Optimization of terminal airspace operation with environmental considerations

The rapid growth in air traffic has resulted in increased emission and noise levels in terminal areas, which brings negative environmental impact to surrounding areas. This study aims to optimize terminal area operations by taking into account environmental constraints pertaining to emission and noise. A multi-objective terminal area resource allocation problem is formulated by employing the arrival fix allocation (AFA) problem, while minimizing aircraft holding time, emission, and noise. The NSGA-II algorithm is employed to find the optimal assignment of terminal fixes with given demand input and environmental considerations, by incorporating the continuous descent approach (CDA). A case study of the Shanghai terminal area yields the following results: (1) Compared with existing arrival fix locations and the first-come-first-serve (FCFS) strategy, the AFA reduces emissions by 19.6%, and the areas impacted by noise by 16.4%. AFA and CDA combined reduce the emissions by 28% and noise by 38.1%; (2) Flight delays caused by the imbalance of demand and supply can be reduced by 72% (AFA) and 81% (AFA and CDA) respectively, compared with the FCFS strategy. The study demonstrates the feasibility of the proposed optimization framework to reduce the environmental impact in terminal areas while improving the operational efficiency, as well as its potential to underpin sustainable air traffic management.     

基于航空器自主运行的空中交通复杂性建模

针对航空器自主运行模式的空中交通运行态势评估问题，本文重构了基于分布式空中交通管理系统的空中交通复杂性评价方法，并仿真验证了该方法在航空器冲突探测和自主航迹规划中的应用。首先，基于自由航路空域和航空器自主运行模式定义了空中交通复杂性，在通过三维空域栅格模型量化航空器时空位置的基础上，构建复杂度计算模型以反映航空器位置、航向、 航速对空域各栅格的实时复杂性影响；其次，基于实际管制扇区(ZSSSAR01)及高度层，分别模拟自由航路与固定航路运行模式，对比两者空中交通复杂度时空分布差异；并结合自由航路运行模式，在空中交通复杂性与航空器冲突指标(冲突率、冲突比例)相关性分析的基础上，研究空域复杂度阈值确定方法；最后，初步探究基于空域复杂度阈值进行航空器自主航迹调整的方法，评估其运行效果。仿真实验结果表明：自由航路运行模式相对固定航路运行模式可显著降低空域最大复杂度值(平均降幅119%)；模型计算得到，空中交通复杂度与空域中航空器冲突指标有强相关性 (相关系数大于0.90)；基于复杂度和复杂度阈值的航迹调整策略具备一定可行性。     

低空空域飞行冲突避让算法

为了预防航空器在低空空域飞行中发生相撞，根据空中交通管理规则的飞行间隔规定，采用速度矢量三角分析法，分析了避免冲突的基本条件，确定了航空器B与航空器A的速度矢量关系，提出了调整速度和改变航向两种解决方法，推导出速度和航向改变量的计算公式。通过系统演算和DRS-98型雷达管制模拟机的验证表明，在任何情况下都能够使用改航法避让飞行冲突，航空器之间的距离和航向差越大，航向的改变量就越小；当航空器之间的距离大于6倍的飞行间隔时，应当使用调速法避让飞行冲突，这样航空器可以继续保持原定的飞行航线。     

Short/medium-term prediction for the aviation emissions in the en route airspace considering the fluctuation in air traffic demand

This paper proposes a novel short/medium-term prediction method for aviation emissions distribution in en route airspace. An en route traffic demand model characterizing both the dynamics and the fluctuation of the actual traffic demand is developed, based on which the variation and the uncertainty of the short/medium-term traffic growth are predicted. Building on the demand forecast the Boeing Fuel Flow Method 2 is applied to estimate the fuel consumption and the resulting aviation emissions in the en route airspace. Based on the traffic demand prediction and the en route emissions estimation, an aviation emissions prediction model is built, which can be used to forecast the generation of en route emissions with uncertainty limits. The developed method is applied to a real data set from Hefei Area Control Center for the en route emission prediction in the next 5 years, with time granularities of both months and years. To validate the uncertainty limits associated with the emission prediction, this paper also presents the prediction results based on future traffic demand derived from the regression model widely adopted by FAA and Eurocontrol. The analysis of the case study shows that the proposed method can characterize well the dynamics and the fluctuation of the en route emissions, thereby providing satisfactory prediction results with appropriate uncertainty limits. The prediction results show a gradual growth at an average annual rate of 7.74%, and the monthly prediction results reveal distinct fluctuation patterns in the growth.     

