CN112800382B

CN112800382B - 一种基于航班离场成本的推出时隙分配优化方法及系统

Info

Publication number: CN112800382B
Application number: CN202110053113.8A
Authority: CN
Inventors: 万莉莉; 赵文涛; 彭秋萍; 张天赐; 田勇; 王湛
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2021-01-14
Filing date: 2021-01-14
Publication date: 2022-03-11
Anticipated expiration: 2041-01-14
Also published as: CN112800382A

Abstract

本发明公开了一种基于航班离场成本的推出时隙分配优化方法及系统，该方法包括以下步骤：根据机场历史运行数据计算推出率；根据推出率获取推出时隙数量及时隙长度；根据航班的整体运行流程建立航班离场成本模型；根据航班离场成本模型建立航空器推出时隙分配模型；根据时隙数量对时隙长度内的航空器推出时隙分配模型进行求解，获取推出时隙分配优化方案。本发明弥补了基于推出率控制策略的航空器推出时隙优化分配研究的空白，能有效减少航班离场成本，降低旅客等待时间，提高场面运行效率。帮助相关决策部门制定科学高效的航空器推出管理方案，促进我国民航运输业的可持续发展。

Description

一种基于航班离场成本的推出时隙分配优化方法及系统

技术领域

本发明涉及机场场面运行推出管理领域，具体涉及一种基于航班离场成本的推出时隙分配优化方法及系统。

背景技术

随着民航事业的高速发展，我国航空运输系统也面临着诸多挑战，具体表现为机场高峰时刻资源紧张，航班延误加剧，场面严重拥堵等问题。随着航空需求的不断增长，大型枢纽机场的容量趋于饱和，场面拥堵与航班延误情况则更为严重，根据《2019年全球机场和航空公司准点率报告》，2019年，中国大陆3000万级以上机场共有11个，平均准点率仅为74.9％。如何缓解机场场面拥堵，以适应日益增长的空中交通流量，成为了我国民航业亟待解决的关键问题。

推出率控制策略通过适当推迟离场航班的推出时间让离场航班在滑行道及跑道口等待的时间转化为在停机位等待的时间，可有效减少离场航班的滑行时间，燃油消耗及航空公司的运营成本，从而提高场面整体运行效率。当前我国机场的航空器推出管理遵循先到先服务原则(First Come First Service，FCFS)，按照FCFS原则，管理部门优先推出申请推出时刻较早的航空器，然而高峰时段内，离场航空器众多且申请推出时刻集中，因此遵循FCFS的推出时隙分配方式极易造成场面拥堵。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于航班离场成本的推出时隙分配优化方法及系统，以解决现有技术中存在的离场航班容易拥堵，航空器推出管理方案不够高效的问题。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于航班离场成本的推出时隙分配优化方法，包括以下步骤：

根据机场历史运行数据计算推出率；

根据推出率获取推出时隙数量及时隙长度；

根据航班的整体运行流程建立航班离场成本模型；

根据航班离场成本模型建立航空器推出时隙分配模型；

根据时隙数量对时隙长度内的航空器推出时隙分配模型进行求解，获取推出时隙分配优化方案。

进一步的，所述推出率的计算过程如下：

根据机场历史运行数据计算航班的平均无阻碍滑行时间；

根据所述平均无阻碍滑行时间获取单位时间窗跨度；

获取每个单位时间窗内的到达航班量、起飞航班量和离场航班滑行量；

对每个单位时间窗内不同到达航班量下的离场航班滑行量和起飞航班量进行曲线拟合，绘制起飞率饱和曲线；

根据起飞率饱和曲线计算得到推出率。

进一步的，所述推出时隙数量及时隙长度的获取过程如下：

根据起飞率饱和曲线及下个时间窗到达率获取离场航班滑行量的临界值；

将当前的离场航班滑行量与下个时间窗内的起飞率相减，得到下个时间窗内尚未起飞仍在滑行的离场航班数量；

将离场航班滑行量的临界值减去下个时间窗内尚未起飞仍在滑行的离场航班数量，得到下个时间窗的推出率；

根据下个时间窗的推出率与推出需求量，计算得到推出时隙数量及时隙长度。

进一步的，所述推出率的计算公式为：

R_P(t)＝N_ctrl+R_D(t)-N(t-1)

