具有绕滑的跑滑系统航空器滑行策略研究

为了应对空中交通流量的增加带来的挑战,很多繁忙机场建立了具有平行跑道的跑道系统来提高机场容量。绕行滑行道（End-around Taxiway,EAT）是提高具有近距平行跑道的繁忙机场运行效率的新型滑行道。本文根据具有绕行滑行道的跑滑系统的运行特点,将航空器在跑滑系统中的运行分为直接穿越、选择绕滑、等待-穿越三种滑行策略。提出具有绕行滑行道的跑滑系统滑行效率的概念,将航空器的滑行燃油最少和滑行时间最短作为协同优化目标,并结合绕行滑行道的运行规则、效率优先级作为约束条件,建立航空器地面滑行策略优化模型。从而根据该模型,选出最优的滑行策略。算例分析表明,绕行滑行道的使用可有效提高跑滑系统的滑行效率。     

多跑道进离港地面等待问题建模及协同优化

针对多跑道机场起降航班难以进行跑道合理分配,尤其是混合跑道的使用问题,以降低航班延误损失为目标,提出一种基于跑道的航班优先系数计算策略,建立了一种多跑道进离港地面等待问题优化模型,并实现进离港队列延误费用的合理分配.同时,设计了一种启发式局部搜索算子并嵌入遗传算法,形成一种混合遗传算法对问题模型求解.通过对代表性算例的计算,结果表明,所提出的模型及算法不仅可以减少航班的延误损失,还可以显著优化延误损失在进离港队列之间的合理分配.     

侧向跑道机场滑行路径优化

为了缓解机场场面交通拥挤状况,提高侧向跑道机场场面运行效率,构建了侧向跑道机场航空器滑行路径优化模型.该模型以航空器加权滑行时间和延误等待时间最小为目标,提出了动态优化航班的优先级的优化方案.将航空器的运行规则转化为相应的数学约束条件,根据侧向跑道机场的滑行道调度问题进行算法设计,运用改进的遗传算法对模型进行求解,以航空器的优先级滑行序列和航空器滑行路径为染色体,基于MATLAB对双链染色体进行编码,并对4种滑行冲突与解脱进行分析.以成都天府国际机场为例进行算例分析,与先到先服务序列进行对比,采用优化方案的序列可以节省42 s,并与蚁群算法进行比对,验证了改进的遗传算法的有效性,可以为繁忙机场的滑行调度提供决策支持.     

近距平行跑道基于相关平行进近模式排序研究

近距平行跑道基于相关平行进近模式排序能最大限度地提高跑道运行能力.介绍了相关平行进近模式,以总延误成本最小为目标函数,综合考虑跑道约束、着陆时刻约束、配对约束、排序约束和间隔约束等约束条件,建立了着陆航班排序模型,采用改进的先到先服务算法求解,得到各航班的延误成本以及总的延误成本.以上海虹桥国际机场为例,结果表明近距平行跑道采取相关平行进近模式较一起一降模式能很大程度地减少延误成本.     

起飞飞机后侧穿越方式下的滑行效率分析

为提高机场场面运行效率,以前侧跑道穿越方式为比较对象,对后侧穿越方式下的滑行效率进行分析。基于前后侧两种不同跑道穿越方式的机理,结合图论思想,将航空器的地面滑行速度、安全间隔及滑行道使用规则等作为约束条件,以总的地面滑行时间最短为目标函数,分别构建前侧穿越和后侧穿越两种不同穿越方式下的数学模型;根据前后侧穿越方式下的航空器地面滑行特点,设计面向前后侧穿越下航空器滑行路径的遗传算法对模型进行求解;选用重庆江北国际机场为例,统计目前在该机场运行的主要机型,从起飞滑跑距离、抗侧风能力及尾喷影响距离对其性能进行分析,计算江北机场某一天高峰小时内37架航班的地面滑行时间,比较两种穿越模式下的滑行效率。计算结果表明:单位小时内,前侧穿越结合后侧穿越模式比单独使用前侧穿越模式时的总地面滑行时间节省约9min,结合使用前侧穿越和后侧穿越的模式可以在前侧穿越延误较大的情况下提高场面滑行效率。     

基于航班离场成本的离场航空器滑行策略优化

针对大型枢纽机场日益严重的场面拥堵及由此导致的航班延误问题,推出率控制策略可利用机位等待代替滑行道及跑道口等待,控制场面离场航班的滑行数量,缓解场面拥挤.基于推出率控制策略同时结合场面滑行路径优化,提出了基于航班离场成本的离场航空器滑行策略.首先,构建了基于推出率控制策略的航班离场成本计算模型;然后,提出离场航空器滑行策略优化方法;最后,以航班离场成本最小为目标,采用遗传算法开展算例仿真,并选取三种策略进行对比分析.结果表明:基于航班离场成本的滑行策略不仅能减少离场航班的总滑行时间,提高场面运行效率,还能减少燃油消耗和气体排放量,具有一定的环保性.     

