第
17卷第16期2017年6月 1671 —1815(2017) 16-0326-07
科学技术与工程
Science Technology and Engineering
Vol . 17 No . 16 Jun . 2017© 2017 S c i . Tech . Engrg .
A -SMGCS 航空器滑行时间延迟的滑行
路由实时更新算法
唐志星朱新平夏正洪
(中国民航飞行学院空管学院，广汉6183〇7)
摘要
在先进场面活动引导和控制系统（advanced surface movement guidance and control systems, A-SMGCS)中，针对航空器
滑行时间延迟而导致场面运行效率和安全水平的降低，提出一种集成场面态势监测的滑行路由实时更新算法。该算法采用
局部路由更新方式，首先采用时间窗约束P e ta 网建立航班滑行时间延迟时的场面局部模型；其次，定义模型中库所对应时间 窗的合并运算规则；并据此展开局部模型约简，进而得到约简模型中航班滑行冲突判定条件；再次，以最小化航班在冲突区域 的滑行成本为目标，实现了相关航班局部滑行路由优化同时保证了对原路由扰动最小；最后，通过算例验证了所提滑行路由 实时更新方法的有效性。
关键词空中交通管制
机场
滑行时间延迟
路由实时更新 A-SMGCS
中图法分类号V 351.ll;
文献标志码A
在飞行区场面运行过程中，航空器准时按预定 滑行路由通过场面上的各个参考位置，是保证场面 安全高效运行的关键。然而，实际场面运行过程中 存在的不确定事件会对其正常运行产生一定的干 扰[1]，在此种情形下，单纯依靠管制员人工决策、或 采取多次重复路由规划的策略难以积极主动地保证 场面高效运行。因此，有必要在指派滑行路由的基 础上引入监控，持续性地跟踪航班场面滑行态势，进 而实现航班滑行路由的实时更新。
以往研究通常每隔一个固定时段便滚动更新场 面上正在滑行航班的路由[2_5]，可在一定程度上减 少不确定事件对场面运行安全和效率的影响，但难 以实时应对此类事件。先进场面活动引导和控制系统（advanced surface movement guidance and control systems , A -SMGCS )代表了当前最先进的场面运行 管制理念[6]，其含有的高精度监视模块可实时监测 场面态势，因而为实现路由实时更新提供了有力的 支持。但目前相关研究中，有些忽视了场面态势监 测对滑行路由实时更新的支持[7]，有些仅研究场面
2016年5月17日收到
国家自然科学基金委员会与中国民用航空局联合资助项目（U1433126)资助
第一作者简介：唐志星（1989—），男，湖北老河口人，硕士，讲师。研 究方向：先进机场场面运行控制。E-mail: tzxl989@ qq. c o m 。引用格式：唐志星，朱新平，夏正洪.A -S M G C S 航空器滑行时
间延 迟的滑行路由实时更新算法[J ].科学技术与工程，2017, 17(16):
326—332
Tang Zhixing, Zhu Xinping, Xia Zhenghong. Taxi routing update algorithm for A -S M G C S with taxi time delay[J]. Science Technology and Engineering, 2017, 17(16) ： 326—332
态势监测问题[8_11]，缺乏与路由更新的有效集成。
文献[12]考虑“场面态势监测”与“滑行路由实时更 新”，提出了基于冲突避免的滑行路径分配算法，但 该算法对场面不确定事件未加以细分，均假设可频 繁更改航空器滑行路径来应对，而这样会增加管制 员和飞行员的工作负荷，不利于场面运行安全。A - SMGCS 控制下的场面运行过程中，航空器滑行路由 实时更新问题的解决需要突破3大难题:①场面运 行不确定性情形特征分析;②提出合理的路由更新 方法;③高效的求解算法设计。而上述问题在现有 研究中均未能得到较好的解决。总之，各种不确定 情形下的A -SMGCS 航空器滑行路由实时更新的理 论研究亟待深入。
