CN1768361A

CN1768361A - 着陆飞行器排序方法

Info

Publication number: CN1768361A
Application number: CNA2004800084158A
Authority: CN
Inventors: 弗布莱斯·特里斯坦·皮埃尔·萨夫尔
Original assignee: British Telecommunications PLC
Current assignee: British Telecommunications PLC
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2006-05-03
Anticipated expiration: 2024-03-12
Also published as: EP1616313B1; DE602004015092D1; GB0307138D0; US20060212180A1; WO2004086333A1; EP1616313A1; CN100433076C; ATE401642T1; CA2517128A1; JP2006523874A

Abstract

许多类型的交通工具在行进时将干扰它们后面的环境。结果，在两架接连的交通工具之间不得不保持一延迟，来避免由先行交通工具引起的干扰环境不利影响跟随交通工具的情形。以前，基于“先来，先受服务”执行排序，但是这不能令人满意。公开了一种对多个交通工具进行排序的方法，其中上述多个候选交通工具中的每个候选交通工具是要被分配到一序列中的下一位置的候选，上述方法包括以下步骤：(i)接收与上述候选交通工具中的一个有关的信息；(ii)基于上述接收信息和从在上述序列中最新分配一位置的候选交通工具接收的信息，计算要指配给上述交通工具的值；(iii)针对每个上述候选交通工具重复步骤(i)和(ii)；(iv)基于上述指配值选择上述候选交通工具中的一个；以及(v)为上述选择的候选交通工具分配上述序列中的下一位置。

Description

着陆飞行器排序方法

技术领域

本发明涉及一种交通工具排序方法。它具有用于建立飞行器的着陆序列的具体应用。

背景技术

一种已知为“尾湍流(wake turbulence)”的现象是由尾涡引起的，只要飞行器机翼产生升力就会形成此。机翼上表面与下表面之间的压差引发机翼尾部气流的卷起，导致在翼梢的下游旋出大量空气尾流。这种涡的强度或力度主要上是飞行器重量的函数，最强的涡由重型飞行器产生。

飞进涡里能导致跟随飞行器的不平衡(可能造成跟随飞行器坠落)，特别是在跟随飞行器的质量太小或者涡的强度太大的情况下。结果，不得不在两次接连飞行器着陆之间保持延迟来规避这种潜在危险的情形。这种延迟必须针对于先行和跟随飞行器的质量比按比例延长。

假定有三种飞行器类型(“重型”、“大型”和“小型”)，并且它们之间的安全延迟是它们相对尺寸的增函数，图1显示了一个表，该表概括了必须在连续着陆之间保持的延迟(按时间单位，例如分钟)。如果所有飞行器正好属于一个类型，那么延迟总是最小的。如果到达的空中交通分成三组，所有的“小型”飞行器先着陆，跟着是所有的“大型”飞行器着陆，最后是所有的“重型”飞行器着陆，则延迟也是最小的。时间表需求使得可将空中交通组织成这样完美有序的序列，当然是极不可能的。事实上，属于全部三种类型的飞行器随机地相互跟随，空中交通管制中心面对的一个问题是选择下一允许着陆的飞行器。

空中交通控制中心当前使用的两种系统对到来的飞行器进行排序并确保着陆飞行器安全分开，它们是Traffic Management Advisor(TMA)和Final Approach Spacing(FAST)，两者都由National Aeronautics andSpace Administration(NASA)Ames Research Centre，Moffett Field，Califomia 94035，USA开发。

这两种系统基于“先来，先受服务”(FCFS)对到来的飞行器进行排序，在此情况下，首先到来的飞行器在进入终点区域(术语，用来描述其中向到达和离开机场的飞行器提供空中交通管制服务的空域)时(以着陆请求)联系空中交通管制中心(ATC)，从而首先被分配一着陆时隙，并且排在序列的开头。随后，到来的飞行器被按它们到达终点区域并联系ATC的顺序排入序列中。在排序的飞行器之间应用合适的间隔，以服从安全限制。然而，已经发现，基于FCFS对飞行器进行排序导致低于最佳着陆速率，这导致增加了到达飞行器的延迟，因为它们被迫在终点区域(通常在等待/保持栈)等待分配着陆时隙。这又导致航线提供的服务质量降低，并且还导致等候飞行器的燃油消耗增加。