基于加权Voronoi图的扇区优化研究

管制员的工作负荷是制约空域容量的主要因素.扇区优化的目的则是在符合一定约束条件下平衡管制员的工作负荷,增加容量.文中提出了基于加权Voronoi图的扇区划设方法,确定了管制员工作负荷统计的方法.针对模拟退火算法收敛速度较慢,遗传算法存在早熟收敛的缺陷,使用生长算法与蚁群算法相结合的方法对数学模型进行求解,进而优化Voronoi多边形,最终得到最优扇区边界.仿真结果验证了所提出的扇区优化方法的合理性.     

进离场分离条件下的扇区划分模型研究

为了降低空域的工作负荷,提高空域扇区运行的安全性及简便性,在利用空域管制员工作负荷统计模型的基础上,提出了在进离场航路分离的条件下,按照空域功能同一性为优化原则进行的终端空域扇区优化划分模型。通过将飞行航段作为扇区优化的基本单元进行搜索,形成不同于传统地理性划扇的树状扇区,最大限度降低空域扇区间产生的移交与协调负荷。通过对上海终端区扇区划分的实例表明,功能性划扇由于使得扇区工作任务单一且大大降低了移交负荷,能够有效降低空域的管制工作负荷与管制工作难度。     

终端区空域结构调整对进场交通流的影响

根据终端区空域运行规则, 采用网络理论建立了终端区空域网络模型, 基于终端区航空器微观行为建立了空中交通流跟驰模型和等待模型, 基于NetLogo仿真平台进行了仿真试验, 分析了不同入度分布的空域结构对交通流的影响。仿真结果表明: 当密度小于等于0.075架次·km^-1, 速度大于等于0.04 km·s^-1时, 交通流处于自由相; 当密度为0.075~0.200架次·km-1且速度大于等于0.04 km·s^-1时, 交通流处于畅行相; 当密度大于0.200架次·km^-1, 小于最大密度时, 交通流处于拥塞相; 随着航班波作用的减弱, 交通流进入反向畅行相, 之后进入反向自由相; 当进场交通流分布一定, 入度值依次为2、3、1时, 交通流速度小, 密度大, 拥塞消散最慢, 入度值依次为3、2、1时, 交通流速度大, 密度小, 拥塞消散最快。可知, 增大空域网络上游关键节点的入度, 使进场交通流提前完成汇聚, 有利于交通流快速运行, 增大交通流量; 减小空域网络下游关键节点的入度, 有利于交通流在达到拥塞相后快速完成消散。     

基于累积前景理论的机场群旅客出行决策行为分析

基于累积前景理论研究了机场群旅客出行决策行为.针对不同出行需求的旅客,综合计划延误时间、票价、出行在途时间“可靠性”和“不可靠性”动态设置出行决策参考点,并考虑航班容量限制因素,构建了旅客出行选择模型,并将实证调查数据分别与累积前景理论和期望效用理论仿真结果进行对比验证.研究表明：前景理论模型能够有效地描述机场群航空旅客的出行路径决策过程,旅客选择行为随着出行目的不同而不同;与期望效用理论模型比较,该模型对描述航空旅客决策行为具有更好的适应性.因此,机场应根据自身市场定位并结合旅客有限理性特点优化航班频率、票价和航线网络结构.     

未来空域窗体制下小口径舰炮反导效能分析

针对高射速小口径舰炮如何进行防空反导的问题,文章论述了未来空域窗的构造和设计,并通过仿真比较不同射击误差协方差矩阵和空域窗半径下的毁伤效能,得出不同射击协方差矩阵和空域窗半径影响了未来空域窗毁伤区域的大小。因此,在保证一定命中概率的前提下,通过调整射击误差协方差矩阵和未来空域窗半径可以有效提高空域窗毁伤区域的大小,从而在目标大范围机动的情况下,保证了舰炮的反导效能。     

空域和流量协同管理建模与仿真

提出了空域和流量协同管理概念,综合利用地面等待、动态航路、条件航路等多种管理手段,建立了以最小运行成本为目标的数学模型,同时在模型中引入了动态航路、条件航路的开放成本,以更好地体现流量与容量之间相互协同优化关系,最后通过实例对模型进行了验证。计算结果表明:利用空域和流量协同运行管理模型制定的优化策略后,总的航班运行成本比优化前减少了8 205美元,成本波动幅度大大减小,因此,该协同管理策略可缩短航班延误时间,降低航空公司的成本。