大型繁忙机场场面离场交通流拥堵特征分析

阐明机场场面交通流时空演变规律,揭示离场交通流拥堵机理是科学制定场面交通流管控策略的重要基础。采用元胞传输机理论,建立线性滑行道元胞、机坪发散/交叉元胞、汇聚元胞的交通流传输模型,并基于NetLogo系统动力学仿真平台,以广州白云国际机场为例验证了模型的有效性,进而推演分析了离场交通流基础相变特征及其影响机理。研究表明,场面离场交通流存在自由态、亚稳态、拥堵累积态和拥堵死锁态4种基础相态,指出调节与进场率相协调的推出率是有效控制离场交通流密度,缓解场面拥堵的重要手段。研究结果可为大型繁忙机场场面交通智能管控提供一定的理论基础和决策参考。     

考虑机场场面滑行的停机位指派研究

合理高效的停机位分配能提高机场运行效率和旅客满意度。首先,以旅客步行时间、航空器进/出港滑行时间最短为目标函数,增加同一航空公司的航空器集中停靠约束建立模型。之后设计禁忌搜索算法,以上海浦东国际机场为对象开展实例分析,对比机场原始停机位指派方案,旅客步行时间、进/出港滑行时间分别减少5.04%、25.28%和6.36%,并进行权重灵敏度分析,建议旅客步行时间权重不超过0.7。最后,基于Flexsim设计仿真实验,进/出港滑行时间和冲突次数均减少,可接受延误水平下滑行系统服务航班量增加3.30%,进/出港最大滑行延误时间减少9.09%和2.94%。     

机场机动区滑行道运行方案设计及仿真评估

我国多跑道机场日益增多,研究此类机场机动区滑行道运行方案的优化设计及评估方法,对促进机场场面资源的集约高效利用具有重要意义。给出多跑道机场机动区滑行道运行方案“固定、单向、顺向、循环”的设计原则,以及面向平行跑道隔离运行场景的“单侧运行”和“双侧运行”滑行道运行方案设计范式;基于“航班备选滑行路径库”和所给滑行道运行方...     

飞机推出和跑道掉头滑行行为计算方法

针对飞机推出和跑道掉头两种地面滑行特殊行为的位置和姿态计算问题进行了研究。从机场塔台管制运行模拟仿真的角度出发,提出了非完整运动学约束下飞机推出滑行和跑道掉头运动计算方法。依据飞机推出实际和非完整运动路径跟踪模型,设计出适合仿真推演计算的飞机推出运动求解方法。根据飞机跑道掉头的几何约束和转弯角运动约束,设计出开环控制下完整刻画飞机运动的求解方法。与动力学求解模型相比,该方法具有计算简便,适合于视景仿真驱动的优点,并通过数学仿真验证了方法的有效性。     

民用机场及附近空域空中交通流量优化

针对民航客运需求快速增长所带来的航班延误和空域拥塞问题,提出一种优化民用机场及附近空域空中交通流量的方法。通过空中交通走廊容量评估方法,对经典优化模型进行了发展和改进,建立起综合性优化模型;将机场和附近空域视为一个整体系统,根据交通需求和容量的相互关系动态调整航班流量和机场起降容量;在优化计算时,提出一种兼顾效率和准确性的新型优化算法。通过算例对所述优化方法进行了验证,该方法可以为空中交通管制人员进行流量优化分配提供参考。     

Methods for determining unimpeded aircraft taxiing time and evaluating airport taxiing performance

The objective of this study is to improve the methods of determining unimpeded (nom-inal) taxiing time, which is the reference time used for estimating taxiing delay, a widely accepted performance indicator of airport surface movement. After reviewing existing methods used widely by different air navigation service providers (ANSP), new methods relying on computer software and statistical tools, and econometrics regression models are proposed. Regression models are highly recommended because they require less detailed data and can serve the needs of general per-formance analysis of airport surface operations. The proposed econometrics model outperforms existing ones by introducing more explanatory variables, especially taking aircraft passing and over-passing into the considering of queue length calculation and including runway configuration, ground delay program, and weather factors. The length of the aircraft queue in the taxiway system and the interaction between queues are major contributors to long taxi-out times. The proposed method provides a consistent and more accurate method of calculating taxiing delay and it can be used for ATM-related performance analysis and international comparison.     

