基于机场场面实时状态自适应调整的航班推出控制方法与流程

1.本发明属于机场场面运行管理技术领域，特别是一种基于机场场面实时状态自适应调整的航班推出控制方法。


背景技术：

2.随着民用航空业务规模的飞速增长，民航旅客吞吐量和货邮吞吐量不断提升，全国各大机场高峰时段的场面拥堵状况不断恶化，已成为限制机场运行效率提高的瓶颈，并造成航班延误、燃油消耗和环境污染等一系列问题。根据机场场面的运行状况对离港航班进行合理调度，从而实现缓解场面拥堵和提高运行效率等目的，是较为高效可行的方案。
3.航班离港主要包括从停机位推出、沿滑行道滑行和在跑道起飞三个过程。根据机场的运行状况和进离港需求，对离港飞机的推出时刻进行合理调整，能够在不影响机场运行效率的前提下将跑道前排队等待时间转换为停机位等待时间，从而有效缓解场面拥堵，降低燃油消耗和运行成本。
4.n-control推出控制方式根据场面离港航班的数量和控制阈值的关系对航班的推出时刻进行控制，是一种简单有效的方法，得到了广泛的研究和应用。以n-control为基础，目前已经提出了多种航班推出控制方法，但是如何为运行状态快速变化的机场设置合理的推出控制阈值一直是待解决的难题，限制了推出控制的效率。已有研究侧重于寻找一个固定的综合最优推出控制阈值，例如使用马尔科夫迭代优化算法或者利用熵权法等评价法确定一个合适的固定推出控制阈值。然而这些方法均只能针对特定场景计算一个固定的最优控制阈值，如果机场运行状态发生变化，便需要重新计算控制阈值，并不能让控制阈值根据场面状态自适应调整，因而实际应用效果较为有限。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于机场场面实时状态自适应调整的航班推出控制方法，从而提高离港航班的推出控制效率，降低离港运行总成本。
6.实现本发明目的技术解决方案为一种基于机场场面实时状态自适应调整的航班推出控制方法，具体步骤如下：
7.步骤1：获取机场离港航班信息，根据航班离港运行的特点，给出航班离港推出过程建模的假设条件，包括排队形式和起飞规则；
8.步骤2：采用n-control航班推出控制方式对离港航班的推出过程进行控制；
9.步骤3：获取机场场面的实时状态信息，建立航班推出控制阈值自适应调整策略，当场面实时状态发生变化时，使用自适应调整策略对推出控制阈值进行调整，并继续进行航班推出控制；
10.步骤4：记录各个航班离港过程中的时间消耗情况，计算得到航班离港总成本。
11.进一步的，所述步骤1中的机场离港航班信息为所有离港航班的计划推出时间，航班离港推出过程建模的假设条件包括：所有航班的推出和滑行均按照先到先服务的原则，
起飞时一条跑道仅容纳一架航班，跑道上航班与航班之间的间隔都需要大于相同的安全间隔。上述条件均基于机场通用的运行规则提出，有助于提高推出控制过程的准确性，保证推出控制方法的有效性。
12.进一步的，所述步骤2中采用的n-control航班推出控制方式具体为：
[0013][0014]
其中λ为航班的实际推出率，n为当前滑行道上排队等待的航班数量，n表示航班推出控制阈值。即若滑行道上离港航班数量n小于航班推出控制阈值n时，则以概率1允许新的航班推出；否则便拒绝新的航班推出，直至重新满足n＜n时，再准许有新的航班推出。
[0015]
进一步的，所述步骤3中机场场面的实时状态信息包括在滑行道排队等待起飞的离港航班数量和在停机位等待推出的离港航班数量。
[0016]
进一步的，步骤3中航班推出控制阈值自适应调整策略为：
[0017][0018]
其中n为航班推出控制阈值，δ为控制阈值的调整系数，n为当前滑行道上排队等待起飞的离港航班数量，g为停机位等待推出的离港航班数量，n
min
为控制阈值的最小取值，n
max
为控制阈值的最大取值。
[0019]
上述自适应调整策略的意义在于，能够实时平衡机场停机位资源和滑行道资源的占用情况，尽可能地将离港航班较为均匀地分布在停机位和滑行道上，避免离港航班集中在某一区域造成大面积拥堵和延误，提高整体运行平稳度，从而达到提高运行效率和降低运行总成本的目的。
[0020]
进一步的，为了防止阈值自适应调整过程中控制阈值变得过大或者过小，步骤3中应保证控制阈值n的取值始终在n
