協同決策起飛排序系統①

劉馨陽, 李 毅

(四川大學 計算機學院, 成都 610065) (四川大學 國家空管自動化系統技術重點實驗室, 成都 610065)

協同決策起飛排序系統①

劉馨陽, 李 毅

(四川大學 計算機學院, 成都 610065) (四川大學 國家空管自動化系統技術重點實驗室, 成都 610065)

為彌補目前國內民航空中交通運輸自動化系統相對缺失的狀態, 實現空中交通運輸參與部門協同決策航班數據, 完成自動化航班起飛排序, 協助管制員進行起飛調度決策, 提出了協同決策起飛排序系統的總體框架.闡述了該系統的工作流程、核心模塊結構設計、航班起飛約束條件和自動化起飛排序調度算法. 根據用戶角色職責制定用戶權限, 參與信息共享和航班數據協同決策. 設計基于滾動時域方法的航班起飛協調調度算法, 加以尾流和空中流量控制等安全約束, 得到優化的待起飛航班序列, 并采用時隙表方式直觀的將航班序列展示給用戶.最后, 介紹了該系統的實際運行狀況, 結果表明, 系統可以完成多用戶協同決策、實現航班起飛管理自動化、為管制員決策提供依據.

協同決策; 協同放行; 起飛排序; 滾動時域; 時隙表

航空交通作為擁有持續增長點的社會經濟領域目前正面臨著全新的挑戰. 據國際民航組織統計, 在1997-2012 年的15年內, 全球航空交通總量增加一倍,而在之后的15年內會再翻一番, 到2032年, 全球公里乘客利潤量將達到14萬億美元[1-3]如此龐大的航班、旅客數量以及迅猛增長的經濟效益, 使得由于航班延誤而造成的經濟等各方面的影響日益顯著. 單獨由空管局控制、管制員協調終端區內所有航班起降的傳統模式已無法適應當前龐大的航班數量, 這不僅給管制員帶來了相當大的工作壓力, 同時單方面的協調也很難保證各方利益損失最小化.

協同決策(Collaborative Decision Making, CDM)技術的提出幾乎完美的解決了由于管制員、運管部門、航空公司、機場等方面無法及時溝通導致的信息不對等狀況. 本文針對該技術介紹了協同決策起飛排序系統的具體實現過程, 并引入了航班狀態顯示、協同放行航班起飛排序、終端區資源時隙分配表顯示等功能.采用了分布式數據庫概念, 對重要數據及模塊設備設計了冗余, 以達到高穩定性、可靠性和高安全性的特點.

1 協同決策及協同放行

1.1 協同決策

協同決策是一種實施在管制、運管、機場、航空公司等組織之間, 以及各組織內部的, 實現信息交流、數據資源共享的聯合協作運行理念. 它提高控制交通管理效率, 同時確保了參與空中交通流量管理及實施的各部門獲得實時、準確的信息, 以減小延誤損耗, 實現航空公司利益最大化[4].

1.2 協同放行

協同放行是基于協同決策機制下的離場航空器放行排序工作, 通過協同決策機制保證航空段流量最佳, 且通過相應區域的航空器不超過限制, 盡可能的提高機場跑道和空域資源的利用率. 其主要特點是: 通過多主體聯合運行和協同決策機制, 減小離港航空器在關艙門后的等待時間, 并能在空中交通流量出現限制時, 有效的在終端機場控制航空器的離港時間, 將經濟代價和安全代價相對較高的空中等待轉化為地面等待, 降低了由于突發情況或天氣狀況影響帶來的延誤代價[5].

1.3 國內外現狀

美國是最早提出并使用協同決策機制的國家, 該決策機制是美國實施“自由飛行”項目第一階段的五個核心成果之一. 協同決策系統由CDMnent, CDM Message(協同決策報文), Flight Schedule Monitor(航班計劃監視)和Aggregate Demand List(時隙需求傳輸隊列表)四個組件構成[6-8]. 在該套系統的協助下, 改變了傳統中由指揮中心下達命令, 航空公司被動接受的局面,使航空公司等更多地參與到決策過程中, 大大提高了他們的主動性和運作的靈活性, 并在滿足各方利益需求、減少航班延誤率等方面都有了大幅度的改善.

