CN112927561A - 一种离场航班动态协同排序方法 - Google Patents

一种离场航班动态协同排序方法 Download PDF

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CN112927561A
CN112927561A CN202110072881.8A CN202110072881A CN112927561A CN 112927561 A CN112927561 A CN 112927561A CN 202110072881 A CN202110072881 A CN 202110072881A CN 112927561 A CN112927561 A CN 112927561A
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江灏
刘继新
王志伟
杨宋瑞雪
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Abstract

本发明公开了一种离场航班动态协同排序方法，具体包括以下步骤：步骤1：针对机场不同的交通状态，分别建立离场航班协同排序模型；步骤2：通过动态方法获取待排序时段的待排序离场航班列表；并判断待排序时段机场交通状态；步骤3：将步骤2获取的待排序离场航班列表输入待排序时段机场交通状态对应的离场航班协同排序模型，求解离场航班协同排序模型，得到航班排序。本发明为实现离场航班动态协同排序提供一种方法，该方法契合协同决策理念，综合考虑管制单位、航空公司和机场三方的利益需求，可对离场航班进行优化排序，保证航班排序的动态性、显著减少航班延误、有效提升公平性。

Description

一种离场航班动态协同排序方法
技术领域
本发明属于民航空中交通管理技术领域，具体涉及一种离场航班动态协同排序方法。
背景技术
在我国经济运行稳中向好的态势下，航空事业快速发展，民航主要运输指标保持平稳较快增长。空中交通需求的持续增长与可用空域和机场资源的长期受限，给空中交通管理带来了新的机遇与挑战。目前，民航部门投入了大量的人力与物力在繁忙机场新建跑道、更新管制运行设备。但单纯依靠此方法来提高机场和终端区运行容量会受到多种因素(如时间、资金)的制约，已不能作为当前提高交通流量的有效措施。因此，如何有效地优化和调度时空资源，最大化地发挥现有机场基础设施的潜能，成为空中交通管理领域的研究热点，而在跑道系统中对航班进行离场排序优化是该领域的典型问题。
为构建管制辅助决策系统，国内外的专家学者对离场航班排序问题开展了大量研究，获得了较多的成果。但早期的研究中无论是动态规划方法，还是元启发式方法采取的均是静态排序策略。由于离场航班运行过程是一个动态连续过程，需要建立动态排序模型，航班动态排序模型是一个离散事件模型，航班队列随着时间推移离散性变化。已有模型一般以新航班加入排序队列为触发事件进行建模，但离场航班加入排序队列的时间是一定范围内的随机值，因此，队列的更新并无较好的规律性。目前较好的策略是滚动时域控制(Receding Horizon Control,RHC)，即每间隔一段时间对离场航班进行排序，从而实现对离场航班的连续排序过程。近年来，航空运输业呈现多方协同决策的发展趋势，离场航班本身作为空管、航司和机场等多方单位基于各自利益的决策载体，各方秉持不同的诉求：空管立足运行安全和降低管制负荷、航司着眼运行效率和公平性、机场注重容量提高和放行正常，离场排序的研究重点也由单目标优化逐步转向多目标优化。
本发明立足于民航运输业多方协同决策(Collaborative Decision Making,CDM)的发展趋势，着眼于离场航班排序的“动态性”、“协同性”和“定制化”。在满足离场航班排序的“动态性”方面，基于离场航班的计划撤轮档时间(Scheduled Off-Block Time，SOBT)和预计撤轮档时间(Estimated Off-Block Time，EOBT)数据，设计一种离场航班动态排序方法。本发明的“协同性”是指在对离场航班排序时，充分考虑空管、航司和机场的诉求，通过分析拥挤场景与非拥挤场景下各方诉求的差异，“定制化”地选择目标函数和约束，建立离场航班排序模型。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种离场航班动态协同排序方法，其契合协同决策理念，综合考虑管制单位、航空公司和机场三方的利益需求，对离场航班进行优化排序，以保证航班排序的动态性、减少航班延误、提高跑道容量、提高机场放行正常率和提升公平性。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种离场航班动态协同排序方法，包括以下步骤：
步骤1：针对机场不同的交通状态，分别建立离场航班协同排序模型；
步骤2：通过动态方法获取待排序时段的待排序离场航班列表；并判断待排序时段机场交通状态；
步骤3：将步骤2获取的待排序离场航班列表输入待排序时段机场交通状态对应的离场航班协同排序模型，求解离场航班协同排序模型，得到航班排序。
步骤1中，所述机场交通状态为拥挤，即|Fi,N|≥C(C为机场交通容量)时，离场航班协同排序的目标函数为
Figure BDA0002906530830000021
式中：Ai为排序时段i所有离场航班涉及的航空公司集合；
Figure BDA0002906530830000024
为排序时段i航空公司j所有离场航班的总延误时间；
Figure BDA0002906530830000022
式中：Fi,N为排序时段i所有非受控离场航班集合；
Figure BDA0002906530830000023
为排序时段i非受控离场航班n的优化起飞时间；
