基于流量管理的多跑道运行下进离场航班排序优化策略研究

杨 洋

（民航西南空管局云南分局，云南 昆明 650000）

1 机场及多跑道概述

1.1 机场系统

机场指用于航空器地面活动、起飞和着陆的规划区域，涵盖基础设置以及相关建筑物。系统结构共分为陆侧和空侧两部分，其中，陆侧部分由地面到达系统和航站楼构成，用于乘客进行交通模式的转变；空侧部分由停机坪、跑道和滑行道3部分构成，是航空器地面活动的主要场所。

1.2 多跑道

航班量激增背景下，跑道资源越来越紧张，多跑道运行成为必然的发展趋势。根据使用的跑道数量能够将机场分为多跑道机场和单跑道机场。根据跑道构型又可以分为平行跑道、V型跑道以及交叉跑道等。随着航班增多，机场运行压力增大，越来越多的机场新建跑道使用混合或者半混合模式运行平行跑道。

2 多跑道机场航班进离场运行过程

航空器基本运行过程一共包括3个阶段：离场、航路飞行及进场，分别由不同管制单位提供管制服务，包括机场管制、区域管制以及进近管制。

作为航空器飞行的第一阶段，离场过程控制十分重要。航空器准备离场之前需要向塔台管制员发出相应的请求，塔台管制员根据系统情况基于飞行预报和放行许可等操作，确认其是否可以开车；航空器驾驶员获得管制员许可后才能进行开车及推出停机位等操作，并需要根据管制员的相关指令沿滑行道滑行至离场跑道。经地面管制员确认没有飞行冲突后将操作权及指挥权移交塔台管制员，由塔台管制员确认符合间隔要求后发布进跑道及起飞许可。航空器驾驶员接收指令并进入跑道起飞。航空器起飞达到一定高度之后，塔台将操作权和指挥权移交给进近管制，在进近管制的控制与引导下上升到指定高度并加入计划航路，最终将操作权和指挥权移交给区域管制进行航空器的最终控制，保证飞机等航空器进入既定航线完成离场。

当航空器沿计划航路飞行至目的地所在管制区时，区域管制指挥下降高度并在协定位置将权限移交给降落机场所属进近管制室。进近管制员判断是否存在冲突以及空中运行情况之后确定航空器进场顺序并安排航空器进近。航空器进至一定高度或位置后指挥权与操作权移交塔台管制员，塔台管制员确定航空器满足着陆要求后给航空器发送相关指令，许可其落地并指挥脱离跑道。在不存在潜在冲突的前提条件下将操作权和指挥权移交地面管制员，在地面管制员指挥下航空器滑行至指定位置[1]。

3 多跑道运行影响因素

3.1 空域结构复杂

我国航路航线结构复杂，航路点数目繁多，呈现空中航空交通密集现象。民航机场周围环境也相对复杂，存在障碍物、限制区、危险区以及禁区等，导致航空器之间可能存在飞行冲突和潜在风险。机场流量较大，航班数目较多，可能存在不同航班之间的相互影响，进一步增加了航空管制的难度。

3.2 气象因素的影响

航空器对气象条件的要求比较苛刻，只有在气象条件符合规定的情况下才能够正常运行。恶劣的天气一般会导致通行能力下降，甚至出现大规模航班延误或者返航备降。另外，气象变化还会影响跑道情况，给交通管制带来极大的难度。

3.3 跑道运行效率

跑道运行效率直接决定了航空器的飞行情况，我国目前有多个机场建立了多跑道系统。跑道容量、跑道运行效率与跑道构型以及跑道运行方式密切相关。采用不同的运行方式以及不同的跑道构型，需要不同的运行间隔以及进离场方式。

3.4 人为因素与设备因素

（1）人为因素：管制员以及相关工作人员的综合素质和专业水平会直接影响多跑道的运行情况。

（2）设备因素：机场基础设施以及相关设备的精度、种类、可靠性等均会影响多跑道运行。

4 多跑道机场进离场航班协同排序优化

4.1 排序策略

当前多跑道运行，航班流量也有所增加，因此，需要考虑进离场航班的排序问题。目前常用的进离场航班排序策略是基于跑道时隙分配的，包括离场优先、空中优先、进离场联合排序。采用不同的进离场航班排序策略，最终会取得不同的排序效果，环境因素、人为因素、设备因素等也会影响排序效果，鲁棒性也有所不同。

