基于机坪运行安全的停机位预分配综合优化.pdf

引用格式:刘禹汐刘继新田文.基于机坪运行安全的停机位预分配综合优化.航空计算技术():.():.基于机坪运行安全的停机位预分配综合优化刘禹汐刘继新田 文(.南京航空航天大学江苏 南京.国家空管飞行流量管理技术重点实验室江苏 南京)摘 要:针对停机位分配易受机坪运行冲突和实际进离港时刻偏差的影响导致停机位实际分配方案偏离预分配方案的问题将航班实际上/撤轮挡时刻和计划上/撤轮挡时刻之间的偏差与航班推出 进位的最小安全时间间隔相结合来表达航班运行冲突风险值在此基础上建立兼顾机坪运行安全与机场、航司、旅客三方利益协同的停机位预分配综合优化模型引入多目标优化算法 以国内某大型枢纽机场机坪运行模式和运行数据为实例开展分析验证得到的三类优化方案与人工分配方案相比均可降低航班运行冲突风险值、使用远机位的航班数量和旅客步行距离 其中兼顾三个目标所得到的优化方案相较人工方案可分别使航班运行冲突风险值、使用远机位的航班数量和旅客步行距离减少.、.和.关键词:航空运输停机位预分配机坪运行安全 中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):/.:引言机场作为航空运输体系中最核心的业务活动部分随着航线、航班数量和旅客运输量的不断增长机场内部的各种资源成为限制民用航空运输发展的瓶颈其中机场停机位资源紧张问题日益突出 在机位资源预分配阶段会受到多种因素限制传统的停机收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目资助()国家重点研发计划项目资助()南京航空航天大学科研与实践创新计划项目 资助()作者简介:刘禹汐()女黑龙江哈尔滨人硕士研究生第 卷 第 期航 空 计 算 技 术.年 月 .位预分配方法难以同时满足运行效率和协同的公平决策 尤其在大型枢纽机场航班流量较大航司和旅客多样化显著机坪的结构和运行规则较为复杂在机坪内部产生的运行冲突较多运行安全变得尤为重要 现有关于运行安全的研究主要集中于:)对机坪安全状况进行定性分析比如机坪安全评价指标的选取等)考虑同机位前后航班或相邻多个机位航班之间的推出、进位冲突比如在约束中设置一个最小安全时间间隔 或以机位冲突概率最小为目标 已有的对停机位预分配在运行安全方面的研究很少考虑航班之间受机坪运行冲突的影响和航班实际运行时产生的进离港时刻偏差因此本文面向在停机位预分配阶段将实时运行时的随机因素纳入机坪运行风险的需求将航班之间为避免发生航空器机坪运行冲突要保持的最小安全时间间隔和航班实际上/撤轮挡时刻和计划上/撤轮挡时刻之间的偏差带来的扰动结合以最小化航班运行冲突风险值、最大化靠桥率和最小化旅客步行距离为目标函数建立兼顾机坪运行安全与三方利益协同的停机位预分配综合优化模型引入 算法对模型进行求解利用国内某大型枢纽机场实际数据开展验证得到帕累托()解集为停机位预分配方案优化提供多种可行解 停机位预分配综合优化模型本文提出“区域机位组合”的概念来表征不同机坪构型下的航空器进离港运行模式 基于机坪构型和机位、滑行通道的相对位置关系将同类机坪区域内具有相同进离港滑行路径且受到规则限制彼此影响的若干机位视为一组称为“区域机位组合”为方便模型求解将各机坪中的区域机位组合按照进港 离港、离港 进港、进港 进港、离港 离港四种场景整合共分为四类区域机位组合、.航空器推出 进位最小安全时间间隔为方便计算选取一种常用的滑行道运行规则和两类常见的机坪构型将四类区域机位组合中航空器推出/进位的滑行路径统一分成两种即在港湾 型机坪的滑行路径和在直线型机坪的滑行路径对于港湾 型区域航空器在停机坪的滑行路线如图()和图()所示 对于直线型机坪区域如图()和图()所示 表示该航班所停靠停机位与滑行通道入口之间间隔的停机位数量图()中黑色航空器准备滑入停机位如果与该停机位同处一个区域机位组合的停机位中也有航空器准备滑入则两架航空器上轮挡的安全时间间隔至少为:()()图 港湾 型机坪航空器滑行路径图 直线型机坪航空器滑行路径如果与该停机位同处一个区域机位组合的停机位中有航空器准备推出则黑色航空器上轮挡时刻与其他航空器撤轮挡时刻之间的安全时间间隔至少为:()图()中黑色航空器准备从停机位推出如果与该停机位同处一个区域机位组合的停机位中也有航空器准备推出则两架航空器撤轮挡的安全时间间隔 航 空 计 算 技 术 第 卷第 期至少为:()()如果与该停机位同处一个区域机位组合的停机位中有航空器准备滑入则黑色航空器撤轮挡时刻与其他航空器上轮挡时刻之间的安全时间间隔至少为:()图()中黑色航空器准备滑入停机位如果与该停机位同处一个区域机位组合的停机位中也有航空器准备滑入则两架航空器上轮挡的安全时间间隔至少为:()()如果与该停机位同处一个区域机位组合的停机位中有航空器准备推出则黑色航空器上轮挡时刻与其他航空器撤轮挡时刻之间的安全时间间隔至少为:()()图()中黑色航空器准备从停机位推出如果与该停机位同处一个区域机位组合的停机位中也有航空器准备推出则两架航空器撤轮挡的安全时间间隔至少为:()()如果与该停机位同处一个区域机位组合的停机位中有航空器准备滑入则黑色航空器撤轮挡时刻与其他航空器上轮挡时刻之间的安全时间间隔至少为:().