Figure BDA0002906530830000031
式中：
Figure BDA0002906530830000032
为0-1离散变量，当排序时段i非受控离场航班n为放行正常航班时，
Figure BDA0002906530830000033
否则为0；
约束条件为：
Figure BDA0002906530830000034
式中：Fi为排序时段i所有离场航班集合；
Figure BDA0002906530830000035
和
Figure BDA0002906530830000036
分别为排序时段i离场航班l和离场航班m的优化起飞时间；
Figure BDA0002906530830000037
为前后起飞离场的航班l和航班m之间应满足的非雷达间隔的尾流间隔要求；
Figure BDA0002906530830000038
为0-1离散变量，1表示排序时段i离场航班l的优化起飞时间早于离场航班m的优化起飞时间，反之为0；
Figure BDA0002906530830000039
式中：Si,rwy为排序时段i前后起飞离场的航班应满足的跑道运行间隔要求；
Figure BDA00029065308300000310
式中：Di为排序时段i所有离场航班涉及的航班流向集合；
Figure BDA00029065308300000311
为排序时段i航班流向f所有离场航班集合；
Figure BDA00029065308300000312
和
Figure BDA00029065308300000313
为排序时段i航班流向f的离场航班x和y的优化起飞时间；
Figure BDA00029065308300000314
为排序时段i航班流向f连续放行的航空器应满足的放行间隔要求；
Figure BDA00029065308300000315
为0-1离散变量，1表示排序时段i航班流向f的离场航班x的优化起飞时间早于离场航班y的优化起飞时间，反之为0；
Figure BDA00029065308300000316
式中：
Figure BDA00029065308300000317
为排序时段i非受控离场航班n的EOBT；
Figure BDA00029065308300000318
为排序时段i非受控离场航班n滑行到达离场跑道的最短滑行时间，该时间一般小于规定的机场地面滑行时间；γ为非受控离场航班可接受的最大延误时间集合；
Figure BDA00029065308300000319
为排序时段i非受控离场航班n的计划关舱门时间；Xstd为规定的机场地面滑行时间；
Figure BDA0002906530830000041
为排序时段i非受控离场航班n的优先级类型；
Figure BDA0002906530830000042
式中：Fi,C为排序时段i所有受控离场航班集合；
Figure BDA0002906530830000043
为排序时段i受控离场航班c的优化起飞时间；
Figure BDA0002906530830000044
为排序时段i受控离场航班c的计算起飞时间(Calculated Take OffTime，CTOT)；
Figure BDA0002906530830000045
和Δ分别为受控离场航班的CTOT时隙容差下界集合和上界集合；
Figure BDA0002906530830000046
为排序时段i受控离场航班c的CTOT时隙容差类别；
所述机场交通状态为非拥挤，即|Fi,N|＜C时，离场航班协同排序的目标函数为：
Figure BDA0002906530830000047
Figure BDA0002906530830000048
式中：
Figure BDA0002906530830000049
为排序时段i非受控离场航班n的计划起飞次序；
Figure BDA00029065308300000410
为排序时段i非受控离场航班n的优化起飞次序；
maxθi
式中：θi为排序时段i航空公司延误公平性评价指标，其值越大，说明排序时段i航空公司延误公平性越高；
约束条件为：
Figure BDA00029065308300000411
Figure BDA00029065308300000412
Figure BDA00029065308300000413
Figure BDA0002906530830000051
Figure BDA0002906530830000052
Figure BDA0002906530830000053
式中：ε为最大位置偏移量集合。
上述步骤2中通过动态方法获取待排序时段的待排序离场航班列表包括如下步骤：
步骤2.1：初始化离场航班列表(L0)(按照SOBT从小到大排序)，初始化离场航班排序时段索引i＝1，初始化待排序航班列表(L1)为空；
步骤2.2：实时接收EOBT数据，将其所对应的离场航班按照EOBT由小到大的顺序插入L1相应位置；
步骤2.3：取L0中第一个位置离场航班的SOBT记为t0，取L1中第一个位置离场航班的EOBT记为t1，令t*＝min{t0,t1}，t*前150分钟开始计时，计时时长15分钟，计时结束时触发排序；
步骤2.4：初始化排序时段i待排序航班列表(Li)，将L1中EOBT处于[t*,t*+15]的离场航班加入Li中，并将其从L0和L1中剔除；触发排序，输出Li作为对当前时段i离场航班排序的初始输入信息；
步骤2.5：根据Li判定当前排序时段的机场交通状态，排序时段索引i加1，返回步骤2.1；
上述步骤3中，使用带精英策略的快速非支配排序遗传算法(NSGA-II)进行排序计算，获得排序结果。
上述所述的排序时段i航空公司j所有离场航班的总延误时间
Figure BDA0002906530830000055
的具体计算方法是：
