CN113722910B - 一种面向机场终端区的宏观仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种面向机场终端区的宏观仿真方法，旨在针对机场终端区宏观仿真需求，在满足各类运行约束的条件下，实现对机场终端区内航班流的运行仿真，包括空域模型和机场模型两部分。空域模型主要考虑航线的上下游构型，包括一般航线、汇聚航线、分流航线三种模型；机场模型主要考虑平行双跑道的不同运行模式，包括隔离运行模式、独立运行模式、相关进近模式三种模型。该方法贴近实际，能够根据典型运行场景，针对特定的机场终端区构型，快速构建机场终端区宏观仿真架构，为探寻机场终端区的宏观运行特征提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种面向机场终端区的宏观仿真方法。
背景技术
机场终端区是空中交通运行的重要组成部分，主要用于航空器的起飞与降落，因此机场终端区内存在大量的飞行冲突，尤其是近年来随着国内民航的迅速发展，机场终端区的规模与不断扩大，多机场机场终端区的数量也不断增加，如何度量机场终端区的效率性与安全性是当下的热点问题。
仿真技术是识别机场终端区运行瓶颈、预测机场终端区运行态势的常用技术之一，其兼具低成本、客观性的特征使其应用范围不断增大，引起了国内外研究机构的广发关注。当前大部分对机场终端区仿真技术的研究主要集中于微观层面，包括动态路径规划、战术级航线改变、起降排序等内容，所采用的技术有决策森林、粒子群算法、A*算法等；该类研究关注与微观的冲突探测与解脱，重点关注了机场终端区局部的特征提取与优化，缺乏对机场终端区宏观运行过程以及机场终端区内交通流演变规律的研究。
发明内容
发明目的：本发明着眼于机场终端区宏观仿真所需的关键模型，依托元胞传输的基本原理，结合机场终端区运行中关键节点的特征，从空域和机场两个角度构建了机场终端区内元胞传输模型，为后续交通流演变规律、机场终端区构型等方面的理论研究和系统应用提供可靠技术支撑。
技术方案：本发明是这样实现的，一种面向机场终端区宏观仿真的元胞传输模型构建方法，包括如下步骤：
步骤1，针对机场终端区构型以及宏观仿真的原则，对机场终端区的微观运行条件进行设定；
步骤2，根据机场终端区内航线结构的分布特征，将机场终端区内航线分为一般航线、汇聚航线和分流航线，并分别构建元胞传输模型；其中，汇聚航线是指与上游至少两条航线直接相连的航线；分流航线是指与下游至少两条航线直接相连的航线；其余航线为一般航线；
步骤3，构建隔离运行模式、独立运行模式和相关进近模式三种元胞传输模型，完成机场终端区宏观仿真。
步骤1包括：进行如下设定：
将机场终端区内的交通流视为连续均质流体；
航空器在各个元胞内分布均匀；
不同类型的元胞内交通流平均速度存在差异；
机场终端区内的运行参数能够随时间发生变化；
机场终端区内的航空器具有相同的优先级；
机场终端区内进离场航线分离。
步骤2包括：
步骤2-1，定义航线元胞为j，在第t个时间片的流入率为qj-1(t)，流出率为qj(t)，存量为Nj(t)，单位仿真时间步长为dT；元胞内航空器的平均飞行速度为元胞长度为lj，且满足约束条件/>
航班流在进离场阶段会在航线元胞内均匀流动，元胞内交通流特征的演进是通过元胞流入率、流出率以及存量体现的，并且航线元胞的流入流量、流出流量和元胞存量变化率满足能量守恒关系，能量守恒关系表示为Nj(t)＝Nj(t-1)+qj-1(t)dT-qj(t)dT；
步骤2-2，建立一般航线的元胞传输模型：定义航线元胞j在第t个时间片的飞行间隔为sepj(t)，设定飞机的平均长度为lf，则航线元胞j的容量Cj表示为：
流入量qj-1(t)dT为：
