机场飞行区资源调度问题研究(二):发展脉络与趋势

充分释放机场资源红利,发挥机场资源的最大效益,是空管、机场、航空公司、旅客和政府等航空运输各利益相关方的共同目标。本文聚焦机场飞行区资源调度的发展脉络与趋势问题,为飞行区资源调度问题研究系列之二。从明确资源总量、盘活资源存量、做强资源增量视角梳理飞行区资源调度的发展脉络,并对飞行区资源调度的一体化、高效化、智能化、协同化和绿色化发展趋势进行分析。研究成果旨在为机场运行管理理论与应用的可持续发展提供科学指引。

机场飞行区资源调度问题研究(一):基本概念与框架

世界航空运输系统的一体化、协同化和智能化发展对机场飞行区资源调度精细化管理和空中交通运行高效化管控提出了高要求。本文聚焦机场飞行区资源调度的基本概念与框架问题,是飞行区资源调度问题研究系列之一。从国际公约、理论研究和行业规范视角界定飞行区的基本概念,分析飞行区的一般运行过程和资源调度内涵。对飞行区资源调度体系涉及的理论方法、系统工具、管理机制等要素及逻辑关系进行系统总结。研究成果旨在为机场运行管理理论与应用的可持续发展提供科学指引。

机场飞行区资源调度问题研究(三):研究热点与挑战

全球航空运输需求的持续和迅猛增长,使得诸多大型繁忙机场正面临高频次飞行冲突、大范围空域拥堵、大面积航班延误等一系列严峻问题。本文聚焦飞行区资源调度的研究热点与挑战问题,为机场飞行区资源调度问题研究系列之三。从多维视角对飞行区资源调度问题进行详细分类,梳理近几年在容量预测、跑道配置、态势感知、空地调度、性能权衡等方面的研究热点,并对该领域目前面临的主要挑战进行综合分析。研究成果旨在为机场运行管理理论与应用的可持续发展提供科学指引。

航路网络流量波动行为分析

空中交通系统是一个动态的复杂系统,各种因素导致的网络流量变化引起网络结构的改变,进而影响网络功能并造成延误与拥堵。为缓解我国空中交通延误较大的现状,需要深入分析航路网络流量的波动行为。以我国中南地区实际网络数据构建航路网络模型,分析节点流量的波动特性和动态特征。研究表明,该航路网络节点流量对时间的均值和标准差满足幂率且幂指数在1/2到1之间,并且在不同的时间和空间尺度下动态特性各异,意味着其波动性是内外影响因素共同作用的结果。并且将影响航路网络流量波动行为的内部影响因素从外部影响因素中分离出来,定量确定波动性的来源。最后,给出内外影响因素主导地位在观测尺度上的转换点。

航空旅客通达机场时间价值分析

对航空旅客通达机场的时间价值进行准确度量是出行时间决策的重要依据。通过研究早到机场时间价值和晚到机场时间价值,揭示通达机场时间不确定性对航空旅客出行效用的影响。提出航空旅客期望到达时间影响分析模型,将其作为早到/晚到机场时间的参考点,采用混合Logit模型构建基于个人支付意愿的航空旅客通达机场时间价值计算方法。引入不同收入群体的边际收入纳税额,建立个人出行时间节省价值与社会投资收益之间的转换关系,构建航空旅客通达机场时间社会价值计算模型。结果表明,与通勤出行平均时间价值相比,基于个人支付意愿的航空旅客出行时间价值高约30元/h。航空旅客早到/晚到机场时间社会价值均高于基于个人支付意愿的早到/晚到机场时间价值。

基于提升树模型的航空器离场滑行时间预测

为提升机场运行性能、支撑航空运输决策,提出了基于提升树模型的航空器离场滑行时间预测方法。考虑进场航空器场面运行对离场航空器滑行时间的影响,建立了涵盖四大类、八小类的滑行影响因素特征指标体系,采用提升树方法对离场滑行时间进行了机器学习建模,从多维视角建立了预测性能评价指标。选取上海浦东国际机场进行实例验证表明,所提方法具有较高的预测精度,可显著增强离场航空器滑行性能,并有效提升复杂机场的场面运行效率。