发明内容

依照本发明第一方面，提供了一种对多个侯选交通工具进行排序的方法，其中上述多个侯选交通工具中的每个侯选交通工具是要被分配一序列中的下一位置的侯选，上述方法包括以下步骤：

(i)接收与上述侯选交通工具中的一个有关的信息；

(ii)基于上述接收信息和从在上述序列中最新分配一位置的侯选交通工具接收的信息，计算要指配给上述交通工具的值；

(iii)针对每个上述侯选交通工具重复步骤(i)和(ii)；

(iv)基于上述指配值选择上述侯选交通工具中的一个；以及

(v)为上述选择的侯选交通工具分配上述序列中的下一位置。

优选地，上述多个侯选交通工具包括多个侯选飞行器，上述序列是着陆序列。通过使用与侯选飞行器信息有关的信息，来自最近被分配序列中的一位置的飞行器的信息，可以为每个侯选飞行器计算一值，并可选择一个侯选飞行器，并为其分配序列中的下一位置。这个由此产生的飞行器序列比其它例如基于“先来，先受服务”产生的序列更优化。

优选地，上述接收信息接收自与上述接收信息有关的侯选交通工具，这样，接收信息更可能是最新的。

优选地，上述值表示如果上述侯选交通工具在序列中被分配下一位置，在侯选交通工具与在上述序列中最新分配一位置的侯选交通工具之间必须保持的间距。这样，减小了接连的交通工具之间的平均间隔。

优选地，如果上述侯选交通工具在序列中被分配下一位置，上述值表示上述侯选交通工具经历的延迟。这样，减小了侯选交通工具经历的平均延迟。

依照本发明的第二方面，提供一种操作排序装置来对多个侯选交通工具进行排序的方法，其中，上述多个侯选交通工具中的每个侯选交通工具是要被分配到一序列中的下一位置的侯选，上述方法包括以下步骤：

(i)接收与上述侯选交通工具中的一个有关的信息；

(iii)针对每个上述侯选交通工具重复步骤(i)和(ii)；

(iv)基于上述指配值选择上述侯选交通工具中的一个；以及

(v)为上述选择的侯选交通工具分配上述序列中的下一位置。

优选地上述方法还包括以下步骤：

(vi)将上述序列中的下一位置的详情发送给上述选择的侯选交通工具。

依照本发明的第三方面，提供排序装置，其被设置为进行操作以对多个侯选交通工具进行排序，其中，上述多个侯选交通工具中的每个侯选交通工具是要被分配到一序列中的下一位置的侯选，上述数据处理装置包括：

接收装置，接收与上述侯选交通工具中的一个有关的信息；

计算装置，基于上述接收信息和从在上述序列中最新分配一位置的侯选交通工具接收的信息，计算要指配给上述交通工具的值；

选择装置，基于上述指配值选择上述侯选交通工具中的一个；以及

分配装置，用于为上述选择的侯选交通工具分配上述序列中的下一位置。

依照本发明的第四方面，提供排序装置，其被设置为进行操作以对多个侯选交通工具进行排序，其中，上述多个侯选交通工具中的每个侯选交通工具是要被分配到一序列中的下一位置的侯选，上述数据处理装置包括：

