CN102568249A - 一种基于动态空域容量的飞行流量告警方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态空域容量的飞行流量告警方法及其系统。通过对需要进行流量监控的多个空域数据进行采集与处理，建立空域容量模型，对空域容量各因素影响系数进行标准化处理，结合熵值法和初始参考值计算空域容量各影响因素实际权重，确定空域容量，实时统计空域内飞行流量，每隔一个时间周期动态更新空域容量，比较空域容量和空域内飞行流量大小，如果满足条件则产生告警。本发明基于客观数据分析，综合考虑了多种因素对空域容量的影响，在使用中动态更新空域容量，能够增强流量告警的科学性和合理性，提高流量告警的准确性，方法流程简单，便于操作。

Description

一种基于动态空域容量的飞行流量告警方法及其系统

技术领域

本发明属于空中交通管制领域，具体涉及空域管理系统和空中交通流量管理系统中的飞行流量告警的方法，即一种基于动态空域容量的飞行流量告警方法及其系统。

背景技术

随着飞行需求的快速增长，空中交通拥挤现象日益严重，合理利用空域资源，进行空中交通流量管理是行之有效的解决方法。空域容量是飞行流量告警的标准，科学客观地确定空域容量是进行飞行流量告警的基础和前提，其准确性直接影响到流量监控实施的效果。

确定空域容量主要有使用仿真模型、使用管制员工作负荷和使用数学计算模型三种方法，使用仿真模型确定空域容量时仿真模型构造复杂，资金投入较大，周期较长；使用管制员工作负荷确定空域容量时管制员的个体差异对结果的准确性影响较大；使用数学计算模型确定空域容量时仅按照空域结构确定空域容量，没有考虑其他影响因素。

上述三种方法都是在理想环境条件下考虑静态因素对空域的影响确定空域容量的方法，没有考虑空域使用过程中动态因素(如气象条件)对空域容量影响，目前的飞行流量告警方法主要根据静态空域容量判定空域流量是否需要告警，不能够根据空域使用环境的变化动态更新飞行流量告警标准，使用不够灵活，准确性有待提高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有飞行流量告警方法的不足，综合考虑各种静态因素和动态因素对空域容量的影响，提供一种基于动态空域容量的飞行流量告警方法及其系统，本发明能够更全面地考虑各种因素，在流量监控中动态确定空域容量，以动态空域容量为标准进行飞行流量告警。

本发明提供的一种基于动态空域容量的飞行流量告警方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

第1步获取需要进行飞行流量监控的空域数据，数据包括各空域内可用航线数量、纵向安全间隔、主流机型所占比率、气象条件值、主用航线飞行平均速度以及主用航线利用率；

第2步建立空域容量模型，确定空域容量与空域容量影响因子、主用航线飞行平均速度、纵向安全间隔以及主用航线利用率之间的关系；

第3步将空域容量模型中的空域容量影响因子按照线性加权综合法构造综合决策函数，使用极差标准化方法计算各因素影响系数；

第4步确定空域容量影响因子各因素实际权重：首先采用熵值法，得出影响因子中各因素的计算权重，然后结合预先设定的初始参考权重计算实际权重；

第5步根据计算出来的空域容量影响因子各因素实际权重和各因素影响系数，计算空域容量影响因子；

第6步利用计算得到的空域容量影响因子和第1步获取的各空域内主用航线飞行平均速度、纵向安全间隔、主用航线利用率，根据第2步建立的空域容量模型确定空域容量；

第7步实时统计各空域内飞行流量，比较空域容量与空域内飞行流量的大小，进行飞行流量告警；

第8步每隔一个预先设定的时间周期，实时采集气象条件值，重复第3步至第7步，直至系统停止工作。

本发明提供的一种基于动态空域容量的飞行流量告警系统，其特征在于，该系统包括数据库、气象数据处理模块、空域容量确定模块、飞行情报处理模块、空域飞行流量统计模块和飞行流量告警模块；