相关运行模式下的近距平行跑道容量计算方法研究

为提高近距平行跑道的系统容量,研究了相关平行进近运行模式下跑道间隔、进近下滑角和机型组合对跑道容量的影响。根据ATC间隔标准建立了相应的近距平行跑道容量计算模型。计算表明,在安全运行允许的条件下,跑道间隔相同时,跑道容量随下滑角的增大而提升;下滑角相同时,跑道容量随跑道间隔的变化并不敏感。模型在上海虹桥机场的应用表明,采用3°下滑角的跑道到达容量比现阶段提升18.3%;采用5°下滑角,到达容量提升32.1%。     

停机位分配的多商品网络流模型及离散粒子群算法

本文建立了停机位分配的多商品网络流模型,并以航空器总场面运行时间最小为目标,建立数学模型。将机场场面分为若干区域,建立区域—机位两级分配策略,以降低问题规模。设置机位外等待时间,以省去区域容量相关约束。在传统粒子群算法的基础上,设计离散粒子群算法,对模型进行求解。选取乌鲁木齐机场某日240架航班和109个机位进行实验,证明了与现有研究中的典型模型相比,多商品网络流模型能使运算时间减少10.1%,并能达到与典型模型相同的精度。全空域和机场模型(total airspace and airport modeller, TAAM)仿真结果表明,和现行机位分配方案相比,多商品网络流模型的机位分配结果能使航空器的场面调配运行时间减少7.49%,延误时间减少8.87%。算例结果进一步表明,提高机场场面运行效率的关键在于均衡航班的进离港滑行距离,同时避免停机位密集分布。     

机场冲突热点识别与等级划设方法研究

针对机场地面运行中航空器之间的潜在冲突区域,提出了基于场面监视雷达数据,提取机场机动区内航空器地面滑行轨迹,分析经过同一滑行道组件的任意两个航空器的滑行路径、滑行时间是否有重合,分析两机航向差绝对值和距离间隔是否满足特定约束条件的机场冲突热点识别方法;提出了基于冲突热点的日平均冲突航空器架次比进行热点的等级划设准则。开发了一套冲突机场热点识别与等级划设系统,并对我国中南某机场冲突热点位置进行识别并划设等级。其结果与专家反馈意见和实际管制运行情况一致,从而验证了热点识别方法与等级划设标准的合理性。机场冲突热点识别与等级划设工作可以有效提醒航空器驾驶员在地面滑行时特别关注"危险地带",降低或杜绝发生跑道入侵或地面冲突的几率,有效地提高机场地面运行安全水平。     

混合运输机场跑道服务能力评估模型

为提高混合运输机场运行效率,综合运输与训练飞行混合运行特点,提出了混合运输机场跑道服务能力评估模型。该模型考虑了不同类型航空器的性能特点以及空中交通管制规则,将运输与训练航空器的起降过程以及训练科目的跑道占用时间分类细化。运用Anylogic软件进行仿真,以起降比例、训练科目比例和运输训练飞行比例作为关键参数,得出混合运输机场跑道服务能力变化趋势。仿真结果表明：①进离港高峰期应增加触地拉升科目,可使跑道服务能力提升约6%;②离港高峰期应减少训练飞行起飞科目,将起飞航空器比例控制在20%~50%;③进港高峰期应利用跑道使用间隔进行训练飞行起飞科目,可使跑道服务能力提升约18%。本文模型仿真结果与实际运行过程相符,可为混合运输机场未来提升跑道服务能力提供一定参考。     

机场独立运行跑道起飞容量计算模型

跑道容量的确定是多条跑道开设时机的依据.给定了独立运行跑道起飞容量的概念,分析了各种影响跑道起飞容量的因素,按典型正态分布问题建立了计算模型;根据起飞飞机的速度关系和空管规则综合考虑了跑道占用时间、飞机前后间距标准、空管规则、风速影响、起飞公共段长度等影响因素,从理论上分类建立了机场独立运行跑道起飞容量的计算模型,提出了确定容量的方法,并利用某机场的实际运行航班数据对起飞容量进行计算,计算结果验证了该模型的实用性和可行性.     

基于机器学习的离港航空器滑出时间预测

准确地预测航空器的滑出时间对于提升机场场面运行安全和效率至关重要。基于机场场面运行态势分析，获得进/离港航空器滑行的时空分布特征，从而准确定义同时段离港航空器数量、进港航空器数量、起飞队列长度。基于影响因素进行相关性结论分析，构建了基于机器学习的航空器滑出时间预测模型，并使用中南某枢纽机场2周的实际运行数据对模型进行了验证。结果表明：（1）滑出时间影响因素相关性大小排序为：起飞队列长度、同时段起飞航空器数量、半小时平均滑出时间、同时段落地航空器数量、起飞使用跑道、滑出距离。（2）机器学习方法能实现对航空器滑出时间的有效预测，分类器的优劣排序为支持向量机（support vector machine，SVM）、BP（back propagation，BP）神经网络、随机森林（random forest，RF）。（3）引入弱相关的影响因素后，滑出时间预测精度会有一定程度的降低。     

