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多跑道起降航班排序模型和算法研究

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第33卷第1期 201 1年2月 武汉理工大学学报・信息与管理工程版 JOURNAL OF WUT(INFORMATION&MANAGEMENT ENGINEERING) Vo1.33 No.1 Feb.20l1 文章编号:1007—144X(2011)O1—0027—05 文献标志码:A 多跑道起降航班排序模型和算法研究 刘 丹,韩松臣,舒 旎 (南京航空航天大学民航学院,江苏南京210016) 摘要:针对空中交通迅速发展使得终端区空域越来越拥挤的问题,研究了在终端区空中交通繁忙的情况下. 如何安排机场起降航班的最佳队列,以缓解拥挤和减少航班延误及相关的经济损失。将离场航班引入航班队 列排序中,讨论了蚁群算法在终端区起降航班排序中的应用,根据飞机尾流间隔的要求,建立基于蚁群算法的 多跑道起降航班动态排序模型,并用算例进行仿真验证。结果表明,与先到先服务排序方法相比,经该算法排 序后的平均延误时间减少近50%。 关键词:蚁群算法;多跑道;航班排序 中图分类号:V355 DOI:10.3963/j.issn.1007—144X.2011.O1.007 近年来,随着空中交通事业的迅速发展,终端 区空域拥挤的问题越来越严重,减少因航班延误 的路径,即可得到该组航班的最佳次序,但这样可 能会使队列的次序有较大变动,会增加管制员负 而造成的经济损失成为当前亟待解决的问题。对 航班起降队列进行时间和顺序上的优化,可达到 减少延误、增加飞行安全,并提高系统容量和航空 公司经济效益的目的。研究表明,优化调度算法 荷,同时也会增大实现的难度。SALVATORE等 运用遗传算法(genetic algorithms,GA)研究了包 括离港航班的混合ASP问题 ,但随着问题规模 的扩大,该算法易过早陷人局部最优解。ADITYA 可使系统容量在极端情况下提高15%,而当机场 产生拥挤时,很小的容量增加都会极大地改善拥 挤状况,因此它不但是战术空中交通管理自动化 所必须解决的问题,也是战略空中交通管理中系 统容量评估所必需的¨ 。 解决航班队列排序问题(aircraft sequencing problem,ASP)最常用方法是FCFS算法,由于它 等将欧拉模型应用于复杂机场到达航班动态排序 问题的研究 ,但没有综合考虑终端区实时运行 时的起飞航班。国内对ASP问题的研究开展较 晚,徐肖豪等将模糊综合评判方法应用于终端区 航班排序并进行了仿真演算 ,以模糊数学理论 为基础进行模糊综合评判,综合考虑航班排序的 各个因素,模拟管制员的决策过程做出决策,进行 科学排序,但该算法隶属度函数的选择较为困难, 且计算较为复杂。江波等研究了基于到港航班最 早预计到达时间的进近排序模型,并提出了相应 的算法 J。王飞等结合遗传算法和模拟退火的 思想,将混合人工鱼群算法应用于终端区航班队 列排序 。李冠彬等将蚁群算法应用于优化到 达航班排序和调度问题_1 ,但均没有综合考虑终 端区实时运行时的起飞航班。 是依靠航班预计到达时间的次序来决定排序次 序,造成延误较大,已不能满足空中交通流量管理 的需要 。国外学者对ASP问题研究较早, DEAR等利用约束位置交换(CPS)策略研究了静 态ASP问题。然而由于ASP问题是组合优化问 题,属于NP难题,随着问题规模的增加,模型求 解的实时性较差 。PSARAF]'IS在CPS策略的 基础上,利用动态规划方法研究了单机器工序排 班问题,并对航班排序问题进行了实例研究 』。 CPS策略是建立在动态规划的基础上,对所有可 能的航班排列进行寻优,找到一条花费时间最少 蚁群算法是一种求解最优化问题的新型通用 启发式方法,具有正反馈、分布式计算和富于建设 性的贪婪启发式搜索的特点,不易陷入局部最优 收稿日期:2010—09—24. 作者简介:刘丹(1986一),女,甘肃宁县人,南京航空航天大学民航学院硕士研究生. 基金项目:国家空管科研基金资助项目(GK3 200802015);国家自然科学基金委员会与中国民航总局联合资助项目(60776813) 28 武汉理工大学学报・信息与管理工程版 2011年2月 解,并且能很快获得全局最优解。‘。 。,。