航空器熱點區域的滑行避讓方法

潘衛軍，王 玄，夏正洪，朱新平

（中國民用航空飛行學院 空中交通管理學院，四川 廣漢618307）

0 引 言

當前，隨著航空器地面滑行的沖突不斷增多，有關沖突探測與解脫、滑行路徑優化等方面的研究也在不斷深入。荷蘭國家航空航天實驗室 （NLR）德國宇航中心 （GAC）對A－SMGCS系統在低能見度下的監視功能進行了研究，結果表明虛擬控制模塊聯合分離告警模塊使用能夠提高低能見度下場面活動的運行效率［1］；美國國家航空航天局（NASA）為實現場面運行潛在沖突的探測告警提出了機場場面交通沖突避免 （CAAT）的概念［2］；劉長有等考慮了典型沖突限制規則和安全間隔，建立了機場無沖突滑行路徑優化模型［3］；朱新平等將機場滑行路徑有向圖轉換為Petri網，并采用遺傳算法對航空器的滑行初始路徑進行規劃［4］；王艷軍等在時間最短路徑算法的基礎上，提出了基于沖突回避的動態滑行路徑分配算法［5］；朱新平等分別基于EHPN、DES監控理論，在建立滑行道受控Petri網精簡模型的基礎上，設計了相應的控制器算法以解決滑行道對頭沖突［6，7］；Tang等提出了一種根據跑道、滑行道和停機坪使用規則盡力基于Petri網的場面活動模型，并定義場面活動控制范圍將場面航空器的沖突轉化為狀態禁止問題［8］。這些研究只針對場面運行中的路徑優化以及沖突解脫，沒有提及機場場面沖突熱點區域的航空器避讓問題。

本文構建機場節點路段模型，利用歷史監視數據分析了機場場面沖突熱點的時空分布特征，提出一種基于沖突熱點區域特征的航空器滑行路徑優化方法，并以所有航空器的滑行時間和等待時間之和最短，且擁有最少轉彎次數為目標規劃航空器的滑行路徑，為航班的實際運行需求提供備選路徑［9］，有效地緩解機場場面熱點區域的潛在沖突以及3種典型地面滑行沖突［10］，保障了運行安全和效率。

1 機場場面模型建立

1.1 場面節點－路段模型

節點－路段類模型用來描述飛行區地面交通系統的組成，即采取層次化的建模方式建立地面交通系統的網絡模型。但是，節點－路段類模型中的交叉口僅為單一節點，不能較為真實地描述航空器在交叉口區域的活動情況，因而難以支持進行較為準確的航空器滑行路徑優化。因此，本文采用虛擬節點和實際節點的方式對交叉路口進行細化描述如圖1所示。將交叉口區域抽象成虛擬節點V1，根據交叉口內的滑行路線進一步將其描述為實際節點N1、N2、N3、N4以及上述節點之間的彎道滑行路段。鑒于航空器占用跑道時間較短以及航空器在機坪內的滑行速度較慢，改進的節點＝路段模型中跑道與脫離道的交叉口、機坪內滑行線交叉口仍采用單一節點描述。

圖1 改進型的節點－路段類模型建模方式

可見，在抽象得到的飛行區地面交通系統節點－路段類模型中 （如圖2所示），虛擬節點代表滑行道交叉口、跑道脫離口、除冰區等，實際節點代表進入或離開上述區域的各位置節點；而路段則描述了滑行道直線段、滑行道交叉口內的彎道、跑道、脫離道、聯絡道等。因此，機場交通系統可抽象成有向圖G＝（E，V，W），其中E 是場面交通系統中各滑行路段對應邊的集合，V 是各相鄰邊之間的節點集合，W 是滑行路段邊的權值集合。

圖2 12：00－15：00時間02L跑道熱點區域的時空分布特征

1.2 沖突熱點區域的時空分布特性

本文深入分析中南某機場的場面監視歷史數據，發現某時間段內的交通流量越大時，運行中潛在沖突就越多，航空器在經過交叉道口時就會緩慢行駛，注意觀察，甚至停止等待，此時識別出的熱點區域數量也較多；反之熱點區域較少，且沖突持續時間越短。同時，航空器在機場地面產生潛在的滑行沖突不僅與機場的運行模式相關，也表現出了明顯的時空分布差異特征。熱點區域出現的位置多出現在滑行道與跑道、滑行道與滑行道之間的交叉口處，本文統計該機場某時間段內02L 跑道上的熱點位置，沖突次數和持續時間見表1。

