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飞行区进离场航班跑道和滑行道双层协同优化调度方法

夏朝禹 刘卫东 胡明华 侯昌波 文轶 杨柯

夏朝禹, 刘卫东, 胡明华, 侯昌波, 文轶, 杨柯. 飞行区进离场航班跑道和滑行道双层协同优化调度方法[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(5): 42-53. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.05.005
引用本文: 夏朝禹, 刘卫东, 胡明华, 侯昌波, 文轶, 杨柯. 飞行区进离场航班跑道和滑行道双层协同优化调度方法[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(5): 42-53. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.05.005
XIA Chaoyu, LIU Weidong, HU Minghua, HOU Changbo, WEN Yi, YANG Ke. A Bi-layer Coordinated Optimization Scheduling Method of Runway and Taxiway for Arriving and Departing Flights in Airfield Area[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(5): 42-53. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.05.005
Citation: XIA Chaoyu, LIU Weidong, HU Minghua, HOU Changbo, WEN Yi, YANG Ke. A Bi-layer Coordinated Optimization Scheduling Method of Runway and Taxiway for Arriving and Departing Flights in Airfield Area[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(5): 42-53. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.05.005

飞行区进离场航班跑道和滑行道双层协同优化调度方法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.05.005
基金项目: 

国家重点研发计划项目 2022YFB2602405

成都市“揭榜挂帅”项目 2021-JB00-00025-GX

详细信息
    通讯作者:

    夏朝禹(1994—),助理研究员. 研究方向:协同式空中交通管理. E-mail:xcycuit@163.com

  • 中图分类号: U8

A Bi-layer Coordinated Optimization Scheduling Method of Runway and Taxiway for Arriving and Departing Flights in Airfield Area

  • 摘要: 针对大型枢纽机场飞行区跑道与滑行道调度尚未形成级联运行模式,导致跨域异质航班流无法实现有限机场容量下统筹规划及合理调度等问题,研究了飞行区进离场航班跑道和滑行道双层协同优化调度方法。在跑道调度阶段,提出考虑跑道更换成本的联合进离场多跑道调度模型,通过最小化更换跑道的无阻碍滑行时间,在保证跑道累计延误量最小的同时尽可能抑制额外产生的滑行时间。在场面滑行调度阶段,最小化航班累计总滑行时间和跑道调度期望离场时间偏差,将复杂场面航班运行的逻辑关系以及管制规则精确抽象为多元线性化约束条件,采用闭环反馈修订机制防止跑道-滑行道协同优化调度中策略不匹配问题。以成都双流国际机场和天府国际机场为实验场景进行模拟验证。仿真结果表明:相比于先到先服务策略,首次迭代单架航班平均跑道延误时间缩短16.9 s,累计航班滑行时间平均可降低14.27%;采用闭环反馈修订机制后平均能够在1.35次迭代内找到相互匹配的调度计划。同时分析了所提3类不同双层协同优化调度策略性能优劣。本文方法有助于推动建立综合化的进离场及场面协同管理技术体系,促使形成以数字驱动为核心的飞行区交通流精细化控制能力。

     

  • 图  1  机场飞行区进离场与场面运行一体化调度过程

    Figure  1.  Integration of arrival-departure and surface operations scheduling in airfield area

    图  2  跑道-滑行道协同调度反馈机制

    Figure  2.  Integrated Runway and Taxiway Scheduling Feedback Mechanism

    图  3  RCADS调度结果对比FCFS调度结果

    Figure  3.  Comparison of runway scheduling results between the RCADS and FCFS

    图  4  ASM调度结果对比FCFS(场面滑行)调度结果

    Figure  4.  Comparison of surface scheduling results between the ASM and FCFS(Surface taxiing)

    表  1  连续航班对类型尾流时间间隔

    Table  1.   Minimum runway separation criteria for various types of the leader-follow aircraft 单位: s

    前序进场航班 后序进场航班 前序离场航班 后序离场航班
    轻型 中型 大型 重型 轻型 中型 大型 重型
    轻型 87 76 76 69 轻型 60 60 60 60
    中型 145 101 76 69 中型 60 60 60 60
    大型 145 101 101 103 大型 60 60 60 60
    重型 174 127 127 103 重型 60 60 60 60
    前序离场航班 后序进场航班 前序进场航班 后序离场航班
    轻型 中型 大型 重型 轻型 中型 大型 重型
    轻型 112 99 99 99 轻型 70 70 70 70
    中型 112 99 99 99 中型 70 70 70 70
    大型 112 99 99 99 大型 70 70 70 70
    重型 112 99 99 99 重型 70 70 70 70
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    表  2  不同案例下航班计划信息

