机场终端区流量分配及优化调度_马正平

其害 , 同时还会直接影响到航空公司的信誉。 本文针对空中交通流量管理中终端区的特点着 重考虑机场系统 (包括机场附近的空中走廊口系统 和跑道系统两方面 )的战术性交通流量管理 ( T FM ) 问题 。 首先将机场跑道和走廊口两部分看成一个统 一的资源系统 , 然后通过分析跑道容量和走廊口容 量的相互影响来优化机场系统的交通流量。 在服从 整个机场容量限制的前提下 , 实现跑道和走廊口的 双重最优利用 , 从而实现整个机场系统的容量最优 利用 , 最终优化终端区的流量分配 , 减少航班延误 。
列加上第 i 段时间的初始需求 (需要通过的航班数 ) 再减去第 i 段时间内的实际流量 (已经通过的航班 数 ); 3) 所有走廊口的流量不能超过机场总的容量:
N AF
∑F
j= 1
DF
j Ai
≤ X i , i ∈ I ;
( 5) ( 6)
N
∑F
k= 1
k Di
≤ Yi , k ∈ K .
这里 ( X i , Yi )在如图 1所示的到达 出发容量曲线内 (或者曲线上 )。 4) 实际上机 场的容量主要受 跑道容量限制 , 即: X i ≤ CRAi , i ∈ I ; Yi ≤ C RDi , i ∈ I . ( 7) ( 8)
QAi = F Ai = QDi = FDi =
∑Q
j= 1
AF
j Ai
, i ∈ I ;
( 9) ( 10) ( 11) ( 12)
N
∑ F Ai , i ∈ I ;
。本文的模型将机场的到达和出发需
求同在指定时间内到达和出发容量的最优分配一起 考虑 。 这种分配反映了到达和出发需求以及天气条 件等因素的动态特性 。
2 机场跑道与走廊口系统
不同机场其跑道数量和跑道构型以及跑道的功 能都大不相同。有的小型机场只有一条单一的跑道 , 有的机场跑道相互平行 , 而且还有的机场存在着跑 道相互交叉的情况。在功能上有的跑道只用于起飞 , 有的只用于降落 , 而有的跑道可以混合使用。显然跑 道的构型及其功能将直接影响跑道的容量限制。 同 时 ,机场附近总是有一定数量的走廊口 , 飞机在进港 和离港都要经过某一走廊口 [4～ 6 ]。
收稿日期 : 2003-02-25
在空中交通中导致航班延误的原因很多。 航班 延误不仅会造成巨大的经济损失 , 而且旅客也深受
基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 69784004) 作者简介 : 马正平 ( 1973-) , 男 (汉 ) , 四川 , 博士研究生 。 通讯联系人 : 崔德光 , 副教授 , E -mai l : cui @ ci ms. t singh ua. edu. cn
其实 , 机场容量除了跑道以外还受滑行道 ,停机位等 因素的限制。 一般情况下 , 这些因素影响不大 , 这里
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清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )
2003, 43( 7)
先不考虑 ,在以后的研究中会考虑这些因素 。 5) 在第 i+ 1段时间开始机场总的到达队列和 流量 ,出发队列和流量分别为:
[1～ 3 ]
Flow distribution and optimal scheduling in airport terminal area
MA Zhengping 1 , CUI Deguang 1 , XIE Yulan 2 ( 1. Department of Automation , Tsinghua University, Bei jing 100084, Chi na; 2. North Chi na Regional ATM Bureau of CAAC, Bei jing 100621, Chi na) Abs tract : Seriou s f ligh t d elays w il l be caus ed by i ncreasi ng ai r t raf fi c demands. Thi s paper present s a model f or t raff ic fl ow di st ribu tion and opt imal sch edu li ng i n th e t ermi nal area fo r ai r t raf fic fl ow management ( A TFM ) . Th e model p rovides m ore eff ici en t u tili zation of exis ti ng t ermi nal capaci ty i n each ti me i nt erval to op timi ze fl ow di s tribu tions and allevi ate consequences of fli ght delays. The m od el t reat s th e arrivals and departu res as t w o i nt erd ependen t processes to opti mi ze t he airport fl ow dis t rib uti on. The mod el also con siders th e dynami c charact eri sti cs of th e ti me-depend ent al locati on of ai rport capaci t y and th e t radeoff bet w een arrivals and departu res al ong w i th th e dynami c charact eri sti cs of traff ic demand and w eath er. Th e model is perf et tl y veri fi ed wi th dat a f rom an i nt ernati onal ai rpo rt in China. Key words : sys tem mod el; air t raf fic f low managemen t ( A T FM ) ; capaci t y; queue
