[论文解读] Real-time optimal delay minimization algorithms for aircraft on a same runway and dual runways

Peng Lin, Haopeng Yang|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2026

Air Traffic Management and Optimization被引用 0

一句话总结

本论文提出实时最优算法，用于在单跑道和双跑道情形下最小化总延误，与基于整数规划（MIP）的方法相比在速度上有优势，同时在规定条件下保持最优性。

ABSTRACT

In this paper, scheduling problems of aircraft minimizing the total delays on a same runway and on dual runways are studied. In contrast to the algorithms based on mixed-integer optimization models in existing works, where the optimality and the real-time performance are usually unable to be dealt with at the same time, our work focuses on the interaction mechanism between aircraft coupling with delays and two real-time optimal algorithms are proposed for the four scheduling problems by fully exploiting the combinations of different classes of aircraft based on parallel computing technology. When $100$ aircraft on dual runways is considered, by using the algorithm in this paper, the optimal solution can be obtained within less than $10$ seconds, while by using the CPLEX software to solve the mix-integer optimization model, the optimal solution cannot be obtained within $1$ hour.

研究动机与目标

• 为单跑道和双跑道的实时、最优重新调度飞机以最小化总延迟的需求提供动机。
• 开发两种利用飞机类别交互和并行计算的实时最优算法。
• 证明在规定假设和时间窗口内，所提出的算法可实现最优或近似最优的延迟最小化。
• 解决现有基于 MIP 的方法在实现最优性与实时性能方面的局限性。

提出的方法

• 将延迟最小化表述为在时间窗和间隔约束下的总延迟最小化优化问题。
• 定义基于类别的分离时间和相邻飞机之间的相关性以指导排序决策。
• 基于并行计算和前期工作中的理论结果，开发两种实时最优算法以高效求解该问题。
• 提供理论结果（定理）以在特定条件下证明序列操作与最优性保持的合理性。
• 将框架扩展到单跑道混合着陆/起飞序列以及在具有特定间距约束的双跑道情形。
• 通过双跑道情景展示计算性能，在子分钟内得到最优解，而 MIP 使用 CPLEX 需要数小时。

实验结果

研究问题

• RQ1 实时算法是否能够在单跑道和双跑道情形下产生最优序列与时序以实现总延迟最小化？
• RQ2 飞机类别和相关性约束在时间窗与最小间隔要求下如何影响最优排序？
• RQ3 在序列中插入或移动飞机时，有哪些理论保证（定理）支持最优性保持？
• RQ4 所提出的算法在实时性能和最优性证据方面与基于 MIP 的方法相比有何差异？

主要发现

• 对于双跑道的100架飞机，在所提出的算法下最优解可在不到 10 秒内获得。
• 使用 CPLEX 求解 MIP 模型在同一情景下一个小时内并未得到最优解。
• 该框架将 RECAT 风格的分类扩展到超过 3 个类别，从而实现更细粒度的分离逻辑。
• 理论结果（定理）提供何时在移动或插入飞机时能保持或提升最优性的指导。
• 算法利用并行计算高效处理不同类别和转场，同时在所述假设下保持最优性。