一种减少飞行区潜在冲突的滑行道路径优化方法及系统

本发明涉及机场规划调度，尤其是涉及一种减少飞行区潜在冲突的滑行道路径优化方法及系统。

背景技术：

1、机场场面运行作为整个机场系统运行流转中的关键一环，其运行的效率、安全性直接决定了机场运行的安全性和效率。许多机场规模庞大，滑行道数量多、结构复杂，导致航空器滑行时间长，地勤服务车辆工作量大，飞机和地勤车辆的潜在冲突也会增多。而冲突的产生在一方面会产生安全隐患，另外一方面，解决已经产生冲突会消耗大量的时间、人力以及财力，影响后续航空器的滑行。飞机在地面上的滑行遵循一定的路线，因此飞机和飞机以及飞机和车辆之间的冲突点，可以通过科学合理地为航空器分配登机口并规划航空器的滑行路径来避免。

2、现有的研究主要集中在给定到达/出发时间的飞机的滑行调度问题，确定飞机的滑行路线，并指示不同的飞机在不同的时间通过同一地点。滑行调度模型可以根据其目标进行分类，包括总滑行时间，延误和能耗。tjahjono等(2014)确定滑行路线之间的冲突，并考虑了因避免冲突而造成的滞留时间。为了尽量减少机场地面交通造成的总延误,cheng等(2012)提出了一种自适应遗传算法来优化飞机离港顺字和时间。benlic等(2016)提出了同时确定滑行路线和飞机在跑道上的进离场顺序的方法。随着全球绿色机场的发展趋势，机场的节能减排目标受到越来越多的关注。例如，yv等(2017)考虑到不必要的减速-加速过程导致额外的燃油成本。li等(2019)建立了考虑距离、转向时间和避免碰撞的飞机滑行路线规划模型，旨在减少整个滑行过程中的碳排放。soltani等(2020)考虑了滑行路线中的碰撞和冲突的避免，旨在尽量减少飞机和牵引车的燃料消耗。

3、近年来，在越来越多的研究中可以观察到多目标模型的趋势例如，marin和codina(2008)扩展了marin(2006)提出的单目标模型，考虑了其他目标，如不同滑行路线之间发生冲突和航班吞吐量。ravizza等(2013)分析了飞机无冲突滑行路径规划中滑行总时间与油耗的权衡关系。weiszer等(2015)以滑行时间和燃油消耗两个目标优化滑行飞机的速度曲线。jiang等(2015)建立了一个双目标模型，旨在最小化出租车路线的总长度和减少飞机延误。它们的模型可以保证飞机不发生冲突的连续滑行。jiang等(2023)提出了一个双层模型，上层通过为到达/离开的飞机分配航线来减少碳排放和冲突，下层通过调度飞机的出发时间来减少等待时间和冲突。

4、中国专利申请cn202010349765.1公开的方案通过实时计算计算车辆以及航空器在当前任务下到达各路径冲突点时间，来判断交通冲突并更新路径规划。中国专利申请cn201911095648.0则是在机场的多个位置节点上分别设置多个冲突agent，冲突agent根据接收到的多个通过消息中不同飞机的位置、速度和时间戳信息，通过冲突检测算法判断出是否有两架以上飞机之间存在滑行冲突。现有的技术方案多是基于实时速度与距离数据来判断按是否有冲突风险，缺少前期规划能力，并且都仅是考虑基于飞机之间的冲突，未将机场地勤服务车辆纳入考量。

5、综上，目前研究大多集中在优化飞机和地勤车辆总滑行时间，延误和能耗方面，较少研究从保证机场飞行区安全的角度出发优化飞行区飞机和机场地勤服务车辆之间的冲突。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种减少飞行区潜在冲突的滑行道路径战略性优化调度方法及系统，为到达/离开机场的飞机优化分配停机坪和跑道及其滑行路线，输出飞机和车辆的静态调度路径。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、作为本发明的第一方面，提供一种减少飞行区潜在冲突的滑行道路径优化方法，方法步骤包括：

4、读取机场路网数据，始化跑道节点的入港飞机数量和停机坪节点的离港飞机数量，构建机场飞行区有向网络；

5、识别飞机滑行弧线和飞机滑行弧线以及飞机滑行弧线和车辆行驶路径之间存在的潜在冲突，并生成多条飞机降落和起飞的备选滑行路径；

6、构建飞机滑行道路径优化的混合整数二次规划模型，主目标为最小化飞机和飞机、飞机和车辆的潜在冲突，次目标为最小化地勤服务车辆行驶距离；

7、求解飞机滑行道路径优化模型，输出最优解，包括飞机滑行路径和地勤车辆服务路径以及潜在冲突的类型和数量。

8、作为本发明的第二方面，还提供一种减少飞行区潜在冲突的滑行道路径优化系统，系统用于实施如上所述的滑行道路径优化方法，包括以下模块：

9、基础数据输入模块：读取机场路网数据，包括滑行道节点、停机坪节点、跑道节点、机场地勤服务车辆的服务路径以及每个停机坪节点的容量，初始化跑道节点的入港飞机数量和停机坪节点的离港飞机数量，构建机场飞行区有向网络；

