基于流量管理的多跑道運行下進離場航班排序優化策略研究

楊 洋

（民航西南空管局云南分局，云南 昆明 650000）

1 機場及多跑道概述

1.1 機場系統

機場指用于航空器地面活動、起飛和著陸的規劃區域，涵蓋基礎設置以及相關建筑物。系統結構共分為陸側和空側兩部分，其中，陸側部分由地面到達系統和航站樓構成，用于乘客進行交通模式的轉變；空側部分由停機坪、跑道和滑行道3部分構成，是航空器地面活動的主要場所。

1.2 多跑道

航班量激增背景下，跑道資源越來越緊張，多跑道運行成為必然的發展趨勢。根據使用的跑道數量能夠將機場分為多跑道機場和單跑道機場。根據跑道構型又可以分為平行跑道、V型跑道以及交叉跑道等。隨著航班增多，機場運行壓力增大，越來越多的機場新建跑道使用混合或者半混合模式運行平行跑道。

2 多跑道機場航班進離場運行過程

航空器基本運行過程一共包括3個階段：離場、航路飛行及進場，分別由不同管制單位提供管制服務，包括機場管制、區域管制以及進近管制。

作為航空器飛行的第一階段，離場過程控制十分重要。航空器準備離場之前需要向塔臺管制員發出相應的請求，塔臺管制員根據系統情況基于飛行預報和放行許可等操作，確認其是否可以開車；航空器駕駛員獲得管制員許可后才能進行開車及推出停機位等操作，并需要根據管制員的相關指令沿滑行道滑行至離場跑道。經地面管制員確認沒有飛行沖突后將操作權及指揮權移交塔臺管制員，由塔臺管制員確認符合間隔要求后發布進跑道及起飛許可。航空器駕駛員接收指令并進入跑道起飛。航空器起飛達到一定高度之后，塔臺將操作權和指揮權移交給進近管制，在進近管制的控制與引導下上升到指定高度并加入計劃航路，最終將操作權和指揮權移交給區域管制進行航空器的最終控制，保證飛機等航空器進入既定航線完成離場。

當航空器沿計劃航路飛行至目的地所在管制區時，區域管制指揮下降高度并在協定位置將權限移交給降落機場所屬進近管制室。進近管制員判斷是否存在沖突以及空中運行情況之后確定航空器進場順序并安排航空器進近。航空器進至一定高度或位置后指揮權與操作權移交塔臺管制員，塔臺管制員確定航空器滿足著陸要求后給航空器發送相關指令，許可其落地并指揮脫離跑道。在不存在潛在沖突的前提條件下將操作權和指揮權移交地面管制員，在地面管制員指揮下航空器滑行至指定位置[1]。

3 多跑道運行影響因素

3.1 空域結構復雜

我國航路航線結構復雜，航路點數目繁多，呈現空中航空交通密集現象。民航機場周圍環境也相對復雜，存在障礙物、限制區、危險區以及禁區等，導致航空器之間可能存在飛行沖突和潛在風險。機場流量較大，航班數目較多，可能存在不同航班之間的相互影響，進一步增加了航空管制的難度。

3.2 氣象因素的影響

航空器對氣象條件的要求比較苛刻，只有在氣象條件符合規定的情況下才能夠正常運行。惡劣的天氣一般會導致通行能力下降，甚至出現大規模航班延誤或者返航備降。另外，氣象變化還會影響跑道情況，給交通管制帶來極大的難度。

3.3 跑道運行效率

跑道運行效率直接決定了航空器的飛行情況，我國目前有多個機場建立了多跑道系統。跑道容量、跑道運行效率與跑道構型以及跑道運行方式密切相關。采用不同的運行方式以及不同的跑道構型，需要不同的運行間隔以及進離場方式。

3.4 人為因素與設備因素

（1）人為因素：管制員以及相關工作人員的綜合素質和專業水平會直接影響多跑道的運行情況。

（2）設備因素：機場基礎設施以及相關設備的精度、種類、可靠性等均會影響多跑道運行。

4 多跑道機場進離場航班協同排序優化

4.1 排序策略

當前多跑道運行，航班流量也有所增加，因此，需要考慮進離場航班的排序問題。目前常用的進離場航班排序策略是基于跑道時隙分配的，包括離場優先、空中優先、進離場聯合排序。采用不同的進離場航班排序策略，最終會取得不同的排序效果，環境因素、人為因素、設備因素等也會影響排序效果，魯棒性也有所不同。

