基于最少油耗的航空器沖突解脫方法研究

摘" 要：為充分提高機場運營效率及各種復雜氣候條件下的運行能力，該文以先進場面引導與控制系統中的路徑規劃關鍵技術為基礎，以智能算法為手段，以航空器實際應用為目標，提出基于最少油耗的航空器沖突解脫方法，該方法可滿足航空器運行過程中的質量、效率和安全等功能需求。最少油耗路徑規劃模型解決現有路徑規劃算法中普遍存在的計算量巨大、魯棒性差的問題，并達到在對航空器路徑規劃的過程中實現總體滑行油耗最少的目的，以此得到機場場面航空器的優化路徑，可確保航空器滑行路徑指令的安全性與科學性，提高航空器之間的安全間隔，確保場面安全運行。

關鍵詞：沖突解脫；最少油耗；路徑規劃；航空器；智能算法

中圖分類號：V355.2" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）10-0017-04

Abstract： In order to fully improve the operational efficiency of the airport and the operation ability under various complex climatic conditions， this paper takes the key technologies of path planning in the advanced scene guidance and control system as the basis， take the intelligent algorithm as the means， and aim at the practical application of aircraft. An aircraft conflict resolution method based on minimum fuel consumption is proposed， which can meet the functional requirements of quality， efficiency and safety in the process of aircraft operation. The minimum fuel consumption path planning model solves the problems of huge amount of calculation and poor robustness in the existing path planning algorithms， and achieves the goal of minimizing the overall taxiing fuel consumption in the process of aircraft path planning. Based on this， the optimal path of aircraft in the airport scene can be obtained， which can ensure the safety and scientific nature of aircraft taxiing path instructions， improve the safety interval between aircraft， and ensure the safe operation of the scene.

Keywords： conflict resolution; minimum fuel consumption; path planning; aircraft; intelligent algorithm

本課題以國內外已有研究成果及現狀為基礎，借鑒A-SMGCS（高級地面活動引導與控制系統）在歐美等發達國家的深入應用，提出一套滿足A-SMGCS在機場場面實際運行中可操作的航空器路徑優化模型，并深入研究機場場面滑行區建模與航空器自動路徑規劃方法，對A-SMGCS系統中路徑規劃功能進行驗證測試，以實現對機場航空器在高密度交通流條件下的自動路徑規劃功能，最終形成一套航空器場面滑行仿真系統，為機場仿真運行提供支持。

1" 研究意義

本課題的研究具有深遠的意義，主要分為以下幾個方面。

1）采用智能的路徑規劃算法為進離場航空器分配最優滑行路線，確保航空器滑行路徑指令的安全性與科學性，提高航空器之間的安全間隔，確保場面安全運行。

2）搭建機場運行仿真系統，實現涉及機場運行規則、機場路徑規劃、數據采集和運行模擬等多方面內容的仿真系統，達到對高密度及復雜條件下機場場面交通的有效管理和控制的目的。

3）建立完善的仿真驗證系統，實現場面滑行路徑的自動生成，提高管制員工作效率，減輕場面管制員工作負荷，為管制員指揮提供建議措施，在管制員監督運行下，保證A-SMGCS在機場實際運行的可靠性和安全性。

2" 基于最少油耗的航空器沖突解脫算法

建立航空器機場場面滑行沖突模型，針對不同種類的場面滑行沖突，提出基于FCFS（First Come First Service）原則的單個沖突解決策略模型并將其應用到具體場面活動情景中最終得出基于最低油耗的場面滑行沖突解脫模型，具體流程如下描述。

2.1" 場面滑行沖突類型

根據航空器在機場場面運行情況，可以將滑行沖突分為3類：追及沖突、對頭沖突及交叉沖突，如圖1所示。

定義一些變量：在根據上文基于免疫算法的滑行路徑選擇方法選擇出航空器A、B的滑行路徑為

航空器A、B消耗的油量為ＷＡ、ＷＢ。

基于ADS-B數據得到航空器A、B過各個節點的時間為

twait為過同一節點所需要滿足的安全間隔。

1）追及沖突是指當2架航空器在同一段滑行路徑上同向滑行時后機比前機速度快或后機比前機慢，但進入沖突路徑時不滿足安全間隔，如圖2所示。即同時滿足以下條件：

①航空器A、B預規劃路徑空間上占用相同相鄰節點即

②航空器A、B預規劃路徑時間上占用相同相鄰節點即

。（4）

2）對頭沖突是指2架航空器在同一段滑行路徑相向滑行，如圖3所示。即同時滿足以下條件：

①航空器A、B預規劃路徑空間上占用相同相鄰節點即

②航空器A、B預規劃路徑時間上占用相同相鄰節點即

。（6）

3）交叉沖突是指2架飛機在同一交叉點處相遇且時間間隔不滿足安全間隔，如圖4所示。即同時滿足以下條件：

①航空器A、B預規劃路徑上有一個空間上的相交點

； （7）

②航空器A、B過這一交點的時間間隔不滿足安全間隔

。 （8）

2.2" 基于FCFS的單個沖突解脫

在預規劃階段，每種滑行沖突對于2架航空器都有2種解脫策略，不同策略的選擇對整體運行的效率影響不同?；贔CFS原則，在發生沖突時讓后到沖突路段的航空器采取等待或更改滑行路徑的措施，通過比對不同解脫策略時對整體運行的影響，選擇整體運行油耗最小的沖突解脫方法，如圖5所示。

