行高度除非临时协商 否则必须按照规定的管 制移交高度与相邻管制区进行移交 因此在移交点附近不能使用或限制使用高 度层间隔 往往只能使用水平间隔 航空器起飞和着陆时管制员同样也不能用 高度层来进行间隔 而系统的放行间隔限制主要体现在移交点 入界点 起飞 阶段 管制员无论在任何情况下都将遵守航空器之间的最小间隔 中国民用航空总局令第 86 号 第二章第九节尾流间隔最低标准第四十二 条规定 尾流间隔最低标准根据机型种类而定 本规则中航空器机型种类按航 空器最大允许起飞全重分为以下三类 1 重型机 最大允许起飞全重等于或大于 136000 千克的航空器 2 中型机 最大允许起飞全重大于 7000 千克 小于 136000 千克的航空 器 3 轻型机 最大允许起飞全重等于或小于 7000 千克的航空器 中国民航飞行学院毕业论文 第 18 页 在我国根据航空器最大起飞全重分类的航空器尾流间隔如表 4 1 所示 表表 4 14 1 航空器按最大起飞全重分类间隔航空器按最大起飞全重分类间隔 前机 后机 重型中型轻型 重型8 千米10 千米12 千米 中型6 千米6 千米10 千米 轻型6 千米6 千米6 千米 表 4 2 是根据国际民航组织 ICAO 的规定我国现在实行的的最小间隔标 准 并且将距离间隔转化为时间间隔 表表 4 24 2 ICAOICAO 规定的最小间隔标准规定的最小间隔标准 最小距离间隔 mile最小时间间隔 s飞机 类型小型大型重型小型大型重型 L333987474 M4331387474 H65416711494 当在较短时期内 通常 0 5 12 小时 出现某空域流量突然增加的情况 为 确保区域内航空器数量不超过容量和管制保障能力 由于缺乏辅助决策工具 导致对流量控制的随意性 目前管制员所采用的方法是 对进入本扇区的航班 架次实施统一的限制 控制航空器进入管制区的时间间隔 在一定时间范围内 航班必须严格按照规定的时间或距离间隔依次通过控制点 入界点 进入扇区 从而达到控制流量 缓解拥挤的目的 下图给出的是单一扇区拥挤时 对各进 入点进行尾随间隔管理的示意图 管制区边界入界间隔控制示意图管制区边界入界间隔控制示意图 中国民航飞行学院毕业论文 第 19 页 以上描述的管制间隔规定和目前实施的管制区流量控制管制方法对本文研 究的流量管理策略有重要意义 当流量控制过程结束 空域恢复运行能力 接 下来面临的问题是如何在短时间内恢复消散延误 根据以上的分析可知 仅依 靠增加出港流量虽然能在一定程度上解决航班延误 但这种短时间内增加飞行 流量的方法往往不能适应整个空中交通空域网络的运行规则 会造成其下游空 域的流量拥挤 进而导致新一轮的大面积延误 由此可知 在解决上图问题的过程中 若为了消散流量控制造成的航空器 延误而仅允许 A 机场的航空器放行 这在解决延误的同时又造成了 B 机场的出 港延误 若仅满足 B 机场的正常航空器出发需求 A 机场的延误问题不能得到 有效解决 则机场资源无法释放 运行效率低下 容易激化乘客的不满情绪 对于空中交通空域网络来说 由于区域流量限制 而导致航空器无法以正常的 预计时间进入该空域 为避免航空器为了达到最小间隔限制在空中盘旋等待 因此需要在上游管制区接受管制员的排序和调配 以形成满足间隔规定的航班 流 按规定间隔进入扇区 因此提出新的地面等待策略 对可能造成拥挤的航 班实施地面等待 使它们在本场按照某个原则依次起飞 能兼顾管制区容量流 量平衡的同时对 A B 机场的起飞流量进行公平调整 3 23 2 结构优化结构优化 在关键点流量限制的多机场协同地面等待策略中 研究对象为多个机场的 起飞航空器序列 这些航空器将经过同一个空域单元 这里将这些经过同个空 域的航班定义为 同向 航班 根据计划起飞时间可以推算这些航空器到达拥 挤空域的入界点时间 基于该入界点时间 对同向航班进行地面等待优化调整 由此如下图所示 将关键点流量限制的多机场协同地面等待策略分为两部 分 以起飞机场分组排序和针对航空器的起飞时隙分配 1 以起飞机场分组排序是指 将各个机场的同向航班进行分组 相同起 飞机场的航班分为一组 