流出量qj(t)dT为：
航线元胞的存量变化表示为：Nj(t)＝Nj(t-1)+qj-1(t)dT-qj(t)dT；
航线元胞j造成的流量损失量表示为：
步骤2-3，建立汇聚航线的元胞传输模型：定义航线元胞j在第t个时间片的飞行间隔为sepj(t)，设定飞机的平均长度为lf，则航线元胞j的容量Cj表示为：
定义上游航线元胞的最大流出量为则流入量qj-1(t)dT为：
其中αj-1(t)是指在第t个时间片由上游航线元胞j-1流入航线元胞j的流量比例，即
流出量qj(t)dT为：
航线元胞的存量变化表示为Nj(t)＝Nj(t-1)+qj-1(t)dT-qj(t)dT；
航线元胞j造成的流量损失量表示为：
步骤2-4，建立分流航线的元胞传输模型：定义航线元胞j在第t个时间片的飞行间隔为sepj(t)，设定飞机的平均长度为lf，则航线元胞j的容量Cj表示为：
流入量为
定义下游航线元胞的最大接收量为C＝(Cj+1-Nj+1(t))+(Cj+2-Nj+2(t))，则流出量为
其中βj+1(t)是指在第t个时间片由上游航线元胞j流入航线元胞j+1的流量比例，即航线元胞存量变化表示为Nj(t)＝Nj(t-1)+qj-1(t)dT-qj(t)dT。
步骤3包括：
步骤3-1，定义机场元胞i为组合型元胞，由子跑道元胞m,n组成；定义机场元胞i在第t个时间片的流入率为qi-1(t)，流出率为qi(t)，存量为Ni(t)，单位仿真时间步长为dT；跑道元胞m内的平均滑行速度为跑道元胞n内的平均滑行速度为/>跑道元胞m的长度为lrm，跑道元胞n的长度为lrn，且满足约束条件/>
机场元胞的流入流量、流出流量和元胞存量变化率满足能量守恒关系，能量守恒关系表示为Ni(t)＝Ni(t-1)+qi-1(t)dT-qi(t)dT；
步骤3-2，构建隔离运行模式的元胞传输模型；
步骤3-3，构建独立运行模式的元胞传输模型；
步骤3-4，构建相关进近模式的元胞传输模型。
步骤3-2包括：定义子跑道元胞m为进场跑道元胞，子跑道元胞n为离场跑道元胞；第t个时间片跑道元胞m的落地间隔为sepm(t)，跑道元胞n的起飞间隔为sepn(t)；
隔离运行模式下，进离场航班之间互不影响，则机场元胞i的容量Ci表示为：
流入量为
流出量为
机场元胞的存量变化表示为Ni(t)＝Ni(t-1)+qi-1(t)dT-qi(t)dT；
机场元胞i造成的流量损失量表示为
步骤3-3包括：定义子跑道元胞m,n均为能够进行进、离场飞行的跑道元胞，在第t个时间片跑道元胞m的落地间隔为lsepm(t)，起飞间隔为tsepm(t)，进场流量为InFm(t)，离场流量为OutFm(t)；跑道元胞n的落地间隔为lsepn(t)，起飞间隔为tsepn(t)，进场流量为InFn(t)，离场流量为OutFn(t)；
独立运行模式下，两条跑道之间的运行互不影响，现行机场进离场跑道占用遵守两进场插一离场的原则，即在两个进场飞机中间插入一个离场飞机，因此对于跑道元胞m，跑道运行间隔近似为则机场元胞i的容量Ci表示为：
跑道元胞m在第t个时间片的进场流量比例为离场流量比例为/>则跑道元胞n在第t个时间片的进场流量比例为αn(t)＝1-αm(t)，离场流量比例为βn(t)＝1-βm(t)；
机场元胞i在第t个时间片的流入量为
定义机场元胞在第t个时间片最大流出量为/>则实际流出量为
机场元胞i的存量变化表示为Ni(t)＝Ni(t-1)+qi-1(t)dT-qi(t)dT，机场元胞i造成的流量损失量表示为
步骤3-4包括：定义子跑道元胞m,n均为能够进行进、离场飞行的跑道元胞，在第t个时间片跑道元胞m的落地间隔为lsepm(t)，起飞间隔为tsepm(t)，进场流量为InFm(t)，离场流量为OutFm(t)；跑道元胞n的落地间隔为lsepn(t)，起飞间隔为tsepn(t)，进场流量为InFn(t)，离场流量为OutFn(t)，两条跑道中线的物理间隔为dis，不同跑道的上着陆的航空之间配备的最小雷达间隔为slope(t)；
