航空器滑行调度优化探究

摘要：民航业的持续快速发展，机场场面运行压力与日俱增。为解决航空器滑行调度策略的优化性与运算量之间的矛盾，提出一种基于多Agent系统（MAS）的滑行调度方法，将航空器在机场滑行道运行调度策略的制定过程抽象为航空器自主选择最优路径与滑行时间调度问题。

关键词：多Agent系统；滑行道调度；路径优化；航空器运行

1概述

民航运输业的持续增长和航班数量的急剧增加导致机场场面运行日益拥堵，从而引发管制员工作负荷过重，安全隐患增加，航空公司成本增加，旅客舒适度降低，增加了噪声污染和燃油尾气的排放，加重对环境的破坏。本文从场面航空器运行安全和效率角度出发，提出一种在满足航空器滑行过程中安全无冲突的前提下，减少所有进离场航空器的等待时间与滑行时间的调度模型，从而提高航空器场面运行效率与动态容量，为大型机场场面资源调度提供决策依据。

2航空器运行规则

滑行道调度问题最大的难点就是航空器在运行过程中产生的三类冲突:交叉冲突、追尾冲突以及对头冲突，对于三种冲突本文定义以下运行规则：1）任意一架航空器fi在网络中抽象为一个点，任意代表两架同向航空器的点之间的距离大于最小安全间隔dsep。2）航空器fi在滑行道中的滑行速度在满足滑行道最大滑行速度的约束下尽可能的接近最大滑行速度νmax。3）航空器fi通过交叉口节点时，滑行速度必须降低至最大转弯速度，即νi燮νE。4）航空器在网络中进行路径选择时，在满足调度策略的前提下，选择最短路径。

3算法设计

Agent是一种能够自我决策，自主完成任务，且能相互协作的智能体。多Agent系统（MAS）是一种分布式人工智能系统，尤其擅长处理Agent之间的交互、协作与竞争等行为。采用MAS系统能够将路径搜索问题转化为Agent之间协作共同决策问题，实现分布式求解，避免了建立数学模型导致的问题规模大，求解效率底下的问题，易于实现。3.1MAS结构设计。本文设计的航空器滑行调度模型MAS结构采用层次型体系结构，设计两类Agent：航空器Agent、滑行道资源A-gent完成仿真调度工作。航空器Agent是整个系统仿真的主体，主要执行滑行道资源Agent发出的指令，并根据滑行道系统的实时变化做出相应的路径选择。通过加减速模拟真实航空器因为转弯和避让等活动导致的速度损失，更加准确的模拟航空器在滑行道系统的实际运行情况。滑行道资源Agent是整个系统的核心，负责管理整个滑行道系统资源的分配与调度。检测滑行道系统资源使用情况，监控航空器在滑行道系统中的活动。通过向航空器Agent发送指令避免滑行冲突，同时提高滑行道资源利用效率。通过两种不同的Agent的配合实现从单一决策到集体决策的转变。形成多个决策主体，每个主体拥有一部分决策权，形成子方案。然后通过Agent间的相互通讯形成一个整体的方案。3.2Agent设计。1）航空器Agent。航空器Agent主要负责在滑行道资源Agent中寻找无冲突的最短路径。模拟真实的航空器在滑行道中运行方式，实时反映运行数据为优化提供依据。通过设定航空器Agent的初始速度ViA、viD，加速度ai+、a-i物理长度L等参数来模拟由于航空器转向和避让导致运动状态的改变。接收滑行道资源Agent发出的减速、等待与避让指令，化解滑行冲突。三类滑行冲突中，超越冲突是通过定义航空器Agent间前后最小间隔避免的，当两架航空器将要发生超越冲突时，后方航空器自动减速，保持最小安全间隔来化解冲突。2）滑行道资源Agent。滑行道资源Agent主要由滑行道网络、传感器、控制器、监控器组成。其中滑行道网络定义了滑行道空间布局形态与物理尺寸，是航空器Agent运行的实体，分为主滑行道、快速出口滑行道与联络道，主滑行道与快速出口滑行道优先级较高，处于联络道上的航空器必须进行避让。3.3MAS运行过程。MAS系统具体运行过程说明如下：1）生成的航空器Agent根据自己起讫点，通过计算自身位置与目标终点的最短路径，决定自身以下一步的滑行路径。2）滑行道资源Agent对系统中的航空器运行与资源利用状态进行监控，对可能出现运行冲突的航空器发出避让命令，或对即将进入容量已满的滑行道的航空器发出禁止驶入指令。3）收到避让指令的航空器Agent根据冲突类型，选择进行按原路径等待避让或重新规划滑行路径避开冲突。进行等待避让的航空器根据自身的优先级选择直接通过或是减速等待等行为；收到禁止驶入指令的航空器Agent直接重新规划路径，绕开容量已满的滑行道。4）重复2）3）直到所有的航空器完成滑行作业，到达讫点。输出所有航空器最优路线。

4结论

利用Anylogic软件建立多Agent的航空器滑行道调度模型，将航空器在滑行道上的滑行问题抽象成航空器自主寻找最优路径与滑行开始时间调度问题。仿真结果表明，基于多Agent航空器滑行调度优化模型优化效果较好，不仅能降低总滑行距离与时间，同时还是避免航空器运行过程中的冲突问题，为航空器在滑行道上的调度问题提供了一种可行的新方法。

参考文献

[1]王艳军，胡明华，苏炜.基于冲突回避的动态滑行路径算法[J].西南交通大学学报，2009（6）：933-939.

[2]柳青，宋祥波，王珂.基于航班优先级排序的高峰时刻场面滑行调度优化研究[J].交通信息与安全，2012（6）：100-103.

作者:姜伟华 单位:南京航空航天大学金城学院