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考虑空域时空特性的动态多跑道使用策略优化方法

朱承元 白锴迪 赵志刚

朱承元, 白锴迪, 赵志刚. 考虑空域时空特性的动态多跑道使用策略优化方法[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(1): 94-104. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.01.011
引用本文: 朱承元, 白锴迪, 赵志刚. 考虑空域时空特性的动态多跑道使用策略优化方法[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(1): 94-104. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.01.011
ZHU Chengyuan, Bai Kaidi, ZHAO Zhigang. Optimization of Dynamic Multi-Runway Use Strategy Considering Spatio-Temporal Characteristics of Airspace[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(1): 94-104. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.01.011
Citation: ZHU Chengyuan, Bai Kaidi, ZHAO Zhigang. Optimization of Dynamic Multi-Runway Use Strategy Considering Spatio-Temporal Characteristics of Airspace[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(1): 94-104. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.01.011

考虑空域时空特性的动态多跑道使用策略优化方法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.01.011
基金项目: 

国家自然科学基金项目 U1833103

国家自然科学基金项目 62173332

中央高校基本科研业务费项目 3122017068

详细信息
    通讯作者:

    朱承元(1965—),博士,副教授. 研究方向:空域规划与仿真. E-mail: cyzhu@cauc.edu.cn

  • 中图分类号: V351.11;TP391.9

Optimization of Dynamic Multi-Runway Use Strategy Considering Spatio-Temporal Characteristics of Airspace

  • 摘要: 多跑道机场飞行区运行效率低下会导致空域-跑道系统容流供需失衡,进而造成终端区空域交通拥堵、航班延误现象频发。为提升多跑道机场终端区运行效率,借助全空域与机场模型软件(total airspace and airport modeler,TAAM)建立空域仿真模型,针对不同运行模式动态转换下对终端区交通流走向、扇区开合等空域时空特性的影响进行分析,提出1种考虑不同运行时段内终端区机场走廊口流量配比和进离港流量分布的动态多跑道使用策略优化方法。首先,使用TAAM综合考虑不同跑道运行模式下各扇区内航班流量、高度变更、移交协调及冲突解脱对管制负荷的影响,拟合得出不同跑道运行模式下基于当量航空器架次的各扇区管制负荷函数。以终端区内航班平均飞行时间、平均延误时间及管制员工作负荷为优化目标,建立了跑道使用策略优化模型。设计了1种基于航空器基本性能数据库(the base aircraft data,BADA)的多目标非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ),并结合机场实际运行条件在无运行限制、运行方向限制、运行模式限制等5种场景下进行仿真计算。对各场景Pareto最优解集进行评价得出不同场景下最优跑道使用策略,并使用TAAM进行仿真对比验证。结果表明:无运行限制和运行方向限制相较于单一跑道运行模式的航班服务效率提升10.15%,5.01%;管制员工作负荷减少3.91%,3.4%;延误时间减少28.86%,19.46%。

     

  • 图  1  半混合运行与混合运行示意图

    Figure  1.  Semi-mixed operation and mixed operation diagram

    图  2  跑道运行模式转换分类

    Figure  2.  Runway configuration conversion classification

    图  3  进近管制区部分扇区示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of some sectors of the approach control area

    图  4  机场进近管制区及部分进场程序示意图

    Figure  4.  Illustration of the airport approach control area and some approach procedures

    图  5  转换期间进场航空器处理示意图

    Figure  5.  Schematic diagram of aircraft handling during conversion

    图  6  算例机场跑道结构示意图

    Figure  6.  Schematic diagram of airport runway structure

    图  7  算例机场进近管制区部分结构示意图

    Figure  7.  Schematic diagram of part of the airport approach control area

    图  8  种群进化过程中管制负荷变化趋势

    Figure  8.  Workload trends in population evolution

    图  9  种群进化过程中平均延误时间变化趋势

    Figure  9.  Average delay time trends in population evolution

    图  10  Pareto前沿分布情况

    Figure  10.  Pareto frontier distribution

    图  11  跑道15min起降架次对比

    Figure  11.  Comparison of runway takeoff and landing sorties in 15min

    图  12  不同情景下平均飞行时间与平均延误时间

    Figure  12.  Average flight time and average delay time under different scenarios