( 1) ( 2)
2) Q 、 Q 代表第 i 段时间开始由第 i - 1段时 间留下给各走廊口的等待队列 , 显然有 QA( i+ QD( i+
k j 1) 1)
= QAi + D Ai - F Ai , i ∈ I , j ∈ J ; ( 3) = Q Di + D Di - F Di , i ∈ I , k ∈ K . ( 4)
ISSN 1000-0054 清华大学学报 ( 自然科学版 ) 2003年 第 43 卷 第 7 期 CN 11-2223 /N J Tsingh ua U niv ( Sci & Tech ) , 2003, V o l. 43, N o. 7
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机场终端区流量分配及优化调度
k k k
j
j
j
上述两个方程说明第 i+ 1 段时间开始走廊口的等 待队列应该是在第 i 段时间开始的走廊口的等待队
图 2 机场跑道和走廊口系统示意图
3 分析与建模
模型的目标是将某一段要考察的时间 T 划分 成若干时间段 , 根据每个时间段内走廊口系统的初 始交通需求和容量来预测实际流量 , 在实现跑道和 走廊口的容量最优利用的基础上寻求整个机场系统 的到达和出发流量的最大化 (或者整个机场到达和 出发延误航班队列的最小化 )。 先作如下符号定义: N AF、 N DF分别为机场到达和出发走廊口数 。 T 为需要考察的时间 , 它被分割成长度为 K的 N 段不 连续的时间段 (例如 K= 15 mi n ) , 即 T = NK. I = { 1, 2, … , N } , 代表一组时间间隔。 J = { 1, 2, … , N A F } , K = { 1, 2, … , N DF }分别为
马正平 , 等 : 机场终端区流量分配及优化调度
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到达和出发走廊口集合。 ( 1) ( 2) ( M) J= {j ( U ) , j ( U ) , … , j ( U ) }为在 M 种 天气条件下机场容量曲线 。 Yi = j i ( X i )决定机场在第 i 个时间间隔内在第 m 种天气条件下的到达 — 出发容量曲线 。 X 代表到 达 , Y 代表出发。 j i ( X i )∈ J , m = { 1, … , M } 。 CAi、 D Ai 、 Q Ai 、 F Ai 分别代表在第 i 个时间间隔 内第 j 个到达走廊口的容量、需求、 队列和流量 , i∈ I , j∈ J . CDi 、 D Di 、 QDi 、 FDi分别代表在第 i 个时间间隔 内第 k 个出发走廊口的容量、 需求、 队列和容量 , i ∈ I , k∈ K . CRAi、 CRDi 分别代表在第 i 个时间间隔内跑道的 到达和出发容量 , i∈ I . Q Ai 、 F Ai、 QDi 、 FDi分别代表整个机场系统在第 i 段时间内的到达和出发过程的队列和流量。 下面首先给出模型的约束条件 : 1) 显然 , 在第 i 段时间各走廊口的实际流量不 能超出各走廊口在该时间段的容量 。 即 F Ai ≤ CAi , i ∈ I , j ∈ J ; F ≤ C , i ∈ I , k ∈ K .
j Ai k Di j Di j Di j j k k k k j j j j m m
图 1 受天气影响下的机场容量曲线
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图 2 是中国某国际机场跑道和走廊口示意图。 图中有两条相互平行的跑道 。 走廊口为三进 、三出的 运行结构。 出发走廊口分别是 DF1, DF2, DF3 。到 达走廊口分别是 AF1, AF2, AF3 。
1 在天气影响下机场的到达和出发容量
机场的调度中 , 在天气较好的情况下一般都采 用目视飞行规则 ( V F R) , 天气较差的情况一般都采 用仪表飞行规则 ( IF R)。 不同情况下机场的容量是 不一样的 。 我们认为机场的到达容量和出发容量是 相互关联的。 机场容量可以由到达 — 出发曲线来表 示 (见图 1)
马正平 , 崔德光 , 谢玉兰
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( 1. 清华大学 自动化系 , 北京 100084; 2. 民航华北空管局 , 北京 100621)
摘 要 : 针 对日益 增长的 空中交通 需求所 带来的 严重的 航 班延误 , 给出了一种空中交通流量管理 ( A T FM )终端区 流量 分配及优化调度的模型 。它可以实现对终端区 某一特定时段 内现有容量更有效的利用 ,进一步优化流量分配方案从 而减 轻航班延误的影响 。模型在考虑机场的到达和 出发过程相关 的条件下实现对机场流量的最优分配 ,还考虑了机场容 量按 时间动态分配的特性以及在交通需求和 天气的动态特性下 , 达到和出发过程之间的流量协调 。最后利用中 国某国际机场 的实际数据对模型进行了验证 ,取得了很好的效果 。 关键词 : 系统模型 ; 空中交通流量管理 ; 容量 ; 队列 中图分类号 : N 945. 12 文章编号 : 1000-0054( 2003) 07-087604 文献标识码 : A
N
AF
走廊口的实际流量均在其容量范围内 , 即满足不等 式 ( 1) , ( 2)。 第 3 次: 机场容量协同曲线约束 。 通过第三次 分配保证实际到达和出发流量在机场的到达 出发 容量曲线内 ,即满足不等式 ( 5) , ( 6)。 不等式 ( 7) , ( 8)可以在确定机场到达 出发容量 曲线时加以控制 。 在第 2次分配中尽量满足期望流 量较大者 。 在第 3次分配中按第 2次分配的结果中 期望到达流量所占比例 F Ai /( F Ai + FDi )≤U i 来决定 以谁为主从而确定另一方在机场容量曲线内的值 。 U i ∈ [ 0, 1 ] , i∈ I 的选择还可以保证决策者根据自 己的经验及当前实际情况人为调整 , 获取当前最优 流量分配 。