基于風險交互分析的智慧機場空側運行管理系統

文 璐，張迎春，周世烽，戴小罡，丁雙寧

（1.湖南機場建設指揮部，湖南 長沙 410000；2.民航機場規劃設計研究總院有限公司華北分公司，北京 100000）

為了保證機場安排好空側布局的同時，降低航班延誤[1-2]，機場需要具有更大的容納量[3]，投入更高的建設和運營成本。考慮到機場改擴建成本，在智慧機場空側運行管理過程中，對于交通管理方面的新管理技術和算法等提出了較高的要求[4]。在新的空中交通形勢下，借用信息化手段，對機場空側運行進行精細化管理，是提升機場高效運作的關鍵步驟，也成為當前新的研究方向[5-6]。針對當前智慧機場空側的結構、以及跑道容量等方面存在的問題，設計了一種基于風險交互分析的智慧機場空側運行管理系統。

1 基于風險交互分析的空側運行管理系統設計

1.1 系統硬件設計

在基于風險交互分析的智慧機場空側運行管理系統中，為了保證順利地搭載相關的管理技術和算法，需要設計系統硬件部分的整體結構框架，該設計系統的硬件結構框圖如圖1 所示。

圖1 系統硬件結構框圖

航空器是管理系統硬件中的核心部分[7-8]，因此，該文對航空器的內部結構進行詳細設計。航空器在該系統中的作用是獲取機場地面信息。在設計航空器的過程中，可以模擬空側運行過程中的各個階段，其自身的屬性、功能以及結構模塊非常豐富。航空器Agent的內部結構如圖2 所示。

圖2 航空器Agent內部結構

了解了航空器Agent[9-10]的內部結構后，需要研究航空器的機場管制運行程序，系統能夠智能獲取不同機型的航班號，根據航班號在數據庫中獲取相應的飛行計劃、航路氣象信息和航行情報等數據，完成系統中航空器的設計。

1.2 系統軟件設計

1.2.1 建立智慧機場空側容量評估模型

智慧機場的空側容量是指機場能夠處理的交通流量能力，主要描述單位是飛機的出發和到達架次[11-12]。在評估空側容量時，主要考慮跑道和終端區的容量。精準評估空側容量能夠為空側運行管理提供參考依據[13-15]。在估計跑道的容量[16]時，兩架飛機中的前端飛機速度較小時，兩飛機的滑行狀態趨于接近情形，示意圖如圖3 所示。

圖3 進場服務Vi ＜Vj 時的示意圖

圖3 中，Vj表示后機的平均滑行速度，δij表示跑道入口的距離，Ri表示飛機到達跑道的最小時間間隔。此情景下Tij可表示為：

在另一種情況下，前機在跑道上的滑行速度大于后機滑行速度，兩機之間的距離越來越遠，這種情況下為開放情形[17-18]，兩機之間的跑道示意圖如圖4所示。

圖4 進場服務Vi ＞Vj 時的示意圖

圖4 中，Vi表示前機運行的速度，γ表示共用進近航道時的長度，此情景可以描述為：

設定飛機j緊緊跟隨飛機i發生的概率是Pij，在無意外延誤的理想情況下，設跑道的容量最大值為C。如圖4 所示，進場的飛機i在經過跑道的入口時，使用的時間長度設為Ti，飛機j經過跑道入口的時間長度設為Tj，離港的飛機k占用跑道時，所用的時間長度設為Td，得到放行許可后經過的最長時間設為T2，因此離港的飛機k放行所用的時間長度為

如果在飛機i與飛機j中間加入一個其他的將要離港的飛機，則需要滿足T2-T1＞0。用N表示飛機數量，用Tij表示時間間隔，存在：

在沒有延誤存在的理想情況下，期望最小的時間間隔設為E[Tij]，航空器j飛行到航空器i的概率設為Pij，跑道的最大小時容量C可表示為：

在兩跑道同時運行時，具體評估模型需要根據實際情況進行分析討論。

1.2.2 風險交互分析體系

公共安全風險是潛在的緊急情況或社會不穩定因素，這種公共安全風險可能對智慧機場區域系統造成負面影響。當某一公共安全風險Di與公共安全風險Dj之間存在因果關系時，記錄為DSMij=1，否則記錄為DSMij=0。在建立風險交互分析框架的過程中，機場區域風險事件風險網絡的公共安全風險點的數量在一定程度上影響其他公共安全風險的數量，影響關系如式（5）所示：