将离场航班按照是否受到流控影响分为非受控离场航班和受控离场航班；非受控离场航班延误计算公式为：
Figure BDA0002906530830000054
式中：
Figure BDA0002906530830000061
为排序时段i航空公司j所有非受控离场航班集合；
Figure BDA0002906530830000062
为排序时段i航空公司j非受控离场航班a的延误时间；
Figure BDA0002906530830000063
为排序时段i航空公司j非受控离场航班a的优化起飞时间；
Figure BDA0002906530830000064
为排序时段i航空公司j非受控离场航班a的计划关舱门时间；
受控离场航班延误计算公式为：
Figure BDA0002906530830000065
式中：
Figure BDA0002906530830000066
为排序时段i航空公司j所有受控离场航班集合；
Figure BDA0002906530830000067
为排序时段i航空公司j受控离场航班b的延误时间；
Figure BDA0002906530830000068
为排序时段i航空公司j受控离场航班b的优化起飞时间；
Figure BDA0002906530830000069
为排序时段i航空公司j受控离场航班b的CTOT。
排序时段i航空公司j所有离场航班的总延误时间为：
Figure BDA00029065308300000610
式中：α为受控离场航班延误权重。
上述所述的0-1离散变量
Figure BDA00029065308300000611
的具体计算方法是：
Figure BDA00029065308300000612
Figure BDA00029065308300000613
式中：Fi,S为排序时段i所有非受控始发航班集合；Fi,P为排序时段i所有非受控始发航班的前序航班集合；Fi,Q为排序时段i所有非受控非始发航班的前序航班集合；
Figure BDA00029065308300000614
为排序时段i非受控离场航班n的前序航班n0到达机位的延误时间；
Figure BDA00029065308300000615
为排序时段i非受控离场航班n的前序航班n0的实际开舱门时间；
Figure BDA00029065308300000616
为排序时段i非受控离场航班n的前序航班n0的计划开舱门时间。
上述所述的排序时段i航空公司延误公平性评价指标θi的具体计算方法是：
Figure BDA0002906530830000071
Figure BDA0002906530830000072
式中：
Figure BDA0002906530830000073
为排序时段i航空公司j所有离场航班的平均延误时间。
采用上述方案后，本发明通过充分利用利用离场航班的SOBT和EOBT数据，为离场航班动态排序提供一种方法，从而保证离场航班排序的动态性。在此基础上，综合考虑管制单位、航空公司和机场三方的利益需求，针对各方构建了离场航班排序的多个优化目标，并且为保证排序公平性，提出了航空公司延误公平性概念，在管制间隔要求、时间窗约束和MPS约束下，将离场航班优先级分为三类，对各类离场航班设置其可接受的最大延误时间和最大位置偏移量，分别建立机场交通状态拥挤和非拥挤场景下的离场航班协同排序模型，可对离场航班进行优化排序，减少航班延误，提高跑道容量，提高机场放行正常率和提升公平性。
本发明具有如下技术效果：
(1)为保证离场航班动态和自动化排序提供一种方法；
(2)为保障航空公司间的公平性，提出航空公司延误公平性概念；
(3)根据不同类型离场航班的重要度，在离场排序时考虑其优先级。将离场航班优先级分为三类，并建立具有各类优先级离场航班和其可接受的最大延误时间、MPS约束中最大位置偏移量之间的关系；考虑机场和航空公司双方的诉求，将机场基地航空公司航班的优先级设置为次高等级；
(4)在CDM的理念下，以最小化离场航班总延误、最小化离场航班次序调整、最大化跑道容量、最大化航空公司延误公平性和最大化机场放行正常率为目标，考虑管制间隔要求、时间窗约束和MPS约束，针对机场交通拥挤和非拥挤场景下空管、航司和机场的不同利益需求，确定相应的目标函数及约束，建立基于交通状态的离场航班协同排序模型，减少了航班延误，提高了跑道容量，提高了机场放行正常率和提升了公平性。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
如图1所示，本发明提供一种离场航班动态协同排序方法，具体步骤如下：
步骤1：针对机场不同的交通状态，分别建立离场航班协同排序模型；
离场航班协同排序模型具体建模过程为：
1.1集合与上下标
F：某时间区间所有离场航班集合；
Fi：排序时段i所有离场航班集合，
Figure BDA0002906530830000081
Ai：排序时段i所有离场航班涉及的航空公司集合；
Di：排序时段i所有离场航班涉及的航班流向集合；
Figure BDA0002906530830000082
排序时段i航班流向f所有离场航班集合，
Figure BDA0002906530830000083
Figure BDA0002906530830000084
排序时段i航空公司j所有离场航班集合，
Figure BDA0002906530830000085
Fi,N：排序时段i所有非受控离场航班集合；
Fi,C：排序时段i所有受控离场航班集合，Fi,C∪Fi,N＝Fi；
Figure BDA0002906530830000086
排序时段i航空公司j所有非受控离场航班集合，
Figure BDA0002906530830000087
Figure BDA0002906530830000088
