CN106066906A - 一种基于随机模拟的平行跑道容量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于随机模拟的平行跑道容量计算方法，步骤如下：设置计算跑道容量的初始参数。生成航空器起降类型向量。生成机型向量。为每个进港或离港航班按比例分配对应的一个进港点或离港点。为每一个航班分配1条跑道，生成跑道向量。从第1架飞机开始，依次计算第i架、第i+1架航班的间隔S_i,i+1。计算后面每一架起降时刻。统计出的航班数量，作为在当前随机条件下的容量值。仿真N次后，取平均值作为跑道容量值。计算结果显示出来。采用蒙特卡洛方法模拟变量随机性，按照离散事件系统原理，递归计算每个航班的起降时刻，通过统计1小时内的航班数量获得容量值，从而实现科学评价跑道规划方案，合理安排航班时刻和精准实施流量管理。

Description

一种基于随机模拟的平行跑道容量计算方法

技术领域

本发明涉及机场规划领域，特别涉及一种基于随机模拟的平行跑道容量计算方法，应用本方法可以为机场跑道数量和构型的规划设计提供技术基础。

背景技术

跑道容量评估是科学评价跑道规划方案、合理安排航班时刻、精准实施流量管理的重要基础性工作。随着我国多跑道运行机场的不断增加，多跑道容量评估逐渐成为研究热点。国内外有关跑道容量评估方法主要有3种：一是实证方法，二是数学分析法，三是计算机仿真法。

实证方法是通过长时间的记录和观察大量历史数据，剖析进离港流量的耦合关系，绘制出进离港容量曲线，通过最大流量来估算容量。实证方法对数据要求严格，如果该机场并未处于饱和状态，其统计结果必定无法反应真实的容量值。

数学分析法多适用于宏观的跑道理论容量评估，该方法的优点是计算速度非常快，但是对随机因素、交通流运行细节的微观刻画不够精准。

计算机仿真软件充分考虑了飞行过程中的随机因素，并具有较为完善的空中交通管制逻辑，因此仿真效果比较贴近实际，但是需要耗费大量人力和财力来建立复杂仿真环境和逻辑规则，难以全面推广。

考虑到现有机场跑道容量分析的现状，尚缺少一种能够快速、有效、实用的跑道容量计算方法。

发明内容

鉴于现有技术的状况及不足，本发明的目的在于，提供一种基于随机模拟的平行跑道容量计算方法，该方法基于蒙特卡洛随机模拟仿真实现跑道容量计算，以求准确、快速的计算跑道容量，给机场跑道规划、终端区规划提供技术基础。

本发明为实现上述目的，所采用的技术方案是：一种基于随机模拟的平行跑道容量计算方法,通过计算机系统辅助实现，所述计算机系统主要由客户端/服务器C/S模式构成，其特征在于：所述客户端包括第一客户端、第二客户端、第三客户端，所述服务器安装机场跑道数据库，管制运行规则数据库，用于向客户端提供机场坐标；

所述第一客户端安装数据录入模块，用于手动输入或批量导入所需要的初始参数；

所述第二客户端安装跑道容量计算模块，用于计算各种运行模式下的跑道容量值；所述

第三客户端安装图形显示模块，用于显示图形化结果分析；

数据录入模块、跑道容量计算模块和图形显示模块，用作平行跑道容量计算方法的实现平台；

数据录入模块存储容量计算所需的输入参数；

跑道容量计算模块应用蒙特卡洛随机模拟方法计算出平行跑道的起飞容量、降落容量和总容量；

图形显示模块用来显示起/降容量转换图、容量频次图和容量出现概率图；

所述平行跑道容量计算方法，步骤如下：

步骤1：设置计算跑道容量的初始参数，在数据录入模块中输入计算跑道容量的初始参数；

步骤2：根据输入的降落航班比例和航班总量，生成航空器起降类型向量DAT＝[0,0,1,...,1]，其中，0代表进港，1代表离港；

步骤3：根据输入的航空器轻、中、重的机型比例和航班总量，生成机型向量AT＝[1,2,2,...,3]，其中，1代表轻型，2代表中型，3代表重型；

步骤4：按照进离港航班在每个进离港点的流量比例，将进港点按照南北位置进行分类并编号，对离港点同样分类及编号，并按照进离港航班在每个进离港点的流量比例，为每个进港或离港航班按比例分配对应的一个进港点或离港点；