基于SSA-BP的离港航班滑出时间预测

针对传统BP神经网络在离港航班滑出时间预测时存在对初始权值和阈值敏感、准确性和稳定性不好等缺点,提出了一种基于麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm, SSA)获取BP神经网络的最优权值和阈值的方法。首先分析了离港航班滑出时间的可量化影响因素及相关性,然后构建了基于SSA-BP的离港航班滑出时间预测模型,并采用我国中南某枢纽机场2周的实际运行数据对预测模型进行了验证。结果表明：①离港航班滑出时间与同时段滑行的离港航班数量强相关,与同时段滑行的进港航班数量、同时段推出的离港航班数量、平均滑出时间中度相关,与滑行距离和转弯个数弱相关；②基于SSA优化后的BP神经网络预测结果误差在±60s内的准确率提升了20%,误差±180s内的准确率提升了12%,误差±300s内的准确率提升了7%；预测结果的平均绝对误差百分比提升了2.61%,平均绝对误差减少了11.73s,均方根误差减少了61.03s。研究成果为提升大型枢纽机场场面运行效率提供了思路。     

高原机场飞机减载使用分析

高原气候环境特殊,空气稀薄,飞机在高原机场运行时,起降性能受气温气压影响显著,飞机载重受到限制.基于高原机场飞机起飞着陆性能的分析,提出飞机减载的判定准则和分析方法,分别研究了轮胎速度、跑道长度、刹车能量和道面承载能力等因素对飞机起降质量的限制.根据运动学理论分析起飞离地、着陆接地平衡状态,得到离地速度与起飞质量、接地速度与着陆质量的关系,计算轮胎速度限制的最大起飞着陆质量;分析高原机场跑道长度计算理论,利用解析积分法计算跑道长度限制的飞机最大起飞着陆质量;将刹车能量对飞机起飞着陆质量的限制转化为决断速度对飞机起飞着陆质量的限制,通过决断速度计算飞机的最大起飞质量;采用ACN-PCN(aircraft classification number-pavement classification number)评价法,确定飞机的最大起飞着陆质量.以某高原机场为例计算某型飞机的最大起飞质量和最大着陆质量,给出了具体的减载方案.研究表明,对于正常起飞和正常着陆,轮胎速度对最大起飞质量和最大着陆质量影响最敏感;对于一发失效,刹车能量对最大起飞质量影响最敏感.     

交叉跑道进离场窗建立方法

针对交叉跑道相关运行模式下复飞引起的进离场冲突问题,提出规划交叉跑道冲突全域以保持进近复飞与离场航空器的飞行间隔.将交叉跑道冲突全域分解定义为前窗和后窗,依次建立直接交叉汇聚和非交叉汇聚跑道前窗、后窗的碰撞风险评估模型,并研究跑道交叉角度对侧向、纵向和垂直3个方向以及总体风险的影响程度.选取成都天府机场非交叉汇聚跑道组和美国威奇托机场直接交叉汇聚跑道组为实例进行仿真分析,结果表明天府机场冲突全域的范围为进近跑道入口前11.89 km至入口后6.44 km,威奇托机场冲突全域的范围为进近跑道入口前10.93km至入口后6.85km,将划设的交叉跑道冲突全域与规章中基于时间的尾流间隔约束相比较,可最终确定进近复飞与离场航空器的安全间隔,也可对未来国内交叉跑道构型相关运行模式下的安全间隔提供参考.     

考虑跑滑结构的机场跑道容量评估模型

跑道容量是衡量机场服务水平的重要指标.民航中小型机场跑道滑行道结构简单,航空器起降占用跑道时间较长,是影响机场容量的主要因素.本文细化航空器起降滑行、滑跑时间,引入管制规则,构造了考虑跑滑结构的机场容量评估模型.采用Visual C++编程进行数值模拟仿真,结果表明,该模型能量化实际滑跑距离、滑行道位置、起降比例等关键因素对机场容量、跑道占用时间的影响.以赣州机场为例,该模型容量评估结果符合实际飞行原则和管制规则,能为提高机场吞吐量提供技术支持,具有一定的参考价值和实用性.     

A*算法的场面滑行动态规划方法

针对大型繁忙机场交通冲突频发、起飞延误等问题,在战略和战术层面分别对机场场面滑行路径规划方法展开研究。简化了机场路网结构,将滑行路径规划与进离场序列结合,建立了航空器总体滑行耗时最短,延误最少的动态优化模型。在比较了流行的机场滑行路经规划算法基础上,从战术规划的角度提出了一种新的基于A~*算法的场面滑行动态规划方法和冲突解脱策略。案例仿真结果表明该方法可以快速有效的减少航空器总体滑行时间和解决滑行冲突,实现机场场面运行效率提升和机场运营的自动化。