排序时段i航空公司j所有受控离场航班集合，
Figure BDA0002906530830000089
Figure BDA00029065308300000810
Fi,S：排序时段i所有非受控始发航班集合；
Fi,O：排序时段i所有非受控非始发航班集合，Fi,S∪Fi,O＝Fi,N；
Fi,R：排序时段i所有非受控离场航班的前序航班集合，|Fi,N|＝|Fi,R|；
Fi,Q：排序时段i所有非受控非始发航班的前序航班集合，|Fi,O|＝|Fi,Q|；
Fi,P：排序时段i所有非受控始发航班的前序航班集合，|Fi,S|＝|Fi,P|，
Fi,P∪Fi,Q＝Fi,R。
1.2航空公司延误公平性
对于单机场航班排序问题而言，空管、航司和机场三方中的航司方内部也存在多个决策主体，即待排序航班所属的不同航司。因此，本发明通过最小化各航班流方向平均延误的差别，从而在航班流方向之间保证一定公平性水平的思路，基于各航空公司平均延误的差别建立航空公司延误公平性评价指标，致力于保障航空公司间的公平性。
本发明在计算离场航班延误时将离场航班按照是否受到流控影响分为非受控离场航班和受控离场航班。根据《民航航班正常统计办法》：航班延误时间等于实际起飞时间晚于计划关舱门时间与机场地面滑行时间之和的时间。并且为实现准点保障的目标，本发明在计算航班延误时将航班提前起飞也当作延误处理。因此在计算非受控离场航班延误时，其等于优化起飞时间与计划关舱门时间和机场地面滑行时间之和的差值的绝对值：
Figure BDA0002906530830000091
式中：
Figure BDA0002906530830000092
为排序时段i航空公司j非受控离场航班a的延误时间；
Figure BDA0002906530830000093
为排序时段i航空公司j非受控离场航班a的优化起飞时间；
Figure BDA0002906530830000094
为排序时段i航空公司j非受控离场航班a的计划关舱门时间；Xstd为规定的机场地面滑行时间。
而对于受控航班，全国流量管理系统会以航班计划为基础，依据流量管理措施并按照相关规则发布其计算起飞时间(Calculated Take Off Time，CTOT)。受控航班须在其CTOT前后一定容差范围内起飞，CTOT时隙容差分为一类容差和二类容差。根据《中国民航空管流量管理运行程序》：基于容量管理的流量管理措施为一类容差，容差范围为(-5，+10)分钟；基于间隔管理的流量管理措施为二类容差，容差范围为(-3，+3)分钟。本发明为尽可能保障受控航班按照其CTOT准点起飞，在计算受控离场航班延误时，等于优化起飞时间与CTOT差值的绝对值：
Figure BDA0002906530830000095
式中：
Figure BDA0002906530830000101
为排序时段i航空公司j受控离场航班b的延误时间；
Figure BDA0002906530830000102
为排序时段i航空公司j受控离场航班b的优化起飞时间；
Figure BDA0002906530830000103
为排序时段i航空公司j受控离场航班b的CTOT。
在计算某航司离场航班总延误时，考虑到受控航班相比于非受控航班具有更高的重要度和优先级，本发明通过对受控离场航班的延误赋予较大权重，实现重点保障受控离场航班CTOT的目标。某时段某航司离场航班总延误为：
Figure BDA0002906530830000104
式中：
Figure BDA0002906530830000105
为排序时段i航空公司j所有离场航班的总延误时间；α为受控离场航班延误权重。
考虑到各航司离场航班平均延误的差别越小，航空公司间的延误公平性越高。因此在计算航空公司延误公平性评价指标时，对各航司离场航班平均延误的差别进行“取倒数”的处理，从而使各航司离场航班平均延误的差别与航空公司间延误公平性的内涵表征保持一致性。另外，由于各航司离场航班平均延误的差别存在取值为零的可能，为保证分母的有效性和将航空公司延误公平性评价指标限定在(0，1]范围之内，需以各航司离场航班平均延误的差别取值加上常数1作为分母。
基于以上分析，本发明将航空公司延误公平性评价指标定义为：
Figure BDA0002906530830000106
Figure BDA0002906530830000107
式中：θi为排序时段i航空公司延误公平性评价指标，其值越大，说明排序时段i航空公司延误公平性越高；
Figure BDA0002906530830000108
为排序时段i航空公司j所有离场航班的平均延误时间。
1.3目标函数
本发明根据空管、航司和机场三方的诉求，建立了三方共同关注的两个目标函数，并针对各方诉求分别设计了一个目标函数。其中，最小化离场航班总延误和最大化航空公司延误公平性两个目标函数同时涉及非受控航班和受控航班。由于一般情况下，若某排序时段存在受控航班，该排序时段最后一个离场航班通常为受控航班，其起飞次序较计划起飞次序也会相应地存在较大偏差，并且其优化空间有限，因此对于最小化离场航班次序调整和最大化跑道容量两个目标，本发明仅考虑非受控航班。根据《民航航班正常统计办法》中放行正常航班判定标准，受控航班基本均不会被判定为放行正常，故对于最大化机场放行正常率目标，本发明亦不将受控航班纳入统计。
1)综合指标：最小化离场航班总延误
航班延误时间是反映航班延误程度的指标，航班延误对空管社会形象、机场运行效率和航空公司成本效益等均造成了严重影响。某排序时段离场航班总延误最小，即：
Figure BDA0002906530830000111
2)综合指标：最小化离场航班次序调整
离场航班优化起飞次序若与计划起飞次序存在偏差，机组会和管制员进行额外的通话，这将增加管制负荷；机场和航司会根据离场航班的离场顺序安排航班保障的先后次序，为保证机场和航司对于离场航班保障服务的平稳、有序和高效运行，优化起飞次序较计划起飞次序的偏离程度应当越小越好。某排序时段内的离场航班次序调整最少，即：