    Table  2.   Aircraft information for various instances

    案例 航班总数/架 每种类型航班数/架 计划时间窗区间 平均架次/min 进/离场航班
    轻型 中型 大型 重型
    案例1 8 2 4 2 0 [60, 860] 0.60 4/4
    案例2 11 1 8 1 1 [100, 780] 0.97 7/4
    案例3 11 2 6 2 1 [100, 700] 1.10 4/7
    案例4 14 2 8 1 3 [100, 800] 1.20 5/9
    案例5 14 3 7 2 2 [100, 800] 1.20 4/10
    案例6 16 3 9 1 3 [100, 800] 1.37 7/9
    案例7 17 3 10 3 1 [100, 800] 1.46 7/10
    案例8 17 4 7 2 3 [100, 800] 1.46 5/12
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    表  3  案例5航班飞行计划

    Table  3.   Flight plan in instance 5

    航班号 航班类型 ETA/ETD 航班号 航班类型 ETA/ETD
    A1 中型 100 D4 中型 360
    A2 大型 140 D5 轻型 420
    A3 中型 320 D6 大型 560
    A4 重型 400 D7 中型 630
    D1 中型 130 D8 中型 700
    D2 中型 180 D9 轻型 200
    D3 轻型 270 D10 重型 800
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    表  4  ZUUU首次迭代中多跑道调度模型性能分析

    Table  4.   Performance analysis of multi runway scheduling model in the first iteration at ZUUU

    案例 累计总延误时/s 单架航班最大延误量/s GPU计算耗时/s 离场航班累计无阻碍滑行时间/s 对比FCFS算法性能提升
    CADS RCADS
    FCFS CADS RCADS FCFS CADS RCADS FCFS CADS RCADS FCFS CADS RCADS 提升率/% 提升率/%
    1 49 0 0 49 0 0 0.23 < 0.5 < 0.5 2 580 2 160 2 160 100 100
    2 129 46 46 59 21 21 0.24 2.13 1.64 1 920 1 560 1 560 64.34 64.34
    3 304 51 51 90 30 30 0.24 2.28 1.70 4 500 3 060 3 060 83.22 83.22
    4 457 126 126 99 60 60 0.23 13.50 12.16 6 120 4 980 4 920 72.43 72.43
    5 474 108 114 126 46 46 0.23 17.84 10.02 5 280 5 280 4 260 77.22 75.95
    6 1 458 149 149 216 61 61 0.23 28.89 20.44 5 760 3 840 3 840 89.78 89.78
    7 565 80 80 148 47 47 0.24 22.09 17.45 5 220 4 380 4 380 85.84 85.84
    8 1 217 236 236 184 94 94 0.24 233.14 113.02 7 680 6 300 6 300 74.88 74.88
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    表  5  ZUTF首次迭代中多跑道调度模型性能分析

    Table  5.   Performance analysis of multi runway scheduling model in the first iteration at ZUTF

    案例 累计总延误时/s 单架航班最大延误量/s GPU计算耗时/s 离场航班累计无阻碍滑行时间/s 对比FCFS算法性能提升
    CADS RCADS
    FCFS CADS RCADS FCFS CADS RCADS FCFS CADS RCADS FCFS CADS RCADS 提升率/% 提升率/%
    1 32 0 0 32 0 0 < 0.1 0.89 0.69 1 920 1 980 1 920 100 100
    2 209 0 9 89 0 9 < 0.1 12.97 7.40 2 160 2 160 1 980 100 95.63
    3 99 0 0 69 0 0 < 0.1 8.42 7.91 4 740 4 080 4 080 100 100
    4 95 27 57 39 27 30 < 0.1 73.41 31.76 4 380 5 520 4 200 71.58 68.42
    5 208 0 60 89 0 50 < 0.1 62.28 42.83 5 820 6 420 4 920 100 71.15
    6 153 30 30 57 20 20 < 0.1 52.25 38.32 4 800 4 920 4 560 80.39 80.39
    7 273 0 0 90 0 0 < 0.1 170.28 116.31 5 820 5 820 5 820 100 100
    8 113 30 40 57 10 30 < 0.1 162.05 111.31 6 660 5 700 5 580 73.45 64.60
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    表  6  ASM调度与RCADS跑道调度平均离场调度时间偏差

    Table  6.   Average departure scheduling time deviation between ASM scheduling and RCADS runway scheduling 单位: s

    案例 ZUUU ZUTF 案例 ZUUU ZUTF
    案例1 0 5.0 案例5 16.4 2.2
    案例2 0 14.0 案例6 0 22.0
    案例3 16 3.5 案例7 10.2 2.0
    案例4 28 8.7 案例8 11.9 4.4
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    表  7  协同跑道和滑行道级联优化策略

    Table  7.   Coordinated optimization scheduling of runway and taxiway

    策略 名称 定义
    A FCFS-ASM(FCFS) 跑道调度采用FCFS策略,路径规划采用ASM。迭代反馈时跑道调度采用FCFS策略
    B RCADS-ASM(FCFS) 跑道调度采用RCADS策略,路径规划采用ASM。迭代反馈时跑道调度采用FCFS策略
    C RCADS-ASM(RCADS) 跑道调度采用RCADS策略,路径规划采用ASM。迭代反馈时跑道调度采用RCADS策略
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    表  8  ZUUU级联双层协同优化调度有效性分析(标称滑行路径)