相关进近模式下，两条跑道的进场航空器之间存在相互影响，遵循同一跑道的两个进场航空器间插入1～2架离场航空器，同时在另外一条跑道插入1架进场航空器且雷达间隔为slope(t)；
对于跑道元胞m，定义不同跑道降落航空器连线与跑道夹角为则每个分组的间隔长度为SepMax＝2×slope(t)×cos(γ)，组内航空器的平均间隔为跑道元胞n内组内航空器的平均间隔为sepn(t)；
则机场元胞i的容量Ci表示为：
其中numm为跑道元胞m内每个分组中航空器的数量，numn为跑道元胞n内每个分组中航空器的数量；
跑道元胞m在第t个时间片的进场流量比例为离场流量比例为/>则跑道元胞n在第t个时间片的进场流量比例为αn(t)＝1-αm(t)，离场流量比例为βn(t)＝1-βm(t)；
机场元胞在第t个时间片的流入量为定义机场元胞在第t个时间片最大流出量为/>则实际流出量为/>则机场元胞的存量变化表示为Ni(t)＝Ni(t-1)+qi-1(t)dT-qi(t)dT，机场元胞i造成的流量损失量表示为/>
有益效果：本发明充分考虑机场终端区结构中关键节点对于运行的影响，从宏观角度构建了机场终端区元胞传输模型。在空域模型部分考虑了交通流的汇聚、分流特征；在机场模型部分，考虑了隔离运行、独立运行以及相关进近多种运行模式；从而能够针对不同场景构建仿真模型，满足多样化的运行需求。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是机场终端区元胞传输模型的组成图。
图2是一般航线元胞模型示意图。
图3是汇聚航线元胞模型示意图。
图4是分流航线元胞模型示意图。
图5是隔离运行模式机场元胞模型示意图。
图6是独立运行模式机场元胞模型示意图。
图7是相关进近模式跑道使用方式示意图。
图8是某机场终端区结构图。
图9是某机场宏观仿真元胞结构图。
具体实施方式
本发明提供了一种面向机场终端区的宏观仿真方法，所述方法包括以下内容，如图1所示。
1、建模前提与假设
机场终端区由空域和机场两部分组成，由于机场的滑行部分往往不属于机场终端区运行考虑的范畴，因此本专利只针对空域和跑道部分进行建模。元胞传输模型对于研究机场终端区交通演化规律以及航线间相互影响具有显著优势。考虑宏观仿真要求与机场终端区运行实际情况，作出如下设定：
将机场终端区内的交通流视为连续均质流体；
航空器在各个元胞内分布均匀；
不同类型的元胞内交通流平均速度存在差异；
机场终端区内的运行参数能够随时间发生变化；
机场终端区内的航空器具有相同的优先级；
机场终端区内进离场航线分离；
2、终端区空域模型
通常情况下机场终端区是连接机场与航路的空域，主要用于航空器的起飞与降落，机场终端区内的航空器往往处于爬升或下降的状态，因此为保证飞行安全、降低指挥难度，机场终端区内的起降航线往往只有一个可用高度/高度层。
根据机场终端区内航线结构的分布特征，往往可以将航线分为一般航线、汇聚航线和分流航线。汇聚航线是指与上游至少两条航线直接相连的航线，例如四边航线、五边航线等；分流航线是指与下游至少两条航线直接相连的航线，例如进场移交航线等；其余航线为一般航线，通常只与一条上游航线相连，且只与一条下游航线相连。
定义航线元胞为j，在第t个时间片的流入率为qj-1(t)，流出率为qj(t)，存量为Nj(t)，单位仿真时间步长为dT；元胞内航空器的平均飞行速度为元胞长度为lj，且满足约束条件/>