步骤5：根据初始输入的跑道使用模式及分配的进离港点，为每一个航班分配1条跑道，用于起飞或者降落，生成跑道向量RW＝[1,2,2...,1]，其中，“1”代表使用1号跑道，“2”代表使用2号跑道；

步骤6：从第1架飞机开始，依次计算第i架、第i+1架航班的间隔Si,i+1；其具体步骤如下：

a、根据输入的起飞/起飞间隔S_DD，起飞/降落间隔S_DA，降落/起飞间隔S_AD，降落/降落间隔S_AA，判断第i架、第i+1架航班的起降类型，计算因机型产生的间隔S1；

b、在相同跑道和不同跑道运行时，间隔是不一样的，判断第i架、第i+1架航班是否在同一条跑道，依次修正第i架、第i+1架的间隔S1，得到S2；

c、前后航班的机型也会影响它们的间隔，根据第i架、第i+1架飞机的机型，修正S2，得到Si,i+1；

步骤7：通过递归方法，根据前一架飞机的起降时刻以及步骤6所计算的前后飞机的间隔，来计算后面每一架起降时刻，第1架航班无论是起飞还是降落，将其时刻都设置为0，即t1＝0，通过递归方法，根据第i架飞机的起降时刻t_i和第i架、第i+1架飞机的间隔Si,i+1，来计算后面飞机的起降时刻；对于多跑道运行来说，不仅要考虑第i架和第i+1架飞机之间的间隔Si,i+1，还需要根据分配的跑道考虑第i-1架和第i+1架飞机之间的间隔Si-1,i+1；第i+1架飞机起飞时间计算公式不能简单按照公式(1)计算，必须先计算第i-1、i+1架飞机的间隔s_i-1,i+1，然后按照公式(2)计算，这样才能保证满足安全间隔；

t_i+1＝t_i+s_i,i+1 (1)

t_i+1＝max{t_i+s_i,i+1,t_i-1+s_i-1,i+1} (2)

步骤8：统计出t_i≤3600s的航班数量，作为在当前随机条件下的容量值；

步骤9：仿真N次后，取平均值，作为跑道容量值；

步骤10：道容量计算结果在图形显示模块中显示出来。

本发明的优点是：考虑到跑道分配、机型分配、起降类型分配、进离港点分配、航班流队列顺序等随机性，采用蒙特卡洛方法模拟变量随机性，按照离散事件系统原理，递归计算每个航班的起降时刻，通过统计1小时内的航班数量获得容量值。从而实现科学评价跑道规划方案，合理安排航班时刻和精准实施流量管理。

附图说明

图1为本发明计算机系统的结构示意图；

图2为本发明基于随机模拟的平行跑道容量计算流程图；

图3为本发明在仿真过程中计算得到的跑道容量值的分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种基于随机模拟的平行跑道容量计算方法,通过计算机系统辅助实现，所述计算机系统主要由客户端/服务器(1)(C/S)模式构成，客户端包括第一客户端(2)、第二客户端(3)、第三客户端(4)，在服务器(1)中安装机场跑道数据库，管制运行规则数据库，用于向客户端提供机场坐标；