接收器，被设置为进行操作以接收与上述侯选交通工具中的一个有关的信息；

计算器，被设置为进行操作以基于上述接收信息和从在上述序列中最新分配一位置的侯选交通工具接收的信息，计算要指配给上述交通工具的值；

选择器，被设置为进行操作以基于上述指配值选择上述侯选交通工具中的一个；以及

分配器，被设置为进行操作以为上述选择的侯选交通工具分配上述序列中的下一位置。

依照本发明的第五方面，提供一种携带指令程序的数字数据载体，该指令程序可由处理装置执行，以执行如本发明第一方面所述的方法步骤。

附图说明

下面参照附图仅通过举例来描述本发明的实施例，其中相同标号涉及相同部分，其中：

图1显示了一个表，该表概括了飞行器顺序着陆之间必须保持的延迟；

图2例示了飞行器接近目的地机场；

图3例示了用于实现本发明实施例的软件的示意图；

图4是例示飞行器排序过程的第一阶段的流程图；

图5是例示飞行器排序过程的剩余阶段的流程图；

图6是例示依照本发明实施例的成本函数计算的流程图；

图7是例示依照本发明实施例的着陆时隙计算的流程图；

图8是示出基于“先来，先受服务”对飞行器进行排序的结果的表；

图9是示出依照本发明实施例对飞行器进行排序的结果的表；

图10是一图表，其显示了基于“先来，先受服务”排序的飞行器经受的延迟与依照本发明实施例排序的飞行器经受的延迟之间的比较。

具体实施方式

参照图2，显示有多个飞行器201在终点区域ATC 203的控制下接近终点区域内的目的地机场。为了在目的地机场请求一着陆时隙，每一飞行器201一进入终点区域就必须联系终点区域ATC 203。飞行器以不可预料的方式(即，按随机顺序)到达终点区域。

终点区域ATC 203内的计算机205在可执行以实现飞行器序列选择过程的软件控制下进行操作。本领域技术人员应当理解，用来实现本发明的软件的任何部分或者全部，都可以包含在各种传输和/或存储介质如软盘、CD-ROM或磁带上，以便它可以被加载到计算机上，或者可以通过使用合适传输介质的计算机网络来下载。

参照图3，加载到计算机205上的软件通过在动态集合301内为实体(E₁，E₂，E₃，...E_n)指配优先级和/或对其进行修改来进行操作。与每个实体(E_n)相关联的是实时变量[x(E_n)，y(E_n)]的集合。该软件还包括调度器303，调度器303依照最佳化算法进行操作以更新存储在动态集合301中的实体的优先级，并将它们移到静态集合305。每个实体代表一个进入终点区域的飞行器。飞行器等待被分配一由动态集合301表示的等待/保持堆栈中的着陆时隙。利用最佳化算法，ATC(由调度器303表示)确定由静态集合305表示的着陆序列的顺序。与每个实体相关联的实时变量的例子有飞行器航班标识号、飞行器尺寸以及飞行器到达目的地的估计到达时间(ETA)。

还对每个实体定义了两个实时变量I_n和D_n，用于调度器的算法中。I_n是在实体E_n表示的飞行器被分配了下一着陆时隙的情况下到静态集合305中最晚的实体表示的飞行器的间隔。(记住这在上面参照图1描述过)。D_n是在实体E_n表示的飞行器被分配了下一着陆时隙的情况下与飞行器的ETA相比时的实体E_n表示的飞行器的延迟。

将两个变量I_n和D_n组合到成本函数f(I，D)中，成本函数f(I，D)表示将下一可用着陆时隙分配给实体E_n表示的飞行器的关联“成本”。两个变量I_n和D_n在该成本函数中的相对权重是可调的，并且被定义为两个指数α和β的值。下面用完整的公式[1]来表示成本函数f(I_n，D_n)：

f (I_{n}, D_{n}) = \frac{I_{n}^{α}}{D_{n}^{β}} - - - [1]

从动态集合选择一个实体并将它传到静态集合(即，将下一可用时隙分配给由实体E_n表示的飞行器)的成本，与间隔I_n的α次幂成正比，而与延迟D_n的β次幂成反比。低间隔和高延迟将减少选择特殊实体的成本，因此减少向所表示的飞行器分配着陆时隙的成本。飞行器已经等候分配时隙越久，就越可能分配到下一可用时隙。然而，一切是均等的(即，所有的飞行器具有相似的延迟)，具有最短间隔的飞行器将被选择。这对于最大化飞行器的通过量、减少等候飞行器排长队的机会，并且因此有益于机场和飞行器两者，都是最佳的。

在有损延迟D_n的情况下，增加α将增加间隔I_n的权重。这典型地导致在接连的飞行器之间间隔最小。另一方面，在有损间隔I_n的情况下，增加β将增加延迟D_n的权重，这典型地导致延迟减少，因此减少了到来飞行器的等候时间。

在优选的实施例中，α和β的值设置为α＝1.0、β＝2.0.，然而，可以修改α和/或β的值以反映优先级的变化。不同的飞行器可以具有不同的优先级，例如因为飞行器上的紧急情形、飞行器携带的燃油量、飞行器航程总持续时间、飞行器上的货物种类和/或飞行器上的乘客等。结果，被认为是“可接受延迟”的情况可能因此而改变。

