除冰模式下离场航班及除冰车辆的调度方法及装置

1.本发明属于空中交通管制决策领域，具体涉及一种除冰模式下离场航班及除冰车辆的调度方法及装置。


背景技术：

2.随着人们生活水平的提高，飞机作为出行的交通工具变得越来越受欢迎。航空的发展越来越快，航行安全的问题也成为广大群众关注的重点。在冬季航空活动中，影响飞行安全的最大因素是飞机上积冰的问题。积冰问题可能会导致航班时刻表和计划航线的变化。在严重的情况下，它甚至可能导致灾难性的航空事故。因此，有效的除冰工作至关重要。有效的除冰可以保证航空活动的安全和有效运行。
3.由于云层中存在着过冷水滴或过冷雨滴，飞机积冰则是其在撞击机身后冻结形成的。有时还可以直接在机身表面凝华形成。在正常情况下，飞机积冰发生在飞机表面的突出部分，主要包括机翼和尾翼前缘发动机进气口，螺旋桨，天线，雷达罩，空速管和挡风玻璃上。此外，飞机积冰对飞行的危害是多方面的，主要影响以下几个方面：第一，破坏飞行器的空气动力性能，降低升力，增加阻力，破坏飞机的稳定性，严重的飞机结冰堆积也会使飞机的操作变得困难。第二，积冰会降低飞机发动机的工作效率，从而导致发动机进气口的进气量减少，发动机桨叶上的积冰则会降低拉力，脱落下的积冰也可能损坏发动机和机身。第三影响仪器和通讯，例如空速管的积冰影响空速表的正常工作，天线的积冰影响通信的质量，挡风玻璃的积冰影响视线等。
4.因此，如何实现除冰作业模式下场面航班与除冰车辆的一体化调度成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种提高除冰作业模式下的场面除冰效率的除冰模式下离场航班及除冰车辆的调度方法。
6.本发明提出的技术方案如下：
7.第一方面本发明公开了一种除冰模式下离场航班及除冰车辆的调度方法，包括以下步骤：
8.构建离场航班及除冰车辆优化调度模型；
9.求解所述离场航班及除冰车辆优化调度模型，获取离场航班及除冰车辆调度结果并进行除冰作业。
10.进一步地，所述进行除冰作业包括以下模式：
11.集中慢车除冰模式、集中关车除冰模式、原位除冰模式。
12.进一步地，包括：
13.集中慢车除冰模式的除冰时间分为：调度阶段所需时间、准备阶段所需时间、除冰阶段所需时间；
14.集中关车除冰模式的除冰时间分为：调度阶段所需时间、准备阶段所需时间、除冰阶段所需时间、检查阶段所需时间；
15.原位除冰模式的除冰时间分为：准备阶段所需时间、除冰阶段所需时间、检查阶段所需时间。
16.进一步地，所述除冰阶段所需时间分为基础除冰时间和与除冰车辆相关的除冰时间。
17.进一步地，所述构建离场航班及除冰车辆优化调度模型具体包括：
18.设置所述离场航班及除冰车辆优化调度模型的目标函数；
19.设置除冰车辆调度约束条件；
20.设置离场航班除冰位指派调度约束条件。
21.进一步地，所述离场航班及除冰车辆优化调度模型的目标函数具体为：以所有离场航班中除冰时间最大值与其目标除冰窗口时间的偏差最小作为目标函数。
22.进一步地，所述设置除冰车辆调度约束条件具体包括：
23.用于工作的除冰车辆的总数小于现有除冰车辆总数；
24.有预设数量的除冰车辆用于集中慢车除冰模式；
25.有预设数量的除冰车辆用于集中关车除冰模式；
26.有预设数量的除冰车辆用于原位除冰模式；
27.每辆除冰车辆只能用于一种除冰模式。
28.进一步地，所述设置离场航班除冰位指派调度约束条件，具体包括：
29.所有离场航班均完成除冰且仅进行一次除冰；
30.离场航班选择的除冰模式需符合航班类型；
31.分配至同一集中慢车除冰模式除冰位或集中关车除冰模式除冰位的航班之间需满足预设安全间隔；
32.分配至同一原位除冰模式除冰位的航班之间需满足预设时间间隔。
33.第二方面本发明公开了一种除冰模式下离场航班及除冰车辆的调度装置，包括以下模块：
34.建模模块，用于构建离场航班及除冰车辆优化调度模型；
35.处理模块，用于求解所述离场航班及除冰车辆优化调度模型，获取离场航班及除冰车辆调度结果。
36.第三方面本发明公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机执行指令，当所述计算机执行指令被执行时，实现第一方面所述的任一种可能实现的除冰模式下离场航班及除冰车辆的调度方法。