但未见应 距离标准 ,由此可以得到最小时间间隔标准, 如表1所示。 表1不同类型飞机之间的最小尾流间隔 后机 用于多跑道起降航班排序,因此,笔者采用蚁群算 法建立多跑道起降航班动态排序模型,最后通过 仿真验证其可行性。 1 多跑道机场环境描述 机场终端区结构示意图如图1所示。由图1 飞机类型量 堕匿圆匾 轻型中型重型量 盟回间匾 轻型中型重型 可知,航班可以从几条不同的航路进入终端区,所 有航班都可以按照预计时间排成一个队列。进场 (离场)的航班所经过的终端区空域(地面)可以 被划分为两个部分,由两个调度界限定义。对于 进场航班而言,起始调度界限是一个空间界限,它 是航班进人管制区的边界;终止调度界限根据特 定的距离着陆时间来定义,也可以叫做冻结界限, 一旦一架航班穿越了冻结界限,它计划到达机场跑 道的时间就保持不变,直到着陆。对于离场航班而 一刚 言,起始调度界限为开始在停机坪做起飞准备,终 饥 止调度界限为航班已进入跑道起飞,两个界限之间 轻中重 可称为队列排序区。当航班穿越起始调度界限时,型型型  排序算法就接受其一组参数,进行排序。6 m  6 6 6 6 8 起始 止 调度 度 界限 % 限 图1 机场终端区结构示意图 考虑到飞机性能、管制员的负荷,以及先到尽 量先服务的公平原则等,引入以下两个约束参数:舛  (i)最大移动位置数(maximum position shift— ing,MPS)。以在FCFS队列中的位置为基准,飞 机位置的可改变(向前或向后)数不能大于MPS。 (2)相对移动位置数(relative position shift— ing,RPS)。以前面安排好的队列中的位置为基 准,飞机位置的可改变数不能大于RPS,RPS取决 于飞机所在队列中的位置。 空中交通管制的目的是防止飞机与飞机之 间、飞机与障碍物之间相撞。目前的空中交通管 制主要是基于距离间隔保证飞机飞行的安全,但 为了实现系统自动化就必须引入时基的概念 。 也就是说终端区的排序是以时间为统一标准来管 理所有飞机的,即把飞机的距离间隔转化为时间 间隔。这一转化由计算机根据实时数据,应用速 度剖面来实现。国际民航组织(ICAO)规定了在 无风条件下不同类型的飞机之间尾流间隔的最小 为简化模型建立和仿真计算,笔者设定机场 跑道数目R=2,并将两条跑道设置为平行跑道。 在各跑道上降落和起飞的航班类型标注如表2所 示。属于同一类别的航班具有相同属性。 表2航班类型标注 模型计算中,使用单跑道的进离场航班之间 的时间间隔如图2所示。由于跑道中心线的距离 不同、机场使用的雷达精度的差异,以及气象条件 的变化,使平行跑道的起飞流和到达流有如下的 相互关系:①起飞流和到达流分别;②到达流 相关,起飞流与到达流相互;③起飞流和到达 流均相关;④起飞流相关,起飞流与到达流相互独 立。实际运行中,很少出现第4种情况,前3种情 况下使用双跑道的时间间隔如图3所示。 后机 后扔\否 是 一,—1否  两机 尾流 前机落地Il跑道占用ll前机离场跑道占l间隔 时问 一IIl用时间与后机截lIll两机尾流间隔、获跑道飞行时间』f起飞跑道占用时 放行间隔、前机  中较大值 lI问较大值 图2使用单跑道时的时间间隔 2起降航班动态排序模型的建立 笔者建立的起降航班动态排序模型为事件触 发型模型。当一个事件发生(即有航班穿越起始 调度界限)时,设其发生时间为t,队列将按照以 下步骤进行排序: (1)穿越起始调度界限的航班加入已经排好 第33卷第1期 刘丹,等:多跑道起降航班排序模型和算法研究 29 开始 前机使用跑道RWYI 后机使用跑道RWY2 ●情况① . I!情况③ ! 匡 l 簇l .墨 歪 型是 否 是广 .l:] .. !_二. .:! .. ! l两机尾l流间隔I l ll前机落地l跑道占用I l前机离场跑道占ll两机尾流间隔、 一时间 l I用时间与后机截l I获跑道飞行时间lIl放行问隔、前机 l起飞跑道占用时 中较大值 ll闻中较大值 图3使用双跑道时的时I司l司隔 的队列最末端; (2)将所有t。 <t的航班(已经落地或起飞) 从队列中删除; (3)更新后的队列采用蚁群算法进行重新排列。 由于在终端区内航班的活动包括起飞离场,因 此在队列模型中也包含了离场航班。设队列中有 Ⅳ架航班,航班i的类型为 ,其中各参量定义为: c( )=J.