CN105469647A - 一种航路时隙资源协同多目标优化分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航路时隙资源协同多目标优化分配方法，包括：构建航路时隙资源协同决策信息平台，获取流量受限空域内的计划航路及临时航路信息、计划航路下游空域单元的可用时隙信息、航班运行信息，制定协同航路时隙分配的算法，分别以全部航班总延误损失最小、以全部航班总转弯点数量最小、以平均旅客延误时间最小为目标建立满足有效性的目标函数和约束条件，建立协同航路时隙资源分配的多目标优化模型，通过求解模型得出非劣解集，形成航路时隙资源分配策略集，通过航路时隙资源协同决策信息平台，发布航路时隙资源分配策略。

Description

一种航路时隙资源协同多目标优化分配方法

技术领域

本发明属于空中交通管理领域，特别涉及一种可应用于空中交通流量管理、优化利用与配置空域资源的协同多目标分配实现方法。

背景技术

航路时隙资源分配一般引入协同决策机制，针对计划航路容量受限情况及可用空域，开辟数条临时航路以缓解计划航路的运行压力，根据航班延误成本、航路容量等条件，协同分配航路时隙资源，充分利用空域，优化安排航班。美国麦特公司开发了协同航路资源分配工具，飞行用户可提供多个可选航路，根据可用航路和飞行用户偏好等信息，以最高偏好为目标分配最佳航路，从而有效减轻天气等因素导致的航路拥挤影响。空域流量管理程序是美国联邦航空局采用的航路资源管理策略，根据流量限制区域的可用航路时隙资源和飞行需求，按照各相关方协同决策目标优化分配航路时隙。欧洲航行安全组织提出了空中交通流量和容量管理概念，通过结合地面等待和改航，协同分配空域容量，调配飞行流量。国内研究成果以理论研究为主，有学者综合利用地面等待、动态航路、条件航路等多种管理手段，引入动态航路、条件航路开放成本，建立了以最小运行成本为目标的数学模型；还有学者考虑了航路耦合容量，建立了整合改航策略和等待策略的协同多航路资源分配的0-1整数规划模型，充分利用了可用航路资源，降低了航班总延误成本。

现有研究一般以不同度量形式的延误损失最小为优化分配目标，延误损失主要体现了航路运行效率的高低，多相关方协同决策往往需要分配方法能够全面反映协同航路资源分配的功效性、公平性、有效性等方面，建立多优化目标，提供多种分配策略供决策者选择。目前尚缺少一种协同航路资源多目标分配的实现方法。

发明内容

发明目的：本发明要解决的技术问题是：按照协同决策的算法，建立协同航路时隙资源分配的多目标优化模型，根据空域容量和流量条件，合理分配计划航路或临时航路时隙资源，提供分配策略集，兼顾空管、航空公司、旅客等多相关方偏好或利益，有效缓解空域拥挤，保障空中交通顺畅。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种航路时隙资源协同多目标优化分配方法，包括如下步骤：

步骤1：构建航路时隙资源协同决策信息平台，获取包括容量、延误成本、转弯点数量在内的流量受限空域内的计划航路及临时航路信息，获取计划航路下游空域单元的可用时隙信息，获取包括航班计划、机型、载客数在内的航班运行信息；

步骤2：利用步骤1构建的协同决策信息平台，制定协同航路时隙分配的算法；

步骤3：根据步骤2制定的协同航路时隙分配的算法，以全部航班总延误损失最小为目标建立目标函数；

步骤4：根据步骤2制定的协同航路时隙分配的算法，以全部航班总转弯点数量最小为目标建立目标函数；

步骤5：根据步骤2制定的协同航路时隙分配的算法，以平均旅客延误时间最小为目标建立目标函数；

步骤6：根据步骤2制定的协同航路时隙分配的算法，建立满足有效性的约束条件；

步骤7：根据步骤3、步骤4、步骤5确定的目标函数及步骤6确定的约束条件，建立协同航路时隙资源分配的多目标优化模型；

步骤8：采用Lingo、Matlab等数学软件求解步骤7建立的多目标优化模型，得出非劣解集，形成航路时隙资源分配策略集；

步骤9：通过步骤1构建的航路时隙资源协同决策信息平台，发布航路时隙资源分配策略，进行多目标优化分配。

步骤3中以全部航班总延误损失最小为目标建立目标函数为：

$\min \underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}(c_s{x}_{ij}+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{c}_t^k{y}_{ij}^k)(t_j-{\mathrm{eta}}_i),$