Figure BDA0002906530830000112
式中：
Figure BDA0002906530830000113
为排序时段i非受控离场航班n的计划起飞次序；
Figure BDA0002906530830000114
为排序时段i非受控离场航班n的优化起飞次序。
3)空管：最大化跑道容量
本发明考虑的最大化跑道容量，即某排序时段的第一个非受控离场航班和最后一个非受控离场航班的起飞时间间隔最小：
Figure BDA0002906530830000115
式中：
Figure BDA0002906530830000121
为排序时段i非受控离场航班n的优化起飞时间。
4)航司：最大化航空公司延误公平性
由1.2节可知，航空公司延误公平性评价指标值的大小可直接反映航空公司间的公平性高低。某排序时段内的航空公司延误公平性最高，即：
maxθi (9)
5)机场：最大化机场放行正常率
机场放行正常率是反映机场保障能力的指标，其为机场放行正常班次与机场放行总班次之比，用百分比表示。某排序时段机场放行正常率最高，即：
Figure BDA0002906530830000122
Figure BDA0002906530830000123
Figure BDA0002906530830000124
式中：
Figure BDA0002906530830000125
为0-1离散变量，当排序时段i非受控离场航班n为放行正常航班时，
Figure BDA0002906530830000126
否则为0；
Figure BDA0002906530830000127
为排序时段i非受控离场航班n的计划关舱门时间；
Figure BDA0002906530830000128
为排序时段i非受控离场航班n的前序航班n0到达机位的延误时间；
Figure BDA0002906530830000129
为排序时段i非受控离场航班n的前序航班n0的实际开舱门时间；
Figure BDA00029065308300001210
为排序时段i非受控离场航班n的前序航班n0的计划开舱门时间。
1.4约束条件
离场航班受到的约束主要有：管制间隔要求、时间窗约束和MPS约束。
1.4.1管制间隔要求
空管的安全运行目标主要通过满足管制间隔要求来实现。离场航班起飞受到的水平间隔约束有：非雷达间隔的尾流间隔、跑道运行间隔和放行间隔。
1)非雷达间隔的尾流间隔
同一跑道前后起飞离场的航班应能满足非雷达间隔的尾流间隔要求，即：
Figure BDA0002906530830000131
式中：
Figure BDA0002906530830000132
和
Figure BDA0002906530830000133
分别为排序时段i离场航班l和离场航班m的优化起飞时间；
Figure BDA0002906530830000134
为前后起飞离场的航班l和航班m之间应满足的非雷达间隔的尾流间隔要求；
Figure BDA0002906530830000135
为0-1离散变量，1表示排序时段i离场航班l的优化起飞时间早于离场航班m的优化起飞时间，反之为0。
2)跑道运行间隔
同一跑道前后起飞离场的航班应能满足跑道运行间隔要求，即：
Figure BDA0002906530830000136
式中：Si,rwy为排序时段i前后起飞离场的航班应满足的跑道运行间隔要求。
3)放行间隔
同一机场同一航班流向连续放行的航班应能满足放行间隔要求，即：
Figure BDA0002906530830000137
式中：
Figure BDA0002906530830000138
和
Figure BDA0002906530830000139
为排序时段i航班流向f的离场航班x和y的优化起飞时间；
Figure BDA00029065308300001310
为排序时段i航班流向f连续放行的航空器应满足的放行间隔要求；
Figure BDA00029065308300001311
为0-1离散变量，1表示排序时段i航班流向f的离场航班x的优化起飞时间早于离场航班y的优化起飞时间，反之为0。
1.4.2时间窗约束
对于任意一架离场航班，均应有到达离场跑道的时间窗约束。由于非受控离场航班和受控离场航班时间窗上下界的确定方式存在差异，因此本发明将时间窗约束分为非受控离场航班时间窗约束和受控离场航班时间窗约束。
1)非受控离场航班时间窗约束
非受控离场航班时间窗的下界表示航班按照最短滑行路线滑行到达离场跑道的最早时间；上界是指确保运行安全及可接受的航班最大延误的基础上得到的最晚到达离场跑道的时间。管制运行过程中，管制员会根据不同类型离场航班的重要度，在离场排序时考虑其优先级。本发明将离场航班优先级分为最高等级、次高等级和最低等级三类，并建立具有各类优先级离场航班和其可接受的最大延误时间之间的关系。
因此，离场航班优化起飞时间应当不早于航司提交的该航班EOBT与其滑行到达离场跑道的最短滑行时间之和，不晚于计划起飞时间与其可接受的最大延误时间之和，即：
Figure BDA0002906530830000141
式中：
Figure BDA0002906530830000142
为排序时段i非受控离场航班n的EOBT；
Figure BDA0002906530830000143
为排序时段i非受控离场航班n滑行到达离场跑道的最短滑行时间，该时间一般小于规定的机场地面滑行时间；γ为非受控离场航班可接受的最大延误时间集合；
Figure BDA0002906530830000144
为排序时段i非受控离场航班n的优先级类型，最高等级、次高等级和最低等级分别对应为1、2和3。
