机场容量利用及流量分配优化策略

为了充分利用机场容量,减少航班延误,需要合理分配进离场流量。以机场容量作为约束,以进离场航班总延误成本最小作为目标,建立进离场流量分配优化模型。构建随延误时间呈超线性增长的延误成本计算公式,引入航班进离场延误成本权重系数作为不同进离场优先级的决策偏好信息。用动态规划法求解模型,并引入最优决策候选集合的概念,缩小计算过程中的搜索量,减少计算时间。算例结果分析表明,方法可以在机场容量约束下得出进离场流量分配的最优策略,使得航班总延误成本最小,并且快速计算可以满足实时决策支持的要求。     

多机场终端区进离场交通流协同排序方法

针对大都市及都市圈飞行冲突、空域拥堵和航班延误日益严峻的现状,研究了多机场终端区进离场交通流协同排序问题。综合考虑尾流间隔、跑道间隔、时间窗、进离场容量等约束限制,从时空多维角度引入航班满意度概念,建立了多机场终端区进离场交通流协同排序模型,设计了带精英策略的非支配排序多目标遗传算法(NSGA-II),寻求多机场终端区进离场排序问题的Pareto最优解。实例验证表明,所提方法可对多机场终端区进离场交通流进行优化排序,有效降低航班延误总时间,显著提高航班总满意度,并实现多机场系统对终端区空域资源的公平均衡使用。与经典的先到先服务策略相比,协同排序策略的整体优化效果较为显著,其中航班延误时间得到了一定的降低。     

基于进离场容量转化的航班延误优化研究

为了提高机场运行效率,缓解航班延误,研究了进离场容量转化的特性,并建立了以延误时间最小的航班优化模型。结合实际运行数据对模型进行了验证,探讨了进场航班权重系数对进离场容量转化的影响。结果表明:采用进离场容量转化的方式可以增加进离场总容量,从而降低航班运行的总延误;该模型能提供优化的流量分配方案,可应用于机场流量管理。     

机场终端区容流调配鲁棒优化模型

为解决机场不确定容量条件下的航班进离场流量分配问题,以容流调配策略在各情景下的规划外延误损失或多余延误损失的均值与标准差之和最小为目标,建立了终端区容流调配鲁棒优化模型;采用捕食搜索算法求解模型,以国内某机场终端区运行数据为例进行仿真验证,并与经典终端区容流调配模型进行比较,结果表明,鲁棒优化模型较好地实现了容流调配的鲁棒性,有效减少了不同情景下进离场航班延误的扰动。     

基于禁忌搜索算法的机场场面联合优化模型

针对当今机场场面优化对象仅为某一独立环节的情况,梳理联合优化框架,利用已有的单一环节优化模型,建立了滑行路径规划与停机位分配联合优化模型,并设计了禁忌搜索算法流程,最终降低了航班进离场资源占用时间。将优化模型分别植入空域管理与评估系统（ ACES）的空侧容量评估系统中进行仿真分析,结果表明,联合优化模型能够在综合考虑机场运行实际的条件下大幅提升空侧容量,改善机场运行效率与资源配置情况。     

多元受限下离场时间多目标优化调配模型研究

在空中交通受到多元限制情况下,对航班离场时间的优化调配可以解决空域拥挤,减少航班总体延误成本。采用了基于航班流的公平性指标和基于个体航班延误成本的效率指标作为模型的优化目标,建立了离场时间多目标优化调配模型。通过仿真算例对比了只考虑效率目标的离场时间单目标优化调配模型和同时考虑效率和公平性目标的离场时间多目标优化调配模型,验证了离场时间多目标优化调配模型的有效性。     

独立离场模式下多跑道时空资源优化调度方法

为有效缓解大流量、高密度机场日益严重的交通拥堵和航班延误现状,研究了多跑道离场航班优化调度问题。首先,从生产调度领域视角,将多跑道离场调度问题抽象为典型的车间作业调度NP-Hard组合优化问题;然后,面向航空运输各方利益需求,以航班延误、跑道容量和环境污染为优化目标,综合考虑航空器尾流影响、场面滑行和跑道穿越等各类限制因素,建立了独立离场模式下多跑道时空资源优化调度模型;最后,结合多目标优化及遗传算法基本理论,设计了带精英策略的非支配排序遗传算法(NSGA-II),寻求多跑道离场调度问题的Pareto最优解。仿真实验表明,模型可对独立离场航班进行优化配置,显著降低航班延误时间和航空发动机污染物排放量,并有效提升机场跑道容量。与随机和交替调度策略相比,优化调度策略执行效果显著,其中航班延误时间分别减少了51.2%和42.7%,所提方法可显著缓解大型繁忙机场离场航班起飞延误,有效提升航空运输服务品质。     

