摘要：民航业是综合交通运输体系重要的组成部分，也是经济增长的重要驱动力量。目前民航在中长距离旅客运输和高附加值货物运输中显现出其优势和巨大的发展潜力。在如此高密度，高速度的发现环境下，广大人民群众对于航线飞行安全和航班准时的要求极为迫切。影响航线飞行安全和导致航班延误的首要原因正是航空危险天气，其主要为雷暴、飑线、龙卷风和风切变等中小尺度天气系统。当某空域或航路受危险天气影响而无法正常使用时，实施航路绕飞可有效解决这一问题，即安排航班临时选择一条不受影响的航线绕过飞行受限区域。航路绕飞通过对空域资源的有效利用，既保障了航空运输安全又实现了“以空间换时间”这一理念，提高了航空运输效率，正逐步成为空中交通管理领域新的研究热点。
关键词：恶劣天气；环境模型；绕飞模型；改航点
一、引言
民航业是综合交通运输体系重要的组成部分，也是经济增长的重要驱动力量。中国改革开放以来，民航业取得了长足的发展，尤其是“十一五”期间，民航运输总周转量年均增长15.6%，旅客周转量在综合交通运输体系中的比重提升2.7个百分点，增长速度远高于其他交通运输方式。目前民航在中长距离旅客运输和高附加值货物运输中显现出其优势和巨大的发展潜力。在如此高密度，高速度的发现环境下，广大人民群众对于航线飞行安全和航班准时的要求极为迫切。
影响航线飞行安全和导致航班延误的首要原因正是航空危险天气，其主要为雷暴、飑线、龙卷风和风切变等中小尺度天气系统。当某空域或航路受危险天气影响而无法正常使用时，实施航路绕飞可有效解决这一问题，即安排航班临时选择一条不受影响的航线绕过飞行受限区域。航路绕飞通过对空域资源的有效利用，既保障了航空运输安全又实现了“以空间换时间”这一理念，提高了航空运输效率，正逐步成为空中交通管理领域新的研究热点。
改航飞行是指在某些空域或航路受特殊情况影响而无法正常使用的情况下（如恶劣天气、导航设备失效、航线容量饱和等），安排航空器临时选择一条不受影响的航线绕过飞行受限区域的飞行。实施改航飞行可有效地解决日益严重的航班延误问题，提高空域的利用率。对航路绕飞的研究最早开始于1993年，具有代表性的算法主要有：①基于多边形航线搜索算法的模型。②基于人工势场路径规划的模型。③基于网格的改航模型。
本文主要结合已有的几个典型航路绕飞算法，结合我国特有的天气情况，考虑不同机型的延误成本及对后续航班的影响，空中交通管制程序和航空器飞行性能对改航路径的约束分析等信息，比较计算得出相应算法的优劣。同时对复杂天气情况下的空中交通管制，从航空气象、人员技术等多个方面提出一些建议和自己的看法。
二、各种航路改航模型
改航飞行是指在某些空域或航路受特殊情况影响而无法正常使用的情况下（如恶劣天气、导航设备失效、航线容量饱和等），安排航空器临时选择一条不受影响的航线绕过飞行受限区域的飞行。实施改航飞行可有效地解决日益严重的航班延误问题，提高空域的利用率。对航路绕飞的研究最早开始于1993年，具有代表性的模型主要有：①基于多边形航线搜索算法的模型。②基于人工势场路径规划的模型。③基于动态网络算法的模型。下面将举例介绍各种航路改航算法模型。
2.1基于多边形的航线搜索算法
基于多边形航线搜索算法的模型借鉴机器人避障领域相关算法的基础上，考虑了空中交通管制程序和航空器飞行性能对改航路径的约束，提出了基于几何算法的改航路径规划方法。
2.2基于人工势场算法的模型
基于人工势场算法的模型借鉴在机器人路径规划中普遍采用的人工势场算法，考虑了航线结构和空中交通管制程序以及航空器飞行性能对改航路径的约束，建立了基于人工势场算法的动态改航路径规划模型，通过构建目标引力场、受限区斥力场，实现改航路径的快速实时规划。
