基于规则的机位附近滑行行为建模研究

高 伟，张 佳，王涛波（中国民航大学空中交通管理学院，天津 300300）

基于规则的机位附近滑行行为建模研究

高 伟，张 佳，王涛波
（中国民航大学空中交通管理学院，天津 300300）

航班量快速增长提高了机场的机位利用密度，机位附近的滑行过程更加复杂，容易引发航班延误，必须优化航班滑行过程，减少机坪区滑行冲突。通过详细分析机坪区及其附近区域的滑行规则，归纳出实用的知识库，建立起知识库模型，再利用Java+MySql平台进行实现，最后以厦门高崎机场厦门航空公司的专有机坪和厦航的实际航班数据为仿真实例，进行系统仿真。通过比较仿真结果和机坪调度人员的实际操作，可知仿真相似度高。该研究结果是可行、有效的，能够提供机坪调度的实时方案，有利于减轻机坪调度人员的工作负荷，同时该结果也可以作为调度问题的预测等相关问题研究的参考。

机位调度；冲突探测与解脱；知识库；地面运行

随着航班量的持续增长，目前国内机场广泛通过合理分配机位、扩大机位容量来满足航空器停靠要求。但是该措施使得机位附近的滑行过程尤其复杂，经常导致某些航班在未起飞前就已经延误，同时由于机位延误容易引发大面积的航班延误等连锁反应，因此，必须更合理地解决机坪附近的滑行冲突问题，优化滑行过程。

目前国内外学者已经开展了相关方面问题的研究[1-2]。从研究对象来看，有的研究从静态的时刻计划来优化[3]，该方法不能合理应对航班的动态变化。有的考虑了航班动态变化[4]，但是对机位附近的滑行过程缺乏深入研究。从研究方法来看，这些研究都是利用图论或混合整数规划的思想，通过建立简单的地面网络点线结构来解决机场场面运行中可能出现的冲突。由于机场地面滑行过程包含很多运行规则，而这些研究建立网络图时并未考虑这些规则，使研究结果与实际运行差距较大。

知识库是以描述方法来存储和管理知识的机构，事实、规则和概念的集合[5]。而知识库特指所存储的内容为业务规则[6]，它独立于数据和程序。利用知识库的概念建立起来的智能计算机系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识和经验，可以加快解决问题速度。

本文先分析机位附近滑行的特点，建立地面网络数据库来描述机坪附近的网络结构，然后分析机坪附近滑行过程中的具体规则要求，按知识库模型表达方式，表示规则的推理过程，再建立系统模块结构，对模型实现，验证解决效果。

1 机坪区航空器地面滑行分析

1.1 机位附近网络结构的建立

机位附近的网络是指航空器活动的轨迹集合，它承载各种航空器实体，本文把航空器当做某个质点为中心的保护区来研究，对物理网络进行抽象，G=（N，E）：表示地面物理网络，N={ni|i=1，…，k}是G的节点集，N还包括三个子集，机坪起点C={ci|i=1，…，l}，一般节点A={ai|i=1，…，t}，机位B={bi|i=1，…，g}；E= {ei=（np，nq）|i=1，…，m；np，nq∈N}表示ei是从np到nq的有向线段，除构建节点与线段的拓扑关系之外，还必须把邻接点的关系（夹角，点属性）存入数据库，用于准确地掌握航空器的状态。

1.2 机坪区滑行过程描述

对于进港飞机而言，飞机滑行从主滑行道滑到机坪区，在没有冲突的情况下，可以直接滑入预定机位；有冲突时，在主滑行道末端进行等待，对于离港航空器，没有冲突的情况下申请推出，申请滑行，滑向主滑行道；有冲突时，在机位处等待，或在机坪滑行道等待。

