非常规天气的安全评估技术与动态改航规划

雷鸣 骆文杰 王亮 齐松岭 冯瑶 赵纬经

摘  要：近年来随着经济的发展、社会的进步，我国的航班数量不断地上升，客流量和货运量突飞猛进，延误问题随之而来。危险天气是造成航班的改航、备降的主要原因之一。该论文主要讨论非常规天气下航路飞行的安全评估技术与改航策略。选择最优的改航策略才能最大化的保证航班的安全性及经济性。文章是对危险天气运用模糊综合评价法进行评估，确定改航策略，并对危险天气进行避让，保证航空器安全运行，确定需要避让后再给出适宜的改航策略，并以某地为例列出具体的改航实例来具体说明改航策略的实用性。

关键词：非常规天气;安全评估;改航策略;模糊综合评价法

1 安全评估技术-模糊综合评价法

随着我国航空事业的高速发展，空中交通流量持续增长，空域环境日益复杂，航空“安全第一”的行业特点对空中交通管制提出了更高的要求。空中交通管制系统对风险管理的需求已经从“事后处理”发展到“事前预防”阶段，由经验管理转向系统安全风险预警管理阶段。由于飞机在非常规天气下的飞行主要涉及到环境的影响，因此，运用模糊综合评价法可以多方面考虑环境因素对飞机飞行安全的影响。

模糊综合评价[5]是模糊数学在安全评价中的具体应用，它从安全的角度出发，用模糊数学的知识对系统中多个相互影响的因素进行综合评价。它体现了系统安全是一个多因素、多变量、多层次的及其复杂的系统。该方法是目前通过实践证明的简便易行且实用的方法。该方法能综合考虑到影响航空行业安全的各种因素，将各种评价因素的各种评价指标进行量化处理，从而能对航空行业安全作出科学公正的安全评价分析。

它的实施步骤可分为以下几个：

（1）确定系统评价项目的评审要素集合：U={Ui} （i=1，2，…，n）;

（2）确定各评审要素的权系数向量：P=Pi;

（3）确定评价基准及相应的价值量：E=Ei   （i=1，2…，n）;

（4）计算系统各评价项目的模糊综合评价矩阵：R=（rij）;

（5）對模糊综合评判矩阵进行加权，得出模糊综合评价结果：Si=PR;

（6）计算评价项目的危险度：Ni=SiET。

以一种非常规天气为例：雨，对于飞机在雨中飞行进行安全评价。

确定系统项目的评审要素：（1）能见度;（2）发动机受损;（3）机翼受损;（4）颠簸程度;（5）无线电受损等。当然对于不同的危险天气，评审要素可以结合上文各危险天气对飞机飞行的危害来确定。至于确定各评价项目的权系数向量，飞行员、管制员或者其他评判人员可以结合雨的大小对各评审要素赋予相应的权重。再然后就是确定评价基准及相应的价值量，在此我们可以直接数字化。E=（0.9，0.7.0.5，0.3，0.1）分别对应影响程度的大小。这样就可以得到一个各专家对雨的评议结果表，如表1所示。

然后根据这个表得到一个矩阵：

D=（dij）  P={P1 P2 P3 P4…Pn}（P1+P2+P3+P4+…+Pn=1）

D=

rij=dij/dij

于是进一步可得模糊综合评判矩阵：

R=

对模糊综合评判矩阵进行加权，可得出模糊综合评价结果：

S=P*R={P1 P2 P3 P4…Pn}*

计算课题的危险度：Ni=S*ET

Ni=S*ET={P1 P2 P3 P4…Pn}*

*

当危险度达到一个预定值则认为飞机需要改航，小于这个危险值时则认为不需要改航。而这个危险度的预定值，飞行员可以结合实际飞行来确定这个值的大小。

仿真分析

设昆明-广州航线LXI-BXE航段发生危险天气，某航班从昆明起飞预计在某一Ts时刻开始后飞越该航段，同时飞行员和管制员等人开始制定飞机在该危险区域的飞行路径并进行安全评估，以此来确定是否需要改航。