表示航班i的类型为 ;t 为航班i的 预计落地(起飞)时间;tai为航班i的实际落地(起 飞)时间;d,表示类型为 的航班预计落地(起飞) 时间延误造成的单位时间损失;sm表示前机类型 为 ,后机类型为k,其之间的时间间隔;tdi为航班i 的延误时间;Csum为总延误损失;尺为跑道数目。 变量定义为: 为航班对航班的变量,如果航班i与航班 使用同一跑道,则 =1,否则 =0;y 为航班对 跑道的变量,如果航班i在跑道r上降落(起飞), 则Y ,=1,否则Y =0。 对变量的约束为: d= V i,j∈[1,N],i#j (1) R ), =1 V i∈[1,,v],V r∈[1, ](2) ≥ + ~1 V √∈[1,N],i#j,Vr∈[1,R] (3) 变量的约束条件说明如下:式(1)为一对称 表达式;式(2)说明每架航班必须且只能使用一 条跑道;式(3)说明当z =0时,若要满足不等式 要求,y 和y 不能同时为1,即两航班不能同时在 同一跑道降落(起飞)。 目标函数为: mini CsumI=min{∑d c(f)×t }= =】 min{∑d )×(£。 一f )} (4) =1 模型的目标是使总的延误损失最小,d 与航 班i降落或起飞,以及类型有关,机型越大则其单 位时间损失越大。目标函数中,若航班i的实际落 地(起飞)时间提前或不变(即t ≤ ),则t =0。 式(4)中: t =max{t ,t。(¨)+s。(H)( ),t。^+s。(^), , (。)} (5) 可见,航班 的实际落地(起飞)时间为括号 中3个量的最大值,第1个量为航班i的预计落 地(起飞)时间,第2个量为前架航班的实际落地 (起飞)时间与两架航班时间间隔的和,第3个量 中h为与航班i使用同一跑道的前一架航班,第3 个量为航班h的实际落地(起飞)时间与航班h 与航班 时间间隔的和。若航班i为降落航班,还 需考虑其与前架降落航班之间的时间间隔。 3基于蚁群算法的模型求解 应用蚁群算法对起降航班进行排序,是将每 个航班节点对应为蚂蚁寻找食物的分岔路口,航 班节点之间的时间间隔s )-c( 对应为分岔路口 之间的距离d 算法中,用距离落地(起飞)时间 表示航班节点位置。模型目的是寻找出一条包括 所有航班节点,使目标函数式(4)最优的最短路 径。应用蚁群算法对起降航班进行排序的算法步 骤如下: (1)初始化各参数。迭代次数为 ,蚂蚁数 目为n。,航班之问的距离为d 各路径上信息素 的强度初始值为7- (0),各路径的能见度为叼 取 叼 =(1/d )×d (,)。 (2)重复至所有禁忌表满,即让所有蚂蚁完 成一次循环。计算蚂蚁后从航班节点 移至口 lowed 中每一个节点的概率P ,按轮盘赌法选取 下一航班节点 ,并将蚂蚁k从航班i移至航班 , 将J.加人蚂蚁k的禁忌表tabu 。计算信息素强度 增量△ k 和Ar 蚂蚁k从航班i移至航班 的概率为: { allowedk (6) 女口果 隹allowed ,贝ⅡP (t):0。其中r (t) 为t时刻边(i, )上信息素的强度, 和 为重要 参数。allowed 是蚂蚁本次循环还未遍历的航班 节点的集合,其中节点元素需满足以下约束:已经 存在于蚂蚁禁忌表中的航班节点(已经遍历)不 30 武汉理工大学学报・信息与管理工程版 2011年2月 再作为候选节点,即不能作为allowed 中的元素; 表3航班时刻数据和排序仿真结果 航班时 满足MPS、RPS的约束,若航班节点i其RPS(i)= 2,则在节点i的蚂蚁k只能在队列中向前或向后 移动两个位置,而这两个极端位置之间的航班节 点才可以作为allowed 中的元素。RPS和MPS 约束的差别在于基准位置不同。 刻数据 FCFS算法 遗传算法 蚁群算法 预计 实际 实际航 坷 起飞 起飞 起飞类型 实际 实际 实际 起飞起飞 起飞 (落地)(落地)(落地)(落地)(落地)(落地) 时间 时间 时间序号 时间 序号 当蚂蚁完成一次循环后,更新信息素强度: 7- (t+1):P× r (t)+△7- (7) 式中:P为信息素的挥发系数,以防止信息素 的无线增大;△r 各蚂蚁△ k之和。当蚂蚁k经 过边(i, )时,△ =Q×d /L ,其中:Q为蚂蚁完 成一次完整的路径搜索所释放的信息素总量; 为蚂蚁k完成本次循环得到的最短路径长度。 (3)更新最短路径,得到目标函数值,如果满 足算法终止条件,则退出,否则清空禁忌表等,t= t+1,转步骤(2)。 