定义组中各个航空器的延误时间之和 延误损失之和 作为航班组的延误时间 延误损失参数 并定义权值计算航班组的优先级 并 根据优先级为航班组分配一个计划入界时间 这种以起飞机场为基础的分组能 为延误航班较多的起飞机场优先分配入界时隙 随着航空器不断放行 航班组 的优先级产生变化 由优先放行延误较多的机场转为交替放行 此分组排序机 制能满足公平优化的需求 2 针对航班的起飞时隙分配是指 当航班组分配了一个起飞时隙后 逆 推得到本场起飞时间 并对组内的满足这个起飞时间的航班进行优先级更新 算出优先级最高的航班 为这个航班安排这个时隙 安排了时隙的航班从组中 中国民航飞行学院毕业论文 第 20 页 删除 算法中各航班的优先级综合考虑积累延误时间和航班是否被过度延误等 重要因素 算法流程算法流程 以上两个部分是顺序执行的 每分配一个起飞时隙 都需要依次执行这两 个部分 分组排序过程分配给航班组一个入界次序和入界时间 起飞时隙分配 过程把这个入界次序赋给给组内的某个航班 通过该航班的机型 起飞机场跑 道服务时间等参数计算这个航班的起飞时间 地面等待时间 由此可知 本文的地面等待模型是时间驱动型随机性地面等待模型 所谓 时间驱动型是指 将所研究的时间段等分为多个小的时间区间 然后分别在这 些区间上研究分析航班的地面等待情况 而随机性是指模型求解过程中 随着 随机变量的变化将产生不同的结果 因此本文模型适用于流量管制战术阶段 可根据实时变化的机场跑道服务事件 管制区入界间隔等数据 更新计算结果 3 33 3 考虑入界限制的多机场协同地面等待模型考虑入界限制的多机场协同地面等待模型 模型构造思路为 推算四维航迹 得到待起飞的同向航空器的预计入界时 间 相同起飞机场的航班分为一个航班组 以航班组为对象进行排序 按顺序 确定起飞放行次序 由 1 到 如果有多个航班组竞争同个次序 则分配给 N 生成航班序列 航班分租 是否有特殊任务 航班 获取空情数据 用 户设置参数 方案 参数 航班分类 是否人工修改 是 是 否 是 生成新航班起飞 时刻 获取用户设 置 获取用户设置 航班属性 计算优先级 基于分租排序 航班组起飞时 间不变 否 中国民航飞行学院毕业论文 第 21 页 优先级最高的航班组 当航班组分配到一个起飞次序之后 将此次序根据本机 场的起飞时间间隔等参数 转化为起飞时隙分配给航班组中优先级最高的航班 并将该航班从航班组中删除 更新航班及航班组的优先级 本文算法定义的优 先级综合考虑了延误时间 延误损失和是否续航等信息 3 3 13 3 1 变量约束变量约束 1 容量受限空域 c 2 空域 容量受限起止时刻 startend ttc 3 起飞机场集合 12 n AA AA 4 各个起飞机场的待起飞航班 12 n Ffff 5 各个起飞机场经过空域 的同向待起飞航班 12 cm Ffff c 6 航班包含元素为 到达空域 的预计 iidelayt ft ETD STD N A tC c 飞行时间 计划起飞时间 调整后起飞时间 调整后的起飞次序 起飞机场 地面等待时间 航班延误了时间 后的单位时间延误损失 根据实际流量管制经 t 验 航班的单位时间延误损失不是一个定值 随着延误时间越长 航班的延误 损失代价越大 设每个都航班存在最小延误损失 其中航班的 min 0 min t t CC 延误损失代价包括航班的运营成本和盈利损失 如果航班没有进行延误调整 其延误损失代价为 0 即当 0 nii tf ETDft 0 0C 7 容量受限空域 入界时间间隔 表示在条件下 于 时刻进入空 q t T c q t 域 需要的与前机的间隔 此间隔以时间描述 其中可以表示天气 流量 管 c q 制方式等运行条件 取值由天气 空域利用率 管制方式等因素决定 是一 q t T 个随时间变化的值 8 序位集合 同向航班集合航班在排序之后各分配一个序 1 NSN 位 即得到一个新的排序位置 例如 分配到序位 意义为经算法调整后 i fn 为第个到达 的航班 i f n c 9 在满足空域 容量需求的条件下 第个起飞航班可以进 n t c 1 Nnn 