（1）确定系统评审要素集合为：U={U1，U2，U3，U4，U5}。

U1：能见度;U2：发动机受损;U3：机翼受损;U4：导航设备受损;U5：颠簸程度。

（2）确定各评审要素的权系数行向量：P=（P1，P2，P3，P4，P5）=（0.15，

0.20，0.10，0.25，0.30）。

（3）确定评价基准及相应的价值量：E=（E1，E2，E3，E4，E5）=（0.9，0.7，

0.5，0.3，0.1）。

即：评价等级分为5级。

（4）计算各评价项目的模糊综合评判矩阵：

首先，根据上述评价项目及权系数、评价等级，9位专家对过危险区域的航线进行评议。评价结果如表2所示。

表2

然后，计算模糊综合评判矩阵：R=（rij）

式中：rij=dij/dij

dij是矩阵D=（dij）中的元素。

D=

再由上式得到rij，从而可以得到模糊综合评判矩阵：

Ri=

（5）对模糊综合评判矩阵进行加权，得出模糊综合评判结果：

Si=PR=（0.244  0.538  0.204  0.012  0.00）

（6）计算各课题的可行度：Ni=S*ET

（7）N1=S*ET=（0.244  0.538  0.204  0.012  0.00）*    =0.7

即可得出飞机在该危险区飞行的危险度0.7。

按照上述方法可以求出飞机在不同区域飞行的危险度，依次比较，从而选出一条较为安全的航线。

2 改航策略

2.1 改航点的确定

初始改航点是在航班计划航路点之外，按某种方法初步确定的改航点，它们还须进行适当的修正和调整才能被确定为最终改航吃行路径中的改航点。对于单个的块状吃行受限区而言，常用的改航点的确定方法有几何法和快速确定法。文章采用几何法[1]来确定初始改航点。

首先，针对需要改航飞行的航班建立相应的直角坐标系xoy，其中坐标原点为改航航班的起飞机场，y轴正方向为磁北，x轴正方向为磁北偏东90。设最终确定的静态飞行受限区或改航时段内的动态飞行受限区各顶点为pi（xi，yi），i=1，2…，为了易于描述以图1所示危险区及航线为例，初始改航点位置的确定方法为：

步骤1：确定飞行受限区边界与航线的交汇点。沿航线方向最先与危险区边界相交的点为飞入交汇点，F（xe，ye）;另一交汇点为飞出交汇点，G（xl，yl）。若航线与危险区边界重合则认为该段航线在危险区之外，未受飞行危险区的影响。

步骤2：确定改航航段起始点P 和结束点Q。在航线上选取距离F点最近，且在危险区之外的航路点定义为P点 ，距离G点且在危险区外的航路点定义Q点。定义FG的中点为H。

步骤3：PQ将危险区分为两部分，将属于两部分的各顶点分别放入集合U1和U2，U1={E，G}，U2={A，B，C}。

步骤4：在U1和U2中找取距离H点最远的点（图中的B，E两点），并分别把距离记为d1和d2，选取Rmin=min{d1，d2}。

步骤5：在Rmin所在一侧（B所在一侧），作垂直于PQ航线的射线L，以H为中心Rmin为半径作弧，与射线L的交点R，即为所求改航点。其坐标值可由下式得出。原先由P飞往Q的航线可改为由P经R再飞往Q点。或者切入指定航线，即由P经R再经J飞往Q点。如此，可保证飞机在非航线区的飞行时间减少，从而保证安全。

Xr=-kr（α-β±λ）/（kr2+1）

Yr=（α+kr2β±λ）/（kr2+1）

其中

kr=（yl-ye）/（xl-xe）

α=（xlye-xeyl）/（xl-xe）

β=（xl2+yl2-xe2-ye2）/2（yl-ye）

λ=（kr2+1）1/2Rmin

如果xl=xe，那么

Xr=xe±Rmin

Yr=（ye+yl）/2

如果yl=ye那么

Xr=（xl+xe）/2

Yr=ye±Rmin

当R在点集U1一侧，则λ和Rmin取“+”，相反，则取“-”号。

在特殊情况下，若U1或U2中只存在一个点，且该点到H点的距离等于Rmin，则该点即为改航点R。

步骤6：如果PR（或RQ）与危险边界相交，则需要在PR（或RQ）间增加新的改航点，其方法为，将R转化为新的Q（或P）回步骤3，直到新的改航路径不会穿过危险区域为止。