航班流在进离场阶段会在航线元胞内均匀流动，元胞内交通流特征的演进是通过元胞流入率、流出率以及存量体现的，并且航线元胞的流入流量、流出流量和元胞存量变化率满足能量守恒关系，能量守恒关系表示为Ni(t)＝Ni(t-1)+qi-1(t)dT-qi(t)dT。
2.1一般航线
一般航线元胞是指上下游均只与一个元胞相连的航线元胞。如图2所示。
容量约束是制约元胞内流量流动的重要因素之一，定义航线元胞j在第t个时间片的飞行间隔为sepj(t)，设定飞机的平均长度为lf，则航线元胞j的容量Cj表示为：
一般航线元胞在第t个时间片的流入量受自身可接收量与上游元胞的流出量影响，则流入量为流出量受自身流出率量与下游元胞的可接收量影响，则流出量为/>航线元胞的存量变化表示为Nj(t)＝Nj(t-1)+qj-1(t)dT-qj(t)dT。
此外，当出现下游元胞的流入率小于当前元胞的流出率时或上游元胞的流出率大于当前元胞的流入率的现象时，从宏观层面看，表明航班流在当前元胞内发生了流量损失，在微观层面看，表明当前元胞的上/下游节点发生了拥堵。将由下游节点对上游节点的流量约束定义为流量损失量，因此一般航线元胞j造成的流量损失量表示为
2.2汇聚航线
汇聚航线元胞是指与上游至少两条航线元胞直接相连的航线元胞。如图3所示。
定义航线元胞j在第t个时间片的飞行间隔为sepj(t)，设定飞机的平均长度为lf，则航线元胞j的容量Cj表示为：
航线元胞在第t个时间片的流入量受自身可接收量与上游元胞的流出量影响，定义上游航线元胞的最大流出量为则流入量为其中αj-1(t)是指在第t个时间片由上游航线元胞j-1流入航线元胞j的流量比例，即/>同理可计算αj-2(t)；流出量受自身流出率量与下游航线元胞的可接收量影响，则流出量为航线元胞的存量变化表示为Nj(t)＝Nj(t-1)+qj-1(t)dT-qj(t)dT。
此外，当出现下游元胞的流入率小于当前元胞的流出率时或上游元胞的流出率大于当前元胞的流入率的现象时，从宏观层面看，表明航班流在当前元胞内发生了流量损失，在微观层面看，表明当前元胞的上/下游节点发生了拥堵。将由下游节点对上游节点的流量约束定义为流量损失量，因此航线元胞j造成的流量损失量表示为
2.3分流航线
分流航线元胞是指与下游至少两条航线元胞直接相连的航线元胞。如图4所示。
定义航线元胞j在第t个时间片的飞行间隔为sepj(t)，设定飞机的平均长度为lf，则航线元胞j的容量Cj表示为：
航线元胞在第t个时间片的流入量受自身可接收量与上游航线元胞的流出量影响，则流入量为流出量受自身流出率量与下游航线元胞的可接收量影响，定义下游航线元胞的最大接收量为C＝(Cj+1-Nj+1(t))+(Cj+2-Nj+2(t))，则流出量为/>其中βj+1(t)是指在第t个时间片由上游航线元胞j流入航线元胞j+1的流量比例，即/>同理可计算βj+2(t)；航线元胞存量变化表示为Nj(t)＝Nj(t-1)+qj-1(t)dT-qj(t)dT。
3、机场模型
由于跑道的构型与分布不同，因此机场具备不同的运行模式。平行双跑道是我国多跑道机场最常用的跑道构型，根据两条跑道中线间隔的不同可以分为隔离运行、独立运行、相关进近三种运行模式。因此，为了体现上述运行特征，定义机场元胞i为组合型元胞，由子跑道元胞m,n组成。定义机场元胞在第t个时间片的流入率为qi-1(t)，流出率为qi(t)，存量为Ni(t)，单位仿真时间步长为dT；跑道元胞m内的平均滑行速度为跑道元胞n内的平均滑行速度为/>跑道元胞m的长度为lrm，跑道元胞n的长度为lrn，且满足约束条件
航班流在进离场阶段会在机场元胞内均匀流动，元胞内交通流特征的演进是通过元胞流入率、流出率以及存量体现的，并且机场元胞的流入流量、流出流量和元胞存量变化率满足能量守恒关系，能量守恒关系表示为Ni(t)＝Ni(t-1)+qi-1(t)dT-qi(t)dT。