min
和n
max
之间，即在阈值n大于n
max
时，其最大取值仍然只能是n
max
，或在阈值n小于n
min
时，其最小取值仍然只能是n
min
。
[0021]
参数n
max
的设置方式为基于历史运行数据统计分析获得，具体做法为，记录机场前一周运行过程中滑行道上排队等待起飞的离港航班数量n的最大值，并将n
max
设置为：
[0022]nmax
＝2
·
max(n)
[0023]
其中max(n)表示机场前一周运行过程中n的最大值。这种设置方式为推出控制阈值的自适应调整过程提供了较为充分的调整空间，从而尽可能发挥该策略的效果。
[0024]
根据机场的场面布局，参数n
min
设置为机场可供离港航班起飞的跑道数量，这种设置方法根据机场离港能力设置控制阈值的下限，保证机场的跑道资源能够得到较为充分的利用。基于n
min
和n
max
的取值，n-control使用的推出控制阈值的初始值设置为推出控制阈值在运行过程中会根据机场实时状况进行自适应调整，将初始推出控制阈值设置为中间值能够便于阈值自适应调整策略的实施。
[0025]
进一步地，阈值自适应调整策略中控制阈值调整系数δ的设置方式为：
[0026]
[0027]
其中离港低峰小时和离港高峰小时的判断方法为，根据机场当天航班离港推出计划，计算平均每小时离港推出航班量，如果所在小时的离港航班推出计划数量低于当天平均每小时离港推出航班量，则该小时为离港低峰小时，否则该小时即为离港高峰小时。
[0028]
这种设置方式的意义在于，如果当前处于离港高峰时段，则使用较大的控制阈值调整系数，使得推出控制方法能够尽快适应机场的复杂状况；而在离港低峰期间，由于航班数量较少，不需要对控制阈值进行较多的干预即可保证较高的离港效率，因此选用较小的控制阈值调整系数即可，有利于保证运行的平稳性。
[0029]
每当机场场面离港航班数量n(当前滑行道上排队等待起飞的离港航班数量)或者停机位等待推出的离港航班数量g发生变化时，上述自适应调整策略便会对推出控制阈值进行调整，从而动态调整离港航班的推出率并继续进行推出控制，实现更智能和自适应的航班推出管理。
[0030]
进一步的，步骤4包括：
[0031]
步骤4-1，根据机场停机位使用规则和航班滑行过程中单位时间的燃油消耗成本，计算离港航班在停机位等待推出时的停机位占用成本；
[0032]
步骤4-2，综合航班停机位占用成本和航班滑行过程燃油消耗成本，计算航班离港总成本，从而实现对推出控制方法效果的评价。
[0033]
进一步的，步骤4-1中计算离港航班在停机位等待推出时的停机位占用成本的计算公式为：
[0034][0035]
其中cost
gate
为航班的停机位占用成本；参数p为航空器滑行过程中单位时间的燃油消耗成本，t
maxgate
为机场停机位使用规则中允许的停机位最长等待时间；t
gate
表示离港航班在停机位的等待时间，即该航班已经到达计划的推出时刻，但是还没有获得推出许可，导致在停机位额外等待的时间。
[0036]
上述计算公式的意义在于，一方面鼓励离港航班在停机位进行较短时间的等待，这样不仅不会增加太多的成本，同时还能够缩短其在滑行道上的等待时间，达到降低燃油消耗的目的，从而降低离港总成本；另一方面，也能够防止离港航班在停机位延误太久，过度占用停机位资源，提高航班离港效率。
[0037]
进一步的，步骤4-2中计算航班离港总成本公式如下：
[0038][0039]
其中cost为航班离港总成本，m为机场运行当天离港航班的总数量，1≤i≤m；p为航班滑行过程中单位时间的燃油消耗成本，t
taxiway,i
为记录的第i个航班在滑行道上滑行等待的时间，因此p
·
t
taxiway,i
表示第i个航班在滑行道上的燃油消耗成本；t
gate,i
为记录的第i个航班在停机位的等待时间，即表示第i个航班的停机位占用成本。
[0040]
综合航班离港过程中的停机位占用成本和燃油消耗成本，即可获得航班离港过程的总成本，从而对推出控制方法的效果进行评价分析，最终达到降低航班离港运行总成本的目的，满足机场、航空公司等多利益相关方的需求。
[0041]
有益效果：
[0042]