终端区空中交通流参数模型与仿真

研究机场终端区空中交通流参数的时空特性及演变规律,可为缓解终端区交通拥挤,优化管控策略提供科学的依据.采用数理推导和仿真演析相结合的方法,首先基于元胞传输模型建立了终端区进场交通系统模型,阐明空中交通流的速度、密度和流量三项基本特性参数相互关系及影响要素;然后运用Netlogo仿真系统对增量后的进场交通流的宏观涌现行为进行模拟,推演空中交通流基本参数的变化趋势,并进行敏感性分析;最后,采用基于空管实测数据拟合的交通流参数关系对模型进行验证.研究结果表明,本文建立的交通流参数模型符合实际且对终端区交通态势的判断具有应用价值,终端区空中交通流基本参数间存在明显相关性,并随飞行程序、管制间隔、管制策略的改变而改变.

利用传染病模型研究空中交通拥挤传播规律

为避免以往研究中主要集中在拥挤传播网络分布和现实数据观察等表象环节,发掘空中交通拥挤传播演变的科学规律,以空中交通拥挤传播与传染病传播过程的相似性分析为切入点,参考传染病SIR模型,建立空中交通拥挤传播模型,并利用相轨线分析和参数分析等方法,得到拥挤传播趋势及阈值,解释了拥挤传播影响因子和消散因子对拥挤传播过程的影响.结合亚特兰大和白云机场实际延误数据,发现所建模型能够恰当地表述基本拥挤过程,但各类因子需根据运行实际调整而无法形成固定值,且对较复杂的拥挤过程需要引入新的参数.

基于多Agent技术的飞机协同飞行建模与仿真

应用多Agent建模与仿真技术,研究了飞机Agent在空中走廊中的飞行风险。根据空中走廊内飞机Agent的飞行目标、主要功能和内部结构,分析了飞机Agent的推理规则和协同状态,提出了协同飞行的交互结构,利用混合式仿真方法进行仿真试验。仿真结果表明:当大型飞机的最大、最小巡航速度分别为880、620km·h-1,中型飞机的最大、最小巡航速度分别为790、525km·h-1,且2种机型加速度的最大值、最小值均分别为0.608、-0.780m·s-2时,空中走廊中飞机的飞行状态可以划分为4种典型工况;第1种工况下,飞机的速度始终为745.17km·h-1,总飞行时间为708s;第2种工况下,飞机根据前方飞机调整自身飞行速度,飞机初始速度为658km·h-1,最大速度为778km·h-1,总飞行时间为648s;第3种工况下,飞机为避免飞行冲突变更空中走廊中的飞行线路,总飞行时间为744s;第4种工况下,飞机因安全问题脱离空中走廊,总飞行时间为66s。提出的模型可满足实际要求。

一种航路扇区概率性交通需求预测方法

空中交通拥堵逐渐从终端区向高空航路网络蔓延,准确预测航路扇区交通需求概率性变化成为科学实施拥堵管理的重要前提,而国外已有方法较难适用我国空管实际数据条件.为解决该问题,本文基于空管现有航空器过点时间数据,设计了基于预测误差分布特性的统计方法,提出了航路扇区概率性交通需求预测方法.结合中南地区典型运行数据,提取并验证了各扇区过点时间的预测误差分布规律,获得了各扇区交通需求值及其概率分布,发现所得概率性交通需求预测结果较之传统确定性交通需求预测方法更准确,适合为我国高空航路拥堵管理研究提供需求预测依据.