2.3基于网格的改航模型
在国内外现有的改航路径算法中，对散点状分布危险天气区域改航路径规划的研究目前还很少，采取的方法主要是将各危险天气区域边界点连接，然后等同于块状危险天气区域进行改航路径规划，其不足之处在于无法在零星分布的危险天气区域之间规划改航路径，空域资源浪费严重。本文根据散点状分布危险天气区域的特点，建立了基于网格的改航环境模型，然后以改航航段的航段距离、平均偏离距离和转弯点个数为目标，运用非支配排序遗传算法（NSGA2II）对改航路径进行规划。
三、改航模型對比分析
3.1各种算法的优缺点
（1）基于多边形的航线搜索算法
基于多边形的改航路径规划法以影响飞行区域的多边形边界为研究对象，运用几何方法规划改航飞行路径，该方法由Sridhar、Chatterji和Grabbe等人于2002年提出。2007年，我国学者叶志坚应用该方法对静态雷雨天气的改航路径进行了研究，并分析了动态雷雨对航班飞行时间的影响。
a.优点
该算法是全局规划的方法，根据飞行改航区各个顶点的位置，规划出的改航路径可满足绝大多数情况下的改航需求。算法的时间复杂度为改航区顶点的线性阶，能满足实时性的要求。其优点在于简单易行，运用最简单的几何模型，进行相应的航路规划。规划的改航路径转弯点数量相对较少，符合实际飞行习惯，同时也是目前通常采用的改航方法。
b.缺点
其不足之处在于仅适用于解决较大尺度或单个飞行危险天气区域下的改航问题，对于空中交通管理程序、飞行器性能和飞行员工作负荷等相关限制因素考虑不足。同时该算法在确定之时，是通过min（dr、dj）确定的。这可能导致极端状况的出现。致使偏航距离过大，空域浪费。
（2）传统人工势场路径规划模型算法
人工势场算法应用于航空器改航路径的规划，结合航空器运动特点对传统势场路径规划模型进行了改进，从实际可操作性出发，针对转弯角度、航段距离和改航点数量等约束条件，提出改航路径的分段线性拟合与调整的修正方法。
a.优点
该模型通过实时分析航空器与动态云团以及目标点的相对位置，计算航空器所受合力，自动生成改航路径，方法简便，计算实时迅速，且生成的改航路径比采用沿扩展受限区边界绕飞的改航路径要短。
b.缺点
由于人工势场算法为局部最优规划方法，生成的路径不一定为全局最优值，且当引力与斥力大小相等方向相反时，存在局部极小值点。如何有效消除局部极小值点，并使规划的路径为全局最优解，这点还未能解决。同时，该方法前期工作量较大，需要对危害天气进行数学建模，生成相应要求的数据资料，才可以进行路径规划。
（3）基于网格的改航模型
根据散点状分布危险天气区域的特点，建立了基于网格的改航环境模型，然后以改航航段的航段距离、平均偏离距离和转弯点个数为目标，运用非支配排序遗传算法（NSGA-II）对改航路径进行规划。
a.优点
网格方法建立改航环境模型，便于数学描述，同时简单可行，为实施多目标遗传算法提供了编码基础。应用NSGA2II算法求解改航路径，其优点在于：使用非劣排序法确定个体适应度，消除了不可公度目标之间难以比较的问题；不需要引入权重系数或约束转化等步骤，直接可以得出近似的非劣解集；算法无需人工干预，简化了多目标问题求解的复杂度。
b.缺点
对于网格化的模型，网格变长单位过大，容易造成误差过大的现象，致使空域浪费。对于该行进行编码，不可能做到每个角度都进行编码，一般就是-45°，0°和45°三个角度。故不够灵活，也容易出现空域浪费的情况。
