多跑道机场航空器离场排序系统的设计与实现

胡钰明

摘要： 随着我国民用航空量不断增长，运行环境复杂度的不断增加，多跑道机场的离场航空器排序工作难度不断加大。负责放行排序的塔台管制员需要综合考虑多种约束条件，对航空器离场顺序及离场时间进行排序。本文提出了一种多跑道机场离场航空器排序各类离场约束条件的建模方法，并设计了一种离场航班排序算法和系统，对所有离场航空器的顺序和时间进行规划以使其最终序列满足约束条件的要求，用以辅助管制员进行决策，提高机场运行效率。

【关键词】空中交通管理 离场管理 航班排序DMAN

1 背景

近年来，随着我国民用航空事业发展，各机场航班量不断增加，机场运行安全压力不断增加。为了满足人民群众日益增长的航空出行需要，国内各主要机场都已经或计划扩建、新增跑道以求提高吞吐量。跑道的增加，以及配套的跑滑系统的增加，使得机场运行复杂度随之提升。这对航空器离场放行排序工作带来了更多挑战。传统的主要依靠人脑和电话进行排序、协调的运行模式，已经明显不能适应运行的需要。因此，对离场排序的决策支持系统的需求，在许多大中型机场已经日益迫切。

航空器离场管理系统，又称DepartureManager（DMAN）.一直是空中交通管理领域的一个研究热点，被广泛写入国际民航组织各规划材料当中。其主要功能是，采集各类离场航班运行信息，根据约束条件和运行环境，利用排序算法对离场航空器进行排序，进而计算出航空器推出、滑行的顺序、跑道占用时段和各个关键节点的时间，给管制员提供决策支持。

在这一领域，欧美国家已有较多的研究和产品。但是，运行环境、运行程序和规章制度要求的不同，导致了欧美国家的产品不能够适用于我国的实际运行环境。本文希望通过分析业务需求，对约束条件进行建模，进而设计一种排序算法和相应的系统，为我国多跑道机场实际运行提供离场排序决策支持建议。

2 离场排序系统需求分析

2.1 航空器离场基本业务流程

从里程碑事件的角度来看，航班生命周期在机场范围主要包含一系列关键的时间节点。区分出港航班和进港航班的不同，出港流程主要有：收到领航报、发布放行许可、准备好、推出、开车、滑行、跑道头等待、进跑道、起飞，在实施了机坪管制移交的机场，还有移交等不同流程。

除此以外，航空器在离场过程中，还需要在多个塔台指挥席位间进行移交，各个席位所包含的关键节点及离场航空器基本业务流程如图1所示。

2.2 拟解决的主要问题

多跑道机场航空器离场排序系统，主要解决以下问题：

2.2.1 为航空器选择合理的起飞跑道

在多跑道机场，一般有2条以上跑道可以用于航班起飞，于是就存在离场航空器跑道优选问题。在优选跑道时，需要考虑的因素主要有：停机位、滑行路线、起飞方向、运行模式等。在实际运行中，一般采用起飞方向结合跑道允许的最大机型确定航空器所使用的起飞跑道。

2.2.2 为航空器安排安全、高效的起飞时间

安排起飞时间，即是安排航空器占用跑道的时间，是本系统的重点和难点。起飞时间的安排，第一要保证安全，即前后机要满足一定的尾流间隔和各种各样的约束条件；二要兼顾效率，即使得局部航班流整体起飞效率最高。因此，需要建立一个排序算法，并对约束条件进行建模，来进行航空器起飞时间的计算。

2.2.3 由起飞时隙倒推地面各节点时间，提高运行效率

为航空器安排好占用跑道的时间后，就可以以此为基础，根据航空器的地面滑行路线、停机位等要素，计算地面各个关键节点的要求时间。由于各个关键节点的负责单位不尽相同，有些是由航空公司负责，有些是由机场负责，还有一部分是由空管负责。计算出地面各个关键节点后，可以使多个负责单位有共同的情景意识，保证分配的起飞时间最终能够被执行。

3 航空器离场排序系统设计

3.1 系统设计

离场排序系统（简称DMAN）需要从多个数据源获取数据，并对外输出离港航班排序建议。其系统架构设计如图2所示。

系统从航班信息处理系统中获取航班计划信息，从塔台电子进程单系统中获取运行节点信息，从场面监视雷达系统及空管自动化系统中获取航空器在空中、地面的位置信息，融合成统一航班处理对象；再根据约束条件及人工干预情况，按照既定的算法进行排序，最终得到排序建议作为系统输出。

