一种民航机坪管制路由决策计算方法与流程

1.本发明涉及航空管制技术领域，尤其是涉及一种民航机坪管制路由决策计算方法。


背景技术：

2.民航机坪管制路由决策是民航空中交通管理单位对机场内航空器地面滑行实施的指挥活动，用以确定航空器具体的地面滑行路径以及滑行时间窗口。
3.目前，民航机坪管制路由决策基本依赖人的业务技能和工作经验，当航空器飞行员地面准备就绪后向管制员提出申请，管制员通常会尽快允许航空器推出滑行，航空器滑行至起飞跑道头后，会根据滑行道、跑道和空中运行情况，临时决定航空器何时进入跑道起飞。由于跑道起飞降落需要保证一定安全间隔，空中运行也需要保证一定安全间隔，在机场繁忙时段，就会出现较多航空器在跑道头积压，等待起飞时机。
4.航空器长时间处于地面滑行会增加航空公司的运营成本，增加机场碳排放，增加飞行区安全管控风险，同时，长时间等待起飞时机会影响旅客的乘机体验。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提供了一种民航机坪管制路由决策计算方法，通过对管制程序、空域结构、机场滑行道结构、政策法规等方面的运筹分析，得出航空器最优航行路径和最佳滑行时间窗口的路由决策计算方法，实现机坪运行效能最大化。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种民航机坪管制路由决策计算方法，包括：
7.分别确定滑行道上从滑出点到起飞等待点的所有起飞路径方案和从落地脱离点到滑入点的所有落地路径方案；
8.设置航空器的滑出时间阈值范围和落地脱离跑道时间阈值范围，设置所述滑行道上交叉点的允许等待时间范围；
9.根据所述交叉点的允许等待时间范围、所述滑出时间阈值范围或落地脱离跑道时间阈值范围及分别对应的所有所述起飞路径方案、落地路径方案，分别计算航空器起飞时刻和落地脱离跑道时刻的所有可选方案；
10.组合预设时间段内所有所述航空器的所有所述可选方案，获得多种组合路径方案；
11.对所有所述组合路径方案进行筛选，获得所有可用的所述组合路径方案；
12.对所有可用的所述组合路径方案进行效能评估，将效能评估值最高的作为结果方案。
13.作为本发明的进一步改进，将机场的所有所述滑行道分为横向和纵向两种；
14.命名所有横向滑行道与纵向滑行道的交叉点并测量所述交叉点的经纬度；
15.命名所有所述交叉点“上、下、左、右”50米距离的交叉等待点并测量所述交叉等待点的经纬度；
16.命名航空器滑出点、滑入点、起飞等待点、落地脱离跑道点并测量各点的经纬度；
17.通过所述交叉点、交叉等待点、滑出点、滑入点、起飞等待点和落地脱离跑道点表示所述路径方案。
18.作为本发明的进一步改进，通过所述交叉点、滑出点或落地脱离跑道点、起飞等待点或滑入点表示所述起飞路径方案和所述落地路径方案，再对涉及转弯的所述交叉点，用转弯前后的所述交叉等待点和所述交叉点共同表示。
19.作为本发明的进一步改进，所述滑出时间阈值范围、落地脱离时间阈值范围及所述交叉点的允许等待时间范围均以分钟为间隔单位；
20.所述滑出时间阈值范围内的每一个时刻对应一种滑出方案；
21.所述落地脱离时间阈值范围内的每一个时刻对应一种脱离方案；
22.所述交叉点的允许等待时间范围内的每一个时刻对应一种等待方案。
23.作为本发明的进一步改进，计算所述航空器起飞时刻的所有可选方案，包括：
24.设定所述航空器的正常滑行速度和转弯速度；
25.根据各所述起飞路径方案中各路径点之间的距离结合所述航空器的正常滑行速度和转弯速度计算各路径点之间的滑行时间；
26.通过每种所述滑出方案的滑出时间交叉累加滑出点到各路径点的所述滑行时间和在该所述路径点的每种等待方案，得到到达各所述路径点的时刻和离开各所述路径点的时刻；
27.离开最后一个所述路径点的时刻即为起飞时刻，该滑行方案即为所述航空器起飞时刻的一种可选方案。
