危险天气区域下的航班改航路径规划

韩斌

摘要：危险天气区域严重影响航班的飞行，随着经济快速发展，航班增多，对于航班被动的地面等待，严重阻碍了经济的发展，为解决空中交通流量管理中恶劣天气或流量受限下的航班改航问题，本文将探讨危险天气区域下的航班改航路径规划。

关键词：危险天气区域；航班改航；路径规划

一、引言

危险天气区域下，导致飞行事故症候的事件比较频繁。在飞机巡航期间，由于受大范围天气系统的影响，雷雨，冰雹，龙卷风、闪电等，如果飞机在航路上遇到大面积雷雨区时，一般就会飞机返航、备降。而通常雷暴是在云层中，有的时候即使不下雨，但是云层中依然会有雷暴。雷暴区域附近产生的下击暴流和风切变，会直接造成起降飞机失控。风切变即是在短距离内风向、风速发生明显突变的状况。强烈的风切变瞬间可以使飞机过早地或者被迫复飞。在一定程度下就可以导致飞机失速和难以操纵的危险，造成飞行事故。机组由于对雷暴的认识不清，签派员在遇到雷雨天气条件下航班的放行时，往往主对天气的了解和掌握也主要集中在机场终端区雷雨天气的研究。航路雷雨天气下的放行成为一个难点，对其发展趋势不明白，没有事先做好充分的绕飞计划，以及绕飞油量没有带够等因素而导致返航备降。在航路上飞机飞行高度都比较的高，而空域范围较广，并且受到的地形限制非常小，解决的办法可以让飞机进行绕飞或改变在云上飞行飞行高度等措施来避开雷暴等危险天气的影响。本文将探讨的就是危险天气区域下的航班改航路径规划。

二、人工势场法路径规划

人工势场模型人工势场法由Khatib 1986年提出的一种虚拟力法，起初只是为了解决机械手臂在移动抓取物体的时候，能够不碰到工作台。他的基本思想是把机器人在周围环境中的运动，设计成一种抽象的人造引力场中的运动，目标点对移动机器人产生“引力”，障碍物对移动机器人产生“斥力”，最后通过求合力来控制移动机器人的运动。后来该方法在移动机器人上应用也有很好的效果，能产生出非常平滑的运行轨迹。人工势场法的基本思想是在环境中建立目标位置引力场和受限区周围斥力场共同作用的人工势场，搜索势函数的下降方向来寻找无碰撞路径。引力和斥力的合力作为移动物体加速力来控制移动物体的运动方向和计算移动物体的位置。该方法结构简单，在实时避障和平滑控制轨迹方面得到了广泛的运用。在采用传统人工势场路径规划模型进行航空器改航路径规划时，在狭窄区域容易发生振荡现象，导致航空器左右来回运动，造成了规划的不稳定。人工鱼群算法人工鱼群算法是一种群智能多点并行搜索优化算法。该算法的主要特点是不需要了解问题的特殊信息，只需要对问题进行优劣的比较，有着较快的收敛速度，具有克服局部极值获得全局极值的能力。王飞等将该算法应用于飞机着落排序问题和地面等待策略问题，取得了较好的应用效果。通过构造单个人工鱼来控制人工势场函数的参数，调用改进人工势场模型进行改航路径规划，生成多条改航路径，利用适应度函数对生成的改航路径进行评估，通过算法的觅食、聚群、追尾等行为的选择，选出适应度好的人工鱼参与下一组鱼群的进一步计算，通过随机行为可以在新的空间进行新一轮的搜索，最终生成最优的改航路径。

如事例1、某航班执行成都—西宁航线，由于西宁机场雷雨天气备降兰州。飞机在兰州落地之后，西宁天气好转，雷暴向东移出本场，往兰州机场方向移动，正好在兰州到西宁的航路上，且范围较广。考虑到兰州到西宁的航线距离较近，不到150公里，且该航路标高较高，地形较复杂，飞机起飞后绕飞困难等因素，通过对天气演变趋势的详细研究，制定详细的绕飞计划和带够足够的绕飞油量后，再次放行飞往西宁。

事例2、某航班执行成都—张家界航线，在飞机进入长沙管制区后，由于航路上有大面积雷暴区，使得飞机绕飞比较困难，而且机载油量有限，备降重庆。最终由于该天气系统往张家界机场方向发展，时间较长，且考虑到该机场是特殊机场，取消该航班。

事例3飞行受限区域昆明到贵阳航线所经航路点为： 昆明（ KMG） - 过马河（SL）- P72- 贵阳（KWE）； 通过 Mercator投影建立经纬度与X - Y 轴的投影关系，则KMG、SL、P72、和 KWE在该平面直角坐标系中坐标分别为 （ - 124. 8 220，64. 2 764）、（ - 118. 6 788，68. 3 736）、（ - 103. 9 652，71. 6 366） 和（ - 82. 2 684，76. 8 524）。根据天气预报生成飞行受限区域，图 1 中阴影部分为雷暴云团 A、B、C。假设雷暴云团 A向东北方向以 40 km /h的速度匀速漂移，云团的形状、面积和强度保持不变；云团 B绕云团几何中心旋转，云团 C处于扩张阶段。

图 1 飞行受限区域

优化后的改航路径利用人工势场- 人工鱼群算法，得到优化的改航路径。

如图 2、图 3所示。

图 2 优化的改航路径

图 3 路径规划中的航线角度

改航路径的修正通过对转弯角度较大的改航路径点的判断，来确定分段点，从而将初始的改航路径分成 7段进行线性拟合，并计算出拟合后 7段航线的交点，将交点顺次连接，生成拟合的改航路径。

图 4 分段拟合后生成的改航路径

如图 4中实线所示。由于在第 6航段不满足与受限区的最小距离的约束，所以需要进一步修正。具体如下： 将图 4中的航段 1、2、3，截弯取直，合并为如图 5中的第 1航段，原航段 4改为第 2航段，将原航段 5、6合并为第 3航段，原航段 7变为第 4航段，如图 5所示。经验证修正后的改航路径，满足约束条件，这样就得到最终的改航路径。

参考文献

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[2] 张静，徐肖豪，王飞. 天气影响的机场容量概率分布[J]. 南京航空航天大学学报. 2011（01）

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