表1 機場沖突熱點的時空分布

在表1中，統計了06：00－15：00時刻02L跑道上面兩處熱點區域的時空分布，可以明顯看出在12：00－15：00時刻，HS01處的熱點區域的危險等級最高，一共發生3次危險沖突，共6架航班相互沖突，在其余時間段內，熱點區域的危險等級較低；在09：00－15：00時段內，HS02處一共發生兩次危險沖突，此時HS02 處作為熱點區域進行標注，在06：00－09：00時間段內，HS02 處沒有沖突發生，此時HS02處不是熱點區域，航班可以正常通過此處區域而不需要等待避讓，熱點區域的時空分布特征如圖2所示。其中，圓形表示在此時間段內熱點區域HS01 處沖突次數較多和持續時間較長，矩形區域表示熱點區域HS02 處沖突次數較少或持續時間短。

2 基于熱點時空分布特征的滑行路徑優化

2.1 重要參數定義

R＝ ｛1，2，3…，r｝為規定時間內的航班集合，包括進場飛機集合A 以及離場飛機集合D；

V ＝｛V1，V2，…，Vr｝為飛機的滑行路徑集合；

Vi為航空器滑行路徑的點集集合 ｛Ni1，Ni2，…，Nik｝；

N ＝｛N1，N2，…，Nr｝為節點—路段模型中的場面節點集合；

E ＝｛e1，e2，……，er｝表 示 各 個 節 點 之 間 的 距 離 權 重集合；

HS ＝｛HS1，HS2，……，HSn｝為場面熱點集合，航空器在滑行過程中將會有選擇的避開這些熱點；

ETA 為航空器的預計到達時間；

ETD 為航空器的預計起飛時間；

adjacent（Ni）表示Ni的鄰接點集合；

Path（N1，Ni，P）表示沿某一路段P 的從N1節點到Ni節點的節點序列，且Path（N1，Ni，P）＋Path（Ni，Nk，P）＝Path（N1，Nk，P）；

ShortPath （N1，Ni）表示通過最短路徑算法得到的從節點到節點的最短路徑；

currentPath 表示當前分析路徑；

resultPath 表示已經得到的可用路徑結果集合；

tempPath 表示候選路徑集合，候選路徑集合是所有最可能成為下一條較優路徑的集合；

XijNk表示飛機i在j 之前到達點Nk，并且j緊隨在飛機i的后面；

SNkNK＋1表示節點NK到節點NK＋1之間的距離；

SN1Nk表示從起始節點到終點之間的滑行距離；

ti表示進港飛機的跑道占用時間；

ΔTij表示滑行規定通過同一節點的兩架飛機的最小安全時間間隔；

tNgNg＋1i表示飛機i從節點Ng到Ng＋1的滑行時間；

vi表示飛機i的滑行速度；

tN1i表示飛機i在起始點的滑行時刻；

tNki表示飛機i在終點處的滑行時刻；

2.2 滑行模型目標函數的構建

本文以規定時間內航空器在滿足安全間隔的前提下獲得最短滑行時間為目標函數，構建了進離港航空器的滑行路徑優化模型

式 （1）是目標函數，即規定時間內的航空器總滑行時間最?。皇?（2）表明進港航班的開始滑行時刻為到達跑道脫離口的時刻；式 （3）為離港航班的開始滑行時刻；式（4）為航班在等待點處的等待時刻。

模型的約束條件如下

式 （5）表明兩架航空器之間必須滿足最小的時間間隔，式 （6）表明在交叉口處相遇的兩架航空器為避免沖突，各自到達節點的時間需要滿足最小的安全間隔時間，式 （7）表明在同一滑行道上面，兩架航空器為避免追尾以及對頭沖突，飛機i需要在飛機j 之前到達Ng＋1點。

2.3 熱點區域避讓機制的設計

針對場面熱點區域的沖突，本文采用以下熱點避讓機制：①某一時段內相繼占用熱點區域，并存在潛在滑行沖突的兩航班之間，進港航班按原計劃滑行路線通過熱點區域，離港航班規劃其它滑行路線；②某一時段內相繼占用熱點區域，并存在潛在滑行沖突的兩航班之間，地面滑行時間較長的航班按原計劃滑行路線通過熱點區域，滑行時間較短的航班規劃其它滑行路線；③某一較長時段內相繼占用熱點區域的所有航班中，細分若干較短時段，規定某一時段內的航班通過熱點區域，相鄰一個時段內的航班規劃其它滑行路線。

2.4 仿真實驗

本文以國內流量排名前三位的中南某機場2012 年12月12日的實際運行數據為例，選取機場飛行區西機坪（14：00點－14：30點）進離港航班實際運行數據見表2，使用跑道為02L跑道，該時間段內滑行的9架航班都為中型機，根據民航運輸的有關規定，可知各航空器之間的最低安全時間間隔為14.4s。實際運行數據中只要是進場飛機存在潛在沖突，如CSN3926 與CSN6737、CSN3204 與CSN3926、CSN3691與CES5741 之間相互發生追尾沖突。為了緩減沖突熱點區域的沖突架次和縮短沖突時間，且獲得最短滑行時間，航班滑行中轉彎次數最少，采用本文所設計的航班熱點避讓機制，通過優化算法的優化得到優化后的滑行軌跡和時間與實際數據對比如圖3所示。