数据库用于存储各空域内可用航线数量、纵向安全间隔、飞行的主流机型所占比率、主用航线飞行平均速度、主用航线利用率；

气象数据处理模块提供各空域内实时气象条件值；

空域容量确定模块利用数据库和气象数据处理模块中的数据计算确定空域容量；

飞行情报处理模块用于提供飞机进出各空域的通报；

空域飞行流量统计模块从飞行情报处理模块实时获取飞机进出空域通报，统计飞行流量信息；

飞行流量告警模块从空域容量确定模块获取空域容量，从空域飞行流量统计模块获取空域流量，通过比较进行告警。

本发明有以下有益效果：

(1)本发明的飞行流量告警方法基于客观数据分析，综合考虑了多种因素对空域容量的影响，能够增强流量告警的科学性和合理性。

(2)本发明的飞行流量告警方法能够获取动态空域容量，根据环境变化动态改变告警标准，能够提高流量告警的准确性。

(3)本发明的飞行流量告警方法流程简单，便于操作，结果比较客观准确。

附图说明

图1是本发明基于动态空域容量的飞行流量告警方法流程示意图；

图2是本发明空域飞行流量统计与告警方法流程示意图；

图3是本发明基于动态空域容量的飞行流量告警系统结构示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的方案，以下对本发明的实施方式作进一步描述：

如图1所示，说明了本发明的方法流程图，具体步骤如下：

第一步：空域数据采集与处理

设有n个需要进行流量监控的空域，N＝{1，2，...，n}表示空域组成的集合，需要获取的空域数据如下：

(1)各空域内可用航线数量R_i，i∈N(最大值为R_max＝max{R_i}，i∈N，最小值为R_min＝min{R_i}，i∈N)；

(2)各空域内纵向安全间隔S_i，i∈N(最大值为S_max＝max{S_i}，i∈N，最小值为S_min＝min{S_i}，i∈N)；

(3)各空域内飞行的主流机型所占比率M_i，i∈N(最大值为M_max＝max{M_i}，i∈N，最小值为M_min＝min{M_i}，i∈N)；

(4)各空域内气象条件值W_i，i∈N，例如可作如下设置：I类气象条件值0.9，II类气象条件值0.6，III类气象条件值0.3，最大值为W_max＝0.9，最小值为W_min＝0.3)；

(5)上述四项数据对空域容量的影响，即权重a_j(j＝1，2，3，4)，如初始参考权重可设置为{0.2，0.3，0.1，0.4}；

(6)各空域内主用航线飞行平均速度v_i；

(7)各空域内主用航线利用率r_i。

第二步：建立空域容量模型

对于空域i(i∈N)建立空域容量模型表示如下：

$C_i=w_i\frac{v_i}{S_i{r}_i}---(2-1)$

式中，C_i表示空域i的容量，w_i表示空域i的容量影响因子，v_i表示各空域内主用航线飞行平均速度，S_i表示各空域内纵向安全间隔，r_i表示各空域内主用航线利用率。

第三步：对容量影响因子各因素影响系数进行标准化处理

将空域i的容量影响因子w_i按照线性加权综合法构造综合决策函数，使用极差标准化方法对各因素影响系数进行处理，方法如下：

w_i＝c₁w_i1+c₂w_i2+c₃w_i3+c₄w_i4，c₁+c₂+c₃+c₄＝1           (3-1)

式(3-1)中c_j(j＝1，2，3，4)表示空域容量影响因子w_i的各因素实际权重，各因素影响系数w_ij(j＝1，2，3，4)定义如下：

$w_{i1}=\frac{R_i-R_{\min }}{R_{\max }-R_{\min }},w_{i1}\∈\left[\mathrm{0,1}\right]---(3-2)$

$w_{i2}=\frac{S_{\max }-S_i}{S_{\max }-S_{\min }},w_{i2}\∈\left[\mathrm{0,1}\right]---(3-3)$

$w_{i3}=\frac{M_i-M_{\min }}{M_{\max }-M_{\min }},w_{i3}\∈\left[\mathrm{0,1}\right]---(3-4)$

$w_{i4}=\frac{W_i-W_{\min }}{W_{\max }-W_{\min }},w_{i4}\∈\left[\mathrm{0,1}\right]---(3-5)$

各因素影响系数w_ij的计算中，如果R_max＝R_min，则w_i1＝0，如果S_max＝S_min，则w_i2＝0，如果M_max＝M_min，则w_i3＝0，如果W_max＝W_min，则w_i4＝0。

第四步：基于熵值法确定各因素权重

在确定各因素权重的方法时，每个空域四个因素特征值向量表示为W_i＝{w_i1，w_i2，w_i3，w_i4}(1≤i≤n)，w_ij(1≤i≤n，j＝1，2，3，4)为经过极差标准化后的第i个空域中第j个因素的影响系数，利用特征值向量W_i通过熵值法得出第j个因素计算权重b_j，结合初始参考值a_j(a₁＝0.2，a₂＝0.3，a₃＝0.1，a₄＝0.4)得出实际权重为