    表  1  基本运行模式及间隔要求

    Table  1.   Basic operating mode and interval requirements

    跑道间距/m 运行模式
    ≥1 035 独立平行仪表进近
    ≥915 相关平行仪表进近
    ≥760 隔离平行运行
    ≥760 独立平行离场
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    表  2  不同机型尾流间隔标准

    Table  2.   Wake interval standards for different models  单位: km

    前机 后机
    7.4 9.3 11.1
    / / 9.3
    / / /
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    表  3  部分可行跑道运行模式

    Table  3.   Partial viable runway operation mode

    序号 可行跑道运行模式
    1 36L/36R类隔离运行,01/36L独立进近,01/36R隔离运行
    2 36L/36R类隔离运行,01/36L独立离场,01/36R独立平行进近
    3 36L/36R类隔离运行,36L/01相关进近,36R/01隔离运行
    4 36L/36R类隔离运行,36L/01独立进近,36R/01隔离运行、独立离场
    26 18L/18R类隔离运行,19/18L独立平行进近,19/18R隔离运行
    27 18R/18L类隔离运行,19/18R独立离场,19/18L独立平行进近
    28 18L/18R类隔离运行,18L/19独立进近,18R/19隔离运行、独立离场
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    表  4  部分航班信息

    Table  4.   Partial flight information

    航班号 机型 飞行类型 走廊口点 到达走廊口点时间 预计使用跑道时间
    T0001 A320 A 6 14:41 14:54
    T0002 A320 A 10 14:45 14:54
    T0003 A320 D 11 14:52 15:05
    T0004 A320 A 10 15:05 15:14
    T0005 A320 D 11 15:13 15:26
    T0199 B738 A 10 16:19 16:28
    T0200 B738 D 3 18:20 18:31
    T0201 A20N D 1 18:21 18:32
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    表  5  灵活跑道使用策略

    Table  5.   Flexible runway usage strategy

    时间段 跑道使用策略
    14:30—16:30 18L/18R类隔离运行,19/18L独立离场,19/18R独立平行进近
    16:30—19:30 36L/36R类隔离运行,01/36L独立离场,01/36R独立平行进近
    19:30—20:30 36L/36R类隔离运行,36L/01独立离场,36R/01隔离运行
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    表  6  部分航班时刻表

    Table  6.   Partial flight schedule

    航班号 走廊口 预计使用跑道时间 飞行模式 实际使用跑道时间 使用跑道
    T0002 2 15:00:00 14:51:04 18R
    T0111 11 14:52:00 14:52:00 19
    T0004 2 15:01:00 14:53:30 19
    T0003 10 15:02:00 14:54:58 18R
    T0053 10 16:36:00 16:38:59 36L
    T0124 5 16:37:00 16:38:59 01
    T0052 1 16:40:00 16:41:29 01
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    表  7  4种机场运行情景

    Table  7.   4 airport operation scenarios

    序号 情景内容
    情景1 气象条件仅能满足36方向运行
    情景2 18:00后仅能满足18方向运行
    情景3 仅使用4号运行模式
    情景4 仅使用28号运行模式
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    表  8  不同情景跑道使用策略

    Table  8.   Runway use strategies in different scenarios

    序号 时间段 跑道使用策略
    1 14:30—17:00 36L/36R类隔离运行,36L/01独立进近,36R/01隔离运行
    17:00—18:30 36L/36R类隔离运行,36L/01相关进近,36R/01隔离运行
    18:30—20:30 36L/36R类隔离运行,36L/01独立进近,36R/01隔离运行
    2 14:30—16:30 18L/18R类隔离运行,19/18L独立离场,19/18R独立平行进近
    16:30—18:00 36L/36R类隔离运行,01/36L独立离场,01/36R独立平行进近
    18:00—20:30 18L/18R类隔离运行,19/18L独立离场,19/18R独立平行进近
    3 14:30—20:30 36L/36R类隔离运行,36L/01独立进近,36R/01隔离运行、独立离场
    4 14:30—20:30 18L/18R类隔离运行,18L/19独立进近,18R/19隔离运行、独立离场
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    表  9  各情景下最优策略结果对比