2)受控离场航班时间窗约束
受控离场航班的优化起飞时间与其CTOT的差值应在时隙容差范围内，即：
Figure BDA0002906530830000145
式中：
Figure BDA0002906530830000146
为排序时段i受控离场航班c的优化起飞时间；
Figure BDA0002906530830000147
为排序时段i受控离场航班c的CTOT；
Figure BDA0002906530830000148
和Δ分别为受控离场航班的CTOT时隙容差下界集合和上界集合；
Figure BDA0002906530830000149
为排序时段i受控离场航班c的CTOT时隙容差类别，一类容差和二类容差分别对应为1和2。
1.4.3MPS约束
若离场航班优化起飞次序与计划起飞次序偏差较大，将会增加管制负荷，引起航司和机场的不满，还无法保证离场航班间的公平性，同时降低旅客满意度。最大约束位置转换(Maxi mum Position Shift,MPS)规定了优化序列中各离场航班次序相对于计划起飞次序的最大偏移量。对于受流控影响较大的离场航班，其起飞次序较计划起飞次序也会相应地存在较大偏差，故本发明仅对非受控离场航班设置MPS约束。本发明在传统MPS约束的基础上，根据离场航班的重要度差异，对具有各类优先级离场航班设置不同的最大位置偏移量：
Figure BDA0002906530830000151
式中：ε为最大位置偏移量集合。
1.4.4其他变量/参数约束
γ,ε∈N3 (19)
Figure BDA0002906530830000152
Figure BDA0002906530830000153
Figure BDA0002906530830000154
Figure BDA0002906530830000155
Figure BDA0002906530830000156
Figure BDA0002906530830000157
1.5基于交通状态的离场航班协同调度模型
本发明根据待排序时段机场交通拥挤程度的不同，选择相应的目标函数和约束对离场航班进行优化排序。由于本发明的离场航班排序发生于起飞前2-3小时，属于短期实时交通管理问题，宜采用的空中交通拥挤识别方法为基于短期数据的阈值判别方法。基于阈值判别的拥挤识别方法，就是将交通容量C(即Monitor Alert Parameter，MAP值)作为阈值，然后将交通需求与该阈值进行比较，如果需求大于容量，则判定交通状态为拥挤。
通过以上分析，建立基于交通状态的离场航班协同排序模型如下：
1)拥挤时段(|Fi,N|≥C)
在拥挤时段，空管方关注高效利用跑道容量，航司则希望航班延误较少，而对于机场而言，机场放行正常率作为考核机场运行效率的指标，其得到机场方的重点关注。因此，此时同时考虑空管、航司和机场的利益，以尽可能满足各方的诉求。即目标函数为式(6)、式(8)和式(10)，约束条件为式(13-17)。
即，目标函数为
Figure BDA0002906530830000161
Figure BDA0002906530830000162
Figure BDA0002906530830000163
约束条件为：
Figure BDA0002906530830000164
Figure BDA0002906530830000165
Figure BDA0002906530830000166
Figure BDA0002906530830000167
Figure BDA0002906530830000168
2)非拥挤时段(|Fi,N|＜C)
在非拥挤时段，空管方的运行压力相对较小，空管方的安全运行目标通过管制间隔约束实现。此时，更多地考虑航司、机场的诉求，同时为满足离场航班排序公平性的要求，引入航空公司延误公平性目标和MPS约束。即目标函数为式(6)、式(7)和式(9)，约束条件为式(13-18)。
即，目标函数为
Figure BDA0002906530830000169
Figure BDA00029065308300001610
maxθi
约束条件为：
Figure BDA00029065308300001611
Figure BDA0002906530830000171
Figure BDA0002906530830000172
Figure BDA0002906530830000173
Figure BDA0002906530830000174
Figure BDA0002906530830000175
步骤2：通过动态方法获取待排序时段的待排序离场航班列表；并判断待排序时段机场交通状态；
通过动态方法获取待排序时段的待排序离场航班列表并判断待排序时段机场交通状态包括如下步骤：
步骤2.1：初始化离场航班列表(L0)(按照SOBT从小到大排序)，初始化离场航班排序时段索引i＝1，初始化待排序航班列表(L1)为空；
步骤2.2：实时接收EOBT数据，将其所对应的离场航班按照EOBT由小到大的顺序插入L1相应位置；
步骤2.3：取L0中第一个位置离场航班的SOBT记为t0，取L1中第一个位置离场航班的EOBT记为t1，令t*＝min{t0,t1}，t*前150分钟开始计时，计时时长15分钟，计时结束时触发排序；
步骤2.4：初始化排序时段i待排序航班列表(Li)，将L1中EOBT处于[t*,t*+15]的离场航班加入Li中，并将其从L0和L1中剔除；触发排序，输出Li作为对当前时段i离场航班排序的初始输入信息；
步骤2.5：根据Li判定当前排序时段的机场交通状态，排序时段索引i加1，返回步骤2.1；
步骤3：将步骤2获取的待排序离场航班列表输入待排序时段机场交通状态对应的离场航班协同排序模型，求解离场航班协同排序模型，得到航班排序。
