淺談A—SMGCS航空器滑行路線規劃

田力 付新偉

摘 要：隨著中國航空業的高速發展，人們的出行量越來越大，機場也不斷擴大，結構越來越復雜。雨和霧等低能見度天氣對場景運行的影響也在增加。機場運輸日益成為制約航空運輸進一步發展的瓶頸。國際民航組織提出先進場面活動引導與控制系統（Advanced Surface Movement Guidance and Control System，A-SMGCS）概念，提出引用最新的現場監控以及計算機技術手段實現航空器場面運輸引導，從而實現自動化管理。本文分析了A-SMGCS航空器滑行路線規劃的問題、發展趨勢和最新研究成果，系統地介紹了A-SMGCS的研究基礎，國內外的概念及發展歷史，功能要求和研究現狀，提并出了一種基于時間和空間的路徑規劃方法，從而解決航空器的路徑優化與計算量之間的難題。

關鍵詞：A-SMGCS；實時路由調整；滑行路線規劃

中圖分類號：V24 文獻標識碼：A 文章編號：1008-4428（2019）02-0168-02

一、 引言

實現空中交通管制的空地綜合空中交通管理系統無縫隙運行，是新一代民用航空運輸系統的目標之一。不斷采用新的技術和理念，有利于盡早地實現機場范圍內的無縫隙運行，從而提高航空系統的安全。隨著航空運輸量的不斷增多，場面運輸能力也越來越受到挑戰。但是，僅依靠VHF（VHF）呼叫的場景控制模式和傳統的控制器工作經驗，難以處理目前繁雜的航空需求以及日益增長的航空運輸量，因而引發了一系列的矛盾，比如航空延誤，機場場面的安全隱患等，這些問題也引起人們廣泛的關注。

飛機滑行路線規劃基本上是資源合理分配的問題，即在有限的資源條件下（滑道，跑道，停車位），完成多架次飛機從滑行起點到終點的高效合理運行，最大化節約資源，降低人工復雜程度，最重要的是保證其滑行安全，從而實現目的，如最短的場面運輸車路線和最短的運輸時間。因此，本文主要研究和探討了A-SMGCS飛機滑行路線的規劃，并且詳細分析國內外的最新研究現狀，并介紹了A-SMGCS的概念、功能要求、發展歷史、國內外研究成果、場面運輸車路線設計思路等。

二、 航空器滑行路徑研究現狀

飛機滑行路線規劃作為典型的NP難問題，在國內外進行了大量的研究，在理論研究和應用方面也都取得了大量的研究成果。

2004年，Smeltink首先使用混合整數線性規劃進行飛機滑行路線調度研究，基于給定的滑行路線和進出時間。通過復雜的計算，從而得到航空器在通過每個滑行路線點的時間，并將每個時間段整合，而得到最終的最短時間。

蒙托亞將航空器模型與滑行的約束條件相結合，采用混合整數線性規劃方法，來實現具有多個滑行路徑的航空器滑行路線調度。

Roling和Visser根據時空網絡建立了混合整數規劃模型，將其結合起來分析，選出最優解，從而降低航空器的等待時間和滑行時間。

齊秀蘭利用第一松弛和固定分支求解算法設計出路徑規劃模型，并以北京首都國際機場為根據，進行了實驗論證。王玉婷采用Petri網的場景進行建模，并對其建立的模型，進行路徑優化，得到路徑規劃算法。王彥軍在最短路徑算法的基礎上，提出了航空器規避碰撞的實時滑行路徑算法。丁建立了一種改進的蟻群協同算法和滑動窗口控制方法，從而改進滑行道的滑行指揮，降低管制員的工作負荷。

A-SMGCS是從SMGCS發展而來的，是SMGCS的升級版。A-SMGCS與SMGCS的區別在于A-SMGCS可以提供更廣泛的天氣狀況信息，車輛位置和機場建筑布局，并可以提供更詳細的服務。A-SMGCS將在各種環境中使用通用模塊，特殊環境中使用的模塊將根據每個機場的具體要求確定。采用A-SMGCS將會更加符合每個機場的需求，從而減少傳統依靠管制員和飛行員的目視指揮能力，某些功能將利用自動控制來提供路由、指導和控制。A-SMGCS主要用于在低能見度條件下（但不限于）促進場景的操作。在能見度高的情況下，機場容量也可以大大提高。