在场面运行面临的各类不确定情形中，航班滑 行轨迹相对于指派路由推迟占用某一场面单元（直 线段或交叉口）的情形较为常见，本文称之为滑行 时间延迟情形。该类事件通常由于飞行员操纵航空 器滑行不规范、道面环境等原因而引起，导致的后果 则是可能影响其在后续路段上的滑行以及其他航班 的
滑行，甚至出现滑行冲突。针对这一问题，本文提 出了相应的场面运行过程模型及其路由更新求解算 法，并进行了仿真验证。
1问题的描述
理想情况下，每个航班遵循动态指派的滑行路
由完成对路段上各场面运行单元的占用。但实际场 面运行过程中，由于航班滑行时间延迟，从而可能影 响其在后续路段上的滑行以及其他航班的滑行，甚 至导致原先指派的路由方案不可行。以图1所示航
16期唐志星，等:A-SMGCS航空器滑行时间延迟的滑行路由实时更新算法327
班场面滑行过程为例，航班A、a2、a3在该区域的连 续滑行过程分别通过单元（外，外，/>6，外，/>8)、（化，/^、(/^，/^，外，/^)。若航班A滑行时间延迟，未按 照原指派路由中对应^的时间窗占用而各航班仍按原指派路由在该区域内展开滑行，则有可能出 现滑行冲突，比如A与a2在单元外、或^与a3在 中的某个单元出现冲突。因此，为保证 场面资源的安全和高效利用，在出现场面运行不确 定事件时，需要及时更新相关航班的滑行路由。
实际场面运行中，航班数量较多，并且滑行道系 统结构及管制规则约束十分复杂，如果不借助于先 进的信息化技术、合理的场面运行模型和求解算法，管制员很难在有限时间内兼顾多方利益提供优化的 滑
行路由更新方案。如何建模和求解这一问题是本 文的主要研究工作。
图1航空器场面滑行过程
Fig. 1 Process of the surface movement of aircrafts
2态势监测与滑行路由更新的集成以往滑行路由实时更新研究大多从场面运行整 体出发，考虑管制规则约束和所要实现的目标，自上 而下地建立运筹学模型，再通过优化求解得到路由 更新方案。但此种方式所建模型参数较多、求解复 杂，限制了其在实际中的应用。A-SMGCS控制下的 场面运行过程中，可利用监视模块获得航空器场面 滑行态势，这部分信息必须充分利用。因此，实现 A-SMGCS滑行路由实时更新的指导思想是：将优化 与反馈机制结合，采用实时获取的场面态势监测信 息来驱动路由更新，然后利用针对不同情形设计的 路由更新算法完成滑行路由实时更新。
在A-SMGCS控制下的场面运行过程中，在以下 两类运行状态出现时需进行滑行路由实时更新：状 态I，A-SMGCS监测到航班结束对某一场面运行单 元的占用；状态n，A-SMGCS监测到场面运行的各 种不确定情形。本文将状态I下的路由更新称为常 态路由更新，状态n下的路由更新称为非常态路由更新。给出A-SMGCS滑行路由实时更新方法如下，
可描述为如图2所示。
图2 A-SMGCS滑行路由实时更新方法示意图
Fig. 2 Taxi routing update algorithm or A-SMGCS
(1) 航班滑行过程:A-SMGCS控制下的场面运 行过程中，航空器滑行在飞行员的操纵下展开，并遵
循助航灯引导指令，同时受到自身性能或外界环境
(如各种不确定情形）的影响。
(2) 滑行态势监测：实时监测航班滑行态势并 综合考虑管制干预和路由更新建议，判断当前场面
运行是否处于状态I或状态n。若是，则驱动展开
滑行场景建模。
(3) 滑行场景建模：采用合适的建模方式得到 当前场面运行场景模型，以体现航班滑行态势信息
(包括当前滑行环境，相关航班所在位置、滑行路
由、速度），从而为相关航班的路由更新以所建模型
特有的语义来提供实时的场面运行信息。
(4) 滑行路由更新：采用事件驱动的方式，在每 一次路由更新时，基于所建滑行场景模型，采用常态
路由更新算法（对状态I )或非常态路由更新算法
(对状态n)，完成滑行路由实时更新。各航班按更
新后的路由滑行，直到下一次路由更新事件触发。
可见，图1所示航班滑行路由实时更新方法采
取自下而上的方式，从航班在场面局部的滑行态势
监测入手，将优化与反馈机制结合，可实时应对场面
运行的各种不确定情形。
3航班滑行时间延迟时的局部场面运 行建模
由于场面运行的动态不确定性，在应对航班滑
行时间延迟而展开路由更新时，采取整体性路由更
新策略的意义不大，本文建立其延迟时的场面局部
运行过程模型，并设计对应的路由更新算法。
首先，确定以滑行延迟航班当前位置为基准、并