目前我國對協同決策系統的設計和研究, 往往只集中在實現民航領域工作流程中各參與者之間的數據共享上, 然而在實際中僅實現數據共享的協同決策系統并不能真正達到減小管制員壓力、保證各方利益最大化等的目的[9,10].

因此, 本文針對目前國內協同決策系統的不足,借鑒美國較為成熟的決策概念結合我國民航航空系統的實際情況, 設計并實現了CDM協同決策起飛排序系統. 該系統在完成航空管制部門、航空公司等方面的數據共享的基礎上, 加入了各部門對預關時間、協關時間、任務性質、實關時間等的協調調整, 并實現了對待離港航班的實時排序, 給出滿足航班尾流影響、航空流量控制等安全約束因素的起飛序列.

2 系統總體框架及工作流程

CDM協同決策起飛排序系統包含信息共享、協同決策、流量控制、時隙顯示和起飛排序五個功能模塊.并根據各部門職能為其分配了相應的權限, 通過權限設制實現協同決策不同角色的參與.

2.1 系統框架設計

本系統采用QT和C++語言設計開發, 系統架構包含協同決策平臺、航班計劃接收及航班排序系統以及數據平臺, 如圖1所示.

其中, 協同決策平臺為各部門系統用戶提供界面顯示、操作窗口, 包含信息共享、協同決策、流量控制、時隙顯示四個功能模塊. 用戶通過該平臺可直觀的觀查到航班各項信息及實時動態, 實現用戶之間的數據信息共享. 并可根據自身職能權限參與協同決策,申請、審批或錄入相關航班數據信息. 運管部門通過流量控制模塊發布流量信息, 為航班排序提供相關約束條件. 時隙顯示模塊是對完成排序的離場航班序列的圖像信息顯示.

CDM協同決策起飛排序系統的航班計劃數據來源為領航計劃報文(FPL)和ACARS報文. 航班計劃接收及排序平臺的其中一個功能便是接收和處理來自發報終端發送過來的FPL和ACARS報文, 并將處理好的數據存放到數據平臺中以備后續使用. 航班計劃接受及航班排序平臺的另一個功能是為待離港航班進行排序. 根據原有航班計劃及各部門參與協調產生的協調時間為待離場航班計算相應的離場時間序列, 管制員依據該航班序列安排航班離港. 航班計劃接受及航班排序平臺的另一個功能是為待離港航班進行排序.根據原有航班計劃及各部門參與協調好的協調時間為待離場航班計算相應的離場時間序列, 管制員依據該航班序列安排航班離港.

圖1 CDM協同決策起飛排序系統總體框架

數據平臺則負責存儲相應航班計劃、變化等數據.除本系統包含的模塊外, CDM協同決策起飛排序系統還涉及使用了發報終端、報文解析系統, 負責航空報文的發送和解析.

2.2 用戶權限設計

CDM協同決策起飛排序系統為其用戶設置了如表1所示的權限.

表1 CDM協同決策起飛排序系統用戶權限

在系統用戶權限設置中, 航空公司用戶有申請更改預關時間、協關時間和任務性質的權限, 并可手動錄入上客時間、實關時間和跑道信息數據; 管制用戶負責對航空公司申請更改的預關時間和協關時間進行審批, 并可手動錄入實關時間和跑道信息數據; 運管用戶負責批復航空公司申請的任務性質更改, 手動錄入實關時間和跑道信息數據, 并可發布和管理流量控制信息及流量控制模板; 機場用戶僅有對實關時間、跑道信息和機位信息錄入的權限.

2.3 系統工作流程

CDM協同決策起飛排序系統工作流程如圖2所示.

系統接收到來自發報終端發送的航空計劃報后提取相應信息, 顯示在協同決策數據共享界面上. 系統在當前時間距離預起時間50分鐘內發布航班的協調關門時間(HOBT). 航空公司根據航班實際狀況申請調整協關時間. 管制員在結合全局航班狀況下批復或拒絕航空公司對協關時間的調整申請. 系統根據更改的協關時間計算協調起飛時間. 航班起飛排序系統定時讀取計算好的距當前時間40分鐘內的待起飛航班和尾流、當前時段流量控制等約束條件, 對待起飛航班進行排序, 為其指定合適的起飛時隙. 按時接收到實際關門時間(AGCT)后, 根據實關時間和約束條件計算推出時間, 重新對航班序列進行排序并將航班狀態置為已關門; 若未按時收到實關時間, 將航班放入等待池, 對航班序列重新排序. 若系統按時收到航班起飛報, 將航班顯示狀態置為起飛; 若未按時收到起飛報,則將航班放入等待池. 管制員根據等待池中航班的實際狀況重新填寫協關時間, 航班移出等待池重新加入起飛排序隊列.