28.作为本发明的进一步改进，所述航空器起飞时刻的可选方案数量为各起飞路径方案上滑出方案数量与各所述路径点的等待方案数量乘积的加和。
29.作为本发明的进一步改进，所述对所有所述组合路径方案进行筛选，其中筛选约束条件包括：
30.同一滑出点任意两架航空器的滑出时间差值大于设定阈值；
31.同一停机位前后两架航空器的滑出时间和滑入时间的差值大于设定阈值；
32.同一路径点各航空器离开时间差值大于设定阈值；
33.同一跑道，各航空器的起飞时刻和/或落地时刻之间均差值大于设定阈值。
34.作为本发明的进一步改进，对所有可用的所述组合路径方案进行效能评估，包括步骤：
35.针对每一个可用的所述组合路径方案计算出港航空器正常总数；
36.根据所述出港航空器正常总数计算出港航空器正点率；
37.平均地面滑行时间；
38.通过出港航空器正点率除以平均地面滑行时间得到效能评估值。
39.作为本发明的进一步改进，所述计算出港航空器正常总数，包括：
40.分别计算每个所述航空器的起飞时刻与计划起飞时刻的差值，若差值小于设定阈值，则判定航空器正常；
41.计数所有正常的所述航空器，得到所述出港航空器正常总数。
42.作为本发明的进一步改进，所述出港航空器正点率等于出港航空器正常总数除以
出港航空器总数；
43.所述平均地面滑行时间等于出港航空器滑行时间总计与进港航空器滑行时间总计的加和除以进出港航空器总数。
44.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
45.本发明是一种多目标、多时间维度、多轨迹的冲突分析与应对策略，通过排列组合穷举满足所有运行条件的组合方案，进一步对组合方案进行评估，选择评估值最优的方案作为最终方案。本方法最求机坪运行效率最大化，降低航空公司的运行成本。
46.本发明对所有可用的所述组合路径方案进行效能评估时，充分考虑了地面冲突、航空器正点率、航空器地面滑行时间等问题，以减少航空器地面滑行冲突，缩短航空器地面滑行等待时间，减少机场碳排放，同时提高航空器的正点率，进而提高旅客乘机体验。
附图说明
47.图1为本发明一种实施例公开的民航机坪路由决策计算方法流程图；
48.图2为本发明一种实施例公开的民航机坪上横向滑行道、纵向滑行道及交叉点定义示意图；
49.图3为本发明一种实施例公开的出港航空器路径方案示意图；
50.图4为本发明一种实施例公开的航空器正常滑行和转弯的速度模型示意图。
具体实施方式
51.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
53.如图1所示，本发明提供的一种民航机坪管制路由决策计算方法，包括：
54.s1、分别确定滑行道上从滑出点到起飞等待点的所有起飞路径方案和从落地脱离点到滑入点的所有落地路径方案；
55.其中，
56.如图2所示，将机场的所有滑行道分为横向和纵向两种；
57.命名所有横向滑行道与纵向滑行道的交叉点并测量交叉点的经纬度，以图2中a滑行道为例，交叉点定义为a
‑
a1、a
‑
a2、a
‑
a3、a
‑
a4、a
‑
a5、a
‑
a6、a
‑
a7、a
‑
a8、a
‑
a9；
58.命名所有交叉点“上、下、左、右”50米距离的交叉等待点并测量交叉等待点的经纬度；
59.命名航空器滑出点、滑入点、起飞等待点、落地脱离跑道点并测量各点的经纬度；
60.通过交叉点、交叉等待点、滑出点、滑入点、起飞等待点和落地脱离跑道点表示路径方案。
61.进一步的，
62.先通过交叉点、滑出点或落地脱离跑道点、起飞等待点或滑入点表示起飞路径方案和落地路径方案，再对涉及转弯的交叉点，用转弯前后的交叉等待点和交叉点共同表示。
63.即：先按照“滑出点
‑
交叉点1
‑
交叉点2
‑
交叉点3
…‑
起飞等待点”对出港路径方案进行格式化；按照“落地跑道脱离点
‑
交叉点1
‑
交叉点2
‑
交叉点3