在第一客户端(2)中安装数据录入模块，用于手动输入或批量导入所需要的初始参数；

在第二客户端(3)中安装跑道容量计算模块，用于计算各种运行模式下的跑道容量值；在第三客户端(4)在安装图形显示模块，用于显示图形化结果分析；

数据录入模块、跑道容量计算模块和图形显示模块，用作平行跑道容量计算方法的实现平台。

数据录入模块存储容量计算所需的输入参数；

跑道容量计算模块应用蒙特卡洛随机模拟方法计算出平行跑道的起飞容量、降落容量和总容量；

图形显示模块用来显示起/降容量转换图、容量频次图和容量出现概率图；

结合图2，以下给出实现平行跑道容量计算的实例：

步骤1：设置跑道容量计算的初始参数，仿真航班数量N＝80架次。

步骤2：进港航班比例在[0.1，0.9]之间，该比例每变化一次，将会产生航空器起降类型向量DAT＝[0，0，1，…，1]。

步骤3：输入轻型、中型和重型的航班比例分别为1％、98％和1％，生成机型向量AT＝[1，2，2，…，3]。

步骤4：为每个进港点和离港点分配流量比例，如表1所示，

表1各进出点航班量比例

进港点	航班比例	离港点	航班比例
				NUGLA	19.86％	LOVRA	19.63％
HO	19.17％	TEBIB	16.85％
				NSH	20.33％	NSH	14.51％
SHX	40.56％	SHX	14.04％
						UGSUT	34.98％

步骤5：设置跑道使用模式为1、2和3，分别表示“独立离港、相关进近”模式、“独立离港、独立进近”模式，以及“隔离运行”模式。根据跑道使用模式，生成跑道向量RW＝[1，2，2…，1]。

步骤6：按照飞机起降组合的不同，分别设置前后飞机间隔。

a、对于离港\进港飞机间隔，如果两架飞机在不同跑道上起降，则间隔设置为0，如果在同一条跑道上起降，则间隔设置为5km，前机才能放行；

b、对于进港\离港飞机间隔，如果两架飞机在不同跑道上起降，则间隔设置为0，如果在同一条跑道上起降，则设置为前机的跑道占用时间；

c、对于进港\进港飞机之间间隔，独立进近时，在不同跑道降落的飞机间隔设置0，相关进近时，在不同跑道降落的飞机满足斜距6km的间隔，在同一条跑道连续进近的飞机间隔满足表2的要求；

表2进港\进港飞机间隔(km)

d、对于离港\离港飞机间隔，当独立离港时，没有影响，在相同跑道相继离港飞机的间隔如表3所示：

表3离港\离港飞机间隔

离港方向	间隔
		相同方向	4min
不同方向，且都向北	2min
		不同方向，且都向南	3min
不同方向，一南一北	2min

按照上述4种间隔，根据之间的飞机的起降类型、机型、跑道等数据，就可以计算出间隔。

步骤7：计算每一架飞机的起降时刻

t1＝0；

t2＝0+120＝120秒；

t3＝120+180＝300秒；

依次递归类推，最终得到每架飞机的起降时刻向量T＝[0,120,300，...，3608，3620...]秒。

步骤8：计算起降时刻在3600秒以内的航班数量，本次仿真条件下，得到的容量为40。

步骤9：每一种跑道使用模式仿真次数均设置为40000次，取平均值作为该模式下的跑道容量，结果如表4所示：

表4跑道容量值

从表4可以看出，在模式一运行条件下，进港航班比例为0.7时，跑道容量值最大，为60架次/小时，在模式二运行条件下，进港航班比例为0.8或0.9时，跑道容量值最大，为78架次/小时，在模式三运行条件下，进港航班比例为0.7时，跑道容量值最大，为52架次/小时。

步骤10：跑道容量计算结果在图形显示模块中显示出来。

图3为仿真40000次过程中，跑道容量值的频次分布图，直方图的柱子越高说明在40000次仿真过程中该容量值出现的频次越多，就越接近于平均值。

根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。

Claims (1)