3.1隔离运行模式
隔离运行是指在平行跑道上同时进行的运行，其中一条跑道只用于离场，一条跑道只用于进场，并且通常情况下进离场航班之间不会互相干扰，平行双跑道隔离运行元胞构型如图5所示。
定义子跑道元胞m为进场跑道元胞，子跑道元胞n为离场跑道元胞。第t个时间片跑道元胞m的落地间隔为sepm(t)，跑道元胞n的起飞间隔为sepn(t)。
容量约束是制约元胞内流量流动的重要因素之一，隔离运行模式下，进离场航班之间互不影响，因此机场运行容量Ci为进场容量Cm与离场容量Cn的累加和，设定飞机的平均长度为lf，则机场元胞i的容量Ci表示为：
机场元胞在第t个时间片的流入量受自身可接收量与上游元胞的流出量影响，则流入量为流出量受自身流出率量与下游元胞的可接收量影响，则流出量为/>机场元胞的存量变化表示为Ni(t)＝Ni(t-1)+qi-1(t)dT-qi(t)dT。
此外，当出现下游元胞的流入率小于当前元胞的流出率时或上游元胞的流出率大于当前元胞的流入率的现象时，从宏观层面看，表明航班流在当前元胞内发生了流量损失，在微观层面看，表明当前元胞的上/下游节点发生了拥堵。将由下游节点对上游节点的流量约束定义为流量损失量，因此机场元胞i造成的流量损失量表示为
3.2独立运行模式
独立运行是指在相邻的平行跑道皆可进行进离场飞行，且跑道间无相互影响。即进场的航空器之间不需要配备规定雷达间隔，可同时进行的仪表着陆进近，并且离场航空器在平行跑道上沿相同方向可同时起飞的运行模式。
机场终端区空域范围内的进场过程是航班流逐步汇聚直至降落到机场的过程，对于多跑道机场来说，通常在中间进近定位点处进行跑道选择，即进行航班分流；离场过程是航班流由机场起飞流逐步发散直至移交点，但由于移交点与跑道并不会进行唯一关联，因此在离场点中会存在离场汇聚点。平行双跑道独立运行元胞构型如图6所示。
定义子跑道元胞m,n均为可以进行进、离场飞行的跑道元胞。在第t个时间片跑道元胞m的落地间隔为lsepm(t)，起飞间隔为tsepm(t)，进场流量为InFm(t)，离场流量为OutFm(t)；跑道元胞n的落地间隔为lsepn(t)，起飞间隔为tsepn(t)，进场流量为InFn(t)，离场流量为OutFn(t)。
独立运行模式下，两条跑道之间的运行互不影响，因此机场运行容量Ci为跑道元胞m的容量Cm与跑道元胞n的容量Cn的累加和，设定飞机的平均长度为lf，现行机场进离场跑道占用通常秉持“两进场插一离场”原则，即在两个进场飞机中间插入一个离场飞机，因此对于跑道元胞m来说，跑道运行间隔可近似为则机场元胞i的容量Ci表示为：
由于各个跑道均可进行进离场飞行，因此为了约束机场元胞上下游元胞的流入与流出，需计算各个跑道元胞的进离场比例。跑道元胞m在第t个时间片的进场流量比例为离场流量比例为/>则跑道元胞n在第t个时间片的进场流量比例为αn(t)＝1-αm(t)，离场流量比例为βn(t)＝1-βm(t)。
机场元胞在第t个时间片的流入量受自身可接收量与上游元胞的流出量影响，则流入量为定义机场元胞在第t个时间片最大流出量为/>则实际流出量为/>则机场元胞的存量变化可表示为Ni(t)＝Ni(t-1)+qi-1(t)dT-qi(t)dT，机场元胞i造成的流量损失量可表示为/>
3.3相关进近模式
相关进近是指在相邻的平行跑道皆可进行进离场飞行，但由不同跑道进场的航空器间存在相互影响。即在相邻的平行跑道仪表着陆系统上进近的航空器之间需要配备规定的雷达间隔，但离场航空器在平行跑道上沿相同方向可同时起飞的运行模式。相比于独立运行模式，相关进近模式的跑道构型与独立运行模式相同，如图6所示。不同的是跑道间的运行规则。
