單機(jī)場(chǎng)地面等待

基于人工魚群算法的單機(jī)場(chǎng)地面等待優(yōu)化策略

摘要研究成果論文要點(diǎn)結(jié)論1234摘要目前大型機(jī)場(chǎng)擁塞問(wèn)題日益嚴(yán)重。推遲飛機(jī)起飛時(shí)間,將成本較高的空中等待轉(zhuǎn)化成地面等待,是進(jìn)行空中交通流量管理的一個(gè)有效方法。本文研究基于人工魚群算法的單機(jī)場(chǎng)地面等待優(yōu)化策略并進(jìn)行仿真,有效地減少了總的地面等待延誤損失,說(shuō)明該方法是可行的;通過(guò)與其他幾種智能算法的比較,驗(yàn)證了該算法執(zhí)行效率高、實(shí)用性強(qiáng)。研究成果

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,飛行流量的急劇增加，由于流量控制而造成的航班延誤損失也在逐年增加。目前,空中交通流量管理問(wèn)題的解決方法有長(zhǎng)期、中期和短期3種策略。地面等待策略(Groundholdingpolicy,GHP)是短期策略中處理空中交通流量問(wèn)題的一種重要方法。

國(guó)際上，Andreatta和Romainin2Jacur是最早深入研究地面等待算法的,他們研究了一個(gè)單時(shí)間段內(nèi),N架飛機(jī)到達(dá)一個(gè)擁擠的目的機(jī)場(chǎng)情況,并給出了用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法獲得一個(gè)地面等待策略。Terrab對(duì)單機(jī)場(chǎng)地面等待問(wèn)題進(jìn)行了研究并建立了相應(yīng)的模型,但對(duì)時(shí)間周期定義的局限性,導(dǎo)致在同一時(shí)間周期內(nèi)著陸的航班并沒有明確的先后次序。

國(guó)內(nèi)對(duì)空中交通流量管理的研究起步較晚,對(duì)單機(jī)場(chǎng)地面等待問(wèn)題也取得了一些研究成果:胡明華、徐肖豪對(duì)地面保持策略進(jìn)行了探討;羅喜伶等建立了基于離散事件系統(tǒng)的地面等待模型;李雄、徐肖豪建立了地面等待指派模型,并采用匈牙利算法進(jìn)行了求解;樊軍等對(duì)地面等待模型進(jìn)行了合理的分解,將地面等待問(wèn)題轉(zhuǎn)變成類似于旅行商問(wèn)題(TSP)形式,通過(guò)hopf

ield

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)求解。

單機(jī)場(chǎng)地面等待模型在建立單機(jī)場(chǎng)地面等待模型時(shí),先作如下假設(shè):(1)在時(shí)間區(qū)間[0,T]內(nèi),在目的機(jī)場(chǎng)Z,著陸航班出現(xiàn)擁擠,并且機(jī)場(chǎng)Z是空中交通網(wǎng)絡(luò)惟一的容量受限單元。(2)有N個(gè)航班()預(yù)計(jì)在時(shí)間區(qū)間[0,T]內(nèi),從各自的起飛機(jī)場(chǎng)到達(dá)目的機(jī)場(chǎng)Z。每個(gè)航班的起飛時(shí)刻和飛行時(shí)間都是確定和已知的,并且全部在[0,T]內(nèi)完成著陸。(3)在時(shí)間區(qū)間[0,T]內(nèi),機(jī)場(chǎng)容量c(T)已知。根據(jù)c(T)變化,把時(shí)間區(qū)間[0,T]劃分為n個(gè)著陸時(shí)間段,每個(gè)著陸時(shí)間段內(nèi)有且只有一架航班著陸。航班

的地面等待成本系數(shù)

,i∈{1,2,?,N}已知。

(4)不考慮航班提前降落,等待時(shí)間不超過(guò)設(shè)定的最大等待時(shí)間對(duì)于單機(jī)場(chǎng)地面等待問(wèn)題而言,在滿足目的機(jī)場(chǎng)Z容量限制的條件下,求出每個(gè)航班的最優(yōu)地面等待時(shí)間,使得總的等待損失最小。因此,可以得到目標(biāo)函（1）

（2）式中:

為航班

預(yù)計(jì)著陸時(shí)間;為航班實(shí)際著陸時(shí)間;

為航班

地面等待時(shí)間。

在此基礎(chǔ)上定義變量

,若航班

在時(shí)間段j降落,則

=1,否則

=0。這樣,單機(jī)場(chǎng)地面等待問(wèn)題就轉(zhuǎn)化成了指派問(wèn)題,其數(shù)學(xué)模型為

(3)

約束條件為

（4）（5）（6）式(3)中:表示航班最初分配在第

個(gè)著陸時(shí)段著陸;表示航班

在第j個(gè)著陸時(shí)間段著陸造成的延誤損失。式(4)表示,航班不能提前著陸,最大等待時(shí)間不超過(guò)設(shè)定的個(gè)著陸時(shí)間段。式(5)表示航班只能在一個(gè)著陸時(shí)間段著落,不能重復(fù)著陸或者不著陸。式(6)表示在每一個(gè)著陸時(shí)間段內(nèi),有且只有一個(gè)航班著陸。式(7)是對(duì)變量的取值限制。式(8)表示著陸的航班數(shù)要滿足該時(shí)間段內(nèi)的容量要求。

（7）（8）基于人工魚群算法的基本原理

本算法采用自下而上的設(shè)計(jì)方法,即首先構(gòu)造人工魚的個(gè)體模型,個(gè)體在尋優(yōu)的過(guò)程中自適應(yīng)地選擇合適的行為,最后全局最優(yōu)結(jié)果通過(guò)群體或者某個(gè)個(gè)體表現(xiàn)出來(lái)。人工魚群算法最初是應(yīng)用于連續(xù)函數(shù)優(yōu)化問(wèn)題上的,這里所討論的單機(jī)場(chǎng)地面等待指派問(wèn)題模型是離散函數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題,因此需要對(duì)原始的定義進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)以滿足應(yīng)用需求。

符號(hào)定義:(1)

:第i條人工魚的狀態(tài),在本文中表示給一組航班指派的著陸時(shí)間段序列。例如=(1,2,5,4,3)代表在第i條人工魚中,給航班(F1,F2,?,F5)分別指派在第1,2,5,4,3著陸時(shí)間段著陸。(2)y=f(x):目標(biāo)函數(shù)值,在本文中表示總的地面等待損失。

(3)distance(,

):表示人工魚狀態(tài)和之間的距離,令=(,?,

),=(

,?,

),其計(jì)算見式(9,10)distance(,

)=(9)1,x>0sign(x