多跑道机场进离港航班排序的优化探讨

【摘要】 随着航空运输的高速增长,机场终端区越来越拥堵，航班延误日益严重,多跑道运行已成为空管和机场发展的一个必然趋势。为提高多跑道机场终端区的空域利用率，减少航班空中延误和地面等待的时长，本文针对跑道起降特性以及机场实际运行的影响因素，提出以最小化航班延误时间为优化目标，通过应用模拟退火算法建立多目标协同排序优化模型，为机场终端区的进离港航班优化排序提供技术参考。

关键词: 多跑道；航班延误；优化算法；协同排序

0、引言

随着中国民航业的快速发展，航班量增长迅速，机场承载的交通压力不断增大，航班控制延误的增多必然会造成航空运输的巨大经济损失，空中交通管制服务面临着新的要求和挑战。在繁忙机场，航班量的快速增长导致的空域容量和需求的不平衡已是不争的事实，尤其是在恶劣天气等不可抗拒的因素下，这种不平衡进一步加剧并导致越来越多的航班延误。我们迫切需要不断提升终端区的空域容量，多跑道运行已是各机场扩建的重要选项。我国多跑道机场的数量近年来在不断增加，多跑道运行已成为空管和机场发展的一个必然趋势。随着航班量的日益增多，在多跑道运行模式下合理地进行航班进离港排序，有效提高跑道的使用效率，减少航班总的延误时间，提高机场终端区空域利用率，就显得非常重要。

1、航班进离港排序的相关概念

航班优化排序问题是空中交通流量动态管理的重要内容之一，国内外学者对该问题已展开了大量研究，并取得了丰硕成果。航班优化排序问题的求解算法，主要有模拟退火算法、分支定界算法和动态规划算法等。航班优化排序是指在指定时间窗口内，给在跑道入口准备起飞或在空中准备进近着陆的航班分配运行跑道及目标运行时间，以达到提高运行效率、减少航班延误的目的。从时间维度出发主要分为战略层面和战术层面，从战略层面出发对航班进离港排序，是指在航班运行前几个月，在考虑机场容量以及航班优先级的情况下，对航班进行时刻分配。从战术层面出发对航班进离港排序，是指在航班计划执行前几小时，考虑航班因一些影响到达终端区时间提前、延迟或者发生其他特殊情况进行排序。研究航班进离港协同排序优化问题，难点在于考虑进离场航班之间的影响、跑道构型和运行模式、终端区空域资源、机场场面资源等约束条件建立一个进离港排序集成模型。

2、多跑道运行影响因素

（1）空域结构。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。

（2）气象因素。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）跑道构型和运行模式。跑道构型包括单跑道、平行跑道、V型跑道和交叉跑道，机场需根据跑道构型、间距以及仪表设备情况来决定跑道运行模式。目前国内有二十几个多跑道运行机场，跑道布局大多为平行跑道。宽距平行跑道具有相关平行仪表进近、独立平行仪表进近、隔离平行运行、独立平行离场四种模式；窄距平行跑道主要采用“一起一落”的运行模式。跑道运行模式与跑道容量、跑道运行效率密切相关，采用不同的运行模式，进离港航空器之间需要遵循不同的进离港程序以及运行间隔。

（4）人为因素与设备因素。人为因素是指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；设备因素是指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。

3、多跑道机场进离港航班协同排序优化

3.1 排序策略

采用不同的进离港航班排序策略，最终会取得不同的排序效果，环境因素、运行因素、人为因素等也会影响排序效果，鲁棒性也有所不同。空中优先策略：在进离港航班排序中，进场航班具有优先权，以此为基础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港排序中多采用此种方式。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，优先安排离场航空器占用时隙，在中间穿插进场航班。通常离场优先策略应用于进场航班较少的情形。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，且无法保证进离港航班排序的公平性。当航班进离港数量较大时，效率较低。在进离港联合排序中应综合考虑运行效率和公平性，采用优化算法可以合理安排进离港航班跑道分配时隙。

3.2 进离港协同排序基本原理--模拟退火算法

进离港协同排序中引入优化算法，以给进离港航班提供最优起飞和着陆的时隙，通过建立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港联合排序进行优化，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，能有效规避局部最优现象，实现全局最优控制。

3.3 进离港航班多目标协同排序模型

在进离港航班动态排序优化模型中引入模拟退火算法和滚动时域控制策略，将进离港航班动态划分为多个子问题进行优化处理。最终结合初始条件、约束条件实现进离港航班的高效率优化排序。基于模拟退火算法的进离港航班排序优化模型的处理步骤：1）在航班进离港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）融合空管自动化的飞行计划信息，通过四维航迹预测推算模拟出航班预计到达时间，并进行场面滑行时间修正，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港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港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，从而增加管制员对场面交通态势的把握，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，并在人机界面向管制员提供辅助决策的排序方案。

4、结束语

随着中国民航业的快速发展，航班量增长迅速，机场终端区越来越拥堵，航班延误日益严重,多跑道运行已成为民用机场发展的一个必然趋势，跑道和滑行道布局、停机位资源亦会对跑道分配优化产生影响。本文旨在研究多跑道机场航班延迟最小问题，通过应用模拟退火算法建立多目标协同排序优化模型，优化进离场航班分配在多个跑道上的调度方案，使得航班总延误时间最小，有效提高跑道利用率和跑道容量，并促进机场终端区空域利用率的提升。

参考文献

[1]张启钱,胡明华.多跑道进离场航班多目标动态优化模型[J].交通运输工程学报,2021,10(2)

[2]徐川，马晓萱.基于多目标动态规划的多跑道进港排序研究[J].科技创新与应用,2023(5)