定义子跑道元胞m,n均为可以进行进、离场飞行的跑道元胞。在第t个时间片跑道元胞m的落地间隔为lsepm(t)，起飞间隔为tsepm(t)，进场流量为InFm(t)，离场流量为OutFm(t)；跑道元胞n的落地间隔为lsepn(t)，起飞间隔为tsepn(t)，进场流量为InFn(t)，离场流量为OutFn(t)，两条跑道中线的物理间隔为dis，不同跑道的上着陆的航空之间配备的最小雷达间隔为slope(t)。
相关进近模式下，两条跑道的进场航空器之间存在相互影响，为了最大化跑道使用率，在保证各个航空器间隔满足条件的情况下，通常遵循同一跑道的两个进场航空器间插入1-2架离场航空器，同时在另外一条跑道插入1架进场航空器且雷达间隔为slope(t)，如图7所示。
因此对于跑道元胞m来说，可近似认为每两个进场航空器构成一个分组，每组内包含4-5架航空器。定义不同跑道降落航空器连线与跑道夹角为则每个分组的间隔长度为SepMax＝2×slope(t)×cos(γ)，组内航空器的平均间隔为同理可计算，跑道元胞n内组内航空器的平均间隔为sepn(t)。
则机场元胞i的容量Ci表示为：
其中numm为跑道元胞m内每个分组中航空器的数量，同理，numn为跑道元胞n内每个分组中航空器的数量。/>
由于各个跑道均可进行进离场飞行，因此为了约束机场元胞上下游元胞的流入与流出，需计算各个跑道元胞的进离场比例。跑道元胞m在第t个时间片的进场流量比例为离场流量比例为/>则跑道元胞n在第t个时间片的进场流量比例为αn(t)＝1-αm(t)，离场流量比例为βn(t)＝1-βm(t)。
机场元胞在第t个时间片的流入量受自身可接收量与上游元胞的流出量影响，则流入量为定义机场元胞在第t个时间片最大流出量为/>则实际流出量为/>则机场元胞的存量变化可表示为Ni(t)＝Ni(t-1)+qi-1(t)dT-qi(t)dT，机场元胞i造成的流量损失量表示为/>
采用上述方法可以对机场运行的宏观特征进行便捷的统计分析，以某机场容量计算为例进行算法验证，验证过程如下所示：
1、结构建模
某机场采用双跑道隔离运行模式运行，其中06跑道用于起飞，07跑道用于降落。终端区空域内涵盖4个进场移交点，分别为LEGIV、KAKIS、ZJ、OF，4个离场移交点，分别为SUNBO、ESBAG、TESIG、OF，空域结构如图8所示，图中的英文均为点名称，例如XOGAX、GOSRO等。
根据某机场的运行模式构建隔离运行模式机场元胞模型。并以每个航段为单元，基于空域结构构建空域元胞模型。构建航线元胞时满足以下约束条件：
(1)每个航段分解为3个元胞，分别为包含起点的S元胞、包含终点的E元胞以及航段其余部分构成的R元胞；
(2)S元胞以及包含E元胞是为以起点/终点为圆心，5公里为半径截取的航段组成(若截取的航段中包含完整航段，则以航段程度为半径重新截取)；
(3)若连续若干个航段均只有一个上游节点和一个下游节点，且各个航段长度均小于10公里，则可以将这些航段合并为一个航段进行处理，简化建模复杂度；
(4)保证元胞长度至少为10公里；
(5)并且需保证S元胞与E元胞无重合部分；
(6)R元胞长度为去除S元胞与E元胞半径长度后剩下的航段长。
构建的宏观仿真元胞结构如图9所示(图9中的英文均为点名称)。
2、参数配置
定义07跑道元胞m为进场跑道元胞，06跑道元胞n为离场跑道元胞。第t个时间片07跑道元胞m的落地间隔为sepm(t)＝2min，平均滑行速度为跑道元胞m的长度lrm＝4km；06跑道元胞n的起飞间隔为sepn(t)＝2min，平均滑行速度为/>跑道元胞n的长度lrn＝4km；飞机的平均长度为lf＝0.04km，时间片长度dT＝1s。
定义各个航线元胞的平均飞行速度为元胞长度为lj如图9所示。
3、容量计算