考虑机场公平性的机场群航班时刻分配

机场航班时刻优化是机场需求和容量管理的一个重要手段，一直是空中交通领域的研究重点。现有研究主要考虑机场容量和航班运行等约束，对单个机场的进离场航班时刻进行优化分配，目标是在尽可能地满足航空公司需求的前提下最大化利用机场容量。随着我国机场群的建设，机场群内各机场竞争关键空域资源的矛盾日益突出。单独优化每个机场的时刻可能会导致不同机场的航班在关键空域点发生拥挤，造成航班延误。综合考虑机场和空域资源优化航班时刻是提升机场群资源利用效率的关键之一。特别是，考虑机场之间的公平性合理配置航班时刻至关重要，但鲜有相关工作开展。本文首先建立了一个考虑机场容量和空域容量的多目标航班时刻优化模型，实现对机场群系统资源的优化利用；然后，综合考虑了各机场在潜在离场冲突点的需求，构建了基于高峰时刻需求的机场公平性指标和整体度量，兼顾了机场群内各成员机场的功能定位。最后，通过粤港澳大湾区五机场实际航班数据验证了模型的有效性和可扩展性，为机场群层面各利益相关方的公平性研究提供了重要借鉴和参考。     

多跑道航班进离场动态调度模型与算法

针对民航运输快速发展导致的航班延误频增现象,研究了多跑道航班进离场的动态调度问题。研究时段内航班的总延误成本最小和延误时间均衡为目标,综合考虑根据机型确定的航班进离场调度优先权和管制员负荷,建立多跑道航班进离场调度模型,利用遗传算法对模型进行仿真验证。仿真结果与先到先服务(FCFS)调度方式进行比较,采用遗传算法的航班进离场调度比FCFS的延误成本降低了45.07%,延误时间降低了37.90%,同时有效地均衡了航空公司的延误时间,保障了航空公司的公平性并提高了跑道系统容量,降低了管制员负荷。通过仿真验证了多跑道航班进离场动态调度策略具有较强的优势和可行性。     

基于滚动时域算法的航班滑行路径优化模型

为了提高机场场面运行效率和机场空侧容量,亟需采取积极的手段对滑行路径进行优化。根据滑行路径规划的问题属性,选取离场航班为研究对象,建立了以滑行时间最短为目标函数的无冲突滑行路径优化模型,并设计了基于滚动时域与混合整数线性规划(MILP)相结合的迭代算法;将滑行路径优化模型植入空域管理与评估系统(ACES)的空侧容量评估系统中,以杭州萧山国际机场场面数据为例,对不同策略下的航班滑行时间、容量评估结果及路径更改次数进行了比较分析,验证了模型的准确性,通过比较MILP与新算法下的计算时间验证了算法的高效性。     

机场终端区跑道配置优化及容流调配模型研究

大型繁忙机场交通需求的持续增长导致的飞行流量与保障能力、机场容量之间的矛盾日益突出。为了充分利用跑道系统资源,合理配置跑道运行容量,优化飞行流,建立非线性0-1整数规划模型解决以下两个问题:确定跑道配置优化序列,匹配进离场飞机流。模型综合考虑机场交通流、跑道配置转换容量折损、跑道容量包络线等约束,以优化区间内航班总延误最小为目标,用LINGO建模求解,使用实际运行数据验证模型的有效性。结果表明,模型实现了跑道资源的优化利用,降低了航班延误。     

首都机场终端区多进港队列排序优化策略与仿真

在现行可用空域中，通过流量管理策略与进港航班队列优化相结合可提高机场运行容量。以终端区航路航线间隔和扇区容量为约束，通过合理分配机场终端区边界的进港口流量．以总进场排队等待时间最短为目标，提出了协同调配流量和机动分流两种新策略，达到提高机场运行效率的目的。以首都机场为例，利用计算机仿真验证，结果表明：与现状运行相比较采用的优化策略排队进场可使进场延误和等待时间减少，并使离场正常率提高8％左右。     

基于分位数回归的机场容量评估

对北京首都国际机场航班运行的历史数据进行了统计分析,建立了进离场小时架次及时间的三维数据结构,并利用DBSCAN算法进行聚类分析;在消除“噪点”的基础上,利用改进后的分位数回归算法生成分时段的具有95％概率的机场小时运行能力包线.仿真结果表明,各个时段的机场进离场架次具有一定的时间特性和差异:8点到10点处于离港早高峰,离港小时架次远大于进港小时架次;10点到22点进离港航班较为均衡,机场全负荷工作;其他时间段航班小时架次未达到最大容量值.     