    Table  9.   Comparison of optimal strategy results in each scenario

    平均飞行时间/min 平均延误时间/s 管制员负荷/架次
    无限制 14.34 83.95 95.91
    情景1 15.16 95.05 96.41
    情景2 15.84 102.39 98.81
    情景3 15.41 96.82 99.82
    情景4 15.96 118.02 99.12
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    表  10  不同情景各时间片扇区平均负荷

    Table  10.   The average load of different time segments in different scenarios  单位: 架次

    时间片 灵活 情景1 情景2 情景3 情景4
    1 79.69 98.46 100.80 108.00 111.60
    2 117.00 136.55 180.09 156.46 182.45
    3 114.66 143.91 164.25 149.54 157.70
    4 90.23 105.73 111.01 104.45 90.61
    5 81.86 98.84 118.44 86.45 78.25
    6 122.20 126.02 170.42 120.11 126.41
    7 140.06 131.76 184.45 131.76 144.65
    8 140.02 128.23 134.78 129.22 140.02
    9 102.42 90.22 93.62 94.88 98.10
    10 35.26 33.23 33.79 33.23 54.29
    11 3.40 3.22 3.22 3.80 4.61
    12 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
    平均 85.57 91.35 107.91 93.17 99.05
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  • [1] PINOL H, BEASLEY J E. Scatter search and bionomic algorithms for the aircraft landing problem[J]. European Journal of Operational Research, 2006, 171(2): 439-462. doi: 10.1016/j.ejor.2004.09.040
    [2] LEE H, BALAKRISHNAN H. Fuel cost, delay and throughput tradeoffs in runway scheduling[C]. 2008 American Control Conference, Washington, American: IEEE, 2008.
    [3] BALAKRISHNAN H, CHANDRAN B G. Algorithms for scheduling runway operations under constrained position shifting[J]. Operations Research, 2010, 58(6): 1650-1665. doi: 10.1287/opre.1100.0869
    [4] ANDREEVA-MORI A, SUZUKI S, ITOH E. Rule derivation for arrival aircraft sequencing[J]. Aerospace Science and Technology, 2013, 30: 200-209. doi: 10.1016/j.ast.2013.08.004
    [5] 马园园, 胡明华, 张洪海, 等. 多机场终端区进场航班协同排序方法[J]. 航空学报, 2015, 36(7): 2279-2290. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKXB201507020.htm

    MA Y Y, HU M H, ZHANG H H, et al. Optimized method for collaborative arrival sequencing and scheduling in metroplex terminal area[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2015, 36(7): 2279-2290. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKXB201507020.htm
    [6] 魏明, 孙博, 吴维. 考虑多跑道运行模式的进离场航班排序优化模型[J]. 工业工程与管理, 2021, 26(5): 68-73. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GYGC202105009.htm

    WEI M, SUN B, WU W. An optimization model for inbound and outbound flight scheduling with consideration of multi-runway operation mode[J]. Industrial Engineering and Management, 2021, 26(5): 68-73. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GYGC202105009.htm
    [7] 王宁, 翟文鹏. 基于点融合的多跑道进场航班排序[J]. 交通信息与安全, 2021, 39(6): 108-116. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2021.06.013

    WANG N, ZHAI W P. A method based on point fusion procedure for scheduling arrival flights on multiple runways[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2021, 39(6): 108-116. (in Chinese) doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2021.06.013
    [8] 陈可嘉, 司徒腾宽, 林鸿熙. 考虑跑道复杂依赖关系的多目标飞机排序模型[J]. 南京航空航天大学学报, 2023, 55(6): 1025-1032. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NJHK202306009.htm

