基于風(fēng)險(xiǎn)交互分析的智慧機(jī)場空側(cè)運(yùn)行管理系統(tǒng)

文 璐，張迎春，周世烽，戴小罡，丁雙寧

（1.湖南機(jī)場建設(shè)指揮部，湖南 長沙 410000；2.民航機(jī)場規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司華北分公司，北京 100000）

為了保證機(jī)場安排好空側(cè)布局的同時(shí)，降低航班延誤[1-2]，機(jī)場需要具有更大的容納量[3]，投入更高的建設(shè)和運(yùn)營成本。考慮到機(jī)場改擴(kuò)建成本，在智慧機(jī)場空側(cè)運(yùn)行管理過程中，對(duì)于交通管理方面的新管理技術(shù)和算法等提出了較高的要求[4]。在新的空中交通形勢下，借用信息化手段，對(duì)機(jī)場空側(cè)運(yùn)行進(jìn)行精細(xì)化管理，是提升機(jī)場高效運(yùn)作的關(guān)鍵步驟，也成為當(dāng)前新的研究方向[5-6]。針對(duì)當(dāng)前智慧機(jī)場空側(cè)的結(jié)構(gòu)、以及跑道容量等方面存在的問題，設(shè)計(jì)了一種基于風(fēng)險(xiǎn)交互分析的智慧機(jī)場空側(cè)運(yùn)行管理系統(tǒng)。

1 基于風(fēng)險(xiǎn)交互分析的空側(cè)運(yùn)行管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在基于風(fēng)險(xiǎn)交互分析的智慧機(jī)場空側(cè)運(yùn)行管理系統(tǒng)中，為了保證順利地搭載相關(guān)的管理技術(shù)和算法，需要設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件部分的整體結(jié)構(gòu)框架，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

航空器是管理系統(tǒng)硬件中的核心部分[7-8]，因此，該文對(duì)航空器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。航空器在該系統(tǒng)中的作用是獲取機(jī)場地面信息。在設(shè)計(jì)航空器的過程中，可以模擬空側(cè)運(yùn)行過程中的各個(gè)階段，其自身的屬性、功能以及結(jié)構(gòu)模塊非常豐富。航空器Agent的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 航空器Agent內(nèi)部結(jié)構(gòu)

了解了航空器Agent[9-10]的內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，需要研究航空器的機(jī)場管制運(yùn)行程序，系統(tǒng)能夠智能獲取不同機(jī)型的航班號(hào)，根據(jù)航班號(hào)在數(shù)據(jù)庫中獲取相應(yīng)的飛行計(jì)劃、航路氣象信息和航行情報(bào)等數(shù)據(jù)，完成系統(tǒng)中航空器的設(shè)計(jì)。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 建立智慧機(jī)場空側(cè)容量評(píng)估模型

智慧機(jī)場的空側(cè)容量是指機(jī)場能夠處理的交通流量能力，主要描述單位是飛機(jī)的出發(fā)和到達(dá)架次[11-12]。在評(píng)估空側(cè)容量時(shí)，主要考慮跑道和終端區(qū)的容量。精準(zhǔn)評(píng)估空側(cè)容量能夠?yàn)榭諅?cè)運(yùn)行管理提供參考依據(jù)[13-15]。在估計(jì)跑道的容量[16]時(shí)，兩架飛機(jī)中的前端飛機(jī)速度較小時(shí)，兩飛機(jī)的滑行狀態(tài)趨于接近情形，示意圖如圖3 所示。

圖3 進(jìn)場服務(wù)Vi ＜Vj 時(shí)的示意圖

圖3 中，Vj表示后機(jī)的平均滑行速度，δij表示跑道入口的距離，Ri表示飛機(jī)到達(dá)跑道的最小時(shí)間間隔。此情景下Tij可表示為：

在另一種情況下，前機(jī)在跑道上的滑行速度大于后機(jī)滑行速度，兩機(jī)之間的距離越來越遠(yuǎn)，這種情況下為開放情形[17-18]，兩機(jī)之間的跑道示意圖如圖4所示。

圖4 進(jìn)場服務(wù)Vi ＞Vj 時(shí)的示意圖

圖4 中，Vi表示前機(jī)運(yùn)行的速度，γ表示共用進(jìn)近航道時(shí)的長度，此情景可以描述為：

設(shè)定飛機(jī)j緊緊跟隨飛機(jī)i發(fā)生的概率是Pij，在無意外延誤的理想情況下，設(shè)跑道的容量最大值為C。如圖4 所示，進(jìn)場的飛機(jī)i在經(jīng)過跑道的入口時(shí)，使用的時(shí)間長度設(shè)為Ti，飛機(jī)j經(jīng)過跑道入口的時(shí)間長度設(shè)為Tj，離港的飛機(jī)k占用跑道時(shí)，所用的時(shí)間長度設(shè)為Td，得到放行許可后經(jīng)過的最長時(shí)間設(shè)為T2，因此離港的飛機(jī)k放行所用的時(shí)間長度為