…‑
滑入点”对进港路径方案进行格式化；存在转弯的路径，以“交叉等待点
‑
交叉点
‑
交叉等待点”方式附加定义。
64.如图3所示，以出港航空器从pb1滑行至w1为例，路径方案为：
[0065]“pb1，b
‑
t20
‑
y2，b
‑
t20，b
‑
t20
‑
x1，b
‑
b9，b
‑
b10，b
‑
b11
‑
x2，b
‑
b11，b
‑
b11
‑
y1，w1”；其中，“b
‑
t20
‑
y2，b
‑
t20，b
‑
t20
‑
x1”、“b
‑
b11
‑
x2，b
‑
b11，b
‑
b11
‑
y1”为转向路径区间，进行附加定义后表示。
[0066]
s2、设置航空器的滑出时间阈值范围和落地脱离跑道时间阈值范围，设置滑行道上交叉点的允许等待时间范围；
[0067]
其中，
[0068]
滑出时间阈值范围、落地脱离时间阈值范围及交叉点的允许等待时间范围均以分钟为间隔单位；
[0069]
滑出时间阈值范围内的每一个时刻对应一种滑出方案，如：设置滑出时间阈值范围为(t,t n)，滑出方案为：t,t 1，t 2
…
t n，共计n 1种方案；
[0070]
落地脱离时间阈值范围内的每一个时刻对应一种脱离方案，如：设置落地脱离时间阈值范围为(t,t n)，脱离方案为：t,t 1，t 2，t 3
…
t n，共计n 1种方案；
[0071]
交叉点的允许等待时间范围内的每一个时刻对应一种等待方案，如：设置交叉点允许等待时间范围为(0，n)，等待方案为：0，1，2
…
n，共计n 1种方案。
[0072]
s3、根据交叉点的允许等待时间范围、滑出时间阈值范围或落地脱离跑道时间阈值范围及分别对应的所有起飞路径方案、落地路径方案，分别计算航空器起飞时刻和落地脱离跑道时刻的所有可选方案；
[0073]
其中，计算航空器起飞时刻的所有可选方案，包括：
[0074]
设定航空器的正常滑行速度v1和转弯速度v2，如图4所示，x1、x2、y1、y2为交叉等待点，o为交叉点。“x
‑
o
‑
y”路径、“y
‑
o
‑
x”路径，区间速度按照18公里/小时计算。其他路径，速度按照38公里/小时计算；
[0075]
根据测量的各路径点的经纬度，计算相邻两路径点之间的距离；
[0076]
根据各起飞路径方案中各路径点之间的距离结合航空器的正常滑行速度v1和转弯速度v2计算各路径点之间的滑行时间，若路径方案中包含“交叉等待点
‑
交叉点
‑
交叉等待点”路径，区间按照转弯滑行速度v2计算，其他路径区间按照正常滑行速度v1计算；
[0077]
通过每种滑出方案的滑出时间交叉累加滑出点到各路径点的滑行时间和在该路径点的每种等待方案，得到到达各路径点的时刻和离开各路径点的时刻；
[0078]
离开最后一个路径点的时刻即为起飞时刻，该滑行方案即为航空器起飞时刻的一种可选方案。
[0079]
例如：
[0080]
根据第一路径点和第二路径点的经纬度，计算两路径点之间的距离；
[0081]
根据滑行速度，计算两点之间的滑行时间；
[0082]
用通过第一路径点的时间加上滑行时间，获得到达第二路径点的时间；
[0083]
用到达第二路径点的时间加上交叉点的滑行等待时间，获得离开第二路径点时间；
[0084]
对若干第一个路径点时间方案和若干交叉点等待时间方案进行组合，获得从第一个路径点到第二个路径点的若干路径组合方案
[0085]
以此类推，计算下一路径点，直至路径结束点。如：路径点1方案共有n1种，路径点2方案共有n2种，路径点3方案共有n3种
…
路径点m共有方案nm种，路径方案共计n1*n2*n3
…
*nm种。
[0086]
用路径结束点加上一定阈值范围，获得航空器起飞时刻可选方案，每种起飞时刻对应一种方案。如路径结束点为t，阈值范围为(0，n)，起飞时刻方案为t,t 1,t 2
…
t n，共计n 1中方案。
[0087]