1.一种基于随机模拟的平行跑道容量计算方法,通过计算机系统辅助实现，所述计算机系统主要由客户端/服务器(1)C/S模式构成，其特征在于：所述客户端包括第一客户端(2)、第二客户端(3)、第三客户端(4)，所述服务器(1)安装机场跑道数据库，管制运行规则数据库，用于向客户端提供机场坐标；

所述第一客户端(2)安装数据录入模块，用于手动输入或批量导入所需要的初始参数；

所述第二客户端(3)安装跑道容量计算模块，用于计算各种运行模式下的跑道容量值；

所述第三客户端(4)安装图形显示模块，用于显示图形化结果分析；

数据录入模块、跑道容量计算模块和图形显示模块，用作平行跑道容量计算方法的实现平台；

数据录入模块存储容量计算所需的输入参数；

跑道容量计算模块应用蒙特卡洛随机模拟方法计算出平行跑道的起飞容量、降落容量和总容量；

图形显示模块用来显示起/降容量转换图、容量频次图和容量出现概率图；

所述平行跑道容量计算方法，步骤如下：

步骤1：设置计算跑道容量的初始参数，在数据录入模块中输入计算跑道容量的初始参数；

步骤2：根据输入的降落航班比例和航班总量，生成航空器起降类型向量DAT＝[0,0,1,...,1]，其中，0代表进港，1代表离港；

步骤3：根据输入的航空器轻、中、重的机型比例和航班总量，生成机型向量AT＝[1,2,2,...,3]，其中，1代表轻型，2代表中型，3代表重型；

步骤4：按照进离港航班在每个进离港点的流量比例，将进港点按照南北位置进行分类并编号，对离港点同样分类及编号，并按照进离港航班在每个进离港点的流量比例，为每个进港或离港航班按比例分配对应的一个进港点或离港点；

步骤5：根据初始输入的跑道使用模式及分配的进离港点，为每一个航班分配1条跑道，用于起飞或者降落，生成跑道向量RW＝[1,2,2...,1]，其中，“1”代表使用1号跑道，“2”代表使用2号跑道；

步骤6：从第1架飞机开始，依次计算第i架、第i+1架航班的间隔Si,i+1；其具体步骤如下：

a、根据输入的起飞/起飞间隔S_DD，起飞/降落间隔S_DA，降落/起飞间隔S_AD，降落/降落间隔S_AA，判断第i架、第i+1架航班的起降类型，计算因机型产生的间隔S1；

b、在相同跑道和不同跑道运行时，间隔是不一样的，判断第i架、第i+1架航班是否在同一条跑道，依次修正第i架、第i+1架的间隔S1，得到S2；

c、前后航班的机型也会影响它们的间隔，根据第i架、第i+1架飞机的机型，修正S2，得到Si,i+1；

步骤7：通过递归方法，根据前一架飞机的起降时刻以及步骤6所计算的前后飞机的间隔，来计算后面每一架起降时刻，第1架航班无论是起飞还是降落，将其时刻都设置为0，即t1＝0，通过递归方法，根据第i架飞机的起降时刻t_i和第i架、第i+1架飞机的间隔Si,i+1，来计算后面飞机的起降时刻；对于多跑道运行来说，不仅要考虑第i架和第i+1架飞机之间的间隔Si,i+1，还需要根据分配的跑道考虑第i-1架和第i+1架飞机之间的间隔Si-1,i+1；第i+1架飞机起飞时间计算公式不能简单按照公式(1)计算，必须先计算第i-1、i+1架飞机的间隔s_i-1,i+1，然后按照公式(2)计算，这样才能保证满足安全间隔；

t_i+1＝t_i+s_i,i+1 (1)

t_i+1＝max{t_i+s_i,i+1,t_i-1+s_i-1,i+1} (2)

步骤8：统计出t_i≤3600s的航班数量，作为在当前随机条件下的容量值；

步骤9：仿真N次后，取平均值，作为跑道容量值；

步骤10：道容量计算结果在图形显示模块中显示出来。