危險天氣區域下的航班改航路徑規劃

韓斌

摘要：危險天氣區域嚴重影響航班的飛行，隨著經濟快速發展，航班增多，對于航班被動的地面等待，嚴重阻礙了經濟的發展，為解決空中交通流量管理中惡劣天氣或流量受限下的航班改航問題，本文將探討危險天氣區域下的航班改航路徑規劃。

關鍵詞：危險天氣區域；航班改航；路徑規劃

一、引言

危險天氣區域下，導致飛行事故癥候的事件比較頻繁。在飛機巡航期間，由于受大范圍天氣系統的影響，雷雨，冰雹，龍卷風、閃電等，如果飛機在航路上遇到大面積雷雨區時，一般就會飛機返航、備降。而通常雷暴是在云層中，有的時候即使不下雨，但是云層中依然會有雷暴。雷暴區域附近產生的下擊暴流和風切變，會直接造成起降飛機失控。風切變即是在短距離內風向、風速發生明顯突變的狀況。強烈的風切變瞬間可以使飛機過早地或者被迫復飛。在一定程度下就可以導致飛機失速和難以操縱的危險，造成飛行事故。機組由于對雷暴的認識不清，簽派員在遇到雷雨天氣條件下航班的放行時，往往主對天氣的了解和掌握也主要集中在機場終端區雷雨天氣的研究。航路雷雨天氣下的放行成為一個難點，對其發展趨勢不明白，沒有事先做好充分的繞飛計劃，以及繞飛油量沒有帶夠等因素而導致返航備降。在航路上飛機飛行高度都比較的高，而空域范圍較廣，并且受到的地形限制非常小，解決的辦法可以讓飛機進行繞飛或改變在云上飛行飛行高度等措施來避開雷暴等危險天氣的影響。本文將探討的就是危險天氣區域下的航班改航路徑規劃。

二、人工勢場法路徑規劃

人工勢場模型人工勢場法由Khatib 1986年提出的一種虛擬力法，起初只是為了解決機械手臂在移動抓取物體的時候，能夠不碰到工作臺。他的基本思想是把機器人在周圍環境中的運動，設計成一種抽象的人造引力場中的運動，目標點對移動機器人產生“引力”，障礙物對移動機器人產生“斥力”，最后通過求合力來控制移動機器人的運動。后來該方法在移動機器人上應用也有很好的效果，能產生出非常平滑的運行軌跡。人工勢場法的基本思想是在環境中建立目標位置引力場和受限區周圍斥力場共同作用的人工勢場，搜索勢函數的下降方向來尋找無碰撞路徑。引力和斥力的合力作為移動物體加速力來控制移動物體的運動方向和計算移動物體的位置。該方法結構簡單，在實時避障和平滑控制軌跡方面得到了廣泛的運用。在采用傳統人工勢場路徑規劃模型進行航空器改航路徑規劃時，在狹窄區域容易發生振蕩現象，導致航空器左右來回運動，造成了規劃的不穩定。人工魚群算法人工魚群算法是一種群智能多點并行搜索優化算法。該算法的主要特點是不需要了解問題的特殊信息，只需要對問題進行優劣的比較，有著較快的收斂速度，具有克服局部極值獲得全局極值的能力。王飛等將該算法應用于飛機著落排序問題和地面等待策略問題，取得了較好的應用效果。通過構造單個人工魚來控制人工勢場函數的參數，調用改進人工勢場模型進行改航路徑規劃，生成多條改航路徑，利用適應度函數對生成的改航路徑進行評估，通過算法的覓食、聚群、追尾等行為的選擇，選出適應度好的人工魚參與下一組魚群的進一步計算，通過隨機行為可以在新的空間進行新一輪的搜索，最終生成最優的改航路徑。

如事例1、某航班執行成都—西寧航線，由于西寧機場雷雨天氣備降蘭州。飛機在蘭州落地之后，西寧天氣好轉，雷暴向東移出本場，往蘭州機場方向移動，正好在蘭州到西寧的航路上，且范圍較廣。考慮到蘭州到西寧的航線距離較近，不到150公里，且該航路標高較高，地形較復雜，飛機起飛后繞飛困難等因素，通過對天氣演變趨勢的詳細研究，制定詳細的繞飛計劃和帶夠足夠的繞飛油量后，再次放行飛往西寧。

事例2、某航班執行成都—張家界航線，在飛機進入長沙管制區后，由于航路上有大面積雷暴區，使得飛機繞飛比較困難，而且機載油量有限，備降重慶。最終由于該天氣系統往張家界機場方向發展，時間較長，且考慮到該機場是特殊機場，取消該航班。

事例3飛行受限區域昆明到貴陽航線所經航路點為： 昆明（ KMG） - 過馬河（SL）- P72- 貴陽（KWE）； 通過 Mercator投影建立經緯度與X - Y 軸的投影關系，則KMG、SL、P72、和 KWE在該平面直角坐標系中坐標分別為 （ - 124. 8 220，64. 2 764）、（ - 118. 6 788，68. 3 736）、（ - 103. 9 652，71. 6 366） 和（ - 82. 2 684，76. 8 524）。根據天氣預報生成飛行受限區域，圖 1 中陰影部分為雷暴云團 A、B、C。假設雷暴云團 A向東北方向以 40 km /h的速度勻速漂移，云團的形狀、面積和強度保持不變；云團 B繞云團幾何中心旋轉，云團 C處于擴張階段。

圖 1 飛行受限區域

優化后的改航路徑利用人工勢場- 人工魚群算法，得到優化的改航路徑。

如圖 2、圖 3所示。

圖 2 優化的改航路徑

圖 3 路徑規劃中的航線角度

改航路徑的修正通過對轉彎角度較大的改航路徑點的判斷，來確定分段點，從而將初始的改航路徑分成 7段進行線性擬合，并計算出擬合后 7段航線的交點，將交點順次連接，生成擬合的改航路徑。

圖 4 分段擬合后生成的改航路徑

如圖 4中實線所示。由于在第 6航段不滿足與受限區的最小距離的約束，所以需要進一步修正。具體如下： 將圖 4中的航段 1、2、3，截彎取直，合并為如圖 5中的第 1航段，原航段 4改為第 2航段，將原航段 5、6合并為第 3航段，原航段 7變為第 4航段，如圖 5所示。經驗證修正后的改航路徑，滿足約束條件，這樣就得到最終的改航路徑。

參考文獻

[1] 謝春生，李雄. 危險天氣影響航路飛行區域的劃設及評估[J]. 中國安全科學學報. 2010（10）

[2] 張靜，徐肖豪，王飛. 天氣影響的機場容量概率分布[J]. 南京航空航天大學學報. 2011（01）

[3] 李雄，徐肖豪，趙嶷飛，衛東選. 散點狀分布危險天氣區域下的航班改航路徑規劃[J]. 航空學報. 2009（12）

[4] 王飛，李成功，徐肖豪. 基于人工勢場-人工魚群算法的改航路徑規劃[J]. 航空計算技術. 2011（02）

[5] 謝春生，李雄. 危險天氣影響航路飛行區域的劃設及評估[J]. 中國安全科學學報. 2010（10）