民航机场机坪U型区运行性能综合评估方法及系统

民航机场机坪u型区运行性能综合评估方法及系统
技术领域
1.本发明属于民用航空技术领域，特别涉及复杂机坪u型区运行程序设计与性能评估方法及系统。


背景技术：

2.绿色航空是全球航空业的关注焦点和发展趋势。根据国际民航组织预测，到2050年全球将有25％的碳排放量来自于航空业，机场作为航空运输活动的起讫点和经停点，成为航空业节能减排的重点区域。加之，随着全球航空出行需求的迅猛增长，大型繁忙机场不断增大的空中交通流量与相对有限的机场供给能力之间的矛盾愈发突出，由此引发的场面冲突、拥堵和延误进一步加剧了航空器燃油消耗和气体排放问题，成为机场、空管和航空公司普遍关注的行业痛点和共性问题。在此背景下，如何采用科学手段评估场面运行程序，不断提升场面资源集约化水平和运行性能，成为推动机场节能减排和绿色发展的有效手段。
3.针对不同的评估目的设计合适的指标体系和确定各指标的权重有助于提高场面运行评估的准确性。针对不同的评估目的，杜婧涵等人在《基于度量学习的机场交通态势弱监督评估》中从交通流量、起降队列、资源需求等视角构建交通态势指标体系以准确感知场面运行环境；针对多维指标，谢燕雯和王琪分别在《基于隐马尔可夫过程的机场运行态势预测方法研究》《复杂机场多跑道运行调度方案评估研究》中分析各指标之间相互依存和反馈关系，利用层次分析法和可拓综合评价法对各指标进行赋权。
4.纵观现有成果，当前研究与实践工作大多基于特定的场面运行程序或规则，采用资源供给能力评估、时空资源优化调度等手段，来提升进离场航空器安全与效率，对机坪运行程序尤其是针对机坪u型区的评估却鲜有研究。科学合理的机坪运行程序可从本质上提升机坪区域进离场航空器的安全、高效和顺畅运行，针对当前越来越复杂的机坪结构，制定一种合理的机坪u型区运行性能评估方法对提升机坪运行效率、资源集约程度和节能减排程序非常有意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种民航机场机坪u型区运行性能综合评估方法及系统，以评估机坪u型区运行程序，促进机坪运行资源的集约化利用与运行效率的最大化提升，在此基础上降低机坪进离场航空器燃油消耗和气体排放，进一步促进大型繁忙机场节能减排，以期为繁忙机场机坪管制规则、优化机坪运行管理评估等工作提供理论方法支持和方案论证参考，推动机场场面运行管理朝着安全、高效、绿色协调发展的方向逐步迈进。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种民航机场机坪u型区运行性能综合评估方法，包括以下步骤：
8.步骤1，分析机坪u型区的物理结构特征与交通运行特征，根据多元化的机坪u型区运行规则与航班运行程序，建立机坪u型区交通运行模型；
9.步骤2，从安全、容量、效率、环保视角，构建多维度的机坪u型区性能评估指标体
系，提出各类指标的度量方法；
10.步骤3，集成开发机坪u型区运行仿真模型，综合对比不同类别u型区运行程序的性能优劣，最终生成最优的机坪u型区运行程序。
11.所述步骤1包括：
12.步骤1-1，分析机场一年的航班运行数据，统计机场年高峰小时航班分布情况，通过概率分布检验得到机场年高峰小时航班分布服从泊松分布的航班交通流运行特点，其中航班交通流包括进港航班流和离港交通流两部分；
13.步骤1-2，提取航空器机坪运行关键节点，选择停机位节点和u型区出/入口节点作为u型区运行程序设计的边界要素；
14.步骤1-3，将机坪运行程序与航班滑行时间相关联，根据运行程序的规则限制，分别建立独立型运行程序、分区共享型运行程序和全域共享型运行程序的交通运行模型。
15.所述步骤2包括：
16.步骤2-1，构建机坪运行程序安全性能指标：选取冲突概率和冲突解脱时间作为衡量不同运行程序运行效能的指标，冲突概率指单位时间内航空器在机坪u型区发生冲突的航空器数量与运行的航空器数量之比，该指标反映u型区运行程序的安全水平，冲突解脱时间指单位时间内航空器在机坪u型区的平均等待时间，该指标反映u型区运行程序的安全管理水平和运行效率；
17.对于含有m架航空器f的队列而言，发生冲突的概率p为冲突解脱时间为其中为航空器f的集合，为冲突次数，wf为航空器f的等待时间；