向外拓展一定范围的某一局部区域。该区域对应的
328科学技术与工程17卷
滑行场景模型一方面是全局环境信息向该区域的映 射，另一方面还补充了 A-SMGCS监视模块提供的航 班滑行态势信息。将滑行延迟航班《当前所在连续 滑行路段记为，该航班在r a上的剩余滑行路段记 为，航班《的下一个连续滑行路段记为^。
定义1：时间窗约束P e tr i网TWCPN= |P，U 7^/，0，从。，4丨，其中，库所/>£/^表示场面运行单元；变迁£e7\表示可受停止排灯阻止的航空器穿越单元边界活动，称之为受控变迁，用“”描述；变迁£e r2表示不受停止排灯阻止的航空器穿 越单元边界活动，称之为不受控变迁，用“丨”描述;
分别为模型的前向和后向关联矩阵；鹎为模型初始标识;A:P^W为航空器单元占用时间窗映射。
以所建场面TWCPN模型为基础，给出生成与滑行延迟航班a相关的局部滑行场景模型7V'= |p'，r，/'，“，M。'，少'丨的规则如下：
规则 1: U U F"a。其中，/V = P(l a)U P(r：)；P：=P(/;),E F(l a)u F(r：)；F"a= /^)E心）；同时，对 Vp e P'，M!(p) =M(p)；
规则2: r= u u E n 7>E匕丨，其中 T=T\ U T2 ;
规则3：对 E p'，w e r，有/'(/>，〇= I(p，t)，O f(p，t)= 0(p，t)•
，
规则 4：对 Vp E P'，少'(/0 =啊/0。
上述规则中，规则1将滑行延迟航班a的剩余 滑行路段/a、下一个连续滑行路段 <、上述两个路 段的关联路段E F(u U八^)、以及关联路段 ^.的上一个连续滑行路段E F(所含有的库所 集合，一并组成与航班^相关的局部滑行场景模型的库所集；规则2将上述库所中的所有输出变迁(包括受控变迁集K和不受控变迁集K )组成子模 型的变迁集合；规则3表示子模型的输入输出函数均来自原模型TW C PN的输入输出函数；规则4表 示TW C PN中的时间窗映射保持不变，也即将各航班当前时刻的滑行路由体现到生成的局部场景模型中。
广汉飞行学院招生例1：以图1所示场面运行过程为例，若航班A 出现滑行时间延迟，其滑行路径为^(1，6)= 小^。此时，在假设已建立场面TWCPN模型 的基础上，依据上述规则建立与A相关的局部滑行 场景模型。
首先，分析航班A当前所在路段^。此时航班 A在^上剩余的连续滑行路段记为^，含有单元h A的下一个连续滑行路段为 <，含有单元外，
由此，依据规贝U可确定
P1=P(l^)U P(r^) =\,p3,p59p6,p7,p s} 〇其次，分析^和^的关联路段。由于航班a 处于^上的最后一个运行单元且无关联路段，因此乂的关联路段运行建模可不用考虑；而<；的关 联路段为八，r) = I/2，M，其中z2含单元外，/>4(为 航班％的一个连续滑行路段），/3含单元J96，外，为航班A的一个连续滑行路段），由此，依据规 则 1 可确定 P; =P(/2)U P(/3)=丨/)3，/)4，/)5，/)6，/)7, Ps\ 〇
再次，分析/2、/3的前一个连续滑行路段（即《2, A当前所在的连续滑行路段），分别含有单元，由此，依据规则1确定^ =丨/>2，/>9丨。
最后，利用规则2、3、4确定变迁、连接关系、以及库所的滑行时间窗，具体步骤此处略。最终得到 航班A滑行延迟时，对应的局部滑行场景模型如图 3所示。
图3图1中航班％ ?骨行延迟时对应的局部滑行场景模型 Fig. 3 Delayed taxi model o i a x in fig 1
4航班滑行时间延迟时场面局部冲突 预测
定义2：将与滑行延迟航班当前所在连续滑行路段相关的局部区域定义为当前关联域，其在局部 场景模型中的库所集合⑶=|/^E p a)u八^)，A丨；将与滑行延迟航班下一个连续滑行路
段相关的局部区域定乂为下一^关联域，其在局部场景模型中的库所集合= |/>Ip E)U
定义3 ：在局部滑行场景模型中，若存在受控变 迁化7\，满足一>（或一> £M))，则称变迁t 为当前关联域（或下一关联域）的输入变迁。
定义4：局部滑行冲突在任一时刻，若存在库所 凡，/（或凡，巧E鼎）对应的场面运行单元同时 被航空器占用，则称之为存在局部滑行冲突。