式中，R_P(t)为t时间窗的推出率；R_D(t)为t时间窗的起飞率；N(t)为在t时刻，机场场面中的离场航班滑行量；N_ctrl为离场航班滑行量的临界值。

进一步的，所述航班离场成本模型为：

C_D＝C_O+C_L+C_E

式中：C_D为航班离场成本；C_O为航空器运营成本；C_L为旅客延误成本；C_E为环境成本；

所述航空器运营成本为：

C_O＝C_P+C_T+C_F

式中：C_P为航空器推出等待成本；C_T为航空器滑行时间成本；C_F为航空器油耗成本；

所述旅客延误成本为：

式中：

为航空器k可利用座位数；w为客座率；r_z为商务/休闲旅客的比例；v_z为类型z旅客的时间价值；

为航空器k在时隙b推出下的实际延误时间；

所述环境成本为：

C_E＝EI·c_environment

式中：EI为气体的排放总量；c_environment为各气体的单位外部成本。

进一步的，所述航空器推出等待成本为：

式中：

为航空器k在时隙b推出下的机位等待时间；c_pushback为航空器k在机位等待时的单位时间等待成本；

所述航空器滑行时间成本为：

式中：

为航空器k的滑行时间；c_taxi为不考虑燃油成本的航空器k的单位滑行时间成本；

所述航空器油耗成本为：

C_F＝TF·c_fuel

式中：TF为燃油消耗量；c_fuel为燃油的单价成本。

进一步的，所述燃油消耗量为：

式中：f_ke为航空器k在滑行阶段e的燃油流率；

为航空器k的发动机数量；

为航空器k在滑行阶段e的滑行时间；

所述气体的排放总量为：

式中：EI_s为滑行阶段气体s的排放指数；p表示气体的种类；

为航空器k的发动机数量；f_ke为航空器k在滑行阶段e的燃油流率；

为航空器k在滑行阶段e的滑行时间；

所述时间价值为：

v_z＝ηI/T_work z∈{B,L}

式中：η为比例系数；I为人均年收入；z为旅客类型；B为商务旅客；L为休闲旅客；T_work为旅客的全年工作时间，由全年的工作天数及一天的工作时长相乘可得。

进一步的，所述推出时隙分配模型为：

式中，C_D为航班离场成本；C_O为航空器运营成本；C_L为旅客延误成本；C_E为环境成本；C_P为航空器推出等待成本；C_T为航空器滑行时间成本；C_F为航空器油耗成本；

为航空器k的滑行时间；c_taxi为不考虑燃油成本的航空器k的单位滑行时间成本；f_ke为航空器k在滑行阶段e的燃油流率；

为航空器k的发动机数量；

为航空器k在滑行阶段e的滑行时间；c_fuel为燃油的单价成本；

为航空器k在时隙b推出下的实际延误时间；EI_s为滑行阶段气体s的排放指数；c_s为气体s的单位环境外部成本。

一种基于航班离场成本的推出时隙分配优化系统，所述系统包括：

计算模块：用于根据机场历史运行数据计算推出率；

获取模块：用于根据推出率获取推出时隙数量及时隙长度；

第一建立模块：用于根据航班的整体运行流程建立航班离场成本模型；

第二建立模块：用于根据航班离场成本模型建立航空器推出时隙分配模型；

求解模块：用于根据时隙数量对时隙长度内的航空器推出时隙分配模型进行求解，获取推出时隙分配优化方案。

一种基于航班离场成本的推出时隙分配优化系统，所述系统包括处理器和存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行上述所述方法的步骤。

计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

(1)通过实施推出率控制，控制离场航班的推出数量，能有效减少机场场面高峰时段的离场航班滑行量，缓解场面拥堵；

(2)对离场航空器的推出过程进行优化控制，会对航空器的滑行过程产生影响，使场面运行态势发生变化，从而间接的对航空公司、旅客及环境产生影响，本发明从经济角度出发，将场面推出控制所产生的影响用航班离场成本表示，从而可以直观的反映基于推出率控制的航空器离场运行情况，提高航空器推出管理方案的高效运行；

(3)目前机场的推出策略大多采用FCFS原则，没有充分利用推出时隙资源，加剧场面拥堵的同时造成机位等待时间过长，从而导致旅客满意度的下降，本发明以航班离场成本作为优化目标，在最优推出数量的基础上优化航空器的推出序列，可达到提高场面运行效率，缩短机位等待时间的目的。