基于Monte-Carlo模拟的进场排序不确定性研究

为了提升终端区航班排序抵御不确定因素扰动风险的能力,保证航班运行效率及降低延误损失,综合考虑终端区运行的多种约束限制。基于不确定性因素对进场航班影响分析,以航班总延误和管制干预最小为目标,建立进场航班排序的多目标随机期望值模型。应用Monte-Carlo模拟方法刻画航班运行状态随机变量的统计特征,将模型所求目标函数值表征为随机模拟的数学期望,设计了带精英策略的非支配排序遗传算法(NSGA-II)寻求模型的Pareto最优解集,绘制不同阈值的缓冲间隔下得出Pareto前沿拟合曲线。采用广州终端区典型时段进场航班数据进行仿真验证,结果表明模型中不同阈值范围的缓冲间隔设置,可提供权衡航班延误和管制干预之间的合理化建议,且最高可降低32.4%的航班延误。所提方法能有效缓解繁忙机场航班延误,提升航空运输服务能力。

高密度机场空中交通运行特性分析

为准确把握高密度机场空中交通运行规律,有效支撑航空运输建模、仿真、分析与实验等工作,亟需对其交通运行涉及的诸多特性进行科学分析。采用总量分析、概率统计、假设检验、包络分析、相关分析、聚类分析等理论方法,对高密度机场的交通计数分布特性、交通运行时间特性、进离场互适应特性、交通运行相关性、场面交通拥堵特性等进行了系统和全面地分析。上海浦东国际机场实例研究表明,单位时间内跑道/停机位的进场流和离场流计数服从泊松分布,滑行延误时间和无阻碍滑行时间分别服从对数正态分布和正态分布,进离场交通流之间存在明显的耦合作用关系,场面滑行时间与离场累计流量、进场累计流量、起飞队列长度、降落队列长度之间存在显著的线性相关关系。在此基础上,对机场场面拥堵等级及各关键指标临界值进行了分类识别与计算分析。所提方法对任意机场系统均具有普适性,可为机场运行管理和空中交通管理提供理论依据和建模参考。

基于CTM的终端区交通流参数关系研究

为研究终端区空中交通流宏观时空特性及演变规律,利用时间离散的差分方程方法建立终端区进场交通流元胞传输模型,分析推导了交通流基本特性参数间的数理关系;借助NetLogo系统仿真平台对终端区进场交通流进行数据仿真与模拟推演,统计验证了交通流基本特性参数及其间相互关系,并利用真实雷达数据验证了仿真数据的可靠性;比较分析管制间隔对终端区空中交通流特性参数的影响规律。研究结果表明,进场交通流的速度与密度、速度与流量、流量与密度之间存在明显的相互影响关系,且管制临界密度与管制临界流量直接影响关系曲线拐点位置。

区域管制扇区复杂性指标构建及分析

运用协方差矩阵和系统聚类法对区域管制扇区复杂性指标间关系进行研究。基于对区域管制扇区结构和流量分布特征的分析,构建7个复杂性指标。以国内37个区域管制扇区数据为样本,结合可视化协方差矩阵阐明复杂性指标相关性。研究表明,区域各扇区面积相差悬殊(变异系数194.75%),但流量在不同路径的分布均匀程度比较一致(变异系数9.02%);扇区范围越大,往往流量在各路径上的分布越均匀(相关系数0.54~0.59),但扇区流量反而越低(相关系数-0.06^-0.13);以并类距离0.70为界,扇区复杂性指标分为静态和动态两类,且静态指标共性强于动态指标。

航路资源协同分配的多目标优化方法研究

目前,航班飞行需求激增和恶劣天气已经严重影响到航空空域的正常运行,为此针对空域拥堵时航路的时隙航迹资源协同分配进行了研究。根据问题的数学描述,以总延误成本最低和公平损失偏差系数最低为两个目标,建立了航路资源协同分配模型,运用多目标遗传算法(NSGA-Ⅱ)对模型求解分析。通过航路网络的典型数据测试该模型,生成了可供决策者选择的帕累托最优解集,并与传统RBS算法进行比较,实现平均延误成本降低8.5%,平均公平损失偏差系数降低70.6%。结果证明NSGA-Ⅱ算法可以较好的解决航路资源协同分配的问题。

基于可接受调整量水平的航班时刻优化研究

针对战略航班时刻优化问题,提出可接受调整量水平的概念,分析航班时刻表功效性与可接受性的权衡关系.建立双目标航班时刻优化模型,基于ε-约束法的分步求解策略,采用带变异算子的改进粒子群算法进行求解.最后以南京机场航班时刻为例,使用Airtop仿真软件进行验证.结果表明,时刻表的可接受性可以在几乎不牺牲功效性的情况下实现,且优化后的时刻表与先来先服务方法相比,平均延误时间减少了25%,放行正常率提高了11%.该模型既充分利用容量又考虑配置结果的现实可行性,实现了均衡机场运行效率和航空公司效益的优化配置方案.