$c_j=\frac{b_j{\left(a_j\right)}^2}{\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{b}_j{\left(a_j\right)}^2}---(4-1)$

c_j表示空域容量影响因子w_i的各因素实际权重，c_j的大小表示在确定空域容量时不同因素的影响程度。

第五步：计算空域容量影响因子w_i

将第四步计算出来的空域容量影响因子中各因素实际权重c₁、c₂、c₃、c₄以及式(3-2)、(3-3)、(3-4)、(3-5)计算出来的各因素影响系数w_i1、w_i2、w_i3、w_i4代入(3-1)，即可计算出空域容量影响因子w_i。

第六步：动态确定空域容量

将空域i的容量影响因子w_i和第一步中的初始值v_i、r_i、S_i代入空域容量模型

即可确定空域i的容量。

第七步：实时统计空域飞行流量，进行空域飞行流量监视告警

实时获取每个空域内的飞行流量，获取方法如图2所示，设空域i初始飞行流量F_i＝0，收到飞机进入空域i的通报，则对应的空域i飞行流量加1，F_i＝F_i+1，收到飞机退出空域i的通报，则对应的空域i飞行流量减1，F_i＝F_i-1。

监视每个空域的状态，如图2所示，获取空域i的容量C_i，比较空域i的容量C_i与此刻的飞行流量F_i，如果F_i＞＝C_i，则产生告警信息。

第八步：每隔一个预先设定的时间周期，实时采集第一步中的气象条件值，重复第三步至第七步，直至系统停止工作。时间周期由用户根据要求设定，如15分钟。

如图3所示，本发明系统包括数据库、气象数据处理模块、空域容量确定模块、飞行情报处理模块、空域飞行流量统计模块和飞行流量告警模块。

数据库用于存储各空域内可用航线数量、纵向安全间隔、飞行的主流机型所占比率、主用航线飞行平均速度、主用航线利用率。

气象数据处理模块提供各空域内实时气象条件值。

空域容量确定模块利用数据库和气象数据处理模块中的数据计算确定空域容量。

飞行情报处理模块用于提供飞机进出各空域的通报。

空域飞行流量统计模块从飞行情报处理模块实时获取飞机进出空域通报，统计飞行流量信息。

飞行流量告警模块从空域容量确定模块获取空域容量，从空域飞行流量统计模块获取空域流量，通过比较进行告警。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种基于动态空域容量的飞行流量告警方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

第1步获取需要进行飞行流量监控的空域数据，数据包括各空域内可用航线数量、纵向安全间隔、主流机型所占比率、气象条件值、主用航线飞行平均速度以及主用航线利用率；

第2步建立空域容量模型，确定空域容量与空域容量影响因子、主用航线飞行平均速度、纵向安全间隔以及主用航线利用率之间的关系；

第3步将空域容量模型中的空域容量影响因子按照线性加权综合法构造综合决策函数，使用极差标准化方法计算各因素影响系数；

第4步确定空域容量影响因子各因素实际权重：首先采用熵值法，得出影响因子中各因素的计算权重，然后结合预先设定的初始参考权重计算实际权重；

第5步根据计算出来的空域容量影响因子各因素实际权重和各因素影响系数，计算空域容量影响因子；

第6步利用计算得到的空域容量影响因子和第1步获取的各空域内主用航线飞行平均速度、纵向安全间隔、主用航线利用率，根据第2步建立的空域容量模型确定空域容量；

第7步实时统计各空域内飞行流量，比较空域容量与空域内飞行流量的大小，进行飞行流量告警；

第8步每隔一个预先设定的时间周期，实时采集第1步中的气象条件值，重复第3步至第7步，直至系统停止工作。

2.根据权利要求1所述的基于动态空域容量的飞行流量告警方法，其特征在于，第1步具体包括下述过程：

设有n个需要进行流量监控的空域，N＝{1，2，...，n}表示空域组成的集合，需要获取的空域数据如下：

各空域内可用航线数量R_i，i∈N，最大值为R_max＝max{R_i}，i∈N，最小值为R_min＝min{R_i}，i∈N；

各空域内纵向安全间隔S_i，i∈N，最大值为S_max＝max{S_i}，i∈N，最小值为S_min＝min{S_i}，i∈N；

各空域内飞行的主流机型所占比率，M_i，i∈N，最大值为M_max＝max{M_i}，i∈N，最小值为M_min＝min{M_i}，i∈N；

各空域内气象条件值W_i，i∈N；

上述四项数据对空域容量的影响，即权重a_j，j＝1，2，3，4；

各空域内主用航线飞行平均速度v_i；

各空域内主用航线利用率r_i。

3.根据权利要求2所述的基于动态空域容量的飞行流量告警方法，其特征在于，第2步中，

对于空域i建立空域容量模型如式I：

$C_i=w_i\frac{v_i}{S_i{r}_i}$ 式I

式中，C_i表示空域i的容量，w_i表示空域i的容量影响因子，v_i表示各空域内主用航线飞行平均速度，S_i表示各空域内纵向安全间隔，r_i表示各空域内主用航线利用率。