    Table  8.   Effectiveness analysis of ZUUU double-layer collaborative optimization scheduling (nominal path)

    案例 优化策略 累计跑道延误时间/s 离场航班停机位等待/s 累计滑行时间/s 离场航班累计滑行时间/s 进场航班累计滑行时间/s 额外迭代次数/次 额外迭代平均跑道调度耗时/s 额外迭代平均场面调度耗时/s
    A 49 585 5 112 1 995 3 117 0
    1 B 0 889 4 808 1 691 3 117 0
    C 0 889 4 808 1 691 3 117 0
    A 129 338 7 131 1 582 5 549 0
    2 B 46 560 6 909 1 360 5 549 0
    C 46 560 6 909 1 360 5 549 0
    A 870 1 054 6 583 3 938 2 645 2 < 0.1 < 0.1
    3 B 163 1 980 5 307 2 662 2 645 1 < 0.1 < 0.1
    C 163 1 980 5 307 2 662 2 645 1 1.97 < 0.1
    A 1 889 833 10 600 6 470 4 130 2 < 0.1 0.10
    4 B 500 2 212 8 611 4 286 4 325 1 < 0.1 < 0.1
    C 385 2 907 7 727 3 598 4 129 2 5.39 0.11
    A 692 1 193 7 330 4 685 2 645 2 < 0.1 < 0.1
    5 B 278 1 896 6 392 3 662 2 730 1 < 0.1 < 0.1
    C 278 1 896 6 392 3 662 2 730 1 5.97 0.10
    A 2 706 1 292 11 037 5 665 5 372 1 < 0.1 < 0.1
    6 B 149 2 721 8 085 3 089 4 996 0
    C 149 2 721 8 085 3 089 4 996 0
    A 749 1 266 10 003 4 342 5 661 1 < 0.1 0.17
    7 B 182 1 616 9 368 3 706 5 662 2 < 0.1 0.14
    C 182 1 616 9 368 3 706 5 662 2 13.08 0.14
    A 2 657 1 959 11 305 7 417 3 888 1 < 0.1 < 0.1
    8 B 443 2 370 9 608 5 717 3 891 2 < 0.1 < 0.1
    C 445 3 060 8 916 5 025 3 891 2 14.53 < 0.1
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    表  9  ZUTF级联双层协同优化调度有效性分析(标称滑行路径)

    Table  9.   Effectiveness analysis of ZUTF double-layer collaborative optimization scheduling (nominal path)

    案例 优化策略 累计跑道延误时间/s 离场航班停机位等待/s 累计滑行时间/s 离场航班累计滑行时间/s 进场航班累计滑行时间/s 额外迭代次数/次 额外迭代平均跑道调度耗时/s 额外迭代平均场面调度耗时/s
    A 52 138 3 214 1 802 1 412 1 < 0.1 < 0.1
    1 B 20 138 3 214 1 802 1 412 1 < 0.1 < 0.1
    C 20 138 3 214 1 802 1 412 1 0.58 < 0.1
    A 460 254 4 713 2 137 2 576 2 < 0.1 < 0.1
    2 B 9 1 120 3 567 1 040 2 527 0
    C 9 1 120 3 567 1 040 2 527 0
    A 99 684 6 165 4 086 2 079 0
    3 B 25 1 226 5 618 3 539 2 079 1 < 0.1 < 0.1
    C 25 1 226 5 618 3 539 2 079 1 6.47 < 0.1
    A 233 709 5 749 3 789 1 960 2 < 0.1 < 0.1
    4 B 135 775 5 673 3 713 1 960 2 < 0.1 < 0.1
    C 135 775 5 673 3 713 1 960 2 21.88 < 0.1
    A 291 892 6 706 5 049 1 657 2 < 0.1 < 0.1
    5 B 82 1 806 5 753 4 096 1 657 2 < 0.1 < 0.1
    C 82 1 806 5 753 4 096 1 657 2 14.13 < 0.1
    A 344 600 6 431 4 471 1 960 3 < 0.1 0.13
    6 B 228 608 6 380 4 420 1 960 3 < 0.1 0.14
    C 228 608 6 380 4 420 1 960 3 11.21 0.14
    A 293 1 095 6 885 4 845 2 040 1 < 0.1 < 0.1
    7 B 39 1 005 6 885 4 845 2 040 1 < 0.1 < 0.1
    C 39 1 005 6 885 4 845 2 040 1 31.14 < 0.1
    A 169 1 082 7 694 5 734 1 960 4 < 0.1 0.12
    8 B 93 1 836 6 937 4 977 1 960 3 < 0.1 0.13
    C 93 1 836 6 937 4 977 1 960 3 21.58 0.13
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  • 收稿日期:  2024-04-20
  • 网络出版日期:  2025-01-22

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