Dynamic Air-Route Adjustments——Model,Algorithm,and Sensitivity Analysis

Dynamic airspace management (DAM) is an important approach to extend limited air space resources by using them more efficiently and flexibly.This paper analyzes the use of the dynamic air-route adjustment (DARA) method as a core procedure in DAM systems.DARA method makes dynamic decisions on when and how to adjust the current air-route network with the minimum cost.This model differs from the air traffic flow management (ATFM) problem because it considers dynamic opening and closing of air-route segments instead of only arranging flights on a given air traffic network and it takes into account several new constraints,such as the shortest opening time constraint.The DARA problem is solved using a two-step heuristic algorithm.The sensitivities of important coefficients in the model are analyzed to determine proper values for these coefficients.The computational results based on practical data from the Beijing ATC region show that the two-step heuristic algorithm gives as good results as the CPLEX in less or equal time in most cases.     

基于优先级的航班到达调度算法

随着空中交通流量的迅猛增长,终端区空中交通拥堵以及由此导致的航班延误现象日益突出,甚至危及航空安全,航运效益也随之受到巨大的损失。作为终端区流量管理的核心,航班到达调度旨在为终端区待着陆的航班安排合理的着陆顺序和降落时刻,在确保安全的前提下提高进港航班运行效率。基于优先级思想,文章提出了PBSA和PBSA-CPS两种航班到达调度算法,并引入约束位置交换概念,以提高调度结果对于管制员的可操作特性。最后以首都机场为例进行了仿真,并与现行的先到先服务算法FCFS进行了对比。仿真结果表明,通过对航班赋予相应的优先级,有助于优化调配到达航班队列的降落时隙分配结果,提高终端区运行效率,减少延误损失。     

华东地区管型航路鲁棒动态激活关闭方法

管型航路是一种能容纳高密度交通流的新型空域结构,契合于我国华东地区空域繁忙,并且航空运输量持续高速增长的特点。提出了一种管型航路鲁棒动态激活关闭方法,建立离散时间动态系统,构建管型航路动态激活/关闭的多目标优化模型,并进行鲁棒优化,使动态激活关闭方案具有更高的适应度。以华东地区B221航路构建管型航路为例进行动态激活/关闭研究,结果表明,确定性优化方案和鲁棒优化方案相比固定方案而言,可使用50%的开启时长,服务63.03%和64.98%的航班,并且,使用效率提升16.67%和17.44%。     

基于交叉点复杂度的空域通行能力优化方法

为解决空域拥挤导致通行能力下降的问题,提出了一种考虑交叉点复杂度的通行能力优化方法。首先,分析了实际民航运行中存在的痛点和难点,以及以往有关通行能力的研究缺少交叉点建模、管制员负荷测量困难和求解时间复杂度高的缺陷;第二,从高度层、交叉点和航班运行三个方面提出了空域的数学抽象方法,并根据节点的交叉数对空域的数学模型进行简化,剔除了没有交叉的导航台点,降低了空中交通网络抽象后节点矩阵稀疏的问题;第三,分析了交叉点对于通行能力的影响主要在于流量和交叉数两个方面,以这两个方面建立了交叉点的费用函数;第四,以延误最小为目标,以流量平衡、扇区和航路容量、流控容量和非负整数作为约束,建立了通行能力优化模型;第五,分析并指出存在负容差的空中交通网络更容易发生延误,并根据网络延误的特性提出了一种考虑延误反向传播的迭代算法。最后,以华北地区空域为例,从不同流控等级下的延误时间、受影响的航班数和算法计算时间三方面进行仿真。结果表明,模型和算法平均能降低33.58%的延误,且通过合理地分配改航、调时和调减最大程度减少延误。     

改进动态密度模型在扇区容量评估的应用

针对我国空域容量评估的迫切需求,明晰了扇区容量的概念与评估关键,在深入分析空域动态密度的基础上,对管制意图参量进行分析,建立起改进的动态密度评估模型,并给出基于该模型评估扇区容量的方法。最后,通过原模型与改进模型评估扇区容量结果的对比,验证了基于新模型评估扇区容量的有效性和实用性。     

灰色关联决策在空域移交中的应用

空中交通管理在现代航空运输体系中具有核心作用,其应急响应能力在应急救援中决定着受灾地区航空运输系统效用的发挥。文中由Delphi法建立了空域移交接收方的评价指标体系,采用层次分析法确定了各指标值及权重,并建立了空域移交多指标灰色关联决策模型。利用此模型对我国某空域周边区域接收能力进行了评价,最终确定了此区域应急响应下的空域移交决策。文中的研究方法能有效反映空域移交接收方的能力,具有较强的理论价值和可操作性,为民航局和各地区空管局制定应急状况下的空域移交方案提供了理论依据。     