18.步骤2-2，构建机坪运行程序资源利用效率能指标：选取最大交通量和饱和度两个指标来度量u型区的机坪资源利用情况，最大交通量指某一瞬间u型区最大的交通流量，该指标反映u型区的交通服务水平，最大交通量表示为q
max
＝max{qm(i)}，其中qm(i)表示在含有m架航空器的队列中，i时刻的u型区交通量；
19.u型区的饱和度定义为u型区平均流量与容量之比，该指标反映u型区容量利用率和服务负荷程度，其中u型区容量定义为航空器在u型区内的滑行速度与平均机头距离φ之比，得出机坪u型区饱和度的表达式其中q表示u型区平均交通流量，c为u型区容量；
20.步骤2-3，构建机坪运行程序节能减排指标：污染物排放量指某一时间范围内机坪u型区航空器运行排放的污染物总量，该指标与航空器滑行时间、等待时间、航空燃料流率、气体化合物排放指数有关，反映u型区运行程序的绿色性能；选取航空器油耗和碳排放量两个指标来度量机坪运行的节能情况，航班的滑行油耗表示为f＝tf×
nf×
μf，其中，μf为发动机燃油流率，单位为kg/s；tf为场面滑行时间，单位为s；nf为发动机数量；
21.航空器碳排放量表示为e＝ff×
ω1×
ω2，其中，e为单架次航空器的co2排放量，单位为kg；ff为航班f的滑行油耗，单位为kg；ω1为航空煤油折标准煤系数；ω2为标准煤折碳排放系数；步骤2-4，综合安全运行性能指标、资源利用效率能指标和节能减排指标，引入权重系数，得到机坪u型区多维运行性能评估函数m＝γ1p γ2c γ3q
max
γ4ρ γ5f γ6e，其中
γ1、γ2、γ3、γ4、γ5、γ6分别表示冲突概率、冲突解脱时间、最大交通量、饱和度、耗油量和碳排放量的指标权重。
22.所述步骤3包括：
23.步骤3-1，构建机坪-跑滑系统节点网络模型：将地面网络图中的节点划分为四个部分：跑道节点、滑行道节点、u型区入口节点和停机位节点，各节点之间由直线段或弧线段相连接；
24.步骤3-2，构建机坪u型区运行性能评估仿真模型：在已构建好的机场地面网络基础上，将对航空器场面滑行过程进行约束；
25.步骤3-3，仿真航班流生成：使用monte-carlo仿真法将进港航班和离港航班的时间序列转化为概率模型，基于此模型生成随机航班流，得到大量可供计算机仿真的进离港航班序列；根据历史运行数据，改变参数，进而进离港航班的流量，得到不同流量强度下、不同运行程序下u型区的运行情况。
26.一种民航机场机坪u型区运行性能综合评估系统，包括机坪u型区分析模块、机坪u型区性能评估模块、机坪u型区运行程序生成模块，其中：
27.所述机坪u型区分析模块，用于分析机坪u型区的物理结构特征与交通运行特征，根据多元化的机坪u型区运行规则与航班运行程序，建立机坪u型区交通运行模型；
28.所述机坪u型区性能评估模块，用于从安全、容量、效率、环保视角，构建多维度的机坪u型区性能评估指标体系，提出各类指标的度量方法；
29.所述机坪u型区运行程序生成模块，用于综合对比不同类别u型区运行程序的性能优劣，最终生成最优的机坪u型区运行程序。
30.所述机坪u型区性能评估模块包括机坪运行程序安全性能评估子模块、机坪运行程序资源利用效率能评估子模块、机坪运行程序节能减排评估子模块、机坪u型区多维运行性能评估子模块，其中：
31.所述机坪运行程序安全性能评估子模块，用于获得衡量不同运行程序运行效能的指标，包括冲突概率和冲突解脱时间，冲突概率指单位时间内航空器在机坪u型区发生冲突的航空器数量与运行的航空器数量之比，该指标反映u型区运行程序的安全水平，冲突解脱时间指单位时间内航空器在机坪u型区的平均等待时间，该指标反映u型区运行程序的安全管理水平和运行效率；
32.所述机坪运行程序资源利用效率能评估子模块，用于获得u型区的机坪资源利用情况，机坪资源利用情况通过最大交通量和饱和度两个指标来度量，最大交通量指某一瞬间u型区最大的交通流量，该指标反映u型区的交通服务水平，u型区的饱和度定义为u型区平均流量与容量之比，该指标反映u型区容量利用率和服务负荷程度；
33.所述机坪运行程序节能减排评估子模块，用于获得污染物排放量，污染物排放量指某一时间范围内机坪u型区航空器运行排放的污染物总量，该指标与航空器滑行时间、等待时间、航空燃料流率、气体化合物排放指数有关，反映u型区运行程序的绿色性能；
34.所述机坪u型区多维运行性能评估子模块，用于综合安全运行性能指标、资源利用效率能指标和节能减排指标，评估机坪u型区多维运行性能。