4.根据权利要求3所述的基于动态空域容量的飞行流量告警方法，其特征在于，第3步中，综合决策函数为式II：

w_i＝c₁w_i1+c₂w_i2+c₃w_i3+c₄w_i4，c₁+c₂+c₃+c₄＝1        式II

式中c_j，j＝1，2，3，4，表示空域容量影响因子w_i的各因素实际权重，

极差标准化方法按照式III确定各因素影响系数w_ij，j＝1，2，3，4：

$w_{i1}=\frac{R_i-R_{\min }}{R_{\max }-R_{\min }},w_{i1}\∈\left[\mathrm{0,1}\right]$

$w_{i2}=\frac{S_{\max }-S_i}{S_{\max }-S_{\min }},w_{i2}\∈\left[\mathrm{0,1}\right]$ 式III

$w_{i3}=\frac{M_i-M_{\min }}{M_{\max }-M_{\min }},w_{i3}\∈\left[\mathrm{0,1}\right]$

$w_{i4}=\frac{W_i-W_{\min }}{W_{\max }-W_{\min }},w_{i4}\∈\left[\mathrm{0,1}\right]$

各因素影响系数w_ij的计算中，如果R_max＝R_min，则w_i1＝0，如果S_max＝S_min，则w_i2＝0，如果M_max＝M_min，则w_i3＝0，如果W_max＝W_min，则w_i4＝0。

5.根据权利要求4所述的基于动态空域容量的飞行流量告警方法，其特征在于，第4步中具体包括下述过程：

每个空域四个因素特征值向量表示为W_i＝{w_i1，w_i2，w_i3，w_i4}，w_ij为经过极差标准化后的第i个空域中第j个因素的影响系数，利用特征值向量W_i通过熵值法得出第j个因素计算权重b_j，结合初始参考值a_j得出实际权重为式IV：

$c_j=\frac{b_j{\left(a_j\right)}^2}{\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{b}_j{\left(a_j\right)}^2}$ 式IV

c_j表示空域容量影响因子w_i的各因素实际权重，c_j的大小表示在确定空域容量时不同因素的影响程度。

6.根据权利要求5所述的基于动态空域容量的飞行流量告警方法，其特征在于，第5步中，将式IV计算出来的空域容量影响因子中各因素实际权重c₁、c₂、c₃、c₄，以及式III计算出来的各因素影响系数w_i1、w_i2、w_i3、w_i4代入式II，计算出空域i的容量影响因子w_i。

7.根据权利要求6所述的基于动态空域容量的飞行流量告警方法，其特征在于，第6步中，将空域i的容量影响因子w_i和第1步中的初始值v_i、r_i、S_i代入空域容量模型

确定空域i的容量。

8.根据权利要求7所述的基于动态空域容量的飞行流量告警方法，其特征在于，第7步包括下述具体过程：

实时获取每个空域内的飞行流量，设空域i初始飞行流量F_i＝0，收到飞机进入空域i的通报，则对应的空域i飞行流量加1，F_i＝F_i+1，收到飞机退出空域i的通报，则对应的空域i飞行流量减1，F_i＝F_i-1；

监视每个空域的状态，获取空域i的容量C_i，比较空域i的容量C_i与此刻的飞行流量F_i，如果F_i＞＝C_i，则产生告警信息。

9.一种基于动态空域容量的飞行流量告警系统，其特征在于，该系统包括数据库、气象数据处理模块、空域容量确定模块、飞行情报处理模块、空域飞行流量统计模块和飞行流量告警模块；

数据库用于存储各空域内可用航线数量、纵向安全间隔、飞行的主流机型所占比率、主用航线飞行平均速度、主用航线利用率；

气象数据处理模块提供各空域内实时气象条件值；

空域容量确定模块利用数据库和气象数据处理模块中的数据计算确定空域容量；

飞行情报处理模块用于提供飞机进出各空域的通报；

空域飞行流量统计模块从飞行情报处理模块实时获取飞机进出空域通报，统计飞行流量信息；

飞行流量告警模块从空域容量确定模块获取空域容量，从空域飞行流量统计模块获取空域流量，通过比较进行告警。

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