圖2 CDM協同決策起飛排序系統工作流程圖

3 起飛排序設計與實現

起飛排序功能是CDM協同決策起飛排序系統中的一個實現重點. 為待起飛航班分配滿足約束條件的時隙序列, 避免航班飛行沖突的發生, 并盡量減小航班的延誤率.

3.1 約束條件

1) 尾流約束

在民用航空運輸飛行中規定, 禁止航空器使用同一跑道對頭、并排、編隊和跟蹤起飛, 即連續起飛的航空器間必須留有一定的間隔. 該間隔主要受航空器尾流影響, 國際民航組織ICAO規定了進場飛機之間的安全間隔[11], 如表2所示.

表2 尾流間隔標準

2) 流量控制約束

在實際情況中, 空域段和終端機場區域的容量往往會因為天氣、航空管制等因素而改變. 而當即將進入該空域段或終端區的航班數量大于其容納量時, 航班需要在區域外等待, 直至區域中有接納其空間時才可駛入. 航班在空中等待由于燃油消耗等的產生的代價遠大于地面等待, 且航班長時間在空中盤旋易引發交通事故, 因此, 為了減少航班等待時產生的代價、保證航班飛行安全, 設計將航班可能產生的空中等待轉化為地面等待. 根據運管部門發布流量控制信息, 為受影響的航班設定等待時間, 并延后相應時間起飛.流量控制信息顯示如表3所示.

表3 流量控制信息

3.2 航班起飛調度算法

為滿足航班排序的實時性和高效性, 航班起飛排序模塊采用一種基于滾動時域方法的航班起飛調度算法. 該算法在傳統的先來先服務(FCFS)算法的基礎上加入了尾流約束和航空流量控制約束限制, 并采用滾動時域的方法來控制計算時間和資源上的消耗.

3.2.1 問題描述

航班起飛調度算法的主要目的是為航班分配滿足尾流約束(見表2)控制和流量約束(見表3)控制條件的起飛時間, 并給出相應的離場順序.

根據民航運輸飛行規定, 相鄰航班必須滿足相應尾流間隔, 所以:

其中N表示目前正在等待起飛的航班總數,ti表示為航班i分配的離場時間,wi-1,i為連續航班i-1和i之間的尾流約束間隔.

由于天氣、航空管制等因素, 終端區或航路點上的容量會隨時發生改變, 因此待離場的 航班需要滿足如下流量約束:

其中航班b,i受相同流量控制約束(即經過相同航路點或擁有相同目的地),fb,i表示流量控制約束間隔.

則根據尾流和流量控制約束計算得到的航班i的計算起飛時間di如下:

其中,ti-1表示分配給前序航班的起飛時間.

因此, 根據航班不得早于預計離場時間起飛的原則, 分配給航班i的離場時間ti為:

其中,Ti表示航班i的預計離場時間(Estimate Time Departure, ETD).

3.2.2 滾動時域方法

為了降低由于數據量大帶來的計算時間和計算資源消耗過大的問題, 設計實現了如下圖4所示的滾動時域方法[12]. 將連續的離港航班計劃起飛時間分為若干時間長度相等的時域段, 并指定滾動時隙間隔長度.對每一個時域段進行一次航班起飛調度, 然后等待相應的滾動時隙后為下一時域段進行航班起飛調度. 如此往復至所有航班離場.

圖4 滾動時域方法

基于滾動時域方法的航班動態起飛調度算法流程圖如圖5所示.

第一步, 獲取時域段時間長度h和滾動時隙時間長度t.

第二步, 準備處在當前T到T+h(T為初始時間)時域段內的航班數據及約束條件數據.