37.现有冬季除冰作业模式下离场航班及除冰车辆调度系统效率不高，造成航班大量延误问题。本发明提出的除冰模式下离场航班及除冰车辆的调度方法，依托于机场协同决策系统提供的相关数据，通过构建离场航班及除冰车辆优化调度模型并对模型进行求解，获取离场航班及除冰车辆调度结果，有效提高了除冰作业模式下的航班除冰效率。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对技术方案描
述时所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，本发明的示意性实施例及其说明仅用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。在附图中：
39.图1是本发明实施例1方法的流程示意图；
40.图2是本发明实施例3方法中除冰车辆的数量与目标函数值的关系示意图；
41.图3是本发明实施例4装置的结构示意图。
具体实施方式
42.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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
43.实施例1
44.为了便于理解，本说明书首先对我国现有的除冰模式进行简单介绍：
45.1)原位除冰
46.指除冰车开到飞机的停机位旁，开始除冰工作。
47.2)集中除冰
48.指在机场跑道两端设立一个专门用于飞机除冰的集中除冰坪。利用除冰坪的空间优势，可以集中除冰设备来除冰，且飞机除完冰之后可以径直驶向跑道端口等待起飞，缩短了除冰时间以及离场航班场面滑行时间，避免二次除冰。
49.3)慢车除冰
50.指飞机停靠在指定的集中除冰坪内，且航空器的发动机保持低转速运转的同时，地面除冰人员为航空器进行相关的除冰作业。
51.4)关车除冰
52.指在飞机除冰的过程中，使飞机的发动机处于关闭状态。虽然此种除冰方式对除冰作业的操作人员的专业性要求不高，但是关车除冰的效率没有慢车除冰的效率高。
53.参照图1，本实施例提供一种除冰模式下离场航班及除冰车辆的调度方法，该方法包括以下步骤：
54.s1：构建离场航班及除冰车辆优化调度模型；
55.具体地，本实施例所述离场航班及除冰车辆优化调度模型所需参数如下：
56.机场共有m个除冰位用于集中除冰，用集合l＝{l|1，2，
···
，m}表示。集中除冰分为集中关车除冰方式cc与集中慢车除冰方式cl。
57.原位除冰为关车除冰方式，除冰小组驾驶除冰车到飞机的停机位进行除冰。一共有k个除冰小组负责原位除冰作业，用集合s＝{s|1，2，
···
，k}表示。
58.机场一共拥有n量除冰车，每个除冰位或除冰小组每次除冰作业可以同时采用h辆除冰车进行除冰作业，用集合j＝{j|2,3,4}表示。
59.假设该机场共有四种类型的飞机，按其在跑道入口时的速度分为c、d、e、f四种机型，用集合z＝{z|c,d,e,f}表示，其中，c、d型飞机只能采用慢车除冰方式，e、f型飞机只能采用关车除冰方式。每种类型飞机用集合iz＝{iz|1,2,
…
,az}表示。
60.除冰分为准备阶段、调度阶段、除冰阶段、检测阶段，不同的除冰方式除冰的流程不同，不同机型的飞机除冰流程时间也不相同。依托于机场协同决策系统，可在调度除冰资源前获知航班除冰时间信息，航班在机场协同决策系统中有除冰时间窗，飞机开始除冰时间以及结束除冰时间必须要在时间窗[t
ies
,t
ils
]内，如果飞机调度的除冰时间早于飞机最早开始除冰时间t
ies
，则会导致飞机在除冰位入口处由于等待发生延误；如果飞机结束除冰后的时间晚于时间窗的最晚结束除冰时间t
ils
，则会导致飞机无法按照空管为其调度的跑道使用时间起飞，导致飞机出现更大延误时间。
[0061]
上述三种除冰模式的除冰时间分为以下阶段：
[0062]
(1)集中慢车(cl)除冰的过程为调度阶段t
zcl
、准备阶段t
ecl
、除冰阶段。
[0063]
(2)集中关车(cc)除冰为调度阶段t
zcc
、准备阶段t
ecc
、除冰阶段、检查阶段t
ccc
。
[0064]
(3)原位除冰(dc)为准备阶段t
edc
、除冰阶段、检查阶段t
zdc
。
[0065]
为了简化模型，将除冰阶段所需时间分解为两部分，第一个部分为各机型的基础除冰时间，针对集中慢车除冰模式，基础除冰时间为t
zcl
,z∈z；针对集中关车除冰模式，基础除冰时间为t
zcc
,z∈z；针对停机位除冰模式，基础除冰时间为t
zdc
,z∈z。第二部分为与除冰车相关的除冰时间，除冰车数量越多，除冰时间越短，本实施例所述离场航班及除冰车辆优化调度模型，设置qz为增加一辆除冰车所减少的除冰时间。