使用带精英策略的快速非支配排序遗传算法进行排序计算，获得排序结果。
以上所述仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡依照本发明申请专利范围所做的任何改动，均落入本发明保护范围内。

Claims (7)

1.一种离场航班动态协同排序方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：针对机场不同的交通状态，分别建立离场航班协同排序模型；
步骤2：通过动态方法获取待排序时段的待排序离场航班列表；并判断待排序时段机场交通状态；
步骤3：将步骤2获取的待排序离场航班列表输入待排序时段机场交通状态对应的离场航班协同排序模型，求解离场航班协同排序模型，得到航班排序。
2.根据权利要求1所述的一种离场航班动态协同排序方法，其特征在于，
步骤1中，所述交通状态为拥挤，即|Fi,N|≥C时，离场航班协同排序模型的目标函数为
Figure FDA0002906530820000011
Figure FDA0002906530820000012
Figure FDA0002906530820000013
Figure FDA0002906530820000014
式中：Fi,N为排序时段i所有非受控离场航班集合；C为机场交通容量；Ai为排序时段i所有离场航班涉及的航空公司集合；
Figure FDA0002906530820000015
为排序时段i航空公司j所有离场航班的总延误时间；
Figure FDA0002906530820000016
为排序时段i非受控离场航班n的优化起飞时间；
Figure FDA0002906530820000017
为0-1离散变量，当排序时段i非受控离场航班n为放行正常航班时，
Figure FDA0002906530820000018
否则为0；
约束条件为：
Figure FDA0002906530820000019
Figure FDA00029065308200000110
m∈Fi
Figure FDA00029065308200000111
Figure FDA00029065308200000112
m∈Fi
Figure FDA00029065308200000113
Figure FDA00029065308200000114
Figure FDA0002906530820000021
Figure FDA0002906530820000022
Figure FDA0002906530820000023
Figure FDA0002906530820000024
式中：Fi为排序时段i所有离场航班集合；Tl i,opt和
Figure FDA0002906530820000026
分别为排序时段i离场航班l和离场航班m的优化起飞时间；
Figure FDA0002906530820000027
为前后起飞离场的航班l和航班m之间应满足的非雷达间隔的尾流间隔要求；
Figure FDA0002906530820000028
为0-1离散变量，1表示排序时段i离场航班l的优化起飞时间早于离场航班m的优化起飞时间，反之为0；Si,rwy为排序时段i前后起飞离场的航班应满足的跑道运行间隔要求；Di为排序时段i所有离场航班涉及的航班流向集合；
Figure FDA0002906530820000029
为排序时段i航班流向f所有离场航班集合；
Figure FDA00029065308200000210
和
Figure FDA00029065308200000211
为排序时段i航班流向f的离场航班x和y的优化起飞时间；
Figure FDA00029065308200000212
为排序时段i航班流向f连续放行的航空器应满足的放行间隔要求；
Figure FDA00029065308200000213
为0-1离散变量，1表示排序时段i航班流向f的离场航班x的优化起飞时间早于离场航班y的优化起飞时间，反之为0；Fi,C为排序时段i所有受控离场航班集合；
Figure FDA00029065308200000214
为排序时段i非受控离场航班n的EOBT；
Figure FDA00029065308200000215
为排序时段i非受控离场航班n滑行到达离场跑道的最短滑行时间，该时间小于规定的机场地面滑行时间；γ为非受控离场航班可接受的最大延误时间集合；
Figure FDA00029065308200000216
为排序时段i非受控离场航班n的计划关舱门时间；Xstd为规定的机场地面滑行时间；
Figure FDA00029065308200000217
为排序时段i非受控离场航班n的优先级类型；
Figure FDA00029065308200000218
为排序时段i受控离场航班c的优化起飞时间；
Figure FDA00029065308200000219
为排序时段i受控离场航班c的CTOT；
Figure FDA00029065308200000220
和Δ分别为受控离场航班的CTOT时隙容差下界集合和上界集合；
Figure FDA00029065308200000221
为排序时段i受控离场航班c的CTOT时隙容差类别；
所述交通状态为非拥挤，即|Fi,N|＜C时，离场航班协同排序模型的目标函数为：
Figure FDA0002906530820000031
Figure FDA0002906530820000032
maxθi
式中：
Figure FDA0002906530820000033
为排序时段i非受控离场航班n的计划起飞次序；
Figure FDA0002906530820000034
为排序时段i非受控离场航班n的优化起飞次序；θi为排序时段i航空公司延误公平性评价指标；
