浅谈A—SMGCS航空器滑行路线规划

田力 付新伟

摘 要：随着中国航空业的高速发展，人们的出行量越来越大，机场也不断扩大，结构越来越复杂。雨和雾等低能见度天气对场景运行的影响也在增加。机场运输日益成为制约航空运输进一步发展的瓶颈。国际民航组织提出先进场面活动引导与控制系统（Advanced Surface Movement Guidance and Control System，A-SMGCS）概念，提出引用最新的现场监控以及计算机技术手段实现航空器场面运输引导，从而实现自动化管理。本文分析了A-SMGCS航空器滑行路线规划的问题、发展趋势和最新研究成果，系统地介绍了A-SMGCS的研究基础，国内外的概念及发展历史，功能要求和研究现状，提并出了一种基于时间和空间的路径规划方法，从而解决航空器的路径优化与计算量之间的难题。

关键词：A-SMGCS；实时路由调整；滑行路线规划

中图分类号：V24 文献标识码：A 文章编号：1008-4428（2019）02-0168-02

一、 引言

实现空中交通管制的空地综合空中交通管理系统无缝隙运行，是新一代民用航空运输系统的目标之一。不断采用新的技术和理念，有利于尽早地实现机场范围内的无缝隙运行，从而提高航空系统的安全。随着航空运输量的不断增多，场面运输能力也越來越受到挑战。但是，仅依靠VHF（VHF）呼叫的场景控制模式和传统的控制器工作经验，难以处理目前繁杂的航空需求以及日益增长的航空运输量，因而引发了一系列的矛盾，比如航空延误，机场场面的安全隐患等，这些问题也引起人们广泛的关注。

飞机滑行路线规划基本上是资源合理分配的问题，即在有限的资源条件下（滑道，跑道，停车位），完成多架次飞机从滑行起点到终点的高效合理运行，最大化节约资源，降低人工复杂程度，最重要的是保证其滑行安全，从而实现目的，如最短的场面运输车路线和最短的运输时间。因此，本文主要研究和探讨了A-SMGCS飞机滑行路线的规划，并且详细分析国内外的最新研究现状，并介绍了A-SMGCS的概念、功能要求、发展历史、国内外研究成果、场面运输车路线设计思路等。

二、 航空器滑行路径研究现状

飞机滑行路线规划作为典型的NP难问题，在国内外进行了大量的研究，在理论研究和应用方面也都取得了大量的研究成果。

2004年，Smeltink首先使用混合整数线性规划进行飞机滑行路线调度研究，基于给定的滑行路线和进出时间。通过复杂的计算，从而得到航空器在通过每个滑行路线点的时间，并将每个时间段整合，而得到最终的最短时间。

蒙托亚将航空器模型与滑行的约束条件相结合，采用混合整数线性规划方法，来实现具有多个滑行路径的航空器滑行路线调度。

Roling和Visser根据时空网络建立了混合整数规划模型，将其结合起来分析，选出最优解，从而降低航空器的等待时间和滑行时间。

齐秀兰利用第一松弛和固定分支求解算法设计出路径规划模型，并以北京首都国际机场为根据，进行了实验论证。王玉婷采用Petri网的场景进行建模，并对其建立的模型，进行路径优化，得到路径规划算法。王彦军在最短路径算法的基础上，提出了航空器规避碰撞的实时滑行路径算法。丁建立了一种改进的蚁群协同算法和滑动窗口控制方法，从而改进滑行道的滑行指挥，降低管制员的工作负荷。

A-SMGCS是从SMGCS发展而来的，是SMGCS的升级版。A-SMGCS与SMGCS的区别在于A-SMGCS可以提供更广泛的天气状况信息，车辆位置和机场建筑布局，并可以提供更详细的服务。A-SMGCS将在各种环境中使用通用模块，特殊环境中使用的模块将根据每个机场的具体要求确定。采用A-SMGCS将会更加符合每个机场的需求，从而减少传统依靠管制员和飞行员的目视指挥能力，某些功能将利用自动控制来提供路由、指导和控制。A-SMGCS主要用于在低能见度条件下（但不限于）促进场景的操作。在能见度高的情况下，机场容量也可以大大提高。