一种基于机载数据的民用航空器飞行阶段划分方法

为有效解决民用航空器的机载快速存取记录器(QAR)航迹数据中飞行阶段出现错误划分的情况,通过航空器气动构型和垂直运动态势变化提出了飞行阶段重新划分方法,具体分为4个步骤:数据预处理、垂直运动态势划分、飞行状态特征模型构建和飞行阶段重新划分;使用基于DBSCAN的局部遍历聚类方法对气压高度变化趋势进行聚类分析,划分垂直运动态势,并通过设置有效态势最短持续时间解决气压高度的局部抖动问题;考虑不同机型在不同飞行阶段时的襟翼位置和操纵各不相同,场面滑行时的场压抖动以及空速表在低速滑行时数值不准确等因素,根据航空器襟翼位置开关、起落架位置、地速和垂直态势等状态参数建立适合所有机型的飞行状态特征模型,并对QAR航迹划分飞行状态特征段;建立各飞行阶段与飞行状态特征的关系模型,结合起落架空地逻辑将所有飞行状态特征段识别为对应的飞行阶段。以3个典型的样本航班为例,计算结果表明:航班包含复飞在内的所有飞行阶段均被有效识别和划分,并与航空器飞行时的襟翼和起落架状态保持一致,原QAR数据中的飞行阶段错误划分问题得到有效解决;对272268个航班的QAR航迹进行了飞行阶段重新划分,成功率为99.7%,起飞、初始爬升、进近和着陆等非光洁构型飞行阶段的平均历时分别为0.6、1.9、6.1和4.0 min,平均距地高度分别为54、3680、6030和2500 ft,符合航班实际运行规律。可见,所建立的飞行阶段重新划分方法可适用于大批量航班,为民用航空器的飞行阶段特征分析提供技术支撑。

考虑容量不确定性的航班时刻优化模型研究

为在战略阶段合理安排航班时刻,减少运行阶段航班执行受不确定性因素的影响,基于两阶段随机规划建立了用于处理多机场、多运行日容量不确定性的航班时刻优化模型.模型以最小化航班时刻战略协调成本和战术运行延误期望成本为目标,加入进离场服务率优化选择约束以进一步模拟机场实际运行特征,并设计使用样本均值近似方法进行求解计算.结合北京首都机场和广州白云机场历史航班预先飞行计划数据进行了实验,讨论了不同运行延误控制程度下航班时刻战略协调成本和运行期望成本之间的关系,为我国航班时刻协调部门提供辅助参考.

基于荟萃分析的出行时间价值计算方法

提出一种基于荟萃分析的旅客出行时间价值计算方法,包括文献收集与筛选、数据处理、异质性检验、荟萃回归,以及结果分析五个步骤.异质性分析得到,数据总体异质性为37.7%;荟萃回归结果显示,调查地点、交通方式,以及调查对象分别产生31%,25%和28%的异质性来源;随后,分别建立了固定/随机效应模型和可行广义最小二乘模型,经过检验分析最终选择可行广义最小二乘模型进行参数估计,目的在于为出行者的出行决策提供合理依据和方案指导.

基于航路资源协同分配的ATFM方法研究

为解决空域单元在航路交通需求超量、天气状况影响造成的多条航路容量下降条件下的航路资源协同分配问题,提出了两阶段时隙航迹协同分配模型。两个阶段分别从空管和航空公司的角度,在受影响航班提交航迹偏好选项前提下,以容量受限条件下航班总延误成本最低及旅客平均延误时间最短为目标,在满足各约束条件的基础上,为受影响航班分配时隙及航迹,采用启发式算法求解模型,通过航路的仿真数据测试了模型的有效性,实现了均衡多个飞行受限区流量的目标,提升了航路运行效率。