4仿真结果 采用Visual C++编写仿真程序,选取某繁 忙机场某时段预计降落(起飞)的24架航班,分 别用FCFS算法、文献[5]中提到的算法和蚁群算 法进行计算。根据《中国民用航空总局令(第l23 号)平行跑道同时仪表运行管理规定》第七条所 述,平行双跑道同时仪表运行按照跑道用于进近 和离场的使用方式分为平行仪表进近、相关 平行仪表进近、平行离场和隔离平行运行等 4种模式。通过以上分析双跑道的运行状态,可 以看出当起飞流和到达流分别时,可以实施 平行进近和平行离场,将跑道系统看作 两条的单跑道系统。当起飞流和到达流均相 关时,航班之间时间间隔与单跑道类似,因此在此 只讨论到达相关、起飞的平行双跑道系统,且 两条跑道均用于到达/起飞。实际计算时,遗传算 法所采用的参数同文献[5]中的基本参数。蚁群 算法所采用的参数如下:程序迭代次数为1 000, 参数 和 分别为1和5,蚂蚁完成一次完整的 路径搜索所释放的信息素总量为100。对于航班 1~3,4~5,6~8,9~11,12~14,15以后,设定每 组的RPS={0,1,2,3,4,5},MPS=4。各类型航 班的延误损失dj={1.5,2.0,3.0,0.5,1.0,1.5, 1.5,2.0,3.0,0。5,1.0,1.5}。航班时刻数据和排 序仿真结果如表3所示。 由表3可以看出,蚁群算法、FCFS方法和遗 传算法的结果均有所不同。如蚁群算法中航班 C8提前到了c6和c7之前,从而前8次航班总 延误得以减少209 S,遗传算法中前8次航班位置 也有所变动,使得其总延误得以减少43 S,这是由 于飞机类型不同,相互之间所需问隔也就不同。 对三种方法的航班排序结果进行统计,应用 FCFS算法、遗传算法和蚁群算法计算,队列总延 误时问分别为4 879 S、3 277 S和3 627 S;平均延 误时间分别为203 S、137 S和109 S;最大延误时 间分别为396 S、323 S和314 S;总延误成本分别 为127、90和79。遗传算法过早陷入局部最优 解,最终得到次优解。 5 结论 讨论了基于蚁群算法的终端区起降航班动态 排序问题。计算结果表明:蚁群算法与FCFS算 法、遗传算法相比,在航班总延误时间、平均延误 时间、最大延误时问和总延误成本等方面都大大 减少;并采用MPS和RPS约束,体现航班起降顺 第33卷第1期 刘 丹,等:多跑道起降航班排序模型和算法研究 31 序的公平性,减少管制员工作负荷,能够满足实时 操作的要求。 参考文献: VRANAS P。BERTSIMAS D ODOMI A R.The muhi ——Guidance,Control and Dynamics,2008,31(1):53—65. [7] 徐肖豪,黄宝军.终端区飞机排序的模糊综合评判 方法研究[J].航空学报,2001,22(3):259—261. [8] 江波,张飞桥.基于最早预计到达时刻的进近排序 模型及算法[J].西南交通大学学报,2005,40(4): 509—512. airport ground——holding problem in air trafic con—f [9] 王飞,徐肖豪.终端区飞机排序的混合人工鱼群算 法[J].交通运输工程学报,2008,8(3):68—72. [10] 李冠彬,詹志辉.蚁群算法优化到达航班排序和调 度问题的研究[J].计算机工程与设计,2009,30 (17):4047—4052. trol[J].Operation Research,1994,42(2):249— 261. [2] 张兆宁,王莉莉.空中交通流量管理理论与方法 [M].北京:科学出版社,2009:90—123. [3] DEAR R D.The dynamic scheduling of aircraft in the [1 1] COLOMI A,DORIGO M,MANIEZZO V.Distirbute opti- mization by ant colonies[C]//th'oceeding of First Euro- pean Conference on Artiicialf Life.Paris:Elsevier,1991: 134—142. near terminal area[M].Cambridge:MIT Press,1976: 12—98. [4j PSARAFFIS H N.Dynamic programming approach for sequencing group of identified jobs[J].Operations Re— search,1980,28(6):1347—1359. [12]段海滨.