此外，可将其它变量和/或参数加到公式[1]，以计入优选实施例中未包括的其它因素，例如，飞行器的固有优先级、飞行器的当前燃油消耗量和/或燃油装载量、当前大气条件、天气预报等。这将只修改成本函数返回的输出变量，该输出变量被调度器用作决策基础。

在优选的实施例中，确定地做出以下决策：哪个飞行器应从动态集合移到静态集合，因此，哪个飞行器应被分配下一可用着陆时隙，即，具有最低成本的实体被移动。

参照图4，在进入终点区域时，接近的飞行器201通过无线电通信联系终点区域ATC 203(步骤401)以请求一着陆时隙。这假定发生在飞行器到达其目的地的估计到达时间(ETA)之前的10到20分钟之间的任何时间。该最初联系消息包含这样的信息，如飞行器的航班标识号、飞行器的尺寸以及飞行器的ETA。在接收到该联系消息时，终点区域203通过向请求飞行器201回送一消息(包括在等待/保持堆栈中等待的顺序)(步骤403)对这个消息进行应答。同时，由终点区域ATC 203生成一表示请求飞行器201的实体，并将其添加到动态集合301(步骤405)。这例如是通过与计算机205相连的键盘(或其它类似的输入装置)将相关信息输入到计算机205上来实现的。在其它实施例中，可将信息经由在请求飞行器和终点区域ATC 203之间建立的数据链路自动输入到计算机205中。与该实体关联的是表示由飞行器发送到终点区域ATC 203的信息的实时变量。无论飞行器201何时进入终点区域，都重复上面参照图4描述的过程。每分钟都可能有几个飞行器201进入终点区域，联系终点区域ATC 203以请求着陆时隙。这导致要生成几个实体并将其加入动态集合。

参照图5，更详细地描述调度器的操作。首先，初始化调度器的新会话(步骤501)。为要由调度器分配的每个着陆时隙开始一新会话。在优选实施例中调度器每分钟运行一次，尽管在其它实施例中每分钟更多或更少会话可能更合适。

调度器接着针对表示已联系终点区域ATC 203的飞行器的下一实体提取信息(步骤503)。提取的信息是飞行器在其初始联系消息(图4，步骤401)中发送给终点区域ATC 203的信息。调度器然后检查(步骤505)当前被处理实体是否已在动态集合中等待超过一规定时间段，例如30分钟。(应意识到，这相当于飞行器在等待/保持堆栈中等待30分钟以上)。如果该检查产生一正结果，那么终点区域ATC 203联系该实体表示的飞行器，以将其重定向到另一机场(步骤507)，并且从动态集合中删除这个代表实体。如果检查是否定的，那么调度器继续为这个实体计算成本函数(步骤509)。成本函数的计算在下面将会有更详细的描述。

调度器接着检查(步骤511)刚计算的成本函数在该会话期内迄今计算出的中是否是最低的。如果是迄今计算出的中最低的，那么将这个实体临时归类为最佳选择实体(步骤513)，直到另一实体的成本函数更低为止。在当前会话中计算了第一个实体的成本函数后，调度器接着检查(步骤515)是否已计算过针对当前在动态集合内的所有实体的成本函数。如果检查结果是否定的，那么重复步骤503到515。如果已计算过针对当前在动态集合内的所有实体的成本函数，则接着将已被归类为最佳选择实体的实体从动态集合移到静态集合(步骤517)，调度器计算(步骤518)下一可用着陆时隙，以分配给最佳选择实体表示的飞行器。下面更详细地描述着陆时隙的计算。

在已计算了要分配给最佳选择实体表示的飞行器的着陆时隙后，调度器检查与该飞行器关联的延迟(即，该飞行器的分配着陆时隙与其ETA之间的差)是否比指定时间段(例如，六十分钟)长。如果该检查的结果是肯定的，那么终点区域ATC 203联系飞行器，以将其改向至另一机场(步骤521)，此后开始调度器的新会话。如果检查结果是否定的，那么终点区域ATC 203联系飞行器，并向其通知其分配着陆时隙，同时开始调度器的新会话。