10、基础数据处理模块：识别潜在冲突点，识别飞机和飞机、飞机和车辆路径之间存在的潜在冲突；生成飞机滑行路径备选集合，对每对降落跑道和停机坪节点、每对停机坪节点和起飞跑道之间，根据路径生成算法生成数条飞机降落和起飞的滑行路径；

11、路径优化求解模块：构建飞机滑行道路径优化的混合整数二次规划模型，主目标为最小化飞机和飞机、飞机和车辆的潜在冲突，次目标为最小化地勤服务车辆行驶距离，输出最优解，包括飞机滑行路径和地勤车辆服务路径，及其潜在冲突的类型和数量；

12、参数调整分析模块：根据输出结果，调整优化参数，然后返回路径优化求解模块进行求解。

13、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

14、本发明提供的一种减少飞行区潜在冲突的滑行道路径优化方案，从保证机场飞行区安全以及提高机场地勤车辆服务效率角度出发，构建飞机滑行路径优化模型，，生成飞机在跑道和停机坪之间的滑行路径以及对应的地勤车辆服务路线以最小化飞机和飞机、飞机和车辆的潜在冲突为主要目标，以最小化地勤服务车辆的移动距离作为次要目标，对飞机起降停机坪和跑道的分配及其滑行路径进行了整体优化。有助于保证滑行道安全性，提高机场运行效率。该方法还可以根据结果调整参数进行再分析，为机场飞机和车辆调度决策人员提供参考。

技术特征：

1.一种减少飞行区潜在冲突的滑行道路径优化方法，其特征在于，所述方法步骤包括：

2.根据权利要求1所述的一种减少飞行区潜在冲突的滑行道路径优化方法，其特征在于，所述的潜在冲突的种类包括：

3.根据权利要求1所述的一种减少飞行区潜在冲突的滑行道路径优化方法，其特征在于，所述生成多条飞机降落和起飞的备选滑行路径具体为：

4.根据权利要求1所述的一种减少飞行区潜在冲突的滑行道路径优化方法，其特征在于，所述飞机滑行道路径优化模型的目标函数具体为：

5.根据权利要求4所述的一种减少飞行区潜在冲突的滑行道路径优化方法，其特征在于，所述混合整数二次规划模型目标函数的主要目标f1具体表示为：

6.根据权利要求4所述的一种减少飞行区潜在冲突的滑行道路径优化方法，其特征在于，所述混合整数二次规划模型目标函数的次要目标f2具体表示为：

7.根据权利要求4-6任一所述的一种减少飞行区潜在冲突的滑行道路径优化方法，其特征在于，所述飞机滑行道路径优化模型目标函数的约束条件包括：

8.根据权利要求4所述的一种减少飞行区潜在冲突的滑行道路径优化方法，其特征在于，所述滑行道路径优化方法还根据输出结果，调整优化参数，具体包括：调整不同交叉口的冲突权重、调整飞机滑行道路径优化模型中次要目标的权重以及调整不同冲突类型的冲突权重；

9.一种减少飞行区潜在冲突的滑行道路径优化系统，其特征在于，所述系统用于实施如权利要求1-8任一所述的滑行道路径优化方法，包括以下模块：

10.根据权利要求9所述的一种减少飞行区潜在冲突的滑行道路径优化系统，其特征在于，所述系统还包括结果可视化输出模块，用于：

技术总结
本发明涉及一种减少飞行区潜在冲突的滑行道路径优化方法及系统，属于机场调度方法技术领域，方案考虑飞机与飞机、飞机与地勤服务车辆路线的潜在冲突，并构建飞机滑行道路径优化的混合整数二次规划模型，主目标为最小化飞机和飞机、飞机和车辆的潜在冲突，次目标为最小化地勤服务车辆行驶距离；求解飞机滑行道路径优化模型，输出最优解，包括飞机滑行路径和地勤车辆服务路径，及其潜在冲突的类型和数量，可以根据结果调整参数进行再分析，为机场飞机和车辆调度决策人员提供参考。与现有技术相比，本发明考虑到地面交通的安全和乘客的便利，对飞机起降停机坪和跑道的分配及其滑行路径进行了整体优化，有助于保证滑行道安全性，提高机场运行效率。

技术研发人员：沈煜,周鹏,郑玉靖,暨育雄,杜豫川
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17