附图说明

图1是本发明整体流程示意图；

图2是基于航班离场成本的推出时隙分配优化方法流程图。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

如图1、图2所示，一种基于航班离场成本的推出时隙分配优化方法，包括以下步骤：

(1)根据机场历史运行数据，计算推出率；

(2)基于推出率计算结果，确定推出时隙数量及时隙长度；

(3)考虑航班的整体运行流程，建立航班离场成本模型；

(4)建立航班离场成本最低的航空器推出时隙分配模型；

(5)根据时隙数量对时隙长度内的航空器推出时隙分配模型进行求解，生成推出时隙分配优化方案。

步骤(1)包含以下分步骤：

(1.1)统计机场历史运行数据，计算航班的平均无阻碍滑行时间，确定单位时间窗跨度；

(1.2)统计出每个时间窗内的到达航班量、起飞航班量和离场航班滑行量，对每个时间窗内不同到达航班量下的离场航班滑行量和起飞航班量进行曲线拟合，绘制起飞率饱和曲线；

(1.3)根据起飞率饱和曲线，计算时间窗的推出率，推出率的计算公式为：

R_P(t)＝N_ctrl+R_D(t)-N(t-1)

式中，R_P(t)为t时间窗的推出率，表示在t时间窗内的推出航班数量；R_D(t)为t时间窗的起飞率，表示在t时间窗内的起飞航班数量；N(t)表示在t时刻，机场场面中的离场航班滑行量；当起飞率趋向饱和且不超出管制员工作负荷时，N(t)达到临界值N_ctrl(N_ctrl由起飞率饱和曲线确定)；

步骤(2)包含以下分步骤：

(2.1)根据之前绘制的起飞率饱和曲线及下个时间窗到达率，选取对应的曲线，得到N_ctrl的值；

(2.2)用当前的离场航班滑行量与下个时间窗内的起飞率相减，得到在下个时间窗内尚未起飞仍在滑行的离场航班数量；

(2.3)将N_ctrl减去仍在滑行的离场航班数量，计算出下个时间窗的建议推出率R_P(t)

(2.4)根据下一时间窗的建议推出率R_P(t)与推出需求量N_AP(t)即可确定航空器推出时隙数量N_slot(t)，N_slot(t)＝min{R_P(t)，N_AP(t)}；

(2.5)该时间窗推出时隙的长度按照时间窗跨度除以N_slot(t)得到；

步骤(3)包含以下分步骤：

(3.1)建立航班离场成本C_D计算模型：

航班离场成本C_D包括航空器运营成本、旅客延误成本以及环境成本。

C_D＝C_O+C_L+C_E

式中：C_O为航空器运营成本；C_L为旅客延误成本；C_E为环境成本。

(3.2)建立航空器运营成本C_O计算模型：

航空器运营成本C_O即航空器在离场过程中，航空公司所应承担的费用。根据离场过程的不同，航空器运营成本分为航空器推出等待成本、航空器滑行时间成本和航空器油耗成本。

C_O＝C_P+C_T+C_F

式中：C_P为航空器推出等待成本；C_T为航空器滑行时间成本；C_F为航空器油耗成本。

其中，航空器推出等待成本C_P为：

式中：

为航空器k在时隙b推出下的机位等待时间；

为航空器k在时隙b推出下的实际推出时间；

为航空器k的计划推出时刻；c_pushback为航空器k在机位等待时的单位时间等待成本。

航空器滑行时间成本C_T为：

式中：

为航空器k的滑行时间；

为航空器k在滑行阶段e的滑行时间，滑行阶段分为直线段滑行、转弯段滑行及停止滑行等待三个阶段，分别对应数字1、2、3，所以n＝3；c_taxi为不考虑燃油成本的航空器k的单位滑行时间成本。