（1）空中优先策略：在进离场航班排序中，进场航班具有优先权，应基于此进行离场航班时隙分配。空中优先策略能有效保证航空器的飞行安全，目前我国机场航班进离场排序中多采用此种方式[2]。（2）离场优先策略：主要目的是有效避免机场等待的航空器过多，合理配置机场资源，应基于此优先安排离场航空器占用时隙，在中间穿插进场航班进场。一般离场优先策略应用于进场航空器较少的情形。

空中优先策略和离场优先策略主要应用于不同场景进行航班排序，但极易受到外界因素影响，且无法保证进离场航班排序的公平性。当航班进离场数量较大时，效率较低。在进离场联合排序中应综合考虑运行效率和公平性，采用优化算法合理安排进离场航班分配跑道时隙。本研究基于模拟退火算法进行进离场联合排序优化。

4.2 进离场航班协同排序基本原理—模拟退火算法

进离场协同排序中引入优化算法，以给进离场航班提供最优起飞/着陆时间间隙，通过该种航空器协同排序模型能有效提高空域和机场资源利用效率。在算法引入过程中需充分考虑一些约束条件：管制放行间隔标准、优先级、尾流间隔标准、起降时间等。采用模拟退火算法对航班进离场联合排序进行优化，将最小化航班总延误量作为目标函数（灵敏度最高），结合当前机场实际管制运行流程确定航班排序优先级。将航班排序问题和物理固体退火类比，结合热运动能量变化特性对局部搜索算法进行优化扩展。模拟退火算法是典型的全局最优算法，从某一高温进行温度衰减，利用概率突跳性有限度地接受邻域内某些目标函数值较差的解，有效规避局部最优现象，实现全局最优控制。

4.3 航班进离场动态排序模型

作为NP-Hard问题的代表，航班排序会因航班数量增加变得更加复杂。文章在航班进离场动态排序模型优化中引入模拟退火算法和滚动时域控制策略，将航班进离场划分为多个子问题进行优化处理。最终结合初始条件、约束条件实现进离场航班的高效率优化排序。

4.3.1 模型算法

文章提出的基于模拟退火算法的进离场航班排序优化模型，其算法伪代码如图1所示。

图1 基于模拟退火算法的进离场航班排序优化模型

假设Ω为解空间，令f:R→Ω是定义在Ω上的目标函数。N(s)为s∈Ω的邻域。进离场航班优化排序的目标是找到目标函数的全局最小值，即找到一个最优序列s*，使得该时段内进离场航班f(s*)≤f(s)∀s∈Ω。

4.3.2 基于该模型的航班进离场排序

基于模拟退火算法进离场航班排序优化模型的航班进离场排序步骤：（1）在航班进离场排序模型中设置参数，如控制参数、初始温度、排序时间窗等。（2）模型需结合机场中进离场航班的飞行计划，通过思维航迹预测推算模拟出航班预计到达时间，并进行离场航班飞行计划、场面滑行时间修正，基于此推算模拟得到航空器的预计起飞时间。（3）初始温度设置，是基于模拟退火算法进离场航班排序优化模型的要点，在确定航空器起降时间之后能够得到航班初始排列队列，初始温度即为该目标值。（4）基于模拟退火算法得出当前时间窗内进离场航班的最优起降序列。（5）结合第四步得出的离场航班目标起飞时间及场面平均滑行时间，更新离场航班目标许可开车时间（Target Scheduled Flight Allowed Time，TSAT），从而增加管制员对场面交通态势的把握，从而进一步提高场面的运行效率。（6）滑动至下一时间窗内对航班进行优化排序，重复上述步骤，并将结果显示在人机界面上[3]。

5 结语

科学、高效、合理的调度与控制，能够保障航空器安全、高效运行，而且有利于空中交通流量合理化，有效解决航班延误等问题，对提高机场资源利用率也有重要作用。