入空域 的时刻 其中 c start tt 1 1 2 1 q startt ttt 4 1 1 1 n ic q nstartt fF ttt 10 航班组集合 中每个元素中包含至少一个航班 12 V Gggg G 元素内部以升序排列 i f ETD 11 航班组的最早预计到达空域 的时间 i ET i g c 中国民航飞行学院毕业论文 第 22 页 12 优先级 航班组在竞争序位的优先级 本文提出的基于分组 ni p i g n 的同向航班地面等待算法中 航班组优先级由累积延误时间 航班是否续航和 延误耗损确定 13 起飞机场的起飞时间间隔 表示在条件下 于 时刻起飞或 q i t AT i Aq t 降落需要的时间间隔 其中可以表示天气 跑道运行条件 取值由天气 q q i t AT 跑道等因素决定 是一个随时间变化的值 3 3 23 3 2 约束条件约束条件 1 确定航班组最早到达时间 初始时 设中第一个航班为 i g i ET i g k f 令 4 2 ikk ETf ETDft 即为航班组内预计最早起飞的航班到达 的时间 由于不考虑航班的提前 c 调整 设置约束条件 当 航班组不能第个起飞 in ETt i g n 当中已有航班分配了序位 且中还有航班未分配序位 更新最 i g j f ni g 早到达时间 4 3 111 max j q ijjjj i fSTA ETf STDATft fETDft 这样可以保证一个起飞机场的前后两个同向航班满足起飞间隔 2 航班分配了序位 设序位的开始时间为 则有 i f nnn t 4 4 ini f STDtft 若 令 4 5 idelaynii f ttftf ETD ii f STDf ETD 0 idelay f t 3 3 33 3 3 航班组优先级定义航班组优先级定义 航班组的优先级由三部分组成 累计延误时间 航班的延误损失和航 ni p 班组个数 三者在决策中的重要性由权重调节 每个航班组竞争序位的优先级的定义 i g n ni p 4 6 1 2 3i ni ni ni pwC 其中 是航班组中的每个航班在第 个起飞时延误时间之和标准化后的值 i n w i g n 定义延误时间之和为 4 7 ki i nnkk fg wtftf ETD 中国民航飞行学院毕业论文 第 23 页 设为满足约束条件 参与竞争次序的航班组集合 可将标准化为 G n i n w 4 8 max k i ni nk n gG www 是航班组每个航班在第 个起飞的延误经济损失之和标准化后的值 i n C i g n 中各个航班竞争序位的延误损失之和为 i g n 4 9 ki i nnkkk fg Ctftf ETAf C 同 5 8 可进行标准化得 4 10 max k i ni nk n gG CCC 是航班组中元素个数标准化后的值 定义为中元素的个数 i i g i num g i g 4 11 max k iik gG num gnum g 为各个因素在确定优先级过程的权重 各个权值取值大小 表示 321 在分配序位不同因素的重要程度 其中 4 12 1 321 由上可知 优先级计算中 各个参数都进行了标准化处理 使其值域在 0 1 的区间范围内 这样在相同条件下竞争相同起飞次序 延误时间越长 延 误损失越大 延误航班架次越多 航班组优先级越高 由于排序后所产生的延 误耗损和延误时间为单个航班的延误耗损和延误时间的累加值 即 4 13 k k n fG FCC k kk fG FTf STDf ETD 因此以为优先级权重 能有效控制延误耗损总和延误时间总和 21 3 3 43 3 4 起飞时限分配原则起飞时限分配原则 航班优先级的定义考虑了续航任务和延误损失的累计 设有航班 ik fg 分配了序位 航班能在组内竞争该起飞次序的时间约束为 k gn i f 4 14 iin f ETDftt 有这样一种情况 设航班组中存在两个航班 两航班预计起飞 k g x f y f 时间相同 此时航班组已通过分组排序步骤分配了序位 满足 4 nx f y f 14 的起飞时间约束 