单机场进离场流量动态模型研究.pdf
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1、总第351期1引言随着我国航空运输业近几年的快速发展,机场旅客吞吐量增长迅速。2021年,上海虹桥机场和上海浦东机场累计完成旅客吞吐量6533.6万人次,比2020年增长6%;北京首都机场和大兴机场2021年旅客吞吐量达到了 5770.1 万人次,增长率为14%。近年来,随着航空运输业的快速发展,原本有限的民用航空空间已难以应对飞行流量的迅速增加,导致航班延误现象日趋严重。特别是在单个机场,航班延误问题更加突出,既影响到乘客出行,又给航空公司带来极大的经济损失。Air Traffic Flow Management(Air Traffic FlowManagement,ATFM)旨在实现空中交
2、通流量的最优化,以确保航班在安全、高效、便捷的情况下顺畅地穿越指定地点,并且能够实现最优的航班运行状态;空中交通管理采用多种技术手段,包括地面等待、空中等待以及改航策略,旨在有效利用空中资源,以便更加准确、高效地完成飞行任务,并且能够达到最佳的经济效益。采取地面等候的策略,可以收稿日期:2023年3月22日,修回日期:2023年4月29日作者简介:张晋武,男,博士,高级工程师,研究方向:舰艇作战系统。刘东东,男,硕士,工程师,研究方向:空域管理系统。单机场进离场流量动态模型研究张晋武1刘东东2(1.中国人民解放军91977部队北京100000)(2.武汉数字工程研究所武汉430205)摘要随着
3、我国民航业的发展,单机场已很难满足空中交通持续增长的需求,单机场资源长期受限导致容量不均衡。为了有效减少航班延误、缓解空中交通拥塞、优化调度进离场航班以提高可用容量的利用率。针对单机场实时机场容量不易确定,提出了机场容量情景树概念,通过研究单机场飞机进离场的流量动态分配策略,提出针对单机场实时容量不确定性问题的解决方案,从而减少空管部门作业压力,减少航班延误成本。最后提出了针对单机场的进离场流量动态模型,通过算例实例验证了该动态模型的有效性和实用性。关键词航班延误;单机场容量不确定性;进离场动态模型;容量情景树中图分类号V351DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2023
4、.09.022Research on Dynamic Model of Arrival and Departure Flow ofSingle AirportZHANG Jinwu1LIU Dongdong2(1.No.91977 Troops of PLA,Beijing100000)(2.Wuhan Digital Engineering Institute,Wuhan430205)AbstractChinas civil aviation industry has seen a steady surge in air traffic demand,making it difficult
5、for any single airportto satisfy its citizens requirements.Moreover,the limited resources available to them have resulted in a disparity in capacity overtime.To minimize flight delays,ease air traffic congestion,optimize the scheduling of both inbound and outbound flights,and maximize available capa
6、city,this is essential.The concept of an airport capacity scenario tree is proposed to address the challenge of ascertaining a single airports real-time capacity.A solution to the unpredictability of real-time airport capacity is suggested by examining the dynamic flow allocation approach for aircra
7、ft arrival and departure at a single airport.By doing so,air traffic control departments operational strain is lessened and flight delay costs are minimized.A dynamic model of arrival and departure for a single airport is presented,and an illustration is provided to demonstrate the efficacy and prac
8、ticality of this model.Key Wordsflight delay,uncertainty of airport capacity,model of arrival and departure,scenario treeClass NumberV351舰 船 电 子 工 程Ship Electronic Engineering总第 351 期2023 年第 9 期Vol.43 No.9104舰 船 电 子 工 程2023 年第 9 期有效降低飞行时间和费用,这也是当今空中交通管理的重要手段。通过改变航线,机场可以更好地利用资源,并通过合理分配地面和空中等待的航班来实现动态