基于对以上过程分析，航空器在机坪区的冲突大致可以分为：

1）推出间冲突，两航空器在邻近的时间内推出；

2）推出与滑行冲突，离港与进港航空器间冲突；

3）滑行冲突，其中滑行冲突包括对头冲突、交叉冲突。

冲突的解脱策略为等待。对于进港航空器，可以在机坪口、机坪区滑行道等待，对于离港航空器，在机位、推出完成后等待。在本文的后面会具体介绍航空器的几种状态。

根据现场控制的经验，在航空器优先级相同的情况下，具体规定了各种状态的优先级，具体为:进机位航空器>推出过程中的航空器>进港航空器>准备滑行航空器>准备推出航空器。

具体的冲突探测与解脱取决于2架航空器的时间、推出方向、机位的关系等因素，本文通过详细分析这些因素，形成规则库，来探测冲突和解决冲突。

2 知识库设计

根据知识库的设计要求，知识库分为事实库和规则库两部分，在知识库中，一般采用多元谓词的方式来表示。下面进行详细的分析。

2.1 事实库设计

为了达到推理和解决问题的目标，构建知识库必须在事实库中引入航班的基本信息，如航班号、航班的进离港情况、航班所停靠的停机位等，为了使推理过程能够更加接近实际情况，同时把以下简单的推理也归纳在事实库设计中，如两个机位是否邻近、航空器距离机坪区的出口距离、航空器的机坪出口是否相同等，因此声明如下复合域

AParam=AParam（X，Y，Z，A，B，C，T，L，P）

其中，谓词AParam表示每一个航空器的信息，包括9个参数，在具体过程中，某些参数可以不用赋值。由于在统一的时间系统，一般参数T省略。参数的详细定义如表1所示。

表1 AParam公式含义Tab.1 Definition of Aparam formula

其中Node为面向对象的类型，Gate与Spot继承Node。P为一个Node数组。

通过以上分析，同时利用上面定义的谓词为辅助定义事实规则，构造知识库系统的事实规则如下：

F1：Maneuver（X1，X2，Z1，Z2）:在T时刻X1航空器按Z1方式移动，X2航空器按照Z2方式移动；航空器的冲突解脱策略主要是通过此事实来表示。

F2：DistToGate（X，B）:在T时刻X航空器到B停机位的距离。

F3：DistToSpot（X，C）：在T时刻X航空器到C机坪出口点的距离。

F4：IsNear（X1，X2）：X1机位与X2机位是否相邻的机位，相邻为真，不相邻为假。

F5：GateDist（X1，X2）：X1航空器机位与X2航空器机位的距离。

F6：Time（X1，X2，A1，A2）：X1航空器在A1点的时间与X2航空器在A2点的时间。

F7：SpotIsSame（X1，X2）:判断X1、X2航空器是否从同一点出入，是为真，不是为假。由于航空器的推出方向受所用跑道、地形等结构限制，为了满足通用性，在设计过程中，用此事实来判断航空器的推出方向是否一致。

F8：IsConflict（X1，X2）：X1与X2航空器是否冲突，如果冲突给出相应的航空器动作方式。

F9：State（X1，X2）：X1、X2表示同一时间两个航空器的状态。

2.2 规则库的设计

考虑到机坪指挥员（或现场指挥）的需求，主要需要解决的问题为：

1）两离港航空器是否存在推出冲突。

2）两离港航空器，一个正在推出或完成推出，另一航空器是否能够推出。

3）两离港航空器，一个航空器开始滑行，另一个是否能够推出。

4）两离港航空器，一个航空器开始滑行，另一个正在推出。

5）一进港航空器，一离港航空器，进港航空器已经进入机坪区，离港航空器没有推出。

6）一进港航空器，一离港航空器，进港航空器已经进入机坪区，离港航空器正在推出或已经完成推出过程。

7）一进港航空器，一离港航空器，进港航空器准备进入机坪区，离港航空器已经开始滑行。

8）两进港航空器分别从不同的机坪口进入机坪区

R1：State（0，0）∧SpotIsSame（X1，X2）∧

IsNear（X1，X2）∧DistToSpot（X1，C1）∧

DistToSpot（X2，C2）∧Time（X1，X2，A1，A2）

→IsConflict（X1，X2）→（Maneuver（X1，X2，0，1）∨

Maneuver（X1，X2，1，0））

R1表示的滑行过程是：2架准备推出的航空器，当有相同的机坪出口、机位相邻，通过比较推出时间和距离，可以得知是否会发生冲突。出现冲突时，解决策略是指挥一个航空器等待，另一个航空器开始推出。冲突的具体计算过程为