参照图6，更详细地解释(在步骤5执行的)成本函数的计算。调度器首先从由动态集合移到静态集合的最后实体提取信息(步骤601)。应意识到，这个实体表示要被分配着陆时隙的最新近飞行器。提取的信息包括最新近飞行器的尺寸和分配给它的着陆时隙。使用这个信息和当前被处理实体表示的飞行器的尺寸(应该记得这是在步骤503提取的)，调度器接着计算(步骤603)两架飞行器之间必须具有的间隔(I)，如果当前被处理实体表示的飞行器被分配了下一着陆时隙。在本实施例中，接连飞行器之间的间隔是上面参照图1中的表所描述的，尽管其它规定的间隔也是可能的。调度器接着可将这个间隔加给分配给最新近飞行器的着陆时隙，以为当前被处理实体表示的飞行器计算(步骤605)一建议着陆时隙。调度器接着可以计算当前被处理实体表示的飞行器在被分配了该着陆时隙时经受的延迟(D)(步骤607)，这通过对所述着陆时隙与飞行器的ETA进行比较来执行。最后，调度器可以使用间隔I和延迟D计算当前被处理实体的成本函数(步骤609)。

参照图7，更详细地描述(在步骤518执行的)着陆时隙的计算。调度器首先从自动态集合移到静态集合的最后实体提取信息(步骤701)。应意识到，这个实体表示要被分配着陆时隙的最新近飞行器。提取的信息包括最新近飞行器的尺寸和分配给它的着陆时隙。使用该信息和由调度器在步骤703提取的最佳选择实体表示的飞行器的尺寸，调度器接着基于上面参照图1中的表所规定的间隔计算(步骤705)两个飞行器之间必须具有的间隔。最后，调度器将这个间隔加给分配到最新近飞行器的着陆时隙，以为最佳选择实体表示的飞行器计算(步骤707)着陆时隙。

应意识到，在为最佳选择实体计算成本函数的过程中(在步骤509中)，计算了针对最佳选择实体表示的飞行器的建议着陆时隙(在步骤605中)。因此在另选实施例中，该信息可由计算机205暂时存储，并由终点区域ATC 203在联系飞行器并向其通知其分配着陆时隙(在步骤523中)时使用。

图8例示了基于“先来，先受服务”对于08：17到08：59期间制成的着陆序列。图9例示了依照本发明计算的针对同一时段并针对同一交通模式(同样的飞行器，同样的到达顺序)的着陆序列。

图8和图9中的表按“着陆时间”来排序，“着陆时间”指飞行器在其目的地着陆的时间。“飞行ID”指飞行器的航班标识号，“类别”指飞行器的尺寸类别，“ATC联系”指飞行器在进入终点区域时向终点区域ATC 203发送最初联系消息的时间，“ETA”指飞行器到达其目的地的估计到达时间，“ATC分配”指终点区域ATC 203以已分配着陆时隙的详情联系飞行器时的时间，“延迟”指飞行器的ETA与其实际着陆时间之间的差。

表9中的阴影行表示在某些先前飞行器之前联系终点区域ATC 203但被分配比先前飞行器晚的着陆时隙的飞行器。(当基于“先来，先服务”确定着陆序列时，但仅当联系终点区域ATC 203的飞行器的ETA比某些随后的飞行器晚时，可能发生这一系列事件。这由表8中的阴影行显示)。

参照图8，在08：17到08：59之间的42分钟期间，30架飞行器着陆。它们之间的平均间隔是1分25秒，每架飞行器遭受的平均延迟是18分钟44秒。参照图9，在同样的42分钟期间，37架飞行器着陆。它们之间的平均间隔仅仅是1分10秒，每架飞行器遭受的平均延迟已经下降到15分16秒。这表示目的地容量增加23.3％，到达飞行器遭受的延迟减少18.5％，接连飞行器着陆之间的平均间隔减少17.4％。这对于运营飞行器的航线转化为服务质量上的巨大改进，包括大的燃料消耗缩减和由于容量增加导致机场收入的增加。

图10中的图表概括了这个比较。它是飞行器遭受的延迟与着陆目的地的日时的曲线图。到中午，几乎所有的飞行器延迟至少30分钟，并且由于缺少最佳化这种情形继续恶化，额外的空中交通量不能被吸收，等待/保持队列只能继续增长。相反，依照本发明飞行排序的航班遭受的延迟整个白天都保持恒定。到白天末，基于“先来，先受服务”排序的三个飞行器不得不改线到另一个目的地，因为它们遭受的延迟超过最大允许延迟(在此例中为1个小时)。飞行器遭受的平均延迟超过30分钟，而依照本发明排序的飞行器遭受的平均延迟则小于10分钟。