由于采用容量值进行验证，因此各个元胞不设置容量约束条件，仅以最大流入量和最大流出量来约束元胞间的流通情况。模拟一天(36400个时间片)的运行，可以统计出机场元胞的最大流量为64架次。
根据最大流量与容量的关系可以计算得出某机场的容量为64*0.8＝51架次/小时。
某机场现行公布容量为46架次/小时，与计算所得容量误差约为10％。可以说明通过该方法计算得出的容量值较为准确，具有应用前景。
本发明提供了一种面向机场终端区的宏观仿真方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (2)
1.一种面向机场终端区的宏观仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，对机场终端区的微观运行条件进行设定；
步骤2，根据机场终端区内航线结构的分布特征，将机场终端区内航线分为一般航线、汇聚航线和分流航线，并分别构建元胞传输模型；其中，汇聚航线是指与上游至少两条航线直接相连的航线；分流航线是指与下游至少两条航线直接相连的航线；其余航线为一般航线；
步骤3，构建隔离运行模式、独立运行模式和相关进近模式三种元胞传输模型，完成机场终端区宏观仿真；
步骤2包括：
步骤2-1，定义航线元胞为j，在第t个时间片的流入率为qj-1(t)，流出率为qj(t)，存量为Nj(t)，单位仿真时间步长为dT；元胞内航空器的平均飞行速度为元胞长度为lj，且满足约束条件/>
航班流在进离场阶段会在航线元胞内均匀流动，并且航线元胞的流入流量、流出流量和元胞存量变化率满足能量守恒关系，能量守恒关系表示为Nj(t)＝Nj(t-1)+qj-1(t)dT-qj(t)dT；
步骤2-2，建立一般航线的元胞传输模型：定义航线元胞j在第t个时间片的飞行间隔为sepj(t)，设定飞机的平均长度为lf，则航线元胞j的容量Cj表示为：
流入量为：
流出量为：
航线元胞的存量变化表示为：Nj(t)＝Nj(t-1)+qj-1(t)dT-qj(t)dT；
航线元胞j造成的流量损失量表示为：
步骤2-3，建立汇聚航线的元胞传输模型：定义航线元胞j在第t个时间片的飞行间隔为sepj(t)，设定飞机的平均长度为lf，则航线元胞j的容量Cj表示为：
定义上游航线元胞的最大流出量为则流入量为：
其中αj-1(t)是指在第t个时间片由上游航线元胞j-1流入航线元胞j的流量比例，即
流出量为：
航线元胞的存量变化表示为Nj(t)＝Nj(t-1)+qj-1(t)dT-qj(t)dT；
航线元胞j造成的流量损失量表示为：
步骤2-4，建立分流航线的元胞传输模型：定义航线元胞j在第t个时间片的飞行间隔为sepj(t)，设定飞机的平均长度为lf，则航线元胞j的容量Cj表示为：
流入量为
定义下游航线元胞的最大接收量为C＝(Cj+1-Nj+1(t))+(Cj+2-Nj+2(t))，则流出量为
其中βj+1(t)是指在第t个时间片由上游航线元胞j流入航线元胞j+1的流量比例，即航线元胞存量变化表示为Nj(t)＝Nj(t-1)+qj-1(t)dT-qj(t)dT；
步骤3包括：
步骤3-1，定义机场元胞i为组合型元胞，由子跑道元胞m,n组成；定义机场元胞i在第t个时间片的流入率为qi-1(t)，流出率为qi(t)，存量为Ni(t)，单位仿真时间步长为dT；跑道元胞m内的平均滑行速度为跑道元胞n内的平均滑行速度为/>跑道元胞m的长度为lrm，跑道元胞n的长度为lrn，且满足约束条件/>
机场元胞的流入流量、流出流量和元胞存量变化率满足能量守恒关系，能量守恒关系表示为Ni(t)＝Ni(t-1)+qi-1(t)dT-qi(t)dT；
步骤3-2，构建隔离运行模式的元胞传输模型；