現有SMGCS和A-SMGCS之間的主要區別在于A-SMGCS可以為現場車輛和飛機提供更準確的導航。為他們控制合理的安全距離，提高現場的安全系數，減少發生危險事故的可能性。現有SMGCS與A-SMGCS之間的主要區別，在于目視距離是A-SMGCS可以為場面用的車輛和航空器提供更為精準的導航，為他們保持合理的安全距離，增加場面的安全系數，降低發生危險事故的可能性，并且主要針對使用目視維持其安全的情況下。

三、 A-SMGCS的功能介紹

A-SMGCS的4項基本功能分別是監視、控制、路由和引導，它們之間相互依存、互相支撐、協同工作，其工作方式如圖1所示。

如圖2所示，A-SMGCS與外部信息系統和控制器有效集成，并使用一系列先進的信息和控制技術來實現以下功能。

（一）目標監視

通過收集多種傳感器的數據，為管制員提供準確的信息，進行識別判斷航空器的位置信息，來完成航空器的調度工作。

（二）沖突監測

監測現場飛機的活動，避免飛機運行期間發生沖突。并對潛在隱患進行沖突告警并解除，實現航空器在場面的安全高效運行。

（三）滑行路線

在合理考慮現場運行條件的情況下規劃飛機的最優滑行路線。

（四）滑動引導

通過控制飛行區滑行道中線燈的爬行照明，以及關閉滑行道路燈的控制，完成飛機的滑行引導任務。

A-SMGCS飛機滑行路線計劃的目的是根據飛行計劃規劃在現場操作的飛機的飛行。從出租車（停機坪或跑道）開始到出租車（跑道或停機坪）盡頭的快速出租車路線。A-SMGCS飛機滑行路線計劃可以幫助控制器合理地命令飛機運行并降低控制器上的壓力，減少飛機滑行時間，減緩現場飛機可能發生的交通擁堵，從而提高場面運行容量。因此，主要問題是如何在飛機開始滑行之前為飛機設計最合理的滑行路線。這種方式使飛機的滑行時間被最小化并且盡可能地縮短滑行路徑的距離。

四、 結論與展望

目前，主要采用兩種場面航空器路徑規劃方法。

一是采用混合整數線性規劃方法，采用飛機的滑行路徑進行數學建模，將場景滑動問題轉化為數學建模中的最短路問題。雖然混合整數線性規劃方法可以準確地獲得最佳滑動路徑，但滑動過程中的變量是復雜的。計算量巨大且耗時，并且無法實現A-SMGCS系統的路線規劃的及時性。

二是為了降低場面航空器路線的復雜性，減少花費的時間，航空器規劃路線設計逐步完成。從時間和空間兩個方面來考慮即將滑行路由規劃問題，從而降低計算復雜度，將其劃分為初始路由規劃和動態路由指派。初始路由規劃是將其最初的滑行點到最終的滑行點進行路徑規劃，動態路由指派是分配航空器在滑行過程中的每一個時間點。滑行路線分為兩個方面來考慮，雖然減少了計算量，但最短路徑上的多架飛機會出現擁堵。而非最短路徑的場面滑行道沒有利用。這導致資源分配的不合理性，就像駕車的人一樣。但往往十分擁堵，若選擇繞城高速則可以更加快捷的抵達目的地。

A-SMGCS路線規劃需要解決問題解決難度與路線規劃優化之間的矛盾，有必要最小化計算量，同時確保路由結果的優化。簡單地切割這兩者是不可能的，并且不可能通過空間和時間分解成兩個問題來單獨計劃。這也說明了路由規劃問題，其時間和空間屬性無法分割。假如駕車由西向東穿越城市，設置時間最短為目標。空間上最短的距離肯定是城市主干道由西向東，但對于一個大型城市來講，往往車輛很多，交通擁堵，雖然距離短但耗時長；假如選擇繞城路線，雖然距離會長一些，但是在道路暢通的條件下，可以適當提高車速，也會以較短的時間完成任務。相對的，如果人們都認為主干道的交通堵塞，從而選擇繞城環道，這也會造成繞成環道的車輛增多，從而主干線的車輛降低，交通條件良好，假若此時選擇交通主干道，則會大大的縮短時間。

因而，針對航空器滑行路由的規劃問題，我們必須要將時間和空間結合起來，在不同的時間段，根據每個滑行道的交通狀況，實時計算和規劃，從而選擇整體最優的滑行路線。

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作者簡介：

田力，男，陜西西安人，中國民用航空飛行學院空中交通管理學院碩士研究生；

付新偉，中國民用航空飛行學院空中交通管理學院。