由定义4可知，基于局部滑行场景模型进行冲突预测，可利用监测到的滑行延迟量和模型中相
关
16期唐志星，等:A-SMGCS航空器滑行时间延迟的滑行路由实时更新算法329
航班的滑行路由分析模型演变，判断是否存在库所 凡，/^e CD(或凡，/^.e同时被不同航班托肯标识。若是，则表明航班滑行延迟会导致局部滑行冲 突，必须对局部场景模型中的相关航班进行滑行路 由更新。
对局部滑行场景模型中不同库所对应的单元占 用时间窗，定义如下操作规则：
定义5 ：对两个时间窗=丨，[T i，T2]丨，％ = 1/>2，[^3山]丨，定义时间窗之间的“合并操作（⑷”规则如下：
Casel ：若 ^$t3$t2，贝ad ( ，切2 )=切12= I丑，[^山]丨，其中丑
C a se2：若 t2 < t3，则a d(，切2)=切12 = |丑，
，t2]U[t3，t4] 1，其中 i/= h，/?2U
上述定义可推广到多个时间窗之间。基于此，对局部滑行场景模型中的不受控变迁给出如下激发 关系推理规则，运用这些规则可以对场景模型进行 简化，以支持模型运行分析。
对航班《滑行延迟时局部滑行场景模型中相关航 班进行分析，分析得到各航班对应的滑行模型，并采用 定义5对模型进行约简，得到约简模型如图4所示。
图4航班滑行延迟时对应局部场景模型的约简模型 Fig. 4 Simplified delayed taxi model of aircraft
其中，对航班《的各个连续滑行路段在场景模 型中对应的部分进行约简，得到库所集合凡、F a，进而构成模型同理，对航班^，…，得到对应 的模型A，…，对航班，…，a&得到对应的模型 '，…，％。由定义2可知，库所集合凡，尽（〗=1，2, …，m)对应的场面单元共同构成当前关联域，而库 所集合丑'a，巧G^ + 1，•••，幻对应的场面单元共
同构成下一关联域。
若预测到航班a进入对应路段的滑行时间延迟为A t，以图4所示约简模型为基础，给出如下 局部滑行冲突判定条件。
条件1：当前关联域内的滑行冲突判定条件：
若航班a进入凡对应路段的的时刻为T。，航
班A，…，、进入巧对应路段的时刻为I，则对航 班a和某一航班^而言，当下列条件同时满足时，
它们在当前关联域内存在滑行冲突：
Q H tn H a^cp;
②[T0，T0 + 丨+ A t]n[n + 丨]#少。
式中，1% I为时间窗％中所含时段的长度，i = 1，2, …，w。①用于判别航班^和航班〜在当前关联域 的路段是否有重叠;②用于判别航班a和航班A在 当前关联域的路段的起止时刻是否有重叠。
条件2 ：下一关联域内的滑行冲突判定条件：
航班a进入对应路段的时刻T'。= +
lw；al+A t，航班、，…，^进入巧对应路段的时刻
为&，则对航班a和某一航班A而言，当下列条件 同时满足时，它们在下一关联域内存在滑行冲突：
②[T'0，T'0 + lw/a l] D [5.，巧+ 1% 丨]#少0
式中，I%I为时间窗％.中所含时段的长度J= 〃，a+
1，…，。①用于判别航班^和航班^在下一关联域的路段是否有重叠;②用于判别航班a和航班A 在下一关联域的路段的起止时刻是否有重叠。
5航班滑行时间延迟时场面局部路由 更新
当利用条件1或2预测到滑行冲突时，需要更 新航班在相应关联域的滑行路由。从模型运行的角 度来看，也就是确定相应关联域各输入变迁的激发 时间，在实现冲突避免的同时优化某一指标（集）。局部路由更新的优化目标产生方式如下。
在局部场景模型中，将通过各关联域的航班的 原滑行路由集合记为％。对出现冲突的关联域，将 其输
入变迁依据一定原则进行排列，得到变迁序列 ^并构成集合在相应关联域内进行路由更新的优化目标是：
mi^s^t,W0)0
式中^■(&A t，％ )为通过相应关联域的航班滑行成
本，其计算方法如下：
首先，对变迁序列s U2，…A，由I确定其 中各变迁的激发时刻为A(〖=1，2，…，〃）。鉴于滑 行延迟航班对其它航班在关联域内滑行的影响，若 使得变迁^激发的托肯对应着滑行延迟航班，则将 其激发时刻从应加上A t
进行修正。
330科学技术与工程17卷
然后，确定各个航班按e指定的顺序占用关联 域的时段。具体步骤为:①依据^中变迁^的激发
时刻从，并利用算法3. 1确定对应航班占用该关联