步骤3-3，构建独立运行模式的元胞传输模型；
步骤3-4，构建相关进近模式的元胞传输模型；
步骤3-2包括：定义子跑道元胞m为进场跑道元胞，子跑道元胞n为离场跑道元胞；第t个时间片跑道元胞m的落地间隔为sepm(t)，跑道元胞n的起飞间隔为sepn(t)；
隔离运行模式下，进离场航班之间互不影响，则机场元胞i的容量Ci表示为：
流入量为
流出量为
机场元胞的存量变化表示为Ni(t)＝Ni(t-1)+qi-1(t)dT-qi(t)dT；
机场元胞i造成的流量损失量表示为
步骤3-3包括：定义子跑道元胞m,n均为能够进行进、离场飞行的跑道元胞，在第t个时间片跑道元胞m的落地间隔为lsepm(t)，起飞间隔为tsepm(t)，进场流量为InFm(t)，离场流量为OutFm(t)；跑道元胞n的落地间隔为lsepn(t)，起飞间隔为tsepn(t)，进场流量为InFn(t)，离场流量为OutFn(t)；
独立运行模式下，两条跑道之间的运行互不影响，现行机场进离场跑道占用遵守两进场插一离场的原则，即在两个进场飞机中间插入一个离场飞机，因此对于跑道元胞m，跑道运行间隔近似为则机场元胞i的容量Ci表示为：
跑道元胞m在第t个时间片的进场流量比例为离场流量比例为/>则跑道元胞n在第t个时间片的进场流量比例为αn(t)＝1-αm(t)，离场流量比例为βn(t)＝1-βm(t)；
机场元胞i在第t个时间片的流入量为定义机场元胞在第t个时间片最大流出量为/>则实际流出量为/>
机场元胞i的存量变化表示为Ni(t)＝Ni(t-1)+qi-1(t)dT-qi(t)dT，机场元胞i造成的流量损失量表示为
步骤3-4包括：定义子跑道元胞m,n均为能够进行进、离场飞行的跑道元胞，在第t个时间片跑道元胞m的落地间隔为lsepm(t)，起飞间隔为tsepm(t)，进场流量为InFm(t)，离场流量为OutFm(t)；跑道元胞n的落地间隔为lsepn(t)，起飞间隔为tsepn(t)，进场流量为InFn(t)，离场流量为OutFn(t)，两条跑道中线的物理间隔为dis，不同跑道的上着陆的航空之间配备的最小雷达间隔为slope(t)；
相关进近模式下，两条跑道的进场航空器之间存在相互影响，遵循同一跑道的两个进场航空器间插入1～2架离场航空器，同时在另外一条跑道插入1架进场航空器且雷达间隔为slope(t)；
对于跑道元胞m，定义不同跑道降落航空器连线与跑道夹角为则每个分组的间隔长度为SepMax＝2×slope(t)×cos(γ)，组内航空器的平均间隔为跑道元胞n内组内航空器的平均间隔为sepn(t)；
则机场元胞i的容量Ci表示为：
其中numm为跑道元胞m内每个分组中航空器的数量，numn为跑道元胞n内每个分组中航空器的数量；
跑道元胞m在第t个时间片的进场流量比例为离场流量比例为/>则跑道元胞n在第t个时间片的进场流量比例为αn(t)＝1-αm(t)，离场流量比例为βn(t)＝1-βm(t)；
机场元胞在第t个时间片的流入量为定义机场元胞在第t个时间片最大流出量为/>则实际流出量为/>
则机场元胞的存量变化表示为Ni(t)＝Ni(t-1)+qi-1(t)dT-qi(t)dT，机场元胞i造成的流量损失量表示为
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1包括：进行如下设定：
将机场终端区内的交通流视为连续均质流体；
航空器在各个元胞内分布均匀；
不同类型的元胞内交通流平均速度存在差异；
机场终端区内的运行参数能够随时间发生变化；
机场终端区内的航空器具有相同的优先级；
机场终端区内进离场航线分离。
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