本发明与现有技术相比，显著优点是：1)本发明提出的方法更加综合的利用场面实时状态信息来实现航班推出控制，已有推出控制方法仅利用了滑行道上的离港航班数量，对机场场面状态掌握不够全面，本发明中的方法不仅考虑滑行道上的离港航班数量，同时考虑了停机位中等待推出的航班数量，从而支持做出更为全面的推出控制决策；2)本发明提出的推出控制阈值自适应调整策略能够根据场面的实时状态自动调整航班推出控制的阈值，从而调整航班的推出率，能够自动适应不同的场面运行状态，不需要管理人员的参与和辅助，可以更加智能地提供推出控制方案，从而有效降低航班离港运行的总成本。
附图说明
[0043]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
[0044]
图1是本发明的基于机场场面实时状态自适应调整的航班推出控制方法流程图；
[0045]
图2是本发明的航班离港运行总成本对比图；
具体实施方式
[0046]
下面将结合附图，对本发明的实施例进行描述。
[0047]
本发明是在传统的n-control推出控制方法基础上提出的一种基于机场场面实时状态自适应调整的航班推出控制方法，综合利用机场场面的实时状态信息对推出控制的阈值进行自适应调整，从而自动和动态地调节航班的推出控制率；该方法的主要特征是，如果当前停机位等待推出的航班较多，则适当增大推出控制阈值以提高推出数量，从而促进更多航班尽快推出，释放停机位资源；而如果当前滑行道排队等待的航班较多，则适当减小推出控制阈值以降低推出数量，从而缓解滑行道拥堵，降低燃油消耗，最终实现更加智能的航班推出控制，有效降低航班离港运行的总成本。
[0048]
如图1所示，步骤1，首先对航班离港过程进行研究分析，给出航班离港推出过程建模的假设条件，包括所有航班的推出和滑行均按照先到先服务的原则，起飞时一条跑道仅容纳一架航班，跑道上航班与航班之间的间隔都需要大于相同的安全间隔；另外，获取所有离港航班的计划推出时刻用于进行推出控制，这里选择某大型机场一整天离港航班的计划推出时间作为示例，推出时间以分钟为单位。
[0049]
步骤2，采用n-control控制方式对离港航班的推出过程进行控制。
[0050]
根据机场前一周运行数据和跑道数量，最小阈值和最大阈值设置为n
min
＝4和n
max
＝20。采用的n-control航班推出控制方式，初始的航班推出控制阈值为所以推出控制率的计算公式为：
[0051][0052]
其中λ为航班的实际推出率，n为当前滑行道上排队等待的航班数量，即若滑行道上离港航班数量小于12时，则以概率1允许新的航班推出；否则便拒绝新的航班推出，直至重新满足n＜12时，再准许有新的航班推出。
[0053]
步骤3，获取机场场面的实时状态信息，建立航班推出控制阈值自适应调整策略，
当场面实时状态发生变化时，使用自适应调整策略对推出控制阈值进行调整，并继续进行航班推出控制。
[0054]
机场场面的实时状态信息包括在滑行道排队等待起飞的离港航班数量和在停机位等待推出的离港航班数量。
[0055]
在机场离港运行过程中，当有航班申请推出或者有航班起飞时，场面的状况和航班数量便会发生变化，所提出的基于机场场面实时状态自适应调整的航班推出控制方法便会对推出控制的阈值进行自动调整。最小阈值和最大阈值为n
min
＝4和n
max
＝20，因此推出控制阈值自适应调整的具体方式为：
[0056][0057]
其中n为航班推出控制阈值，δ为控制阈值的调整系数，n为当前滑行道上排队等待起飞的航班数量，g为当前停机位等待推出的离港航班数量，可以根据场面运行数据获得。
[0058]
步骤3中保证航班推出控制阈值n的取值始终在4和20之间，即在航班推出控制阈值n大于20时，其最大取值仍然只能是20，在航班推出控制阈值n小于4时，其最小取值仍然只能是4。
[0059]
控制阈值调整系数δ根据当前时间段的离港状况可能取值为1或者2，具体规则如下：
[0060][0061]
其中离港低峰小时和离港高峰小时的判断包括：根据机场当天航班离港推出计划，计算平均每小时离港推出航班量，如果所在小时的离港航班推出计划量小于当天平均每小时离港推出航班量，则该小时为离港低峰小时，否则该小时即为离港高峰小时。
[0062]