若比较二者的延误损失可得 则应该为航 x ny n CC 班分配了序位 假设依次顺延至 但若存在 x f n y f 1n 时 可得到 1 1 y ny nx nx n CCCC 1 1 y nx nx ny n CCCC 中国民航飞行学院毕业论文 第 24 页 由此得知当在某个时刻没有起飞 将造成延误损失的大幅度增加 因此 y f 将依次顺延后 产生的延误损失累积量将大于顺延的所造成的损失 y f x f 在实际管制过程中 这种产生大幅度延误增加的航班并不少见 这时由于 一些航班在某机场降落后经过一个机场转场服务时间 又在该机场起飞 因此 延误这些续航任务航班实际上延误了两个架次航班 因此进行延误调整时 应 该以累积延误损失来衡量 当延误达到一定时间 延误损失产生较大增长 此 判断方法能优先安排有续航任务的航班起飞 由此引出新参数 定义航班顺延损失差值 i f 4 15 i CT 1 i ni n CC 其中 意义为航班再次延误至下个时隙时 延误损失的变化趋势 i CT i f 因此航班在组内的优先级由顺延损失差值决定 当航班在组内顺延损失差值最大 可以分配起飞次序 由公式 4 4 i fn 可得到起飞时间为 i f STD 3 3 53 3 5 建立序列树提高计算速度建立序列树提高计算速度 判断航班分组是否可以在排在某个次序 一般是利用遍历所有可用序位的 方法 即采用枚举法 若不考虑任何排除条件 航班分组可能适合的序列将是 一个多叉树 第一层节点有个分支 其下一层节点有 1 个分支 以此类推 nn 考虑到航班序列中航班架次多而使解空间庞大会导致计算速度缓慢 时效性差 等问题 采用隐枚举算法是通过创建一棵序列树 然后搜索解决的方案 树的 每一个节点代表一个分组 树的分支是参与排序的下一个分组 树的深度则应 等于分组数 遍历序列数算法是一种深度优先的算法 树首先进行深度搜索 当搜索到 结点时 则得到一个序列方案 我们的目标则是寻求最优的序列方案 1 初次以先来先服务排序 树进行深度搜索 当搜索到层次为分组总数的结点时 则得到一个序列方 案 以及该序列方案对应的目标函数值 最好的情况是一开始就能找到一个接 近于最优解的目标函数值 因此 首先按时间前后顺序对航班分组排序 在生 成树的时候 让第一个分支为按时间先后的序列 则首先得到先来先服务的序 列方案 并将其目标函数值作为边界条件 2 无效分支的判断 本文在算法设计实现时 考虑增加判断条件 删除无效分支 减少间空间 航班分组若在树的第 层未出现 则该分支无效 其中判断条件 i g1 ii1 i 采用 4 4 2 中描述的约束条件 具体判断方法如下 设当前插入的节点值为 插入的位置为树的第层 判断式子 iki1 k 是否成立 若成立 则判断该节点的父节点与祖父节点是否出现了值 若1 k 中国民航飞行学院毕业论文 第 25 页 未出现 则为无效分支 3 3 63 3 6 算法步骤算法步骤 Step1 初始化航班组集合 遍历航班序列 若航班且G c F ic fF 则将航班分组 若 令 iistartend f ETAftTT ik f AA kki ggf Step2 初始化各个航班组的 利用升序 为航班组集合排序 i ET i ETG Step 3 根据机场容量天气等情况 初始化空域的间隔 及各机场的c q t T 间隔的跑道服务时间间隔 令 start tt 1 Step 4 按顺序遍历集合中元素 若最小未分配序位为 开始时间为 SN n 转 Step 5 n t Step 5 设临时航班组集合按顺序遍历集合中元素 若有 满G G i g 足 认为序位可以分配给该航班组 令 若则转 in ETt n i GGg G Step 6 否者转 Step 7 Step 6 令 转 Step 5 1 nn tt Step 7 若中的航班组个数大于 0 分别计算各个航班组 选择最 G ni p 大的分配该序位 转 Step 8 ni p Step 8 若航班组中航班有唯一航班 转 Step 10 i f Step 9 若航班组中满足起飞时隙约束 5 12 的航班大于 1 架次