带滑行道冲突告警功能的机场管制员培训系统的设计与实现

针对民用机场同时具有离场飞行、进场飞行和滑行道滑行等复杂运行环境,机场管制员需要具有相应的处理能力,为此设计并实现了一套机场管制员培训系统。系统的最大特点是包含了滑行道冲突检测模块。当管制员向航空器发布滑行路径指令后,该模块将检测各架航空器之间潜在的计划滑行路径冲突并向管制员告警。采用该系统培训之后,机场管制员发布的滑行指令的有效性和安全性将显著提高,使民用机场的运行更加高效和顺畅。     

空中交通网络流系统拥堵程度评估

为解决日益严重的空中交通拥挤和拥堵问题,提出从空中交通流的角度出发,区分界定空中交通拥挤和拥堵,并建立拥堵程度评估模型来评估空中交通网络的拥堵程度。空中交通拥堵发生时可将系统划分为非延误部分和延误部分,建立拥挤程度评估模型评估空中交通网络的拥挤程度,建立延误程度评估模型评估空中交通网络延误程度,对两个部分分别赋予不同权重建立空中交通网络拥堵程度模型。最后采用某大型机场发生的某次空中交通拥堵作为算例数据,结果证明了模型是可行的。     

单机场地面等待问题中的参数设置

近年来,空中交通拥挤现象时有发生,使得流量管理备受瞩目。本文针对空中交通流量管理中的一类单机场地面等待问题,建立了相应的优化数学模型;对该模型进行了仿真验证;基于仿真结果,对模型中的关键参数作了详细的分析讨论,得到了相关参数的物理意见义和数学关系式。     

空中交通进近排序及优化调度

针对空中交通进近管制地区日益繁忙的交通流量,设计了一种进近排序及优化调度方案。目前的空中交通调度依赖于管制员的经验判断。随着交通流量的增加,管制员的工作负荷越来越重,这就进一步威胁交通安全。管制员通常以牺牲容量为代价来保障安全,结果造成大量的交通延误。该文设计的进近管制排序和优化调度方案能够在充分保证安全运营的情况下最优地使用机场和空域的容量。同时为管制员提供方便直观的决策支持工具,可以进一步减轻管制员的工作负荷。该方案已应用于清华大学国家CIMS中心与华北空管局合作开发的空中交通管制指挥检测系统(ATCCMS)中,得到了管制员的一致好评。     

基于动态交通分配的路网应急疏散模型

实施科学有效的应急疏散策略对提高城市交通应急响应能力、节约救援时间和降低灾害带来的生命财产损失具有重要的作用。考虑到应急过程的动态特性,采用动态交通分配方法来进行应急疏散。首先,给出模型的约束条件,提出基于疏散时间最短的系统优化动态交通流分配模型。然后运用Pon tryag in最小值定理来获得模型最优解,同时对是否是最优解的充要性给予证明。仿真算例结果表明所提出的应急疏散模型能在较短的时间内完成对指定区域的应急疏散,能较好地用于解决交通应急疏散问题。     

基于动态交通分配的实时应急疏散交通管理

实施科学有效的应急疏散策略对提高城市交通应急响应能力、节约救援时间和降低灾害带来的生命财产损失具有重要的作用。实时应急疏散交通管理的目的是紧急疏散情况下制定某种目标如疏散时间最短来对交通流实行动态控制。采用动态交通分配方法来进行应急疏散。首先,提出基于疏散时间最短的系统优化交通分配模型。然后运用庞特里亚金最小值定理来获得模型最优解的优化解。仿真算例表明所提出的模型能较好地进行交通应急疏散。     

终端区交通态势识别研究

终端区交通态势日益拥挤,严重制约了航空运输业的快速健康发展。为了科学评估空中交通状态,提高空域资源的利用率,对终端区交通态势进行了研究。提取影响终端区的属性指标,运用模糊C-均值聚类(FCM)对数据进行分类离散化,采用粗糙集理论分析各属性的权重,并结合模糊关系矩阵构建终端区交通态势识别模型。采用FCM和FCM-粗糙集两种识别方法对终端区交通态势进行识别。结果表明FCM-粗糙集模型既可避免人为因素干扰,还可解决数据多属性冗余问题,使交通状态判断更加准确可信;终端区交通态势分四类时,效果最好。该模型为终端区交通态势识别提供了新的研究方法。     