第三步, 判斷航班數據是否為空, 若是則結束;否則執行第四步.

第四步, 調用航班起飛調度算法為處在當前時域段內的航班分配起飛時間.

第五步, 等待接收協調關門時間(HOBT)更改或實際關門(AGCT)時間錄入, 若收到相關數據, 重復第四步.

第六步, 等待滾動時隙時間長度t, 重復第二步.

圖5 基于滾動時域方法的航班動態起飛調度算法流程

4 時隙表的設計與實現

航班時隙表顯示了動態航班排序后產生的航班隊列信息, 其格式如圖6所示.

圖6 航班時隙表

每條航班都記錄了偏離值、航班號、目的機場和跑道信息. 其中, 已起飛的航班偏離值=實際起飛實際- 預計起飛時間; 已關艙門航班的偏離值=最終起飛時間–預計起飛時間; 未關艙門的航班偏離值=計算起飛時間–預計起飛時間.

航班記錄顏色用來表示航班當前狀態. 其中, 藍色表示已起飛航班, 紫色表示航班為準備狀態, 綠色代表已關艙門的航班.

5 運行效果驗證

測試航班數據來源于2015年10月5日當天15:30-16:00間成都離港航班.

5.1 運行界面

各用戶根據自己的角色登錄后可看到航班資源數據信息共享界面, 如圖7所示.

圖7 協同決策起飛排序系統界面

其中功能導航欄含有樣式設置、等待池信息查看、待辦事項、航班計劃等基礎信息設置; 航班計劃協調表格顯示的為航班計劃的具體信息, 包含航班號、任務性質、機號、機型、尾流、目的地、停機位、計劃時間、申請時間、預起時間、上客時間、預關時間、協關時間、預推時間、跑道、應答機、實起時間、前段航班號、航班狀態信息, 供用戶查看和協調操作使用; 功能切換側邊欄用于切換復合功能顯示區顯示的信息, 包含航班運行統計、航班時隙間隔圖、流量控制信息等功能.

5.2 航班排序結果

首先接收到由發報終端發送過來的航班計劃數據,通過整理后得到計劃的初始航班信息數據如表4所示.其中航班1、2為已起飛航班.

表4 計劃航班數據

5 CZ6162 ZBAA M 1530 6 3U8891 ZBAA M 1540 7 CA3828 ZYTX M 1545 8 TV6109 ZBAA S 1550 9 3U8897 ZBDH M 1550 10 MF1250 ZGGG H 1550 11 ZH4539 ZSAM M 1550 12 3U3028 ZGGG M 1550 13 CZ5348 ZSQZ M 1600 14 3U8019 ZSNB M 1600 15 MF1704 ZBAA M 1600

假定該時段流量控制條件約束如表5所示.

表5 流量控制約束

系統根據設定的排序算法和約束條件對航班進行初始排序, 排序結果如表6所示.

航空公司申請TV6109次航班的協調關門時間調整, 由15:35調整至15:30, 在管制員批復該請求后,觸發航班隊列重新排序, 序列結果如下表7所示. 航班TV6109次航班的計算起飛時間由原來的15:50提前至15:45. 而由于與航班CA3828產生尾流沖突, 則最后計算起飛時間為15:47.

表7 更改協關時間后序列

2 8L9615 ZSJN S 1502 3 CZ6136 ZBAA M 1530 4 HU7648 ZBAA M 1532 5 CZ6162 ZBAA M 1534 6 3U8891 ZBAA M 1540 7 CA3828 ZYTX M 1545 8 TV6109 ZBAA S 1547 9 3U8897 ZBDH M 1552 10 MF1250 ZGGG H 1554 11 ZH4539 ZSAM M 1557 12 3U3028 ZGGG M 1559 13 CZ5348 ZSQZ M 1601 14 3U8019 ZSNB M 1602 15 MF1704 ZBAA M 1604

在航班HU7648實際關門操作完成后航空公司或管制、運管部門為該航班手動錄入實際上客時間, 并觸發航班序列重新排序. 由關門航班優先安排起飛原則, 可看出航班HU7648的計算起飛時間更改為15:30,原定由15:30起飛的航班CZ6136由于未完成關門操作計算起飛時間延后至15:32, 如表8所示.