虽然在上面描述的实施例中确定地做出以下决策：哪个实体应从动态集合移到静态集合，因此，哪个飞行器应被分配下一可用着陆时隙，但也可以基于类似以下的函数概率性地做出决策：

C_{x} = \frac{f (I_{x}, D_{x})}{Σ_{i = 1}^{N} f (I_{i}, D_{i})}

P_{x} = \frac{1 - C_{x}}{Σ_{i = 1}^{N} 1 - C_{i}}

这里N是当前等候在动态集合中的实体的数目，C_x是选择实体x的相对成本，P_x是选中实体x的概率。

虽然上述实施例涉及飞行器的着陆顺序，显然，本发明适用于在其行进中对其后面的环境造成干扰的情况下的任何交通工具的排序。这种情形的一个例子是在其后面留下尾流的舰/艇。

本发明成功地使交通工具排列最佳化。测试结果表明，排序飞行器依照本发明着陆，导致机场容量增长(由于更多的飞行器能经常着陆)，和由运营这些飞行器的航线提供的服务质量的改进(由于飞行器遭受的延迟被缩减)。这两个目的在以前被认为是不相容的。

Claims

1、一种对多个侯选交通工具进行排序的方法，其中上述多个侯选交通工具中的每个侯选交通工具是要被分配到一序列中的下一位置的侯选，上述方法包括以下步骤：

(i)接收与上述侯选交通工具中的一个有关的信息；

(iii)针对每个上述侯选交通工具重复步骤(i)和(ii)；

(iv)基于上述指配值选择上述侯选交通工具中的一个；以及

(v)为上述选择的侯选交通工具分配上述序列中的下一位置。

2、根据权利要求1所述的方法，其中，上述交通工具是飞行器。

3、根据权利要求2所述的方法，其中，上述序列是着陆序列。

4、根据任一前述权利要求所述的方法，其中，上述接收信息接收自与上述接收信息有关的侯选交通工具。

5、根据任一前述权利要求所述的方法，其中，上述接收信息包括涉及与上述信息有关的侯选交通工具的尺寸。

6、根据任一前述权利要求所述的方法，其中，如果上述侯选交通工具在序列中被分配下一位置，上述值表示在侯选交通工具与在上述序列中最新分配一位置的侯选交通工具之间必须保持的间距。

7、根据任一前述权利要求所述的方法，其中，如果上述侯选交通工具在序列中被分配下一位置，上述值表示上述侯选交通工具经历的延迟。

8、一种操作排序装置来对多个侯选交通工具进行排序的方法，其中，上述多个侯选交通工具中的每个侯选交通工具是要被分配到一序列中的下一位置的侯选，上述方法包括以下步骤：

(i)接收与上述侯选交通工具中的一个有关的信息；

(iii)针对每个上述侯选交通工具重复步骤(i)和(ii)；

(iv)基于上述指配值选择上述侯选交通工具中的一个；以及

(v)为上述选择的侯选交通工具分配上述序列中的下一位置。

9、根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：

10、根据权利要求8或9所述的方法，其中，上述交通工具是飞行器。

11、根据权利要求10所述的方法，其中，上述序列是着陆序列。

12、排序装置，被设置为进行操作以对多个侯选交通工具进行排序，其中，上述多个侯选交通工具中的每个侯选交通工具是要被分配到一序列中的下一位置的侯选，上述数据处理装置包括：

接收装置，接收与上述侯选交通工具中的一个有关的信息；

13、排序装置，被设置为进行操作以对多个侯选交通工具进行排序，其中，上述多个侯选交通工具中的每个侯选交通工具是要被分配到一序列中的下一位置的侯选，上述数据处理装置包括：

14、根据权利要求13所述的排序装置，其中，上述交通工具是飞行器。

15、根据权利要求14所述的排序装置，其中，上述序列是着陆序列。

16、一种携带指令程序的数字数据载体，该指令程序可由处理装置执行，以执行如权利要求1到7中的任何一项所述的方法步骤。