其中，c_s(下标s代表计划“scheduled”，表示计划航路scheduledairroute)表示航班使用计划航路的单位时间延误成本，c_t ^k表示航班使用临时航路k的单位时间延误成本，1≤k≤K，K为临时航路的数量，t_j为时隙j的起始时刻，1≤j≤J，J为时隙总数，eta_i表示航班i的预计到达时刻，1≤i≤I，I为航班总数，x_ij、y_ij ^k为决策变量，表示为：

步骤4中以全部航班总转弯点数量最小为目标建立目标函数为：

$min\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}(r_s{x}_{ij}+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{r}_t^k{y}_{ij}^k),$

其中，r_s表示计划航路的转弯点数量，表示临时航路k的转弯点数量。

步骤5中以平均旅客延误时间最小为目标建立目标函数为：

$\min \frac{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i(t_j-{\mathrm{eta}}_i)(x_{ij}+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{ij}^k)}{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i},$

其中，n_i表示航班i的载客数。

步骤6中建立如下满足有效性的约束条件：

表示每个航班有且仅有一个时隙和一条航路；

表示每个时隙最多只能分配给一个航班；

t_j≥eta_i，表示航班实际到达时刻不能早于计划到达时刻；

表示当航班选择临时航路k时实际到达时刻不能早于预计到达时刻与该航路增加的飞行时间之和，Δ_k为选择临时航路k所增加的飞行时间；

表示计划航路流量不超过计划航路容量，Ca_s表示计划航路的容量；

表示临时航路流量不超过临时航路容量，表示临时航路k的容量。

有益效果：本发明具有如下有益效果：

1、为航路时隙资源的协同优化分配提供了一种实现方法；

2、为空管协同决策信息系统研发提供了技术基础；

3、为航路流量管理、空域与流量协同管理提供了技术依据。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为协同航路运行示意图。

图2为本发明的方法流程图。

图3为实施例的非劣解集。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作具体说明。应该指出，所描述的实施例仅是为了说明的目的，而不是对本发明范围的限制。

本发明公开了一种航路时隙资源协同多目标优化分配方法，包括如下步骤：

步骤1：构建航路时隙资源协同决策信息平台，获取包括容量、延误成本、转弯点数量在内的流量受限空域内的计划航路及临时航路信息，获取计划航路下游空域单元的可用时隙信息，获取包括航班计划、机型、载客数在内的航班运行信息；

步骤2：利用步骤1构建的协同决策信息平台，制定协同航路时隙分配的算法；

步骤3：根据步骤2制定的协同航路时隙分配的算法，以全部航班总延误损失最小为目标建立目标函数；

步骤4：根据步骤2制定的协同航路时隙分配的算法，以全部航班总转弯点数量最小为目标建立目标函数；

步骤5：根据步骤2制定的协同航路时隙分配的算法，以平均旅客延误时间最小为目标建立目标函数；

步骤6：根据步骤2制定的协同航路时隙分配的算法，建立满足有效性的约束条件；

步骤7：根据步骤3、步骤4、步骤5确定的目标函数及步骤6确定的约束条件，建立协同航路时隙资源分配的多目标优化模型；

步骤8：采用Lingo、Matlab等数学软件求解步骤7建立的多目标优化模型，得出非劣解集，形成航路时隙资源分配策略集；

步骤9：通过步骤1构建的航路时隙资源协同决策信息平台，发布航路时隙资源分配策略，进行多目标优化分配。

步骤3中以全部航班总延误损失最小为目标建立目标函数为：

$\min \underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}(c_s{x}_{ij}+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{c}_t^k{y}_{ij}^k)(t_j-{\mathrm{eta}}_i),$