表8 實關時間錄入后序列

6 結語

CDM協同決策起飛排序系統利用航班運行協同決策技術, 建立協同決策平臺, 整合民用航空各參與單位有關航班運行的信息資源, 實現航班離港排序等功能. 對離港航班進行排序, 優化航班離港序列及時處理與發布相關流量控制信息, 并將排序結果及運行環境信息發布在時隙顯示表和數據信息共享界面上,使管制、運管、航空公司、機場對本場航班的運行態勢有相同的認識, 從而促進機場運行更加有序、正常、高效.

本系統的航班排序模塊采用簡單高效的排序算法,并考慮到了實際環境中產生的航班安全約束條件和限制約束條件, 使計算所得序列具有真實性、可靠性和安全性.

隨著協同決策功能的不斷拓展和深入研究, 自動化的航班運行會給航空部門帶來越來越大的優勢. 在此過程中各航空公司間的利益均衡性也應作為一個條件納入系統功能完善性的考驗, 因此, 下一步的工作可以考慮設計和實現航空公司內部的時隙交換功能,已提高航空公司在決策上的積極性并盡可能的保證航空公司間的利益均衡.

1 李偉鋼,唐朝生,劉鵬,等.航空交通協同決策方法研究.復雜系統與復雜性科學,2015,12(2):46–52.

2 Airbus. Airbus global market foreast journeys 2013-2032. http://www.airbus.com/company/market/gmf2013. [2014-6-9].

3 Goldman R. A-CDM in New York KJFK runway construction and impact on operations. Advanced ATM Techniques Symposium and Workshops. Montreal, 2013.

4 王亞平.運用CDM 系統保障航班正常率.電子制作,2014, 20:239.

5 朱媛,李潔.航班運行協同決策技術及系統實現.信息技術與信息化,2014,(11):180–182.

6 閆然.民航協同決策(CDM) 概念及分析.中國科技術語, 2012,14(6):50–53.

7 顏曉東,朱道嫻,馬輝.美國空中交通流量管理體系及其對我國流量管理建設的啟示(二).中國民用航空,2007,(2):42–45.

8 Vossen T, Ball M. Optimization and mediated bartering models for ground delay programs. Naval Research Logistics, 2006, 53(1): 75–90.

9 何林,張晶.從空管角度談協同決策系統運行——華北空管局CDM系統建設介紹.中國民用航空,2013,(10):40–41.

10 吳峰.西南地區飛行計劃統一管理模式探討.中國民航飛行學院學報,2013,11(6):24–26.

11 陳興,隋東,張軍峰,等.基于動態規劃的航班著陸調度算法.航空計算技術,2012,11(6):45–53.

12 Samà M, D’Ariano A, Pacciarelli D. Rolling horizon approach for aircraft scheduling in the terminal control area of busy airports. Transportation Research Part E: Logistics and Transportation Review, 2013, 60: 140–155.

Collaborative Decision for Departure Sequencing

LIU Xin-Yang, LI Yi
(School of Computer Sciences, Sichuan University, Chengdu 610065, China) (National Key Laboratory of Air Traffic Control Automation System Technology, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

This paper proposes a collaborative decision framework for departure sequencing, which can remedy the defect of air transportation automation system and make it come true that scheduling departure aircraft automatically under air transportation departments’ collaborative decision-making of flight data, assisting controllers for take-off scheduling decision. A general framework of collaborative decision taking off scheduling system is proposed. The details of framework that include the flow work of system, core module structure design, the constraint conditions of flight departure and the scheduling algorithm of the automatic take-off are described. User permissions are determined by their roles and responsibilities, who can participate in information sharing and flight data collaborative decision making. In addition, the framework adopts automatical departure scheduling algorithm with wake stream and air flow constrains which is designed by rolling horizon procedure, getting the optimized flight sequence to take off, the time slot table being used to display the flight sequence to the user directly. Finally, the actual operation situation of the system shows that the system can complete the multi-user cooperative decision-making, realize the automation of flight management and provide the basis for ATC decision.

collaborative decision; collaborative release; departure sequencing; rolling horizon procedure; time slot table

國家空管委科研課題(GKG201403004)

2016-03-28;收到修改稿時間:2016-05-08

10.15888/j.cnki.csa.005494