基于模拟机的空中交通管制复杂度预测模型

为改进管制工作负荷预测方法在探究主、客观量映射关系方面的局限性,提出了一种空中交通管制复杂度预测模型.定义空中交通管制复杂度为管制员工作负荷与其阈值之比;组织一线管制员及资深专家进行多组模拟机实验,获取其对各实验场景下管制复杂度的主观定性评估,利用MATLAB处理得到相应场景下的复杂因子;通过BP(back propagation)神经网络对样本数据进行非线性拟合.拟合模型的平均绝对误差为0.025,预测偏离程度为3.75％.研究表明该模型能够较准确地反映空中交通管制复杂度(主观量)与各复杂因子(客观量)之间的映射关系,为空域规划与管理提供科学理论支持.     

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。     

多机场地面等待动态建模及其算法研究

随着我国民航事业的快速发展,空中交通流量迅速增长,使得空中交通拥挤问题日益严重,因此建立科学合理的空中交通管理系统变得十分迫切,而管理系统的核心-流量管理优化算法的研究就十分重要了。给出了考虑扇区容量限制的多机场地面等待问题的动态模型,并设计了一种以航班优先级别为核心的多机场地面等待启发式优化算法。详细地给出了算法的设计思想和步骤,求解时还考虑了目的机场容量的变化以及不同航班单位延迟费用的不同。最后仿真验证了其可行性。算法可求出符合各容量约束条件的满意实时解。     

基于灰色聚类的大面积航班延误的延误程度评估

为准确评估大面积航班延误的延误程度,分析了空中交通网络中大面积航班延误的形成过程,在分析人、机、环、管等影响大面积航班延误程度的因素的基础上,选取能表征大面积航班延误程度的节点、航线、到达关联节点指标.基于空中交通网络流系统建立了大面积航班延误程度评估的指标体系.利用层次分析法和熵理论方法,组合赋权确定各指标权重.建立了评估大面积航班延误程度的灰色综合聚类评估模型.选取2019年某发生大面积航班延误的空域进行航班延误程度评估.算例分析结果表明:运用该模型所评估的发生大面积航班延误的空域的延误程度与实际情况相符.     

面向森林火灾的通航抢险飞行空域栅格化建模

针对以往基于经纬度的飞行空域使用及表达方法在救援任务建模精度及动态性等方面的不足,提出面向森林火灾的通航抢险飞行空域栅格化建模方法。对应森林火灾救援中的水源地等关键点、飞行航线、火场区域三类元素,将低空抢险飞行空域基本构成元素设计为点状空域、线状空域和面状空域三类。以平均海平面为基准,基于GeoSOT网格建模方法,采用正六边形网格对抢险飞行空域进行剖分,构建抢险飞行空域在水平和垂直方向的动态空域模型;设计包含网格地址、高度、使用类型等属性的空域网格编码体系,可支持建立抢险飞行空域动态管理架构。以某森林火灾抢险飞行作业场景为例,验证了所给空域栅格化建模方法的可行性。     

基于调速的飞行冲突探测与解脱方法

随着中国民航的快速发展,空域资源的紧缺和空中交通拥堵现象越来越严重,由此带来的飞行冲突也越来越多.首先,提出了一种基于调速的飞行冲突探测与解脱方法并且通过非线性规划的方法优化调速机动阶段的燃油消耗.其次,通过飞行冲突探测和解脱方法确定飞机可以进行调速的速度区间,通过优化调速机动阶段燃油消耗,得到可调速的速度区间中的最省油的速度.最后,将速度剖面实时分配给相关的航空器,使航空器之间的间隔大于给定的最小安全间隔.通过仿真分析,提出的飞行冲突探测与解脱方法能够快速解决飞行冲突,非线性规划优化燃油消耗的方法能够带来较大的燃油消耗的节省.     

大面积航班延误下空中交通网络流系统的拥堵识别

近些年来,大面积航班延误问题已经成为空中交通流量管理部门的难题之一。为了从宏观上描述发生大面积航班延误时的交通状态,提出了空中交通网络流系统的拥堵定义,并对其拥堵程度进行识别和划分。首先从空中交通网络流系统的要素航线和机场的航班运行角度出发,建立了拥堵识别指标体系。其次,根据历史统计数据和熵值法计算权值,并基于模糊综合评价法建立了拥堵程度识别模型。最后,结合实例验证,表明该模型能真实的反映空中交通网络流系统的拥堵状况。