航空器进离港时刻偏差的扰动选取国内某大型枢纽机场某一典型日的 个航班对(以下简称航班)为实例根据一整年的历史数据分别对每个航班进行实际上/撤轮挡时刻和计划上/撤轮挡时刻之间偏差的拟合由于不同航班时刻偏差的规律性并不完全相同因此选取最贴合每个航班数据的分布函数进行拟合为了方便模型求解本文选择了各航班最优分布拟合结果的均值作为该航班的上/撤轮挡时刻偏差将其作为扰动因子加入后续对航班上轮挡和撤轮挡时刻的表示中以表征随机不确定因素对航班时刻表的影响.目标函数)最小化航班运行冲突风险值 ()()否则()()()否则()()()否则()()()()()()()()式()为唯一性约束表示每个航班能且仅能指 年 月刘禹汐 等:基于机坪运行安全的停机位预分配综合优化 派一个停机位式()为排他约束确保一个停机位每次最多只能服务于一个航班式()为航班 停机位类型匹配约束其中 是一个极大的数式()为安全间隔约束为避免机位冲突应保证没有两个登机时间重叠的航班同时被分配到同一个停机位式()为强制性约束表示过站时间超过 的航班均被指派到远机位式()为航空公司停机位匹配约束表示将指定航空公司的航班分配到对应的停机位式()和式()为 变量约束对变量类型进行限制 实例验证.实验设置以前文选取的国内某大型枢纽机场机坪构型及其 年上半年典型日的 个航班对为研究对象进行验证分析涉及 个半 型机坪和 个直线型机坪包括 个可用停机位(远机位 个、近机位 个)通过 采用 进行求解设置种群数量 迭代次数 .结果分析在迭代接近 代的时候三个目标函数都已经收敛迭代过程曲线如图 图 所示 同时获得基于航班运行冲突风险值最小、分配到远机位的航班最少以及旅客步行距离最短的 最优前沿分布图如图 所示共有 个 解集图 目标函数 的迭代变化曲线图 目标函数 的迭代变化曲线图 目标函数 的迭代变化曲线图 前沿分布图在 最优前沿中基于目标函数 最优得到方案 基于目标函数 和 同时最优得到方案 基于目标函数 均较优得到方案 与优化前的人工分配停机位的方案 对比各方案对应的目标值如表 所示表 前沿解和人工分配结果比较分配方案分配目标/分/个/方案 优化前.方案 最优.方案 和 最优.方案 兼顾 .如果以机坪运行安全为主要目标则根据方案 的优化结果可知其航班运行冲突风险值为 .分比方案、方案 和方案 分别减少.、.和.说明方案 可有效降低潜在的机坪内部运行冲突同时相较方案 其使用远机位的航班数量和旅客步行距离亦有明显下降分别减少了.和.如果想要使用远机位的航班数量和旅客步行距离同时实现最优则根据方案 的优化结果可知与方案 相比使用远机位的航班数量可减少.旅客步行距离可减少.如果要兼顾机场、航空公司、旅客需求和运行安全则选取方案 其与方案 相比亦能够降低航班运行冲突风险值、使用远机位的航班数以及旅客步行 航 空 计 算 技 术 第 卷第 期距离且分别减少.和.结论)为解决预战术阶段航班停机位分配方案易受潜在机坪冲突和随机因素干扰影响的问题笔者面向在停机位预分配阶段将实时运行时的随机因素纳入机坪运行风险的需求考虑航班实际上/撤轮挡时刻和计划上/撤轮挡时刻之间的偏差带来的扰动将其与航班推出 进位的最小安全时间间隔相结合设计航班运行冲突风险值的计算公式为建立兼顾机坪运行安全与三方利益协同的停机位预分配综合优化模型奠定基础)基于多目标优化算法 以国内某大型枢纽机场机坪运行模式和运行数据为实例进行模型求解 实验结果表明:所建模型可以有效降低机坪运行风险并提高运行效率和旅客满意度所采取的多目标优化方法可以使不同的优化目标分别达到最优有利于机场工作人员根据实际情况选择合适的停机位预分配方案)在机场实际运行的过程中会涉及与其他多种资源如摆渡车、加油车等的协同调度以及场面上航班备降、车辆故障等突发事件的发生后续可以根据资源间的联系和动态的航班态势对停机位分配进行协同研究参考文献:刘畅郝路高峰等.基于机场协同决策机制下的停机位资源分配研究.智能计算机与应用():.():.(:):.王燕平.停机坪安全风险评价与管理.南京:南京航空航天大学.余梦梦.基于 模糊综合评价法的机场停机坪安全风险研究.北京:首都经济贸易大学.王永刚高宇恒.中大型机场停机坪安全风险分析与对策研究.安全与环境学报():.郑攀胡思继.基于安全性目标的机位分配模型及算法.物流技术():.刘长有郭楠.基于运行安全的停机位分配问题研究.中国安全科学学报():.高阳夏洪山梁的达等.基于随机扰动航班时刻的停机位分配.航空计算技术():.马思思.繁忙机场滑行道和停机位联合调度研究.南京:南京航空航天大学.薛钰婷周航姜子棋等.面向 型机坪的停机位分配优化研究.航空计算技术():.李军会朱金福陈欣.基于航班延误分布的机位鲁棒指派模型.交通运输工程学报():.:.徐思敏姜雨王欢等.基于 的停机位多目标指派建模与仿真.南京航空航天大学学报():.郑文娟乐美龙邵佳佳等.基于资源使用效率的停机位指派问题研究.航空计算技术():.年 月刘禹汐 等:基于机坪运行安全的停机位预分配综合优化