[0066]
进一步地，本实施例所述离场航班及除冰车辆优化调度模型所需相关决策变量如下：
[0067]
表示j辆除冰车是否被指派至第l
cl
号慢车除冰位，是为1，不是则为0；
[0068]
表示j辆除冰车是否被指派至第l
cc
号关车除冰位，是为1，不是则为0；
[0069]
表示飞机iz是否在l
cl
号慢车除冰位进行除冰工作，是为1，不是则为0；
[0070]
表示飞机iz是否在l
cl
号关车除冰位进行除冰工作，是为1，不是则为0；
[0071]
表示飞机iz是否由s号停机位除冰小组完成除冰工作，是为1，不是则为0。
[0072]
表示若飞机iz在飞机jz前开始除冰则为1，不是则为0。
[0073]
表示飞机iz的开始除冰时间；
[0074]
表示飞机iz的结束除冰时间。
[0075]
s1.1：设置离场航班及除冰车辆优化调度模型的目标函数；
[0076]
具体地，以所有离场航班中除冰时间最大值与其目标除冰窗口时间的偏差最小作为目标函数：
[0077][0078]
其中，u为由于开始除冰时间早于最早开始除冰时间而使航空器发生延误的成本，v为由于除冰结束时间晚于最晚除冰结束时间而使航空器没有赶上跑道使用时间按的成本，目标函数的意义为由于除冰调度而产生的延误成本最小。
[0079]
s1.2：设置除冰车调度约束条件；
[0080]
具体地，所用工作的除冰车不能多于机场除冰车的总数，如下所示：
[0081][0082]
每个原位除冰小组拥有固定数量的除冰车，如下所示：
[0083][0084]
每个集中慢车除冰位拥有固定数量的除冰车，如下所示：
[0085][0086]
每个集中关车除冰位拥有固定数量的除冰车，如下所示；
[0087][0088]
每个除冰车只能被用于调度至一个原位除冰小组、集中慢车除冰小组或是集中关车除冰小组，如下所示：
[0089][0090]
s1.3：设置航班除冰位指派调度约束条件；
[0091]
具体地，每架飞机都完成了除冰，并且每架飞机只除冰一次，如下所示：
[0092][0093]
e、f类飞机不能进行慢车除冰，如下所示：
[0094][0095]
c、d类飞机不可以进行关车除冰，如下所示：
[0096][0097]
如果两航班iz、jz被分配至同一集中慢车除冰位或集中关车除冰位，两航班除冰需要满足安全间隔要求，如下所示：
[0098][0099][0100]
如果两航班iz、jz分配至同一原位除冰组，两航班除冰需要满足除冰间隔时间要
求，如下所示：
[0101][0102]
上述模型中除冰时间计算方式如下所示：
[0103][0104][0105][0106]
s2：求解所述离场航班及除冰车辆优化调度模型；
[0107]
具体地，采用inteli7-9700kf8c8t处理器，内存16gb的计算机，基于matlab2016a环境，采用cplex求解器输入上述模型。输入上述机场结构参数以及运行规则参数搭建仿真模型。
[0108]
s3：获取航班调度以及除冰车调度结果，分析影响除冰效率的重要因素，提出多元受限除冰模式概念。
[0109]
实施例2
[0110]
需要特别说明的是，实施例2是在实施例1的基础上展开的。
[0111]
本实施例选取单位时间内流量最大的工作日，选取期间连续时间段内的100架飞机作为研究对象，评估场景为9个除冰位。使用cplex求解器求得的最优解，所有飞机完成除冰工作需要406分钟。其中，有除冰工作的集中慢车除冰位为5个，每个除冰位分配的除冰车量数分别为3个、2个、2个、2个、2个；总除冰车为11辆，有除冰工作的集中关车除冰位1个，分配除冰车数量为3辆，原位除冰的作业小组为4个，每个小组一辆除冰车。
[0112]
本实施例的离场航班调度结果如表1、2、3所示：
[0113]
表1 c、d类型航班分配的集中慢车除冰位
[0114][0115]
表2 e、f类型航班分配的集中关车除冰位
[0116][0117]
表3 e、f类型航班分配的原位关车除冰位
[0118][0119]
实施例3
[0120]
需要特别说明的是，实施例3是在实施例1的基础上展开的。
[0121]
本实施例以北京大兴机场为例，共有东除冰坪(9个除冰位)、南除冰坪(7个除冰位)、北除冰坪(3个除冰位)三个除冰坪，目前开放东、南除冰坪，除冰车18辆(2辆备用)。除冰方式又分为集中慢车除冰、集中关车除冰、原位除冰三种。飞机除冰阶段可分为四个主要阶段：相关准备阶段，调度阶段，除冰阶段，检查阶段。为方便计算选取单位时间内流量最大的工作日，选取期间连续时间段内的100架飞机作为研究对象。得出如下表4实验数据：
