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(jī)場(chǎng)的交通流負(fù)荷已經(jīng)不能通過基礎(chǔ)設(shè)施的擴(kuò)建來解決了，急需對(duì)現(xiàn)有的跑滑資源使用模式進(jìn)行優(yōu)化，在保障安全運(yùn)行的情況下，提高機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率。一些研究采用精確路徑規(guī)劃算法研究場(chǎng)面運(yùn)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(chǎng)面活動(dòng)問題，谷潤平[2]等人使用改進(jìn)的D*算法研究場(chǎng)面動(dòng)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(duì)場(chǎng)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(diǎn)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(cè)解脫方法，最后通過對(duì)機(jī)場(chǎng)滑行案例進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并與Simmod軟件仿真結(jié)果對(duì)比。證實(shí)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(dòng)路由規(guī)劃，使用節(jié)點(diǎn)-線段模型對(duì)機(jī)場(chǎng)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(jī)場(chǎng)內(nèi)不同類型的航空器在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下耗油率w數(shù)據(jù)以及航空器滑行時(shí)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(cè)與解脫算法

（1）滑行沖突類型

根據(jù)航空器在機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面運(yùn)行情況，可以將滑行沖突分為三類：追及沖突、對(duì)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(duì)該路段的占用時(shí)段重合，對(duì)頭沖突是指兩架航空器同時(shí)段在同一路段對(duì)頭滑行，交叉沖突是指兩架飛機(jī)通過同一交叉點(diǎn)時(shí)間不滿足安全間隔。

2 案例分析

本文以某機(jī)場(chǎng)為例，以某機(jī)場(chǎng)某日進(jìn)離場(chǎng)航班為對(duì)象，首先建立機(jī)場(chǎng)場(chǎng)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(duì)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(duì)比，得出分析結(jié)果。

2.1 實(shí)施步驟

步驟一：從Flight Monitor軟件獲得航空器運(yùn)行ADS-B數(shù)據(jù)并對(duì)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(yùn)行模擬，并輸出仿真、優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果報(bào)告。

步驟三：對(duì)Simmod生成的仿真/優(yōu)化模擬評(píng)估報(bào)告以及本路徑優(yōu)化系統(tǒng)的處理結(jié)果，進(jìn)行分析對(duì)比，篩選出三種不同情況下的：總滑行時(shí)間、離場(chǎng)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(yùn)行結(jié)果進(jìn)行評(píng)估分析。

操作流程如圖2所示。

2.2 結(jié)果分析

通過對(duì)評(píng)估報(bào)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)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(duì)比可知，應(yīng)用本優(yōu)化算法得到的滑行路徑結(jié)果中時(shí)間、油耗均遠(yuǎn)小于實(shí)時(shí)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(jì)的航空器運(yùn)行數(shù)據(jù)，不同機(jī)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(yùn)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(chǎng)面運(yùn)行時(shí)間和基于時(shí)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(yàn)證了優(yōu)化模型的可信度與可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)時(shí)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(chǎng)面運(yùn)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(diǎn)，未獲取到航空器在各種運(yùn)動(dòng)情況下的油耗數(shù)據(jù)等。受限于時(shí)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(chǎng)面滑行動(dòng)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(jī)滑行路徑優(yōu)化[J].交通信息與安全，2009，27（03）：6-8+19.