如果在飛機(jī)i與飛機(jī)j中間加入一個(gè)其他的將要離港的飛機(jī)，則需要滿足T2-T1＞0。用N表示飛機(jī)數(shù)量，用Tij表示時(shí)間間隔，存在：

在沒有延誤存在的理想情況下，期望最小的時(shí)間間隔設(shè)為E[Tij]，航空器j飛行到航空器i的概率設(shè)為Pij，跑道的最大小時(shí)容量C可表示為：

在兩跑道同時(shí)運(yùn)行時(shí)，具體評(píng)估模型需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析討論。

1.2.2 風(fēng)險(xiǎn)交互分析體系

公共安全風(fēng)險(xiǎn)是潛在的緊急情況或社會(huì)不穩(wěn)定因素，這種公共安全風(fēng)險(xiǎn)可能對(duì)智慧機(jī)場區(qū)域系統(tǒng)造成負(fù)面影響。當(dāng)某一公共安全風(fēng)險(xiǎn)Di與公共安全風(fēng)險(xiǎn)Dj之間存在因果關(guān)系時(shí)，記錄為DSMij=1，否則記錄為DSMij=0。在建立風(fēng)險(xiǎn)交互分析框架的過程中，機(jī)場區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)事件風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)絡(luò)的公共安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的數(shù)量在一定程度上影響其他公共安全風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)量，影響關(guān)系如式（5）所示：

式中，outDegreeDi表示公共安全風(fēng)險(xiǎn)的點(diǎn)出度，InDegreeDi表示公共安全風(fēng)險(xiǎn)的點(diǎn)入度，描述其他公共安全風(fēng)險(xiǎn)受到某公共安全風(fēng)險(xiǎn)影響的數(shù)量。TotalDegreeDi表示總的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)度數(shù)中心度，描述影響該公共安全風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的其他公共安全的數(shù)量與受該公共安全風(fēng)險(xiǎn)影響的其他公共安全風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)量之和。如果某個(gè)公共安全風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)自身具有較高的中間中心度，那么該公共安全風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)在風(fēng)險(xiǎn)演化過程中起著關(guān)鍵傳導(dǎo)作用。公共安全風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)絡(luò)中點(diǎn)的中間中心性表示為BetweennessRk，并且飛機(jī)節(jié)點(diǎn)i的公共安全風(fēng)險(xiǎn)表示為Ri，飛機(jī)節(jié)點(diǎn)j的公共安全風(fēng)險(xiǎn)表示為Rj，則在公共安全風(fēng)險(xiǎn)傳導(dǎo)鏈條的“中間”鏈接Ri→Rj的鏈接中間中心度計(jì)算如式（6）所示：

式中，σRp,Rq表示從節(jié)點(diǎn)Rp經(jīng)過節(jié)點(diǎn)Rq的最短路徑的數(shù)量。σRp,Rq(Ri→Rj)表示經(jīng)過鏈接Ri到Rj的路徑的數(shù)量。

從責(zé)任部門S*到部門S#，兩者之間的鏈接的值大于0，則各部門之間存在風(fēng)險(xiǎn)相互作用。CS*,S#代表責(zé)任部門S*到部門S#之間的風(fēng)險(xiǎn)交互強(qiáng)度，計(jì)算公式如式（7）所示：

公共安全風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)度的計(jì)算公式如式（8）所示：

式中，V代表公共安全風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)絡(luò)中互不可達(dá)的公共安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的點(diǎn)對(duì)數(shù)目，N代表公共安全風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。在智慧機(jī)場空側(cè)運(yùn)行管理系統(tǒng)中引入該分析方法，能夠?yàn)闄C(jī)場區(qū)域管理者確定不同部門之間的溝通和協(xié)作提供指導(dǎo)。通過識(shí)別和設(shè)計(jì)跨組織邊界實(shí)現(xiàn)組織之間的溝通和協(xié)作，提高機(jī)場區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)安全管理的有效性。組織之間的聯(lián)動(dòng)對(duì)于減少機(jī)場區(qū)域?yàn)?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。根據(jù)以上設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的運(yùn)行管理流程如圖5 所示。