基于空闲时间窗和多Agent的A-SMGCS航空器滑行路由规划

先进场面活动引导与控制系统(A-SMGCS)中的航空器滑行路由规划是一个典型NP难题。为解决航空器滑行路由规划的优化性和计算量之间的矛盾,提出一种基于空闲时间窗的路由规划方法,并利用多Agent系统(MAS)进行算法求解。首先,建立滑行资源图以对场面滑行区进行建模。其次,按照航班计划为航空器设置滑行优先级,并按优先级顺序依次规划路由,后规划的路由不破坏已有路由,即利用滑行路段的空闲时间窗进行规划。每次只需为一架航空器规划滑行路由,降低了问题的求解难度;通过搜索空闲时间窗获得路由使场面交通均衡分布,保证了路由规划的整体优化性。分析了空闲时间窗特性,指出空闲时间窗的可达性条件和避免同步资源交换冲突的条件。最后,设计MAS,把建立、维护和搜索空闲时间窗图的复杂集中式求解过程简化为通过路由管理Agent,航空器Agent和资源节点Agent相互协作实现对场面路由规划问题的分布式求解。仿真结果表明,设计的MAS能够快速找到空闲时间窗中的最优解;与固定预选滑行路径算法相比,航空器的平均滑行时间显著减少,最多可以节省19.6%的滑行时间。     

近距平行跑道航班着陆调度研究

针对我国航空运输业快速发展导致空中交通拥挤以及航班延误问题,研究了近距平行跑道航班着陆调度问题,以缓解空中交通拥挤和减少航班延误.以配对进近的形式,考虑时间、配对、间隔、排序等因素,建立航班着陆调度模型.针对机场小规模的进场航班流量,采用穷举法求解,并用算例进行仿真验证.结果表明,与先到先服务原则相比,经算法调度的进场航班总的延误时间减少了33%.     

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。     

突发事件下大规模空中交通流量管理的组合优化模型

为了解决危险天气和军航活动对管制运行的影响，使用动态网络流方法对突发事件下短期空中交通流量调度问题展开研究。首先，结合中国民航管制的特点，分析了突发事件对流量管理的影响。同时，根据航路航线网络及其高度层的特点，给出了网络和高度层的数学描述，并根据机型将航空器分成大、中和小3种交通流，介绍了使用多品种流描述3种机型的必要性；其次，根据网络拥挤程度随时间和流量变化的特点、危险天气随机变化的特点、空中等待和地面等待费用差异的特点构建了3个优化目标，考虑机场容量、扇区容量、航班连续性和扇区连续性约束建立了多目标优化模型；再次，针对军航活动时需要协调空域的特点，多品种流模型求解时间复杂度高，不能适应短期流量管理的缺陷，改进了逐步宽容约束法，设计了一种阶段式求解的近似算法；最后，以西南空管局管制的空域为例，利用实际流量数据，设计了3个场景进行仿真。结果表明，所提模型和算法能有效求解突发事件下的短期流量调度问题，算法效率比起传统算法在大流量下更具优势。     

基于多种运行成本最小的机队优化配置研究

为节省航空公司运行成本开支,通过以燃油成本最小、时间成本最小、机场起降费用成本最小为目标函数,以飞机最大航程限制、机场起降条件限制、航班频率限制、旅客座次限制、飞机可用时间限制等为约束条件,建立多目标规划模型。通过实例计算,确定机队优化配置方案,验证了模型的正确性,为航空公司机队规划提供了参考。     

发动机控制系统限时派遣运行的成本优化方法

限时派遣TLD可以提高飞机的签派可靠度,降低由于航班延误或取消导致的运行损失。面向TLD分析建立了典型发动机控制系统马尔可夫模型,利用连续时间马尔可夫链CTMC推导了状态稳态频率公式,构建了系统单位时间运行成本模型。以平均完整性要求及签派可靠度要求为约束条件,以带故障派遣时间为决策变量,以系统单位时间运行成本以及签派可靠度为优化目标,分别构建了TLD分析的单目标和多目标优化模型。结合简化的发动机控制系统和实际全权限数字式发动机电子控制FADEC系统给出了工程应用实例,验证了模型的有效性。实例表明本文方法能够保证飞机在满足安全性要求和签派可靠度要求的条件下降低运行成本。     

基于航路耦合容量的协同多航路资源分配

针对中国当前航路空域拥挤日益严重的问题,分3个步骤进行解决:第1步,对空域管制单元之间存在的交通流耦合因素进行分析,建立基于空域管制单元耦合因素的航路容量模型;第2步,为反映不同类型航班对计划到达时间变动范围的不同接受程度,定义了航班的延误成本函数和改航成本函数;第3步,在上述两步的基础上,为充分利用可行的航路空域资源...     