35.有益效果：本发明建立了机坪u型区交通运行模型，构建了评估机坪u型区性能的指标体系，并对不同运行程序进行了集成仿真，针对机坪u型区运行方案评估效果显著，经
适度扩展之后可广泛应用于全国大中型机场，有利于推动实现机坪运行资源的集约化利用与运行效率的最大化提升，有利于降低机坪进离场航空器燃油消耗和气体排放，有利于促进大型繁忙机场节能减排，可为繁忙机场机坪管制规则、优化机坪运行管理评估等工作提供理论方法支持和方案论证参考，推动机场场面运行管理朝着安全、高效、绿色协调发展的方向逐步迈进。
附图说明
36.图1为机坪运行程序性能评估方法技术路线图；
37.图2为机坪运行程序性能评估指标体系；
38.图3为机坪u型区航班流宏观分布网络；
39.图4为机场地面节点网络图；
40.图5为基于monte-carlo仿真的不同程序下的综合评价结果；
41.图6为不同程序下航班架次与综合评价指标的关系。
具体实施方式
42.下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
43.如图1所示，本发明的一种民航机场机坪u型区运行性能综合评估方法，包括如下步骤：
44.第一步，分析复杂机坪u型区的物理结构特征与交通运行特征，根据多元化的机坪u型区运行规则与航班运行程序，建立机坪u型区交通运行模型。
45.(1.1)分析机场一年的航班运行数据，统计机场年高峰小时航班分布情况。通过概率分布检验得到机场年高峰小时航班分布服从泊松分布的航班交通流运行特点，其中航班交通流包括进港航班流和离港交通流两部分。
46.(1.2)提取航空器机坪运行关键节点，航班进离场过程涉及的场面运行节点众多，例如脱离跑道节点、滑行道节点、u型区出/入口节点、等待点、停机位节点等，立足机场地面航班运行实际，把握u型区航班运行特点，选择停机位节点和u型区出/入口节点作为u型区运行程序设计的边界要素；
47.(1.3)将机坪运行程序与航班滑行时间相关联，根据运行程序的规则限制，分别建立独立型运行程序、分区共享型运行程序和全域共享型运行程序的交通运行模型。
48.第二步，从安全、容量、效率、环保等视角，构建多维度的机坪u型区性能评估指标体系，如图2所示，并提出各类指标的具体度量方法，具体步骤如下：
49.(2.1)构建机坪运行程序安全性能指标。选取冲突概率和冲突解脱时间作为衡量不同运行程序运行效能的指标。引入冲突变量在一系列含有m架航空器的队列中做出如下冲突判断
[0050][0051]
其中wf为航空器f的等待时间，若航空器存在等待时间，表明产生了冲突，因此发
生冲突的概率p为冲突解脱时间为其中为航空器f的集合，为冲突次数，wf为航空器f的等待时间。
[0052]
(2.2)构建机坪运行程序资源利用效率能指标。选取最大交通量和饱和度两个指标来度量u型区的机坪资源利用情况。为计算u型区瞬时交通量，引入航班流宏观分布网络，箭头表示单个航班从u型区入口节点到停机位节点，再从停机位节点到u型区入口节点的过程，并将相关节点时间标记在时间轴上，如图3所示。
[0053]
为计算最大交通量，设为离散时间窗，在一系列含有m架航空器的队列中，i时刻的u型区交通量表示为其中，和分别表示第m架航空器进入或离开u型区的时刻。最大交通量表示为q
max
＝max{qm(i)}，其中qm(i)表示在含有m架航空器的队列中，i时刻的u型区交通量。
[0054]
u型区的饱和度定义为u型区平均流量与容量之比，其中u型区容量定义为航空器在u型区内的滑行速度与平均机头距离φ之比，为计算饱和度，首先由最大交通量可得u型区的平均流量为由此可得出机坪u型区饱和度的表达式其中q表示u型区平均交通流量，c为u型区容量。
[0055]
(2.3)构建机坪运行程序节能减排指标。选取航空器油耗和碳排放量两个指标来度量机坪运行的节能情况。航班的滑行油耗表示为f＝tf×
nf×
μf，其中，μf为发动机燃油流率，单位为kg/s；tf为场面滑行时间，单位为s；nf为发动机数量。
[0056]
航空器碳排放量表示为e＝ff×
ω1×
ω2，其中，e为单架次航空器的co2排放量，单位为kg；ff为航班f的滑行油耗，单位为kg；ω1为航空煤油折标准煤系数，ω2为标准煤折碳排放系数。
[0057]