现有SMGCS和A-SMGCS之间的主要区别在于A-SMGCS可以为现场车辆和飞机提供更准确的导航。为他们控制合理的安全距离，提高现场的安全系数，减少发生危险事故的可能性。现有SMGCS与A-SMGCS之间的主要区别，在于目视距离是A-SMGCS可以为场面用的车辆和航空器提供更为精准的导航，为他们保持合理的安全距离，增加场面的安全系数，降低发生危险事故的可能性，并且主要针对使用目视维持其安全的情况下。

三、 A-SMGCS的功能介绍

A-SMGCS的4项基本功能分别是监视、控制、路由和引导，它们之间相互依存、互相支撑、协同工作，其工作方式如图1所示。

如图2所示，A-SMGCS与外部信息系统和控制器有效集成，并使用一系列先进的信息和控制技术来实现以下功能。

（一）目标监视

通过收集多种传感器的数据，为管制员提供准确的信息，进行识别判断航空器的位置信息，来完成航空器的调度工作。

（二）冲突监测

监测现场飞机的活动，避免飞机运行期间发生冲突。并对潜在隐患进行冲突告警并解除，实现航空器在场面的安全高效运行。

（三）滑行路线

在合理考虑现场运行条件的情况下规划飞机的最优滑行路线。

（四）滑动引导

通过控制飞行区滑行道中线灯的爬行照明，以及关闭滑行道路灯的控制，完成飞机的滑行引导任务。

A-SMGCS飞机滑行路线计划的目的是根据飞行计划规划在现场操作的飞机的飞行。从出租车（停机坪或跑道）开始到出租车（跑道或停机坪）尽头的快速出租车路线。A-SMGCS飞机滑行路线计划可以帮助控制器合理地命令飞机运行并降低控制器上的压力，减少飞机滑行时间，减缓现场飞机可能发生的交通拥堵，从而提高场面运行容量。因此，主要问题是如何在飞机开始滑行之前为飞机设计最合理的滑行路线。这种方式使飞机的滑行时间被最小化并且尽可能地缩短滑行路径的距离。

四、 结论与展望

目前，主要采用两种场面航空器路径规划方法。

一是采用混合整数线性规划方法，采用飞机的滑行路径进行数学建模，将场景滑动问题转化为数学建模中的最短路问题。虽然混合整数线性规划方法可以准确地获得最佳滑动路径，但滑动过程中的变量是复杂的。计算量巨大且耗时，并且无法实现A-SMGCS系统的路线规划的及时性。

二是为了降低场面航空器路线的复杂性，减少花费的时间，航空器规划路线设计逐步完成。从时间和空间两个方面来考虑即将滑行路由规划问题，从而降低计算复杂度，将其划分为初始路由规划和动态路由指派。初始路由规划是将其最初的滑行点到最终的滑行点进行路径规划，动态路由指派是分配航空器在滑行过程中的每一个时间点。滑行路线分为两个方面来考虑，虽然减少了计算量，但最短路径上的多架飞机会出现拥堵。而非最短路径的场面滑行道没有利用。这导致资源分配的不合理性，就像驾车的人一样。但往往十分拥堵，若选择绕城高速则可以更加快捷的抵达目的地。

A-SMGCS路线规划需要解决问题解决难度与路線规划优化之间的矛盾，有必要最小化计算量，同时确保路由结果的优化。简单地切割这两者是不可能的，并且不可能通过空间和时间分解成两个问题来单独计划。这也说明了路由规划问题，其时间和空间属性无法分割。假如驾车由西向东穿越城市，设置时间最短为目标。空间上最短的距离肯定是城市主干道由西向东，但对于一个大型城市来讲，往往车辆很多，交通拥堵，虽然距离短但耗时长；假如选择绕城路线，虽然距离会长一些，但是在道路畅通的条件下，可以适当提高车速，也会以较短的时间完成任务。相对的，如果人们都认为主干道的交通堵塞，从而选择绕城环道，这也会造成绕成环道的车辆增多，从而主干线的车辆降低，交通条件良好，假若此时选择交通主干道，则会大大的缩短时间。

因而，针对航空器滑行路由的规划问题，我们必须要将时间和空间结合起来，在不同的时间段，根据每个滑行道的交通状况，实时计算和规划，从而选择整体最优的滑行路线。

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作者简介：

田力，男，陕西西安人，中国民用航空飞行学院空中交通管理学院硕士研究生；

付新伟，中国民用航空飞行学院空中交通管理学院。