式中，outDegreeDi表示公共安全風險的點出度，InDegreeDi表示公共安全風險的點入度，描述其他公共安全風險受到某公共安全風險影響的數量。TotalDegreeDi表示總的風險點度數中心度，描述影響該公共安全風險發生的其他公共安全的數量與受該公共安全風險影響的其他公共安全風險的數量之和。如果某個公共安全風險節點自身具有較高的中間中心度，那么該公共安全風險節點在風險演化過程中起著關鍵傳導作用。公共安全風險網絡中點的中間中心性表示為BetweennessRk，并且飛機節點i的公共安全風險表示為Ri，飛機節點j的公共安全風險表示為Rj，則在公共安全風險傳導鏈條的“中間”鏈接Ri→Rj的鏈接中間中心度計算如式（6）所示：

式中，σRp,Rq表示從節點Rp經過節點Rq的最短路徑的數量。σRp,Rq(Ri→Rj)表示經過鏈接Ri到Rj的路徑的數量。

從責任部門S*到部門S#，兩者之間的鏈接的值大于0，則各部門之間存在風險相互作用。CS*,S#代表責任部門S*到部門S#之間的風險交互強度，計算公式如式（7）所示：

公共安全風險網絡的關聯度的計算公式如式（8）所示：

式中，V代表公共安全風險網絡中互不可達的公共安全風險點的點對數目，N代表公共安全風險網絡的規模。在智慧機場空側運行管理系統中引入該分析方法，能夠為機場區域管理者確定不同部門之間的溝通和協作提供指導。通過識別和設計跨組織邊界實現組織之間的溝通和協作，提高機場區域風險安全管理的有效性。組織之間的聯動對于減少機場區域災害風險具有重要意義。根據以上設計，系統的運行管理流程如圖5 所示。

圖5 機場管制運行流程圖

該文系統將按照此流程進行起飛、降落、停止等待等活動的管理，完成基于風險交互分析的智慧機場空側運行管理系統的設計。

2 實驗分析

2.1 實驗方案設計

為了驗證該文設計的系統在實際的應用中具有一定的有效性，需要測試設計的系統。選擇某城市機場的某月份不同評價指標，并確定智能化處理設置的指標得分，如表1 所示。

表1 機場空側交通流動態管理運行水平評價指標

根據表1 數據，利用相關的變異計算公式，能夠分別計算出不同級別指標的相關指標權重，計算結果如下：

同樣計算得到各層級的權重系數如下：

根據上述計算結果，能夠分別得到一級權重、二級權重和組合權重。在以上機場運行情況下，使用該文設計的基于風險交互分析的智慧機場空側運行管理系統管理該機場的空側，并利用上述的指標評價該機場的空側交通流動態管理運行水平。

2.2 系統結果分析

在得到該文空側運行管理系統下各個指標的值后，結合相應的權重系數，可以計算出各個指標之間的關聯度。關聯度的計算函數為：

式中，ρ(X,Xp)表示點X到有界區間Xp的距離，表示有界區間的模，ρ(X,Xq)表示點X到有界區間Xq的距離。通過上式計算出經典物元矩陣中各級水平（A，B，C，D，E）指標關聯度，如表2 所示。

表2 指標關聯度計算結果

根據表2 中各個二級指標的關聯度值，結合調查數據，通過二級指標關聯度的計算公式計算一級指標關聯度，如下：

式中，Kp(Ni)表示待評價一級指標關聯度，αi表示指標權重。根據以上關聯度指標值劃分系統管理水平為五個等級，即1-5 級，1 級表示優，5 級則表示最差。根據一級指標中經典物元矩陣中各級水平（A，B，C，D，E）指標關聯度的計算結果評級管理水平，由于篇幅限制，在此不再列舉指標關聯度評級的參考標準。得到一級指標關聯度與總體評級如表3所示。

表3 綜合指標關聯度與空側總體運行水平評級

根據以上的關聯結果可知，該機場的空側交通流動態管理處于1-3 級水平，說明能夠較好地保障機場空側的運轉，在高峰和突發狀態下出現的擁堵與延誤情況較少，但此時服務水平稍有下降。由此可知，設計的基于風險交互分析智慧機場空側運行管理系統在實際的應用過程中具有較高的可靠性。

3 結束語

該文在風險交互分析的基礎上，重新規劃了智慧機場空側運行管理系統。通過實際的應用研究，驗證了該系統的實用性和可靠性。該系統的應用能夠有效緩解機場空側的交通擁堵，但由于各方面的條件限制，僅在智慧機場的空側方面進行了測試，在評價方面的尺度也過于微觀。因此，在今后的研究中，要深入到機場陸側的運行管理中，并從宏觀方面調控智慧機場。