其中：toutX1为推出时刻；△tpb为推出所需时间；N1N2为两航空器节点之间距离；Vt为航空器机坪区滑行速度；ε为最小间隔要求。通过式（1）计算两个航空器的极限冲突情况，得到式（2）的判断条件。其他规则的计算过程与此类似，不再赘述。

R2：（State（0，1）∨State（0，2））∧

SpotIsSame（X1，X2）∧IsNear（X1，X2）∧

DistToSpot（X1，C1）∧DistToSpot（X2，C2）∧

Time（X1，X2，A1，A2）

→IsConflict（X1，X2）→（Maneuver（X1，X2，0，2）∨

Maneuver（X1，X2，0，3））

R2表示的规则与R1不同点在于R2中航空器有正在推出的，优先级比较高。

R3：State（0，3）∧SpotIsSame（X1，X2）∧

GateDist（X1，X2）∧DistToSpot（X1，C1）∧

DistToSpot（X2，C2）∧Time（X1，X2，A1，A2）

→IsConflict（X1，X2）→Maneuver（X1，X2，0，3）

R3表示的过程为：一航空器在机坪滑行道滑行，一航空器准备推出通过判断出口位置，机位位置以及时间来判断两航空器是否冲突。如果冲突，机位航空器阻止推出，滑行的航空器继续滑行。

R4：State（1，3）∧SpotIsSame（X1，X2）∧

GateDist（X1，X2）∧DistToSpot（X1，C1）∧

DistToSpot（X2，C2）∧Time（X1，X2，A1，A2）

→IsConflict（X1，X2）→Maneuver（X1，X2，2，4）

R4表示的为推出的航空器，如果与正在滑行的航空器冲突时，推出航空器继续推出，滑行的航空器停止滑行。

R5：State（0，3）∧SpotIsSame（X1，X2）∧

DistToSpot（X1，C1）∧DisToGate（X2，B2）∧

Time（X1，X2，A1，A2）

→IsConflict（X1，X2）→Maneuver（X1，X2，0，5）

R5表示直到进港航空器进入机位，离港航空器才能允许推出。

R6：State（1，3）∧SpotIsSame（X1，X2）∧

DistToSpot（X1，C1）∧DisToGate（X2，B2）∧

Time（X1，X2，A1，A2）

→IsConflict（X1，X2）→Maneuver（X1，X2，2，4）

R6表示如果有正在推出的航空器，进港航空器必须停止滑行。

R7：State（3，3）∧SpotIsSame（X1，X2）∧

DistToSpot（X1，C1）∧DisToGate（X2，B2）∧

Time（X1，X2，A1，A2）

→IsConflict（X1，X2）→Maneuver（X1，X2，3，4）

R7表示待离港航空器滑出机坪后，进港航空器再进入机坪区。

R8：State（3，3）∧SpotIsSame（X1，X2）∧

DistToGate（X1，B1）∧DisToGate（X2，B2）∧

Time（X1，X2，A1，A2）

→IsConflict（X1，X2）→（Maneuver（X1，X2，5，4）∨

Maneuver（X1，X2，4，5））

R8表示从不同机坪区点进港的航空器。根据判断让其中一航空器停止，一航空器进机位。

3 知识库系统的实现

3.1 知识库系统的组成

本文采用Java+Mysql的开发环境来实现系统，知识库系统包括3个组成部分：

1）事实库：根据规则要求建立航班信息数据库，同时建立航空器性能数据库，包括航空器速度（最小、平均、最大）、几何外形（长度、轮距、翼展）等。

2）知识库：按照各种规则的条件，构建多段JavaBean代码匹配，从事实库中分析数据，生成解决方案。

3）交互界面：包括航空器信息的输入界面和冲突解脱结果的界面。

具体的流程如图1所示。

图1 知识库系统流程图Fig.1 Flow chart of KB system

3.2 知识库系统的验证

本文以厦门高崎机场为例，验证知识库系统的可行性。机场的东北方向为厦航的专用机坪，为简化仿真过程，本文只研究靠廊桥的61～69机位。查阅机场细则得知62～69号机位可停靠B757或B737，61号机位只能停靠B737。图2为部分机坪区的示意图。图3是用来抽象表示示意图的机坪区点线结构图，图中机坪和推出点分别不同标注。此块机坪有A5、A6两个出口，在系统中分别用A、B表示。