（1）空中優先策略：在進離場航班排序中，進場航班具有優先權，應基于此進行離場航班時隙分配。空中優先策略能有效保證航空器的飛行安全，目前我國機場航班進離場排序中多采用此種方式[2]。（2）離場優先策略：主要目的是有效避免機場等待的航空器過多，合理配置機場資源，應基于此優先安排離場航空器占用時隙，在中間穿插進場航班進場。一般離場優先策略應用于進場航空器較少的情形。

空中優先策略和離場優先策略主要應用于不同場景進行航班排序，但極易受到外界因素影響，且無法保證進離場航班排序的公平性。當航班進離場數量較大時，效率較低。在進離場聯合排序中應綜合考慮運行效率和公平性，采用優化算法合理安排進離場航班分配跑道時隙。本研究基于模擬退火算法進行進離場聯合排序優化。

4.2 進離場航班協同排序基本原理—模擬退火算法

進離場協同排序中引入優化算法，以給進離場航班提供最優起飛/著陸時間間隙，通過該種航空器協同排序模型能有效提高空域和機場資源利用效率。在算法引入過程中需充分考慮一些約束條件：管制放行間隔標準、優先級、尾流間隔標準、起降時間等。采用模擬退火算法對航班進離場聯合排序進行優化，將最小化航班總延誤量作為目標函數（靈敏度最高），結合當前機場實際管制運行流程確定航班排序優先級。將航班排序問題和物理固體退火類比，結合熱運動能量變化特性對局部搜索算法進行優化擴展。模擬退火算法是典型的全局最優算法，從某一高溫進行溫度衰減，利用概率突跳性有限度地接受鄰域內某些目標函數值較差的解，有效規避局部最優現象，實現全局最優控制。

4.3 航班進離場動態排序模型

作為NP-Hard問題的代表，航班排序會因航班數量增加變得更加復雜。文章在航班進離場動態排序模型優化中引入模擬退火算法和滾動時域控制策略，將航班進離場劃分為多個子問題進行優化處理。最終結合初始條件、約束條件實現進離場航班的高效率優化排序。

4.3.1 模型算法

文章提出的基于模擬退火算法的進離場航班排序優化模型，其算法偽代碼如圖1所示。

圖1 基于模擬退火算法的進離場航班排序優化模型

假設Ω為解空間，令f:R→Ω是定義在Ω上的目標函數。N(s)為s∈Ω的鄰域。進離場航班優化排序的目標是找到目標函數的全局最小值，即找到一個最優序列s*，使得該時段內進離場航班f(s*)≤f(s)?s∈Ω。

4.3.2 基于該模型的航班進離場排序

基于模擬退火算法進離場航班排序優化模型的航班進離場排序步驟：（1）在航班進離場排序模型中設置參數，如控制參數、初始溫度、排序時間窗等。（2）模型需結合機場中進離場航班的飛行計劃，通過思維航跡預測推算模擬出航班預計到達時間，并進行離場航班飛行計劃、場面滑行時間修正，基于此推算模擬得到航空器的預計起飛時間。（3）初始溫度設置，是基于模擬退火算法進離場航班排序優化模型的要點，在確定航空器起降時間之后能夠得到航班初始排列隊列，初始溫度即為該目標值。（4）基于模擬退火算法得出當前時間窗內進離場航班的最優起降序列。（5）結合第四步得出的離場航班目標起飛時間及場面平均滑行時間，更新離場航班目標許可開車時間（Target Scheduled Flight Allowed Time，TSAT），從而增加管制員對場面交通態勢的把握，從而進一步提高場面的運行效率。（6）滑動至下一時間窗內對航班進行優化排序，重復上述步驟，并將結果顯示在人機界面上[3]。

5 結語

科學、高效、合理的調度與控制，能夠保障航空器安全、高效運行，而且有利于空中交通流量合理化，有效解決航班延誤等問題，對提高機場資源利用率也有重要作用。