域的时长/^，最终确定航班占用该关联域的结束时 刻^ =爲+ ;②对后续其他变迁^ (纟=2，3，…，W，
可确定其激发开始时刻/3丨=max丨T y，/^丨，并 利用算法3. 1确定航班占用该关联域时长Ml，最终 确定航班占用该关联域的结束时刻1 =/^ +Ml。
最后，确定航班的滑行成本/U，A t，R) =/； + /2。其中，
/；= 为航班滑行通过该关联域的滑行
i
成本，其中c，为航班单位时间内滑行成本；
乂2 = g/^maX丨1-A+1，0丨为航班滑行在进入
该关联域之前，相对于原路由的滑行等待成本，
仏为单位时间的等待延误成本。
可见，所设计的优化目标在尽量减少滑行成本 的同时，也考虑了尽可能减少新路由对原路由的改 变程度，也就是说，所给路由更新方案不仅仅是在航 班滑行延迟出现后对场面局部运行过程的重新建模 与优化，更是以局部状态为基础的一种对原路由扰 动最小的路由调整方案。此外，局部路由更新的过 程中，在实现路由更新最优性的同时，还应保证所得 路由更新结果的合理性，因此应依据场面运行管制 规则设定生成变迁序列^的原则:①专机或要客航 班托肯使能的受控变迁在^中应优先排列;②进港 航班托肯使能的受控变迁在^中应优先排列。
6算例分析
以图1所示航班场面滑行过程为对象，研究航班 滑行延迟时的路由更新实现。其中，航班A、a2、a3在 对应区域的原滑行路由如表1所示，且A的滑行优先 级最高，《2、a3的滑行优先级相同。取A320机型的数 据，设航班单位时间的地面滑行成本c, =84取min[13]，单位时间的等待延误成本= 178 ^min[14]〇
表1图1中各航班滑行路由的单元占用时间窗
Table 1 Time window of the taxi routes in fig 1
航班滑行路径上各单元占用时间窗—
[9：
36：
50,9：
37：
00] |, [9 ：37 ：
00,9 ：37 ：
10]
|p5,[9：
37：
10,9：
37：
25] |, [9 ：37 ：
25,9 ：37 ：35 ]
|P v,[9：
37：
35,9：
37：
45] |, [9 ：37 ：
45,9 ：38 ：
00]
|^2,[9：
38：
02,9：
38：
12]
«2-^1^4,[9：
38：
22,9：
38：
32] |, [9 ：38 ：
12,9 ：38 ：
22]
|^9,[9：
38：
30,9：
38：
40]
«3-^lp6,[9：
38：
55,9：
39：
05] |, [9 ：38 ：
40,9 ：38 ：55 ]
|p8,[9：
39：
15,9：
39：
30] |, [9 ：39 ：
05,9 ：39 ：15 ]
假设由态势监测模块得知，航班^进入单元^ 的滑行时间延迟50 S，致使其占用下一个连续滑行 路段上各个单元(/?3，外，/)6，外，/)8)也出现相应延迟 5〇s。此时，若其他航班a2、a3仍按原路由在该区域 内滑行，则可能会出现滑行冲突。面对这一情形，应 对航班A滑行延迟所影响到的局部区域进行分析，并调整相关航班在该区域的滑行路由。具体过程 如下。
首先，建模航班A滑行延迟时对应的局部滑行 场景模型，如图3所示。其次，分析该局部模型中各 航班的滑行过程，得到各自的滑行模型如图5 (a)所 示，并采用所给局部模型的约简规则对模型进行约 简，得到对应的约简模型如图5 (b)所示。
其中，切'= 1丑'《1，[T'i，T i]I，丑'《1= 1/>3，外，
=9：37：50,t1=9：3S：50；w a2 = \H a2,
= U，t'2=9:38:12，t'2=9:38:；W a3 ={H a3, [r 3 , r3] }, H a3= \p5, J P t J Ps \f T'3=9:38:40，T; = 9:39:30。集合 i/'al、U a3M 含库所对应的运行单元构成航班A的下一关联域，依据相应的冲突判定条件，由于w a l n見2#少且 [T、，T i]n [T'2，T2] 7^少，因此航班之间在该区域存在冲突；同理，可判断航班A、a3之间也在该 区域存在冲突。
最后，
采用航班滑行延迟时的局部路由更新优
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