图2 机坪区示意图Fig.2 Chart of apron area

图3 机坪区点线结构图Fig.3 Network of apron area

以调配2架航空器推出为例，对调配工具进行简单介绍。图4为航空器输入信息界面。在输入过程中，由于航空器进入机坪的时间动态变化，所有设计为取系统时间按钮，这样可以更准确地给规则库提供必要的信息。

图5、图6为2架航空器冲突解决界面。

4 结语

本文通过综合考虑机位附近航空器运行的影响因素，把重点放在解决2架航空器物理冲突上的知识库的建立，形成规则方案。最后在仿真环境中运行，显示调配的结果是否合理。

图4 航班信息输入界面图Fig.4 Input of flight information

图5 无冲突界面图Fig.5 Conflict-free results

图6 冲突界面图Fig.6 Conflict results

通过界面的形式，方便机坪管制员在调配2架航空器物理冲突上给出一定的建议和措施。利用规则库的特点，方便计算机建模。

在以后的研究过程中，可以适当地加入机位优化策略，以使调度的效率更加提高。

[1]SANG HYUN，KIM ERIC FERON，JOHN-PAUL CLARKE.Assigning Gates by Resolving Physical Conflicts，AIAA-5648[C].Atlanta，GA，USA：Georgia Institute of Technology，2009.

[2]薛 磊.基于滑行道等待的地面冲突解脱策略研究[D].南京：南京航空航天大学，2008.

[3]张 莹，胡明华，王艳军.航空器机场地面滑行时刻优化模型[J].中国民航飞行学院学报，2006，17（5）：3-6.

[4] STEPHEN ATKINS.Christopher Briton.Implication of Variability in AirportSurfaceOperationson4-DTrajectoryPlanning，AIAA-8960[C]. Alaska，USA，September，2008.

[5]安向明.基于规则的公交识别专家系统设计与实现[J].智能计算机与应用，2011，1（4）：42-44.

[6]黄 敏，饶明雷，李 敏.基于规则的交通路网建模及应用[J].公路交通科技，2012，29（1）：134-138.

（责任编辑：杨媛媛）

Rules-based study of conflicts detection and resolution in apron area

GAO Wei，ZHANG Jia，WANG Tao-bo，WANG Tao-bo
（College of Air Traffic Management，CAUC，Tianjin 300300，China）

The fast growth of flights has urged a higher rate of gates utilization，thus making taxi operations in and around aprons more complex，even leading serious flights delays.In order to reduce the conflicts of in apron area，the optimization of taxi operations becomes necessary.Based on the detailed analysis of the taxi rules in these areas，an useful knowledge base（KB）is summarized，and the KB model，realized through running on a Java-Mysql platform，is proposed.Then taking the XiaMen airlines aprons and the actual flights schedules at XiaMen GaoQi airport as an simulation example，through comparing the simulation results with the actual operations of apron，it is reasonable thus illustrating that the modeling method for the ground operations is feasible and efficient.The simulation results can provide the immediate operation method and also relieve the workload of apron controllers.Meanwhile it can be a relevance to other forecasts on apron controls or gates assignments.

gate assignment；conflicts detection and resolution；knowledge base；ground operation

V355

A

1674－5590（2013）01－0022－05

2012-05-04；

2012-08-10

国家自然科学基金项目（61039001）；中国民用航空局科技基金项目（MHRD200913）

高 伟（1971—），男，天津人，副教授，硕士，研究方向为民航交通运输规划与机场运行仿真.