3.2 约束条件分类及建模

影响航班离场排序的约束条件主要有：跑道机型约束、尾流间隔、外围限制、起降模式等。下面逐一分析。

3.2.1 跑道机型约束

每条跑道都有其最大起飞机型的限制，如空中客车A380型飞行只能在特定宽度、长度以上的跑道起飞等等，在进行跑道分配时，需要作为强制约束予以满足。

3.2.2 尾流间隔约束

尾流间隔是一种安全约束，主要指同跑道起飞的特定机型前后机间应当满足的间隔要求。若不满足此要求，则前机尾流可能会对后机产应影响。目前我国采取的尾流间隔标准主要依据前后机的尾流等级来判断，主要有：

前后机均为重型，不小于8公里；

前重后中，不小于10公里；

前重后轻，不小于12公里；

前中后輕，不小于10公里；

尾流间隔也属于强制约束，在进行排序时需要予以满足。

3.2.3 起降模式约束

对于同一条跑道既用于起飞又有用于落地的，还需要考虑起降模式的约束。比如，连续起飞时，可以采取2分钟的间隔要求；当起飞航班中穿插有落地航班时，如起.降，起模式，就要求两个起飞航班间有3分钟的间隔要求。

3.2.4 外围限制约束

外围限制，一般被称作“流量控制”，是指前往特定机场、特定空域的航班需要遵循一定的额外间隔。举例来说，前方落地机场雷雨影响降落的话，通常起飞机场出港前往该机场落地的航班会被要求一定的间隔。这一间隔通常属于软性约束，带有一定的容差范围。比如，要求10分钟间隔，实际执行时，8-12分钟的间隔都是可以接受的。这一约束在排序时也需要被考虑。

约束条件可以被统一建模为一个四元组：（时间片，时间容差，条件断言，航空器数量限制）。时间片是指一段时间长度；时间容差是指可以接受的软性约束容差；条件断言是指航空器需要满足的过滤条件；航空器数量限制是指满足断言条件，并且在指定的时间片内的航空器数量。

3.3 排序算法建模

离场航班排序算法是整个系统的核心部分。从本质上来说，这一排序算法是一个典型的约束满足问题（CSP问题）。如果仅仅考虑整体延误最小或效率最高而进行排序，己被证明是一个NP Hard问题，必须采用穷举法才能求解，在航班量较多时，计算时间可能很长，无法满足业务需要的响应速度。而且由于业务规则限制，最终的排序结果也不一定可以被執行。

因此，本系统将采用基于一定业务规则下求次优解的算法，在计算时，避免大规模回溯或递归，从而大幅消减计算量，满足响应速度要求。

排序算法流程图如图3所示。

在初始化阶段，系统将所有可用离场跑道的队列清空。并根据航班的地面状态及位置确定排序优先级。距离起飞越近的状态优先级越高，同状态下距离跑道越近的优先级越高。

针对每一个待排序航班，算法针对该航班可用的离场跑道队列，依次执行以下三个步骤：

（1）确定航班的优先级

（2）计算起始排序位置

（3）逐条尝试规则是否满足，如不满足，则尝试下一个可用时隙。

系统将对所有待排序航班，在其所有可用的起飞跑道队列中重复以上步骤，最终得出满足所有约束条件的排序。

4 航空器离场排序系统实现

系统基于Windows Server 2012操作系统运行。前端界面及算法部分采用C#语言开发，后端数据库采用SQL Server 2012，高可用性方案基于微软AlwaysOn方案设计。其中前端界面的绘图部分采用了GDI+技术。

系统运行后的截图如图4所示。

系统界面的主要部分是时间轴，显示了对应跑道的排序情况。其中，左侧绿色的是进港航班排序，右侧橙色的是出港航班排序。灰色航班标牌表示其已经落地或起飞。每个航班标牌在时间轴上的位置即为其占用跑道的时刻。5应用情况和未来展望

本文所设计的系统已经在中南地区多个主要机场如海口、三亚、郑州、长沙、武汉、广州等地使用，对所有离港航空器进行离场时隙分配，并将地面运行各个关键节点时间发送给航空公司、机场，增强了机场交通流的可预测性，提高了运行效率和安全水平，取得了较好的实践效果。

对于发来发展思路，由于进离场航班最终的汇聚点是在跑道上，下一步研究思路希望能够在离场排序的基础上，通过引入对于进离场航空器跑道争用的建模，将进场航空器排序与离场航空器相结合，更加贴近实际运行，进一步减少起降冲突和跑道侵入，进一步提升安全、效率。

参考文献

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[2]尹嘉男，胡明华，张洪海，马园园，吴凡，独立离场模式下多跑道时空资源优化调度方法[J].航空学报，2015， 36 （05）：1574-1584.

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