(2.4)综合安全运行性能指标、资源利用效率能指标和节能减排指标，引入权重系数，得到机坪u型区多维运行性能评估函数m＝γ1p γ2c γ3q
max
γ4ρ γ5f γ6e，其中γ1、γ2、γ3、γ4、γ5、γ6分别表示冲突概率、冲突解脱时间、最大交通量、饱和度、耗油量和碳排放量的指标权重。为了得到综合各指标的机坪u型区运行情况，利用critic法对冲突指标和资源利用指标进行客观赋权，得到u型区综合评价指标情况。
[0058]
第三步，集成开发机坪u型区运行仿真模型，综合对比不同类别u型区运行程序的性能优劣，最终生成最优的机坪u型区运行程序。
[0059]
(3.1)构建机坪-跑滑系统节点网络模型。将地面网络图中的节点划分为四个部分：跑道节点、滑行道节点、u型区入口节点和停机位节点。各节点之间由直线段或弧线段相连接。如图4所示。
[0060]
(3.2)构建机坪u型区运行性能评估仿真模型。为了对机坪u型区运行性能进行准确评估，在已构建好的机场地面网络基础上，将对航空器场面滑行过程进行约束，使仿真更接近真实运行情况。
[0061]
(3.3)仿真航班流生成。为确保相关因素的随机性，u型区运行效率的评估需要基于大量的航班数据。使用monte-carlo仿真法将进港航班和离港航班的时间序列转化为概
率模型，基于此模型生成随机航班流，得到大量可供计算机仿真的进离港航班序列。根据历史运行数据，改变参数，进而进离港航班的流量，得到不同流量强度下、不同运行程序下u型区的运行情况。图5为三种运行程序在递增的流量下各仿真1000次的综合评价结果，图6为三种运行程序综合评价指标随仿真航班频率的变化趋势。
[0062]
表1不同程序下不同航班频率的冲突概率计算结果
[0063][0064]
表2不同程序下不同航班频率的冲突解脱时间计算结果
[0065][0066]
表3不同程序下不同航班频率的最大交通量计算结果
[0067][0068][0069]
表4不同程序下不同航班频率的饱和度计算结果
[0070][0071]
表5不同程序下不同航班频率的油耗计算结果
[0072][0073]
表6不同程序不同航班频率的碳排放量计算结果
[0074][0075][0076]
本发明还提供了一种用于实现上述方法的系统，包括机坪u型区分析模块、机坪u型区性能评估模块、机坪u型区运行程序生成模块，其中：
[0077]
机坪u型区分析模块，用于分析机坪u型区的物理结构特征与交通运行特征，根据多元化的机坪u型区运行规则与航班运行程序，建立机坪u型区交通运行模型；
[0078]
机坪u型区性能评估模块，用于从安全、容量、效率、环保视角，构建多维度的机坪u型区性能评估指标体系，提出各类指标的度量方法；
[0079]
机坪u型区运行程序生成模块，用于综合对比不同类别u型区运行程序的性能优劣，最终生成最优的机坪u型区运行程序。
[0080]
机坪u型区性能评估模块包括机坪运行程序安全性能评估子模块、机坪运行程序资源利用效率能评估子模块、机坪运行程序节能减排评估子模块、机坪u型区多维运行性能评估子模块，其中：
[0081]
机坪运行程序安全性能评估子模块，用于获得衡量不同运行程序运行效能的指标，包括冲突概率和冲突解脱时间，冲突概率指单位时间内航空器在机坪u型区发生冲突的
航空器数量与运行的航空器数量之比，该指标反映u型区运行程序的安全水平，冲突解脱时间指单位时间内航空器在机坪u型区的平均等待时间，该指标反映u型区运行程序的安全管理水平和运行效率；
[0082]
机坪运行程序资源利用效率能评估子模块，用于获得u型区的机坪资源利用情况，机坪资源利用情况通过最大交通量和饱和度两个指标来度量，最大交通量指某一瞬间u型区最大的交通流量，该指标反映u型区的交通服务水平，u型区的饱和度定义为u型区平均流量与容量之比，该指标反映u型区容量利用率和服务负荷程度；
[0083]
机坪运行程序节能减排评估子模块，用于获得污染物排放量，污染物排放量指某一时间范围内机坪u型区航空器运行排放的污染物总量，该指标与航空器滑行时间、等待时间、航空燃料流率、气体化合物排放指数有关，反映u型区运行程序的绿色性能；所述机坪u型区多维运行性能评估子模块，用于综合安全运行性能指标、资源利用效率能指标和节能减排指标，评估机坪u型区多维运行性能。
[0084]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。