圖5 機(jī)場管制運(yùn)行流程圖

該文系統(tǒng)將按照此流程進(jìn)行起飛、降落、停止等待等活動(dòng)的管理，完成基于風(fēng)險(xiǎn)交互分析的智慧機(jī)場空側(cè)運(yùn)行管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在實(shí)際的應(yīng)用中具有一定的有效性，需要測試設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。選擇某城市機(jī)場的某月份不同評(píng)價(jià)指標(biāo)，并確定智能化處理設(shè)置的指標(biāo)得分，如表1 所示。

表1 機(jī)場空側(cè)交通流動(dòng)態(tài)管理運(yùn)行水平評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，利用相關(guān)的變異計(jì)算公式，能夠分別計(jì)算出不同級(jí)別指標(biāo)的相關(guān)指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算結(jié)果如下：

同樣計(jì)算得到各層級(jí)的權(quán)重系數(shù)如下：

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，能夠分別得到一級(jí)權(quán)重、二級(jí)權(quán)重和組合權(quán)重。在以上機(jī)場運(yùn)行情況下，使用該文設(shè)計(jì)的基于風(fēng)險(xiǎn)交互分析的智慧機(jī)場空側(cè)運(yùn)行管理系統(tǒng)管理該機(jī)場的空側(cè)，并利用上述的指標(biāo)評(píng)價(jià)該機(jī)場的空側(cè)交通流動(dòng)態(tài)管理運(yùn)行水平。

2.2 系統(tǒng)結(jié)果分析

在得到該文空側(cè)運(yùn)行管理系統(tǒng)下各個(gè)指標(biāo)的值后，結(jié)合相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，可以計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度。關(guān)聯(lián)度的計(jì)算函數(shù)為：

式中，ρ(X,Xp)表示點(diǎn)X到有界區(qū)間Xp的距離，表示有界區(qū)間的模，ρ(X,Xq)表示點(diǎn)X到有界區(qū)間Xq的距離。通過上式計(jì)算出經(jīng)典物元矩陣中各級(jí)水平（A，B，C，D，E）指標(biāo)關(guān)聯(lián)度，如表2 所示。

表2 指標(biāo)關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表2 中各個(gè)二級(jí)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度值，結(jié)合調(diào)查數(shù)據(jù)，通過二級(jí)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度的計(jì)算公式計(jì)算一級(jí)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度，如下：

式中，Kp(Ni)表示待評(píng)價(jià)一級(jí)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度，αi表示指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)以上關(guān)聯(lián)度指標(biāo)值劃分系統(tǒng)管理水平為五個(gè)等級(jí)，即1-5 級(jí)，1 級(jí)表示優(yōu)，5 級(jí)則表示最差。根據(jù)一級(jí)指標(biāo)中經(jīng)典物元矩陣中各級(jí)水平（A，B，C，D，E）指標(biāo)關(guān)聯(lián)度的計(jì)算結(jié)果評(píng)級(jí)管理水平，由于篇幅限制，在此不再列舉指標(biāo)關(guān)聯(lián)度評(píng)級(jí)的參考標(biāo)準(zhǔn)。得到一級(jí)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度與總體評(píng)級(jí)如表3所示。

表3 綜合指標(biāo)關(guān)聯(lián)度與空側(cè)總體運(yùn)行水平評(píng)級(jí)

根據(jù)以上的關(guān)聯(lián)結(jié)果可知，該機(jī)場的空側(cè)交通流動(dòng)態(tài)管理處于1-3 級(jí)水平，說明能夠較好地保障機(jī)場空側(cè)的運(yùn)轉(zhuǎn)，在高峰和突發(fā)狀態(tài)下出現(xiàn)的擁堵與延誤情況較少，但此時(shí)服務(wù)水平稍有下降。由此可知，設(shè)計(jì)的基于風(fēng)險(xiǎn)交互分析智慧機(jī)場空側(cè)運(yùn)行管理系統(tǒng)在實(shí)際的應(yīng)用過程中具有較高的可靠性。

3 結(jié)束語

該文在風(fēng)險(xiǎn)交互分析的基礎(chǔ)上，重新規(guī)劃了智慧機(jī)場空側(cè)運(yùn)行管理系統(tǒng)。通過實(shí)際的應(yīng)用研究，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。該系統(tǒng)的應(yīng)用能夠有效緩解機(jī)場空側(cè)的交通擁堵，但由于各方面的條件限制，僅在智慧機(jī)場的空側(cè)方面進(jìn)行了測試，在評(píng)價(jià)方面的尺度也過于微觀。因此，在今后的研究中，要深入到機(jī)場陸側(cè)的運(yùn)行管理中，并從宏觀方面調(diào)控智慧機(jī)場。