如果当前停机位等待推出的航班较多(即g＞n)，则适当增大推出控制阈值以提高推出数量，从而促进更多航班尽快推出，释放停机位资源；而如果当前滑行道排队等待的航班较多(即g≤n)，则适当减小推出控制阈值以降低推出数量，从而缓解滑行道拥堵，降低燃油消耗，最终实现更加智能的航班推出控制，有效降低航班离港运行的总成本。
[0063]
步骤4，记录各个航班离港过程中的时间消耗情况，计算航班离港总成本，包括：
[0064]
步骤4-1，根据机场停机位使用规则和航班滑行过程中单位时间内燃油消耗成本，计算离港航班在停机位等待推出时的停机位占用成本。依据燃油价格估算，航空器滑行过程中单位时间的燃油消耗成本设置为p＝150元/分钟，机场运行规则中允许的停机位最长等待时间为t
maxgate
＝30分钟，计算可得参数α＝0.167，因此单个航班的停机位占用成本为：
[0065][0066]
其中t
gate
表示离港航班在停机位的等待时间。
[0067]
步骤4-2，综合航班停机位占用成本和航班滑行过程燃油消耗成本，计算航班离港总成本，公式如下：
[0068]
[0069]
其中cost为航班离港总成本，m为离港航班的数量，t
taxiway,i
为记录的第i个航班在滑行道上滑行等待的时间，t
gate,i
为记录的第i个航班在停机位的等待时间，这两个时间可以根据机场场面运行信息统计计算获得，从而实现对推出控制方法效果的评价。
[0070]
对机场航班离港运行过程进行仿真计算，并且分别使用了三种航班推出控制方法进行对比，包括：无推出控制的方法(方法1)，传统的n-control控制方式(方法2)，和本发明提出的基于机场场面实时状态自适应调整的航班推出控制方法(方法3)。图2展示了使用上述三种方法所获得的机场离港运行的总成本，从图中可以看出，在无推出控制的方法(方法1)时离港的总成本最高；使用传统的n-control控制方法(方法2)之后，离港总成本有一定的降低；在使用本发明所提出的基于机场场面实时状态自适应调整的航班推出控制方法(方法3)的状况下，离港总成本得到了进一步的降低，显著优于前两种方法，说明了本发明所提基于机场场面实时状态自适应调整的航班推出控制方法的有效性和实用性。
[0071]
综上所述，本发明提出的基于机场场面实时状态自适应调整的航班推出控制方法能够实现有效的离港航班推出控制，通过综合的利用场面实时状态信息自动调整航班推出控制的阈值，从而调整航班的推出率，能够自动适应不同的场面运行状态，不需要管理人员的参与和辅助，可以更加智能地提供推出控制方案，从而有效降低航班离港运行的总成本。
[0072]
具体实现中，本技术提供计算机存储介质以及对应的数据处理单元，其中，该计算机存储介质能够存储计算机程序，所述计算机程序通过数据处理单元执行时可运行本发明提供的一种基于机场场面实时状态自适应调整的航班推出控制方法的发明内容以及各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。
[0073]
本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术方案可借助计算机程序以及其对应的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以计算机程序即软件产品的形式体现出来，该计算机程序软件产品可以存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台包含数据处理单元的设备(可以是个人计算机，服务器，单片机，muu或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0074]
本发明提供了基于机场场面实时状态自适应调整的航班推出控制方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的具体实施方式，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。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。