飞机推出控制博弈机理模型与算法研究

Continuously growing air traffic demand is imposing a tremendous challenge to airport ground operation and surface traffic control as a valid means often is used to alleviate the airport ground congestion. The method proposed in this project is to push the aircrafts from their gates or aprons at a designed frequency to minimize the aircraft departure waiting time with the engine on. There are two main objects in this research. The first is that the throughput of the runway must not to be decreased under pushback control. The second is that the pushback control can minimize the aircraft ground waiting time with engine on. The research is focus on how to translate the waiting time from taxi or departure waiting time with engine powering to hold the aircrafts at the gates or aprons with the engine off. This translation can significantly reduce the fuel burn and emission at airport. The research intends to get the statistic distribution of runway service time and taxi time first. And an aircraft departure waiting queue model is to be formulate. The arriving aircraft numbers interval to fulfill the expected length of waiting queue and departure rate can be estimated. According to the statistic distribution model of the taxi time the interval of aircraft pushback frequency can be estimated. And a control scheme is to be designed to satisfy the interval of pushback frequency base on the “threshold thickness”. The pushback slot assignment scheme base on game theory is to be studied by mean of price and credit mechanism. And the assignment scheme should be fair and efficient. The analysis and evaluation of above mathematic models and algorithms are to be done with the airport practical operation data.

旅客增长给飞机地面运行带来挑战，项目拟通过控制停机位飞机推出频率，在满足跑道最大起飞容量的约束下，动态调节飞机起飞等待队列，使飞机地面发动机开车等待时间最小。研究问题有两方面：一是最大程度减少飞机地面燃油消耗，即最小化飞机发动机地面开车滑行等待时间；二是满足效率和公平的飞机推出时隙资源分配的博弈模型和策略。基本思路是在保证机场通行量的前提下，通过推出控制，将飞机地面开车状态的起飞等待转化为停机位的停车状态等待，从而降低飞机地面燃油消耗。本研究拟通过机场实际数据的统计分析，获得跑道起飞和地面滑行的统计分布，据此构建满足飞机起飞强度和等待队列长度的起飞队列到达强度变化界区间，并结合滑行时间统计模型，获得最佳机位推出频率界区间，根据最佳推出频率，研究满足起飞队列“阈值厚度”的控制策略，基于价格机制和信誉机制，研究对各航空公司公平的推出时隙博弈分配策略。利用机场实际数据，对上述算法进行分析评价。

大量航班地面起飞等待过程中发动机运行不仅会浪费大量燃油，增加航空器运行污染物排放、提高航空公司运行成本，同时，大量航空器聚集在滑行道还会导致飞行区地面运行拥堵，机场整体运行效率降低。针对以上考虑，本项目拟通过控制航空器在停机位的推出控制将航班发动机打开状态的地面等待过程转化为发动机关闭状态的航班停机位等待过程，从而可保证在不影响机场通行效率前提下，减少航空器地面燃油消耗，从而降低地面污染物排放，并可望降低航空公司运行成本。项目主要研究内容包括：.（1）飞行区场面交通模型构建 在本项目中仅考虑航空器地面滑行行为的飞行区场面微观交通流模型，为航空器地面滑行时间计算和估计提供理论依据；.（2）航空器地面滑行时间预测及估计方法 该部分内容是航空器推出控制的基础和前提，也是本项目研究的关键内容之一，通过航空器地面滑行时间的精确预测，可通过推出频率控制保证航空器地面等待队长的稳定性。.（3）基于稳态队长的航空器推出控制方法 通过飞行区各路口节点队列长度的演化规律，研究航空器推出频率，从而保证在预定稳态队长界区间范围内，力求航空器地面等待时间最短。.（4）基于博弈论的航空器推出时隙分配算法研究 从公平和效率两个方面，研究面向多航空公司的航空器推出时隙分配调度策略。.通过以上研究，得出了以下研究结论和结果：.（1）基于Multi-Agent思想和元胞自动机理论，构建了航空器地面运行微观模型，以航空器地面滑行速度为随机变量，可实现航空器地面滑行时间界区间估计.（2）兼顾公平和效率两方面，以航空器计划起飞时刻为基础，以航空器地面滑行时间估计值为依据，基于博弈论基本思想，设计了航空器推出时隙分配调度策略.（3）基于Lyapunov-drift思想，以节点排队队长为参量，提出了航空器地面运行状态路径生成及性能评价算法，为飞行区运行状态评估提供了可行的思路.（4）设计了基于航空器地面滑行时间和节点状态的航空器推出最优控制策略，既保证了机场的通行效率，也能够使航空器地面开车等待时间最短，从而提高航空器运行效率、减少燃油消耗和成本。.本项目通过推出时隙控制，在保证机场通行效率的前提下，最大程度将飞机在滑行道和跑道队列的开车等待时间转化为停机位停车等待时间，最大程度减少飞机地面油耗。同时通过控制机场地面飞机数量，缓解机场地面交通拥挤状况，提高飞机地面运行效率，为未来机场的高效、经济、绿色运行和管