蚁群算法原理及其应用[M].北京:科学 出版社,2005:32—89. [13] ERZBERGER H,TOBIAS L.A time—based concept [5] SALVATORE C,MATrEO I.Genetic ̄gorilhms for sol— ring the aircrft—sequencing praoblem:the introduction for terminal—area trafifc management[R].[s.1.]: NASA,1986. of departures into the dynamic model[J].Journal of Air Trmlsport Management,2004,10(5):345—351. [14]CCAR一93TM—R4.中国民用航空空中交通管理 [6] ADITYA P S,GARY L S.Optimal dynamic scheduling 规则[s]. of aircrfat arrivals at congested airports[J].Journal of Model and Algorithm for Multi--runway Departure and Landing Aircraft——sequencing Problem LIU Dan,,HAN Songchen,SHU Ni Abstract:The problem of terminal airspace congestion has become increasingly prominent with the rapid development of air trans- port,SO the aircrfat—sequencing problem is the main subject in regard to air trfafic flow management.It is concerned with defining and optimizing flights sequencing strategies for an airport when air traffic congestion happens.It can reduce the air traffic conges- tion,flights delay and economy cost.The model here introduced departing flights into the aircraft sequence,discussed the applica- tion of ant colony optimization(ACO)in the ternfinal area aircraft sequencing;and based on ACO,a dynamic model to solve the muhi—runway sequencing problem was set up according to the aircraft wake turbulence separation requirements.By the actual da— ta computation,and the compare with the result of ifrst come first service(FCFS)sequencing lagorithm,the provided model was verified that it can reduee the mean delay time tO a half. Key words:ACO;multi—rnnway;aircraft sequencing problem LIU Dan:Postgraduate;School of Civil Aviation,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China. [编辑:周廷美] 

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