2.2.1" 追及沖突的解脫

當發生圖2所示的追及沖突時，根據FCFS原則，讓計劃時間較晚航空器等待前機先進入道口后跟進滑行（當前機速度慢時與前保持相同速度滑行）或在追及段前重新規劃路徑。在航空器A計劃時間較早的情況下若檢測到追及沖突，則計算航空器B在路口進行等待所消耗的油量為ＷhB，重新規劃路徑所消耗的油量ＷrB。

通過判斷ＷrB與ＷhB的大小，選擇航空器B油耗最小的沖突解脫方式

2.2.2" 對頭沖突的解脫

對于圖3所示的對頭沖突，由于航空器A、B預規劃航跡上可能有多段在空間上重疊，若實施等待策略，只能選擇在整個重疊路段外等待，若實施改變滑行路徑策略，需要讓某架航空器在進入沖突段前改出。因此需要知道航空器預規劃路徑經過整個重疊路徑的信息和具體沖突發生段的信息。

假設沖突發生的路徑是Ａ（i），Ａ（i+1），重疊路徑為從Ａ（i-l）點至Ａ（i+k），對應航空器B其沖突路徑為B（j），B（j+1），重疊路徑為B（j-k+1），B（j+l+1）。假設航空器A計劃時間較早，在這種情況下，讓航空器B在重疊路徑外進行等待或重新規劃路徑。計算航空器B在重疊路徑外等待所消耗的油量WhB和重新規劃新路徑消耗的油量WrB。

通過判斷WrB與WhB的大小，選擇B航空器油耗最小的沖突解脫方式

" 。" " （10）

2.2.3" 交叉沖突的解脫

對于圖4所示的交叉沖突，航空器A、B在Ａ（i）即B（j）處沖突時選擇計劃時間晚的航空器進行等待或是讓其重新選擇路徑避開沖突節點。假設A航空器先到沖突點，選擇讓航空器A保持當前滑行路徑不變時，計算航空器B在沖突點外等待所消耗的油量WhB和重新規劃新路徑消耗的油量WrB。

2.2.4" 基于最低油耗的場面滑行沖突解脫算法

得到某一時段所有航空器場面滑行路徑后，基于場面滑行沖突模型、單個沖突解脫模塊、先到先服務原則，按航空器計劃進離港時間進行沖突探測與解脫，生成最低油耗的無沖突場面滑行路徑，具體流程如下。

第一步：得到某時間段所有航空器初始規劃路徑；

第二步：將計劃時間最早航空器路徑加入已確定路由系統，記錄系統總油耗；

第三步：將未檢測且時間優先的航空器與已確定路由系統的初始路徑逐一比較，進行沖突探測，未檢測到沖突時進入第四步，檢測到沖突時進入第五步，當所有航空器都已檢測完畢進入第六步；

第四步：將該航空器路徑加入已確定路由系統，記錄系統總油耗，返回第三步；

第五步：當檢測到滑行沖突時，基于系統所提供的沖突解脫策略對現有路徑進行更改，將該新路徑帶入第三步進行沖突檢測；

第六步：輸出各個航班最低油耗的無沖突場面滑行路徑。

4" 結束語

本問詳細介紹了一種基于油耗最少的航空器沖突解脫方法。研究從A-SMGCS路徑規劃問題入手，創新性地提出一種基于航空器最小油耗的路徑規劃模型。首先，對機場場面滑行區域進行航空器油耗網建模，并詳細介紹模型中的免疫遺傳算法，實現對航空器初始路徑的規劃。但隨著場面運行態勢的不斷變化，需要對場面滑行沖突進一步解脫，由此提出基于油耗最少的航空器沖突解脫算法，最終得到無沖突的最小油耗航空器優化滑行路徑。以油耗為建模模型是機場場面路徑規劃方法研究的又一創舉，不僅提高了機場場面運行效率，同時為我國推進A-SMGCS路徑規劃功能的建設作出了貢獻。

參考文獻：

[1] 張海剛，顧幸生.基于混合免疫遺傳算法的車輛調度問題[J].微電子學與計算機，2007（1）：119-122.

[2] 張曉.人工免疫算法改進及其應用研究[D].西安：陜西師范大學，2017.

[3] 何向婷.基于免疫遺傳算法的多目標優化研究[D].西安：西安科技大學，2013.

[4] 劉方勤，胡明華，楊尚文.基于航班到達時間窗約束的空域資源分配問題[J].系統工程學報，2011，26（4）：485-491.

[5] 王玄.基于場面沖突熱點的航空器滑行路徑優化研究[D].廣漢：中國民用航空飛行學院，2015.

[6] 孫廣義，劉長有.基于蜂群算法的飛機滑行路徑優化[J].航空計算技術，2016，46（1）：56-59，69.

[7] 董兵.基于沖突點避讓機制選擇的航空器滑行路徑優化[J].科學技術與工程，2018，18（23）：334-338.