航空器油耗成本C_F为：

C_F＝TF·c_fuel

式中：TF为燃油消耗量；c_fuel为燃油的单价成本。

航空器k在滑行阶段的燃油消耗量为：

式中：f_ke为航空器k在滑行阶段e的燃油流率；

为航空器k的发动机数量。

(3.3)建立旅客延误成本C_L计算模型：

旅客延误成本C_L是指由于航班延误时间占用了旅客正常的生产工作时间，从而给旅客造成的经济损失。

式中：

为航空器k在时隙b推出下的实际延误时间，若机位等待时间

超过15分钟，则机位延误时间

为超出的时间，若机位等待时间

不超过15分钟，则该航班为正常航班，无机位延误时间。

将民航旅客分为两类—商务旅客与休闲旅客，分别计算两类旅客的时间价值：

v_z＝ηI/T_work z∈{B,L}

式中：η为比例系数；I为人均年收入；T_work为全年工作时间；z为旅客类型；B为商务旅客；L为休闲旅客。

(3.4)建立环境成本C_E计算模型

环境成本C_E是指航空器在场面运行过程中所排放污染物的成本。

C_E＝EI·c_environment

航空器k在滑行阶段的气体排放量可表示为：

式中：f_ke为航空器k在滑行阶段e的燃油流率；EI_s为滑行阶段气体s的排放指数；p表示气体的种类。

步骤(4)的推出时隙分配模型为：

目标函数：

式中：i和j为网络节点；v为节点数；k为离港航空器编号，m为离场航空器数量；b为推出时隙编号；a为推出时隙数量；c_s为气体s的单位环境外部成本。

t_ijke表示航空器k在第e个滑行阶段从节点i滑行至节点j的时间，t_ijk1表示航空器k在直线段(i,j)上滑行的时间，即

t_ijk1＝s_uij/v_u

式中：s_uij表示直线段(i,j)的长度；v_u表示航空器k在直线段的滑行速度，t_ijk2表示航空器k在转弯段(i,j)上滑行的时间，即

t_ijk2＝s_wij/v_w

式中：s_wij表示转弯段(i,j)的长度；v_w表示航空器k在转弯段的滑行速度。t_ijk3表示航空器k在路段(i,j)上停止等待的时间，即

式中：t_ijkg表示航空器k在路段(i,j)上的节点g处停止等待的时间；w_g为0-1变量，表示节点g的冲突情况。

约束条件：

为了保证推出时隙分配中时隙分配的唯一性，即一架航空器只能分配一个时隙，模型需满足：

式中：d_kb为决策变量，d_kb＝1表示时隙b分配给航空器k，否则d_kb＝0。

航空器推出时隙需满足最早可用推出时刻约束，即航空器的实际推出时刻不早于预计推出时刻：

式中：

为航空器k在时隙b推出下的实际推出时刻；

为航空器k的计划推出时刻。

航空器推出时隙需满足最晚可用推出时刻约束，即航空器的实际推出时刻减去预计推出时刻不超过机场允许的最大停机位等待时间：

式中：t_push-wait为机场允许的最大推出等待时间。

航空器推出时隙分配需满足推出作业完整性约束，即完成航空器推出作业的时间长度应小于推出时隙长度：

式中：

为时隙b的开始时刻；

为时隙b的结束时刻；

为航空器k完成一次推出作业的时间。

航空器到达跑道等待点后，需判断前机的尾流间隔，如不满足规定起飞尾流间隔，则需要在跑道口进行等待：

式中：

为航空器k在时隙b推出下的跑道口等待时间；

表示航空器k在时隙b推出下的最小跑道口等待时间；(t^stop)^max为机场规定的最大跑道口等待时间。

航班离场成本为航空器处于不同的离场过程将产生相应的成本：当采用推出率控制策略时，离场航班在机位等待，会产生航班推出等待成本和旅客延误成本，当离场航班处于滑行过程时，又会产生滑行成本和环境成本。因此，本发明从航空公司、旅客和环境三个角度出发，研究航班在离场过程中所产生的相应成本，提出航班离场成本概念并建立航班离场成本模型。首先将机场滑行道系统抽象成节点-路段模型，形成滑行道系统网络G＝(V,E)，其中：V为相邻路段的节点集合；E为构成场面的滑行路段集合；连接两个节点i和j的任意边(i,j)∈E有方向，表示航空器只能从i→j方向滑行，然后以所有离场航班的航班离场成本最低为目标函数，对航空器推出时隙分配进行优化，本发明通过考虑航空器在离场过程中基于推出率控制策略下所产生的各项成本对离场航空器推出时隙的分配进行优化。

本发明一种基于航班离场成本的推出时隙分配优化方法弥补了国内外基于推出率控制策略的航空器推出时隙优化分配研究的空白，可优化推出时隙分配方案，帮助相关决策部门制定科学高效的航空器推出管理方案，优化机场资源配置，提高航空器推出效率。

计算模块：用于根据机场历史运行数据计算推出率；

获取模块：用于根据推出率获取推出时隙数量及时隙长度；

所述存储介质用于存储指令；

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。