基于ARMA模型的空域容量评估方法研究

空域容量是空域管制服务保障能力的重要指标之一,其准确预测和评估对安排航班时刻、实施管制服务具有参考价值。根据管制员工作负荷的自相关增长规律,首次提出了基于自回归移动平均( Autoregressive moving average,ARMA)模型的空域容量评估方法。以国内西部某机场为例进行空域容量评估研究,通过仿真验证,ARMA模型很好地评估了空域容量,证明了方法的有效性。     

基于微机的塔台管制模拟系统中三维场景的建立

在塔台管制模拟训练系统中,由于需要模拟机场平面上的复杂的三维场景,其中涉及到众多复杂的三维对象,包括不同类型飞机、跑道、跑道灯、滑行道、塔台、候机楼、机库、远处建筑物、地面车辆、天空和云彩等三维对象。对于如此众多的场景元素,根据各自的特点,将它们进行分类,按照不同的方式进行绘制,并且提供一个比较合理的三维场景组织方式。     

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。     

运用多重属性风险评估量化跑道侵入严重等级

随着航空运输业的迅速发展,交通密度逐渐增大,机场跑滑系统越来越复杂,航空安全问题也随之增多,其中跑道侵入是影响航空安全的重要方面.引起跑道侵入的因素多种多样,本文主要研究人为因素对跑道侵入严重性等级的影响,根据跑道侵入严重等级的划分,利用多重属性风险评估模型对跑道侵入严重性等级进行量化,通过实例计算和对所得数据的分析,表明多重属性风险评估模型可为跑道系统提供通用的跑道侵入风险评估方法,并指出实际工作中存在的问题及预防措施.     

多跑道协同运行模式优化方法

繁忙机场飞行区运行能力低下导致空中交通拥堵及航班延误现象频发,机场系统亟需扩容增效与排堵保畅。为有效平衡机场容流供需,研究了多跑道协同运行模式优化方法。综合考虑机场布局、交通流特性、气象条件等因素,提出了多跑道协同运行模式分类方法;基于跑道容量包络线理论,通过引入容量损失系数客观反映模式切换特点,建立了多跑道协同运行模式优化模型;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）,对模型进行了准确求解。仿真实验表明,模型可对多跑道协同运行模式进行优化配置,有效实现机场容量与流量之间的均衡。与单一固定模式相比,多元组合模式优化效果显著,其中航班延误成本减少了38.1%,航班调整数量减少了46.4%,所提方法可显著提升多跑道协同运行能力,有效提高航班正常性。     

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。     

Multiple air route crossing waypoints optimization via artificial potential field method

Air route crossing waypoint optimization is one of the effective ways to improve airspace utilization, capacity and resilience in dealing with air traffic congestion and delay. However, research is lacking on the optimization of multiple Crossing Waypoints (CWPs) in the fragmented airspace separated by Prohibited, Restricted and Dangerous areas (PRDs). To tackle this issue, this paper proposes an Artificial Potential Field (APF) model considering attractive forces produced by the optimal routes and repulsive forces generated by obstacles. An optimization framework based on the APF model is proposed to optimize the different airspace topologies varying the number of CWPs, air route segments and PRDs. Based on the framework, an adaptive method is developed to dynamically control the optimization process in minimizing the total air route cost. The proposed model is applied to a busy controlled airspace. And the obtained results show that after optimization the safety-related indicators: conflict number and controller workload reduced by 7.75% and 6.51% respectively. As for the cost-effectiveness indicators: total route length, total air route cost and non-linear coefficient, declined by 1.74%, 3.13% and 1.70% respectively. While the predictability indicator, total flight delay, saw a notable reduction by 7.96%. The proposed framework and methodology can also provide an insight in the understanding of the optimization to other network systems.