约束条件为：
Figure FDA0002906530820000035
Figure FDA0002906530820000036
m∈Fi
Figure FDA0002906530820000037
Figure FDA0002906530820000038
m∈Fi
Figure FDA0002906530820000039
Figure FDA00029065308200000310
Figure FDA00029065308200000311
Figure FDA00029065308200000312
Figure FDA00029065308200000313
Figure FDA00029065308200000314
Figure FDA00029065308200000315
Figure FDA00029065308200000316
式中：ε为最大位置偏移量集合。
3.根据权利要求1所述的一种离场航班动态协同排序方法，其特征在于，步骤2中通过动态方法获取待排序时段的待排序离场航班列表包括如下步骤：
步骤2.1：初始化离场航班列表L0，按照SOBT从小到大排序，初始化离场航班排序时段索引i＝1，初始化待排序航班列表L1为空；
步骤2.2：实时接收EOBT数据，将其所对应的离场航班按照EOBT由小到大的顺序插入L1相应位置；
步骤2.3：取L0中第一个位置离场航班的SOBT记为t0，取L1中第一个位置离场航班的EOBT记为t1，令t*＝min{t0,t1}，t*前150分钟开始计时，计时时长15分钟，计时结束时触发排序；
步骤2.4：初始化排序时段i待排序航班列表Li，将L1中EOBT处于[t*,t*+15]的离场航班加入Li中，并将其从L0和L1中剔除；触发排序，输出Li作为对当前时段i离场航班排序的初始输入信息；
步骤2.5：根据Li判定当前排序时段的机场交通状态，排序时段索引i加1，返回步骤2.1。
4.根据权利要求1所述的一种离场航班动态协同排序方法，其特征在于，步骤3中，使用NSGA-II求解离场航班协同排序模型，获得排序结果。
5.根据权利要求2所述的一种进场航班动态协同排序方法，其特征在于：所述排序时段i航空公司j所有离场航班的总延误时间
Figure FDA00029065308200000413
的具体计算方法是：
将离场航班按照是否受到流控影响分为非受控离场航班和受控离场航班；非受控离场航班延误计算公式为：
Figure FDA0002906530820000041
Figure FDA0002906530820000042
式中：
Figure FDA0002906530820000043
为排序时段i航空公司j所有非受控离场航班集合；
Figure FDA0002906530820000044
为排序时段i航空公司j非受控离场航班a的延误时间；
Figure FDA0002906530820000045
为排序时段i航空公司j非受控离场航班a的优化起飞时间；
Figure FDA0002906530820000046
为排序时段i航空公司j非受控离场航班a的计划关舱门时间；
受控离场航班延误计算公式为：
Figure FDA0002906530820000047
Figure FDA0002906530820000048
式中：
Figure FDA0002906530820000049
为排序时段i航空公司j所有受控离场航班集合；
Figure FDA00029065308200000410
为排序时段i航空公司j受控离场航班b的延误时间；
Figure FDA00029065308200000411
为排序时段i航空公司j受控离场航班b的优化起飞时间；
Figure FDA00029065308200000412
为排序时段i航空公司j受控离场航班b的CTOT；
排序时段i航空公司j所有离场航班的总延误时间为：
Figure FDA0002906530820000051
Figure FDA0002906530820000052
式中：α为受控离场航班延误权重。
6.根据权利要求2所述的一种进场航班动态协同排序方法，其特征在于：所述0-1离散变量
Figure FDA0002906530820000053
的具体计算方法是：
Figure FDA0002906530820000054
Figure FDA0002906530820000055
n0∈Fi,S
Figure FDA0002906530820000056
式中：Fi,S为排序时段i所有非受控始发航班集合；Fi,P为排序时段i所有非受控始发航班的前序航班集合；Fi,Q为排序时段i所有非受控非始发航班的前序航班集合；
Figure FDA0002906530820000057
为排序时段i非受控离场航班n的前序航班n0到达机位的延误时间；
Figure FDA0002906530820000058
为排序时段i非受控离场航班n的前序航班n0的实际开舱门时间；
Figure FDA0002906530820000059
为排序时段i非受控离场航班n的前序航班n0的计划开舱门时间。
7.根据权利要求2所述的一种进场航班动态协同排序方法，其特征在于：所述排序时段i航空公司延误公平性评价指标θi的具体计算方法是：
Figure FDA00029065308200000510
Figure FDA00029065308200000511
Figure FDA00029065308200000512
式中：
Figure FDA00029065308200000513
为排序时段i航空公司j所有离场航班的平均延误时间。
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