[0122]
表4实验数据
[0123][0124]
鉴于北京大兴机场设立了两块独立的集中除冰坪，一块的除冰坪的除冰位为10个，一块的除冰坪的除冰位为6个。考虑到北京大兴机场，集中慢车除冰的需求量远大于集中关车除冰，本实施例设定最大集中慢车除冰位为10个，最大集中关车除冰位为6个。除冰车数量从18辆以间隔2辆递增到34辆。多次运行遗传算法，并记录其中除冰作业时间的最优解，其中最优解如表5所示，除冰车数量与目标函数值之间的关系如图2所示，随着机场除冰车数量的增加，飞机除冰作业时间明显降低。但是当除冰车数量达到30辆时，除冰作业时间不再发生变化。这说明在当前设定的除冰位分配下，大兴机场只需要配备30辆的除冰车就足够胜任该时段的除冰作业。而过多的除冰车会造成机场资源的浪费，降低机场的整体效益。
[0125]
表5不同除冰车数量下目标函数
[0126][0127]
鉴于集中除冰位的总量为16，以下设定不同的最大慢车除冰位数量与关车除冰位数量组合如下变换{[7,9],[8,8],[9,7],[10,6],[11,5],[12,4],[13,3]}，即7个慢车除冰位配合9个关车除冰位、即8个慢车除冰位配合8个关车除冰位、即9个慢车除冰位配合7个关车除冰位、即10个慢车除冰位配合6个关车除冰位、即11个慢车除冰位配合5个关车除冰位、即12个慢车除冰位配合4个关车除冰位、即13个慢车除冰位配合3个关车除冰位，通过cplex多次计算每种参数设定下的最优解，记录最优的目标函数值。设定除冰车数量从18辆以间隔2辆递增到34辆。在不同的除冰车数量与除冰位分配参数组合下多次运行cplex求解器，记录其中的最优解如表6所示。
[0128]
表6不同除冰车数量和不同除冰位分配最优解表
[0129][0130]
由表可知，既定条件下制约除冰作业效率的是除冰车数量，随着除冰车数量的增加，机场整体除冰作业的时间在变短。而在固定数量的除冰车约束下，集中慢车除冰位被分配的数量越多，整体的除冰效率也越快。
[0131]
因此，在当前飞机业务除冰任务量不发生较大变动的情况下，仅考虑机场的除冰效率(不考虑除冰作业人员的培训，日常的维护等因素的影响)，建议机场购置适当数量的除冰车用于除冰作业，此外还应该配备更多的集中慢车除冰位用于除冰。
[0132]
实施例4
[0133]
本发明还提供一种除冰模式下离场航班及除冰车辆的调度装置，参照图3，所述装置包括以下模块：
[0134]
建模模块101，用于构建离场航班及除冰车辆优化调度模型；
[0135]
处理模块102，用于求解所述离场航班及除冰车辆优化调度模型，获取离场航班及除冰车辆调度结果。
[0136]
另外，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其中，该计算机可读存储介质可存储有程序，该程序执行时包括上述方法实施例中记载的任何除冰模式下离场航班及除冰车辆的调度方法的部分或全部步骤。
[0137]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0138]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储器中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：u盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器
(ram，random access memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0139]
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储器中，存储器可以包括：闪存盘、只读存储器、随机存取器、磁盘或光盘等。
[0140]
以上所述的具体实施方式，对本技术的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本技术的具体实施方式而已，并不用于限定本技术的保护范围，凡在本技术的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本技术的保护范围之内。