最终，航空器起飞时刻的可选方案数量为各起飞路径方案上滑出方案数量与各路径点的等待方案数量乘积的加和。
[0088]
进一步的，
[0089]
计算航空器落地脱离跑道时刻的所有可选方案的步骤与计算航空器起飞时刻的所有可选方案的步骤相同。
[0090]
s4、组合预设时间段内所有航空器的所有可选方案，获得多种组合路径方案；
[0091]
其中，按s3中方案，计算一定时间范围内所有航空器的若干路径方案，对方案进行组合，获得若干组合路径方案。如：航空器1路径方案共有n1种，航空器2路径方案共有n2种，航空器3路径方案共有n3种
…
航空器m共有路径方案nm种，合计组合路径方案共有n1*n2*n3
…
*nm种
[0092]
s5、对所有组合路径方案进行筛选，获得所有可用的组合路径方案；
[0093]
其中，筛选约束条件包括：
[0094]
同一滑出点任意两架航空器的滑出时间差值大于设定阈值。如：航空器1与航空器2共用同一滑出点，设定阈值为t，(航空器1滑出时间减去航空器2滑出时间)需大于等于t或小于等于
‑
t；
[0095]
同一停机位前后两架航空器的滑出时间和滑入时间的差值大于设定阈值。如：航空器1(出港)与航空器2(进港)共用同一停机位，设定阈值为t，(航空器2滑入时间减去航空器1滑出时间)需大于等于t；
[0096]
同一路径点各航空器离开时间差值大于设定阈值。如：航空器1与航空器2都经过同一路径点，设定阈值为t，(航空器1离开路径点时间减去航空器2离开路径点时间)需大于等于t或小于等于
‑
t；
[0097]
同一跑道，各航空器的起飞时刻和/或落地时刻之间均差值大于设定阈值。
[0098]
如：航空器1(出港)与航空器2(出港)使用同一跑道起飞，设定阈值为t，(航空器1起飞时间
‑
航空器2起飞时间)需大于等于t或小于等于
‑
t；
[0099]
如：航空器1(出港)与航空器2(进港)使用同一跑道起飞和落地，设定阈值为t，(航空器1起飞时间
‑
航空器2落地时间)需大于等于t或小于等于
‑
t。
[0100]
s6、对所有可用的组合路径方案进行效能评估，将效能评估值最高的作为结果方案。
[0101]
其中，包括步骤：
[0102]
针对每一个可用的组合路径方案计算出港航空器正常总数；即：计算每个航空器的起飞时刻与计划起飞时刻的差值，若差值小于设定阈值，则判定航空器正常；计数所有正
常的航空器，得到出港航空器正常总数。如：航空器起飞时刻为t，计划起飞时刻为t0，设定阈值为x，当(t
‑
t0)小于等于x时，航班正常计数为1，否则计数为0。
[0103]
根据出港航空器正常总数计算出港航空器正点率；即：出港航空器正常总数除以出港航空器总数等于出港航空器正点率；
[0104]
计算平均地面滑行时间；即：
[0105]
出港航班滑行时间＝起飞时间
‑
滑出时间；
[0106]
进港航班滑行时间＝滑入时间
‑
落地时间；
[0107]
通过出港航空器滑行时间总计与进港航空器滑行时间总计的加和除以进出港航空器总数得到平均地面滑行时间；
[0108]
通过出港航空器正点率除以平均地面滑行时间得到效能评估值。
[0109]
将效能评估值最高的方案为结果方案。
[0110]
本发明的优点：
[0111]
(1)本发明是一种多目标、多时间维度、多轨迹的冲突分析与应对策略，通过排列组合穷举满足所有运行条件的组合方案，进一步对组合方案进行评估，选择评估值最优的方案作为最终方案。本方法最求机坪运行效率最大化，降低航空公司的运行成本。
[0112]
(2)本发明对所有可用的组合路径方案进行效能评估时，充分考虑了地面冲突、航空器正点率、航空器地面滑行时间等问题，以减少航空器地面滑行冲突，缩短航空器地面滑行等待时间，减少机场碳排放，同时提高航空器的正点率，进而提高旅客乘机体验。
[0113]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。