    CHEN K J, SITU T K, LIN H X. Multi-objective aircraft sequencing model considering complex interdependent runways[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2023, 55(6): 1025-1032. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NJHK202306009.htm
    [9] GILBO, E P. Airport capacity: representation, estimation, optimization[J]. Control Systems Technology IEEE Transactions on, 1993, 1(3): 144-154. doi: 10.1109/87.251882
    [10] CHRISTOPHER W, MICHAEL D, REX K. A runway configuration management model with marginally decreasing transition capacities[J]. Advances in Operations Research, 2010, 2(1): 1-21.
    [11] BERTSIMAS D, FRANKOVICH M, ODONI A. Optimal selection of airport runway configurations[J]. Operations Research, 2011, 59(6): 1407-1419. doi: 10.1287/opre.1110.0956
    [12] 尹嘉男, 胡明华, 张洪海, 等. 多跑道协同运行模式优化方法[J]. 航空学报, 2014, 35(3): 795-806. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKXB201403021.htm

    YIN J N, HU M H, ZHANG H H, et al. Optimization approach for collaborative operating modes of multi-runway systems[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2014, 35(3): 795-806. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKXB201403021.htm
    [13] 孙海勇. 多跑道运行策略与仿真研究[D]. 天津: 中国民航大学, 2021.

    SUN H Y. Research on multi-runway operation strategy and simulation[D]. Tianjin: Civil Aviation University of China, 2021. (in Chinese)
    [14] 张颖, 阿音格, 尹嘉男, 等. 基于随机规划的跑道运行模式及容量优化决策[J]. 航空计算技术, 2022, 52(5): 46-50. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKJJ202205011.htm

    ZHANG Y, A Y G, YIN J N, et al. Runway operation configuration and capacity optimized decision based on stochastic programming[J]. Aeronautical Computing Technique, 2022, 52(5): 46-50. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKJJ202205011.htm
    [15] 中国民用航空总局. 平行跑道同时仪表运行管理规定: CCAR-98TM[S]. 北京: 中国民用航空总局公报, 2004.

    Civil Aviation Administration of China. Regulation for simultaneous instrument operation on parallel runways: CCAR-98TM[S]. Beijing: Communique of the Civil Aviation Administration of China, 2004. (in Chinese)
    [16] 王莉莉, 于凯笛. 基于航班计划的进近扇区预战术开合策略研究[J]. 飞行力学, 2022, 40(4): 87-94. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FHLX202204014.htm

    WANG L L, YU K D. Research on pre-tactical operating strategy of approach sector based on flight plan[J]. Flight Dynamics, 2022, 40(4): 87-94. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FHLX202204014.htm
    [17] 朱承元, 张澈, 管建华. 基于改进支持向量机的空域交通态势识别方法[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(2): 76-85. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.02.008

    ZHU C Y, ZHANG C, GUAN J H. A method for monitoring traffic state in the airspace based on an improved support vector machine[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(2): 76-85. (in Chinese) doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.02.008
    [18] ZELINSKI S. Precision arrival scheduling for tactical reconfiguration[C]. 2013 Aviation Technology, Integration, and Operations Conference, Los Angle, American: AIAA, 2013.
    [19] DEB K, AGRAWAL S, PRATAP A, et al. A fast elitist non-dominated sorting genetic algorithm for multi-objective optimization: NSGA-Ⅱ[J]. IEEE Trans. Evolutionary Computation, 2002, 6(2): 187-197.
    [20] 韩鹤. 基于NSGA-Ⅱ的气象灾害应急储备库选址与资源调度模型研究[D]. 南京: 南京信息工程大学, 2017.

    HAN H. Reserch on emergency reserve location and resource scheduling model under the meteorological disaster based on NSGA-Ⅱ[D]. Nanjing: Nanjing University of Information Science and Technology, 2017. (in Chinese)
    [21] 左青海, 杨凡, 潘卫军. 民用航空器尾流重新分类发展综述[J]. 河南科技, 2020, 39(26): 65-70. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HNKJ202026028.htm

    ZUO Q H, YANG F, PAN W J. Review on the development of aircraft wake turbulence re-categorization[J]. Henan Science and Technology, 2020, 39(26): 65-70. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HNKJ202026028.htm
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  • 收稿日期:  2023-08-07
  • 网络出版日期:  2024-05-31

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