可見，經過優化有4架航班的滑行軌跡發生改變，航班CSN6737、CSN3204、CSN3691、CES5741 通過優化后的滑行路徑分別節省時間了55s，54s，66s，63s，這幾架航班優化后的路徑有效的規避了熱點沖突區域，且航班之間沒有相互沖突，緩解了規定時間內其它航班在此區域內發生沖突的概率。9 架航班優化后的總滑行時間比實際滑行時間節省時間了238s，對整個機場地面運行效率的提高和機場容量的增加有積極作用。

3 結束語

本文基于已劃設的場面熱點區域，充分考慮滑行過程中的熱點避讓機制以及航空器滑行中的典型沖突、最小安全間隔等約束條件，構建航班總滑行時間最短的目標函數，同時提出相應的約束條件函數，選取中南某機場02L 跑道為實際算例驗證了算法的有效性，優化后的模型使得規定時間內的航班滑行時間減少了238s，有效地降低了總滑行時間，減少了機場沖突熱點的產生，對于機場機動區的安全運行有積極意義。

表2 典型航班的數據信息

圖3 路徑優化結果對比

［1］NLR，DLR.Virtual block control and separation bubbles in ATC low visibility operations［C］／／IEEE ICNS Conference，2009.

［2］Denise R Jones.Collision avoidance for airport traffic simulation evaluation ［C］／／29th Digital Avionics Systems Conference，2010.

［3］LIU Changyou，CONG Xiaodong.Taxiing optimization for aircraft based on genetic algorithm ［J］.Journal of Transport Information and Safety，2009，27 （3）：6－8 （in Chinese）. ［劉長有，叢曉東.基于遺傳算法的飛機滑行路徑優化 ［J］.交通信息與安全，2009，27 （3）：6－8.］

［4］ZHU Xinping，TANG Xinmin，HAN Songchen.Aircraft initial taxiing route planning based on Petri net and genetic algorithm ［J］.Journal of Southwest Jiaotong University，2013，48 （3）：565－573 （in Chinese）. ［朱新平，湯新民，韓松臣.基于Petri網與遺傳算法的航空器滑行初始路徑規劃 ［J］.西南交通大學學報，2013，48 （3）：565－573］

［5］WANG Yanjun，HU Minghua，SU Wei.Dynamic taxiway routing algorithm based on conflict avoidance ［J］.Journal of Southwest Jiaotong University，2009，44 （6）：933－939 （in Chinese）. ［王艷軍，胡明華，蘇煒.基于沖突回避的動態滑行路經算法 ［J］.西南交通大學學報，2009，44 （6）：933－939.］

［6］ZHU Xinping，TANG Xinmin，HAN Songchen.EHPN－based modeling of airport taxiway operation control in A－SMGCS ［J］.Journal of Traffic and Transportation Engineering，2010，10（4）：103－108 （in Chinese）.［朱新平，湯新民，韓松臣.基于EHPN 的A－SMGCS機場滑行道運行控制建模 ［J］.交通運輸工程學報，2010，10 （4）：103－108.］

［7］ZHU Xinping，TANG Xinmin，HAN Songchen.Avoidance strategy for head－on conflict on taxiway based on supervisory control theory of DES ［J］.Journal of Southwest Jiaotong University，2011，46 （4）：664－670 （in Chinese）. ［朱新平，湯新民，韓松臣.基于DES監控理論的滑行道對頭沖突控制策略 ［J］.西南交通大學學報，2011，46 （4）：664－670.］

［8］Tang Xinmin，Wang Yuting，Han Songchen.Aircraft taxi route planning for a－SMGCS based on discrete event dynamic system modeling ［C］／／Second International Conference on Computer Modeling and Simulation，2010.

［9］LE Xuemei，YANG Kai.Research of technical of route planning automatically in A－SMGCS system ［J］.Modern Electronic Engineering，2008：43－45 （in Chinese）.［勒學梅，楊愷.A－SMGCS中自動路由規劃關鍵技術研究 ［J］.現代電子工程，2008：43－45.］

［10］WANG Chong.Research on taxiing route planning of surface aircrafts and 3D simulation system ［D］.Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2012 （in Chinese）.［王翀.機場場面航空器滑行路由規劃及三維仿真研究 ［D］.南京：南京航空航天大學，2012.］