9、流量与容量的平衡。采用这项技术,不仅能够显著降低航班延误,而且还能够极大地提升机场的QoS。多项研究显示,机场的存在对于空中交通管制的发展构成了严重的阻碍12,而机场进出口流量的动态分配也是全球民航空中管制领域的一个重大挑战。因此,开发出一种科学合理的进出口流量动态分配模型,将有助于降低机场的空中交通压力,增强机场的动态容量,优化空域的使用,从而减轻机场的空中管制工作负担,并降低航班延误的风险。基于单机场进出口流量动态随机分配模型的研究,我们提出了一种实时的机场进出口流量优化方案,以有效降低航班预计延误成本。2容量情景树通过研究空中交通管理可知,机场的气象条件和机场的最大运行容量密切相关,天气
10、条件良好的情况下,机场才能达到最大的动态运行容量,反之,机场的运行容量则大大减少,可见天气条件的变化对机场的动态运行容量有重大影响。为了实现系统整体利益的最大化,本文提出了容量情景意识的概念,以此为基础,建立一个评估体系,以便统一协调决策,合理分配机场资源,以达到最佳效果。为了更好地掌握机场的运营状况,我们必须构建一个全面的容量情景树,以便让不同部门能够更加清晰地理解机场的状况,这就需要我们不断收集雷达航迹、气象数据、飞机实时状态以及其他相关信息,这些信息将会涵盖机场的飞行状态、军事任务、设备运行、空管单位以及流动动态分配方案。采用系统整体容量情景树的方式,可以更加清晰地认知容量状况,并从中提
11、取出相关的容量监测参数,从而更好地管理和控制容量。情景树是多阶段决策中常使用的方法之一34,为了从全局角度得到单机场最佳的进离场流量动态分配方案,本节引入了容量情景树的概念,通过建立机场容量情景树,探索得出单机场进离场流量动态分配的最佳方案。本文采用容量情景树的方法,以全局视角来研究机场容量的变化,并基于此构建出一个可以实时调整机场进出口流量的模型。传统的描述不确定性的方式往往只能以表面的形式呈现,而无法准确地把握整体的状况,这也限制了建立更加精确的数学模型的可能性。通过建立容量情景树,可以更加准确地捕捉机场容量的变化趋势,从而更好地反映出机场容量的实时分布情况,并且引入概率因子,以最大限度地
12、提升空管决策者的全局最优决策能力。根据图 1,建立一个容量情景树,其中根节点代表系统的初始状态,而机场容量则未知。在第二阶段=2,B1和B2分别为根据根节点A1衍生出的可能出现的机场容量状态,p1,p2属于两种容量状态对应的发生概率,p1+p2=1。在第三阶段=3,C1和C2分别为节点B1可能衍生出的两种机场容量状态,p21,p22为对应的发生概率,p21,p22同样满足p21+p22=1。容量情景树中每个节点具有唯一的父节点,每个节点可以衍生出一个或者多个子节点,从父结点到子节点的路径为一个情景,从根节点到最后一阶段的子节点为最长路径,也是最具体的一种情景s1,其发生的概率为每个节点发生概率
13、的累积p1p21.pn-11。图1情景树示意图建立单机场容量情景树模型需要考虑两个重要因素:容量情景识别和容量情景树构建。容量情景识别可以使用K平均聚类分析法,以及机场历史数据分析,以确定机场容量情景的相关参数。容量情景树的构造主要采用非参数统计发生生成56。3模型假设对单机场进行进离场流量动态模型需要进行以下假设:1)机场所有航班都按期计划的时间离场,机场所有航班都不能提前起飞;2)为了保证模型具有可行解,需要满足当前时间段无法分配的机场航班,下一时间段实现分配的假设;3)在当前的时间段,我们可以获得有关机场的105总第351期容量曲线、每架飞机的起飞及降落时间的详细数据。4单机场进离场流量
14、动态模型为了建立一个动态随机分配模型,我们需要将当前时间段划分为一系列相等的时间片,并根据假设2)确定每个时间片的容量。这样,我们就可以根据假设 2)来确定每个时间片的容量是无限大的。经过深入分析,当前的研究发现,单一机场的航班数量发生了变化,从最初的几十架到现在的几十架,从最少的几十架到现在的几十架,这些变化都是由于当前的研究时间段所导致的。此外,由于当前的研究发现,航班的地面和空中等待的延误成本也都有所提高,因此,我们采取了一种全新的方法,以更准确地估计每一个机场的容量。我们的研究采用了一个固定的模型,并且随着实际情况的变化而动态调整,以满足不断变化的需求。我们的研究小组正在观察当前机场的
15、起飞和降落时间,并且还在观察当前机场的计划进入时间。结果显示,我们的研究为未来的空中交通管理提供了重要的参考依据。当前,每个机场的航班都能够在空中停留的时间很短。我们将这些飞行的流量分配给不同的容量情况,例如:在这个容量情况下,每个机场的入口流量是多少。单机场进离场流量动态模型决策变量如下所示。定义二进制变量xfs(t),当前研究时间段某一容量情景s下,单机场航班f在时间片t起飞时二进制变量为1,否则为0。定义二进制变量yfs(t),当前研究时间段某一容量情景s下,单机场航班f在时间片t降落时二进制变量为1,否则为0。定义目标函数为最小化单机场进离场航班的预计总延误成本。C=minsSpsfF
16、Cfgt(t-df)xfs(t)+Cfa(tt(yfs(t)-xfs(t)-(af-df)(1)约束条件为tdfxfs(t)=1fFsS(2)tafyfs(t)=1fFsS(3)()us(t)vs(t)s(t)sS,t(4)xfs(t)=xfs(t)fFdksS,t,sBs(t)(5)yfs(t)=yfs(t)fFaksS,t,sBs(t)(6)tt(yfs(t)-xfs(t)-(af-df)0fFsS(7)tt(yfs(t)-xfs(t)-(af-df)DfFsS(8)其中,通过式(2)和式(3),可以指定一个时间片,以确保满足假设1),并且在不同容量情景下,每个航班都只能在一个进场或离场时
17、间片上进出;而式(4)则可以用来描述单机场容量情景树模型中,不同时间片内的流量动态分配方案,从而使得航班的进离场容量转换曲线处于容量曲线之内,从而获得最优解;此外,式(5)和式(6)也可以用来描述单机场容量情景的约束,而式(7)则可以用来描述单机场航班的飞行时间的约束。为了确保航班的安全,我们必须确保它们的空中飞行时间不超过计划的最短时间。为了解决这个问题,我们采用了式(8),即在单机场容量减少的情况下,尽可能减少航班的空中等待时间78。5求解步骤根据容量情景树建立的单机场进离场流量动态随机模型,从全局角度考虑单机场的流量分配策略,方便决策者进行全局最优决策。具体求解步骤如下。步骤1:初始化设
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