基于航空器油耗最小的無沖突路徑規(guī)劃模型

趙天宇 陳思遠(yuǎn) 閆冉 陳冠銘

引言

機場的交通流負(fù)荷已經(jīng)不能通過基礎(chǔ)設(shè)施的擴建來解決了，急需對現(xiàn)有的跑滑資源使用模式進(jìn)行優(yōu)化，在保障安全運行的情況下，提高機場運行效率。一些研究采用精確路徑規(guī)劃算法研究場面運行優(yōu)化問題，如Smeitink和Soomer等人[1]使用混合整數(shù)線性規(guī)劃模型處理場面活動問題，谷潤平[2]等人使用改進(jìn)的D*算法研究場面動態(tài)滑行問題，部分學(xué)者使用智能算法解決優(yōu)化航空器滑行路徑問題，例如劉長有[3]等人基于遺傳算法對場面滑行問題進(jìn)行優(yōu)化求解。本文提出一種基于油耗最小的無沖突滑行路徑規(guī)劃模型，通過節(jié)點線段模型建立了航空器滑行路徑規(guī)劃模型，定義滑行沖突類型及其探測解脫方法，最后通過對機場滑行案例進(jìn)行仿真驗證，并與Simmod軟件仿真結(jié)果對比。證實了算法的可用性。

1 基于油耗最小的無沖突滑行路徑規(guī)劃模型

1.1 基于油耗的路網(wǎng)模型

本文基于最小油耗的無沖突自動路由規(guī)劃，使用節(jié)點-線段模型對機場進(jìn)行建模，摒棄傳統(tǒng)的以路段長度作為路段權(quán)值的方法，使用油耗作為路段權(quán)值，所得結(jié)果即“最小油耗路”。通過某機場內(nèi)不同類型的航空器在不同運動狀態(tài)下耗油率w數(shù)據(jù)以及航空器滑行時間t數(shù)據(jù)，所得航空器滑行油耗W=w*t。

1.3 滑行沖突探測與解脫算法

（1）滑行沖突類型

根據(jù)航空器在機場場面運行情況，可以將滑行沖突分為三類：追及沖突、對頭沖突及交叉沖突。追及沖突是指：當(dāng)兩架航空器在同一段滑行路段上同向滑行且對該路段的占用時段重合，對頭沖突是指兩架航空器同時段在同一路段對頭滑行，交叉沖突是指兩架飛機通過同一交叉點時間不滿足安全間隔。

2 案例分析

本文以某機場為例，以某機場某日進(jìn)離場航班為對象，首先建立機場場面路網(wǎng)模型、確定路段的權(quán)值，再基于1.2節(jié)和1.3節(jié)，選用免疫遺傳算法對模型進(jìn)行求解，最終輸出所有航空器無沖突的滑行路徑。將結(jié)果與Simmod仿真軟件仿真結(jié)果對比，得出分析結(jié)果。

2.1 實施步驟

步驟一：從Flight Monitor軟件獲得航空器運行ADS-B數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行處理。

步驟二：將步驟一處理后的可用數(shù)據(jù)輸入Simmod仿真軟件中，進(jìn)行仿真、優(yōu)化運行模擬，并輸出仿真、優(yōu)化運行結(jié)果報告。

步驟三：對Simmod生成的仿真/優(yōu)化模擬評估報告以及本路徑優(yōu)化系統(tǒng)的處理結(jié)果，進(jìn)行分析對比，篩選出三種不同情況下的：總滑行時間、離場航班滑行距離以及滑行總油耗等數(shù)據(jù)，并將其與本系統(tǒng)算法及運行結(jié)果進(jìn)行評估分析。

操作流程如圖2所示。

2.2 結(jié)果分析

通過對評估報告及優(yōu)化結(jié)果分析，得到的有效數(shù)據(jù)如下表1所示。

通過分析優(yōu)化的離港航班滑行路徑結(jié)果、實時路徑仿真結(jié)果及Simmod優(yōu)化結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，本優(yōu)化結(jié)果的滑行路徑長度明顯縮短，與實時運行數(shù)據(jù)對比總滑行路徑縮短了51km，證明了本優(yōu)化結(jié)果的可靠性。

通過對比可知，應(yīng)用本優(yōu)化算法得到的滑行路徑結(jié)果中時間、油耗均遠(yuǎn)小于實時路徑仿真結(jié)果及Simmod優(yōu)化結(jié)果，這是由于：本模型采用ADS-B統(tǒng)計的航空器運行數(shù)據(jù)，不同機型的航空器速度平均值約為12m/s，而Simmod仿真軟件假定所有航空器的運行速度均為15kt（約為7.7m/s），因此在路徑長度差別不大的情況下，航空器場面運行時間和基于時間獲取的油耗值有較大差異。

3 結(jié)束語

本文提出一種基于油耗最少的無沖突滑行路徑規(guī)劃模型，并使用免疫遺傳算法求解，驗證了優(yōu)化模型的可信度與可靠性。實驗結(jié)果與實時滑行路徑相比，達(dá)到了航空器總耗油量顯著減少且規(guī)劃的航空器越多場面運行效率越高的目的。但通過結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)本模型存在精細(xì)度不足的缺點，未獲取到航空器在各種運動情況下的油耗數(shù)據(jù)等。受限于時間和精力，本文未能做出詳盡地地面、空中延誤分析等。

參考文獻(xiàn)：

[1]J. W. Smeltink， M. J. Soomer， P. R. de Waal， and R. D. van der Mei， An optimization model for airport taxi scheduling. INFORMS Annual Meeting， 2004.

[2]谷潤平，崔朋，唐建勛，趙向領(lǐng).基于D*算法的場面滑行動態(tài)規(guī)劃研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2015，15（01）：315-319+328.

[3]劉長有，叢曉東.基于遺傳算法的飛機滑行路徑優(yōu)化[J].交通信息與安全，2009，27（03）：6-8+19.