基于飞机性能的连续爬升程序建模和油耗分析

随着航线数量的不断增长和机场进离场交通的日渐繁忙，因管制压力造成的离场阶段改平飞行导致了飞机非必需的燃油消耗，为航空公司带来经济效益上的损失。为了减少平飞并实现快速离场，基于性能的导航（PBN）模式下的连续爬升运行（CCO）成为解决该问题的方式。介绍了BADA飞机性能模型的构建方法，并使用性能模型对CCO进行设计，并提出了前后CCO离场可能产生的冲突和解脱方法，结合实际航线对爬升时间和油耗进行了仿真分析，结果显示CCO离场能够缩短爬升时间，减少燃油消耗；在冲突发生时通过速度调整可以比阶梯爬升的方式更有效益。     

柔性空域结构下连续下降航迹多目标优化

连续下降运行（CDO）是基于航迹运行（TBO）概念的重要组成,对于减少机场终端区燃油消耗和环境影响具有显著效果。简洁、高效和灵活的进场空域,以及高度自动的无冲突节能轨迹规划,是实现高密度终端区连续下降运行的核心要素。设计了一种融合Point Merge理念的新型倒皇冠形进场空域（ICSAA）,规范了新型空域内航空器运行程序,建立了以燃油消耗和飞行时间最小为目标的连续下降进近无冲突四维轨迹优化模型,并选用基于精英保留策略的非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）进行高效求解。论证了新型柔性空域下连续下降运行轨迹优化具备复杂高密度场景预战术和战术运行性能,对于飞行效率、经济性和空域容量提升具有显著效果,为促进繁忙机场全时段连续下降运行的推广应用提供新视角和新方法。     

A data-driven approach to modeling high-density terminal areas: A scenario analysis of the new Beijing,China airspace

Airports are being developed and expanded rapidly in China to accommodate and pro-mote a growing aviation market. The future Beijing Daxing International Airport (DAX) will serve as the central airport of the JingJinJi megaregion, knitting the Beijing, Tianjin, and Hebei regions together. DAX will be a busy airport from its inception, relieving congestion and accommodating growth from Beijing Capital International Airport (PEK), currently the second busiest airport in the world in passengers moved. We aim to model terminal airspace designs and possible conflicts in the future Beijing Multi-Airport System (MAS). We investigate standard arrival procedures and mathematically model current and future arrival trajectories into PEK and DAX by collecting large quantities of publicly available track data from historical arrivals operating within the Beijing terminal airspace. We find that (1) trajectory models constructed from real data capture aberrations and deviations from standard arrival procedures, validating the need to incorporate data on histor-ical trajectories with standard procedures when evaluating the airspace and (2) given all existing constraints, DAX may be restricted to using north and east arrival flows, constraining the capacity required to handle the increases in air traffic demand to Beijing. The results indicate that the termi-nal airspace above Beijing, and the future JingJinJi region, requires careful consideration if the full capacity benefits of the two major airports are to be realized.     

宁波栎社机场进离场程序的优化

在考虑未来空域变化的基础上,以现行进离场程序为基础,本着简化程序,减少因程序原因引起不必要飞行冲突的原则,对现行进离场程序进行分离。从而达到减轻管制员的压力,降低飞行员的工作量,使飞行更加简便的目的。同时本项研究对其他有类似情况的机场也有一定的借鉴意义。     

空中交通流量优化管理

研究了空中交通流量管理中的机场流量最优化问题,提出了解决目前日益严重的拥塞问题的一种方案,将机场流量利用最优化问题分解为两个子问题,以折考虑解的最优性及求解复杂性,针对两个子问题,提出了一种折考虑解的最优性及求解复杂性的线性规划数学模型,利用该模型,可以最有效地发挥系统功能,同是保证飞机飞行过程的有效隔离,最后,还给出了具体的实例分析,证实了所建模型的实用性。     

基于Agent模型的机场网络延误预测

准确可靠的机场网络航班延误预测是科学认知空中交通运行态势,动态精准实施国家空域系统容流协同调配策略的重要依据。提出了基于Agent的机场网络延误模型,表征机场网络系统中各元素及子系统间的交互作用下的延误特征涌现。针对机场节点动态容量、预计起飞时间、最小飞行与周转时间等Agent模型中的关键参数,适应性选用了贝叶斯估计、模糊k近邻等数据挖掘方法建立参数模型,并采用2015—2017年全美历史航班和气象数据进行训练学习。为综合评价模型性能及泛化能力,选取全美2018年3个不同延误程度的典型日进行测试。实验结果表明,在全美34个核心机场组成的网络中,各节点在4小时预测区间内延误最大误差不过27.9 min,其中约80%的节点误差小于5 min,验证了所提延误预测模型在时空范围内的准确性和稳健性特征。另外,通过与其他模型对比,展示了本模型优良的延误预测性能。