3.2各种算法比较及互补
（1）基于多边形的航线搜索算法与传统人工势场路径规划模型算法
a.比较
基于多边形的航线搜索算法相对于传统人工势场路径规划模型算法，它更偏重于手工计算，更加简单，应用基础几何图形知识，在实际管制岗位上可以迅速的被应用进实际工作中。但是相对于人工势场路径规划模型算法来说，他又具有不确定性，不够准确，一般无法通过电脑快速对话路径。
传统人工势场路径规划模型算法偏重于电脑编程计算，在气象条件已经转化为数字信息的基础上，它可以快速规划处出合理的路径。但是前期气象转化是一个需要攻克的难题！
b.互补
首先通过基于多边形的航线搜索算法模型进行初步路径规划。然后检查全图，在局部地区（航路偏离过大的地方）通过人工势场路径规划模型算法进行二次加工，减少航路偏移量和偏航距离。
（2）基于多边形的航线搜索算法与基于网格的改航模型
b.比较
基于多边形的航线搜索算法与基于网格的改航模型相对比更加偏重于单个危害天气的避让，同时对于基于多边形的航线搜索算法来说更加偏重于实际工作岗位中应急处理改航问题，简单易于操作，没有复杂的编程。而对于基于网格的改航模型则是应用于多个点状危害天气的应对。它简化了天气环境模型的算法，通过网格进行梳理。最终达到简化算法的目的。
（2）互补
通过对同一地区多年危害天气的连续观察，长时间使用基于多边形的航线搜索算法对改航数据库的数据进行丰富。以得出形影的最多的改航角度，而不是以上算法所使用-45°，0°和45°三个平均度数。在数据库丰富以后再对于相应天气进行编程，得出相对比较贴切本地区实际情况的基于网格的改航模型。
（3）传统人工势场路径规划模型算法与基于网格的改航模型
a.比较
传统人工势场路径规划模型算法与基于网格的改航模型相比较更加节省空域，对于特殊的危害天气有良好的适应性。但是，在前期天气模型构建方面非常复杂，工作量特别大。基于网格的改航模型相对而言有更广泛的使用范围。在不考虑经济适用性等方面的问题时，基于网格的改航模型是比较适合的。
b.互补
对于传统人工势场路径规划模型算法，需要借鉴基于网格的改航模型的前期危害天气模型构建方面的应用，通过网格模型构建天气环境。利用传统人工势场路径规划模型算法中步进的原理，摒弃借鉴基于网格的改航模型中单一选择改航角度的方法，两者相互结合，编写相应路径规划计算机模型。
纵观现有改航模型问题的研究，主要存在以下几方面不足：
1）未能根据危害天气的类型及其相应分布特点提出具有针对性的改航路径规划方法，现有的改航路径规划方法解决改航问题均以点带面，没有针对性的方法；
2）在规划航班改航飞行路径时，通常以最短航程和转弯点最少为目标，未考虑其他因素对于改航路径优劣的影响；
3）没有建立评估航班改航飞行路径优劣的方法，缺乏统一的评价指标；
4）改航路径规划未能与空中交通流量模型有机结合，缺少对改航航班起飞时刻和着陆时刻的规划。
因此，未来航班改航领域的研究重点可从以下4个方面考虑：
1）在改航路径规划中考慮多目标优化模型，如较短航程、较少转弯点、穿越较少的相邻管制区等；
2）充分考虑空中交通管理、航空器飞行性能以及飞行程序设计等因素对于改航路径的约束，力求使规划的改航路径切实可行；
3）建立考虑改航、地面等待和空中等待的综合空中交通流量管理模型，将改航航班的改航路径与起飞、着陆时刻统一规划，联合求解；
4）从对一条航线的改航路径规划扩展到对航线网络的改航路径规划，即对多航班、多航线、多个航路点对间的改航路径规划展开深入研究。
推荐访问： 航路 恶劣 模型 天气 研究