由上，可得到一个初步的改航路径，每次求得的点R，即为初始改航点。

2.2 网络权重

文章改航策略的优化主要针对改航代价的大小，而改航代价包含飞机改航的安全性，经济性，舒适性等评价指标。利用模糊综合评价法分别对绕飞、爬升、以及穿云团三种遇到危险天气下所做的策略进行模糊综合评价。如此便可以得到相应的权重，再除以相应的飞行距离d便得到了改航代价Q。

用Ui表示各评审要素，Ai表示研究方案，Pi表示评审要素的权系数，Ei表示评价基准及相应的价值量。

对于各评审项目权系数的确定用两两比较法[5]，两两比较法就是将所有要进行评价的项目列在一起，两两比较，其价值较高者可得1分，價值低者不得分，最后将各项目所得分数相加，计算可得出每个评价项目的评价系数。如表4：

由模糊综合评价法计算可得到每一个改航策略的权重Ni。改航代价Q=Ni*d。

2.3 仿真示例

以北京到上海航段的一次动态危险天气为例，如图2所示，以危险天气前最近的航路点为坐标原点Ox，在距其30km外有一圆形云团，在图中各黑点均表示航路点。横向航路点之间距离为25km，纵向航路点之间距离为30km，云团垂直向上移动速度25km/h，飞机平均地速500km/h，云团高度2km，云团中心与飞机重心处于同一高度。选择位于云团右侧30km的航路点为归航点q，以Ox为坐标原点，预定航线方向为x轴正方向，按照右手定则建立直角坐标系。

经计算，飞机绕飞时的轨迹为Ox454q，绕飞距离为163km;爬升时，从Ox点开始爬升，以4.0%的爬升梯度进行爬升，爬升距离为110.2km。穿云团时，飞机按预定航线进行飞行，所经距离为110km。

针对三种飞行策略，用模糊综合评价法分别对其赋予相应的权重，顺序如下：

（1）确定评审要素：安全性、经济性、舒适性、时间延误。

对于各评审要素用两两评分比较法进行计算，得到评价系数的权系数。如表5。

（2）确定评价基准Ei=（0.9，0.7，0.5，0.3，0.1），即评价等级分为五级。

（3）对于绕飞策略进行模糊综合评价，结果如表6。

综合运算的绕飞的权重N=0.73

矩阵D=（dij）

由rij=dij/dij得

对模糊综合评判矩阵进行加权得出模糊综合评价结果

P={0.5  0  0.33  0.17}

S=PR={0.471  0.388  0.056  0.029  0}

计算绕飞的权重：

（4）按照上述方法，可以依次求出爬升和穿云团的相应权重为：

N2=0.55，N3=0.16

（5）改航代价Qi=Ni*di

Q1=163/0.73=223.3

Q2=110.2/0.55=200.4

Q3=110/0.2=550

从上述结果看出，改航代价最小的策略是爬升，其改航距离是110.2km。相对于绕飞来讲，其改航距离减少了52.8km，改航代价少了22.9，而对于穿云团，虽然改航距离多了0.2km，但改航代价少了249.6。综合来看，在该危险天气下，爬升是最好的飞行策略。

3 结束语

文章针对非常规天气条件下的安全评估及改航规划问题，建立一种基于模糊综合评价法的评估模型，模糊综合评价法的天气评估模型能综合考虑天气影响飞行安全的多种因素，从而求出飞机在不同区域飞行的危险度，依次比较，选出一条较为安全的航线。同时，基于模糊综合评价法的改航模型考虑飞机飞行安全性、经济性、舒适性和时间延误等因素，在不同的天氣条件下策略性地选择相应的改航方案，使飞行的改航代价最小，保证航空公司的经济效益，提升服务质量。

参考文献

[1]李雄.飞行危险天气下的航班改航路径规划研究[D].南京：南京航空航天大学，2009.

[2]孟令航，徐肖厚，李善梅，等.不确定强对流天气下动态改航路径规划[J].西南交通大学学报，2012

[3]E.Harkleroad A.vela J.kuchlar B.Barnett R.Merchant-bennett Risk-based Modeling to Support NextGen Concept Assessment and Validation [R].Washington：Federal Aviation Administration，2013.

[4]郑昌文，严平，丁明跃，等.飞行器航迹规划[M].北京：国防工业出版社，2008.

[5]刘舒燕.交通运输系统工程[M].北京：人民交通出版社，2012：156-166.

[6]胡运权.运筹学[M].北京：高等教育出版社，2014.