其中，c_s(下标s代表计划“scheduled”，表示计划航路scheduledairroute)表示航班使用计划航路的单位时间延误成本，c_t ^k表示航班使用临时航路k的单位时间延误成本，1≤k≤K，K为临时航路的数量，t_j为时隙j的起始时刻，1≤j≤J，J为时隙总数，eta_i表示航班i的预计到达时刻，1≤i≤I，I为航班总数，x_ij、y_ij ^k为决策变量，表示为：

步骤4中以全部航班总转弯点数量最小为目标建立目标函数为：

$min\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}(r_s{x}_{ij}+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{r}_t^k{y}_{ij}^k),$

其中，r_s表示计划航路的转弯点数量，表示临时航路k的转弯点数量。

步骤5中以平均旅客延误时间最小为目标建立目标函数为：

$\min \frac{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i(t_j-{\mathrm{eta}}_i)(x_{ij}+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{ij}^k)}{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i},$

其中，n_i表示航班i的载客数。

步骤6中建立如下满足有效性的约束条件：

表示每个航班有且仅有一个时隙和一条航路；

表示每个时隙最多只能分配给一个航班；

t_j≥eta_i，表示航班实际到达时刻不能早于计划到达时刻；

表示当航班选择临时航路k时实际到达时刻不能早于预计到达时刻与该航路增加的飞行时间之和，Δ_k为选择临时航路k所增加的飞行时间；

表示计划航路流量不超过计划航路容量，Ca_s表示计划航路的容量；

表示临时航路流量不超过临时航路容量，表示临时航路k的容量。

实施例

如图1所示，当计划航路受危险天气等因素影响导致容量下降时，空中交通流量可能受限，航班延误可能发生；通过开辟临时航路，分流计划航路的部分航班，从而减少航班延误；由于航路运行与下游空域单元(航路或扇区)的影响关系，航路时隙资源协同分配应根据计划航路和临时航路容量以及下游空域单元的可用时隙，为每个航班合理分配航路和时隙，达到相应的优化目标，形成多种分配策略，满足航路管理协同决策的要求。本发明的方法流程如图2所示。

下面结合实施例对本发明做进一步说明，具体实施方式如下：

步骤1：构建航路时隙资源协同决策信息平台。

以民航某航路仿真运行数据为例，该航路某日10:00～13:00受危险天气影响，容量大幅下降，该航路所在空管单位划设两条临时航路。通过航路时隙资源协同决策信息平台收集计划航路和临时航路的容量、延误成本、转弯点数量信息，由相关空管单位提供经验值或设定值，如表1所示，其中延误成本指轻型机在相应航路的延误成本，中型机和重型机延误成本分别为轻型机延误成本的2倍和4倍，临时航路的开辟一般会较计划航路增加延误成本和飞行时间，设该段计划航路的飞行时间为20分钟，临时航路1和临时航路2较计划航路分别增加飞行时间5％和15％。获取航班运行信息如表2所示；计划航路下游空域单元的容量为10架次/小时，时隙长度为6分钟。

表1航路运行信息

表2航班运行信息

步骤2：制定协同航路时隙分配的算法。

将航班延误损失和航路转弯点数量作为协同航路时隙分配的功效性评价指标，将平均旅客延误时间作为公平性评价指标，将航班实际到达时刻不能早于计划到达时刻、每个航班有且仅有一个航路与时隙、每个时隙最多只能分配给一个航班、计划航路和临时航路的流量不超过相应航路的容量、当航班选择某一临时航路时实际到达时刻不能早于预计到达时刻与该航路增加的飞行时间之和作为有效性指标。

步骤3：以全部航班总延误损失最小为目标建立目标函数为：

式(1)中，c_s表示计划航路的单位时间延误成本，c_t ^k表示临时航路k(1≤k≤2)的单位时间延误成本，t_j(1≤j≤30)为任一时隙的起始时刻，代表该时隙，eta_i表示航班i(1≤i≤30)的预计到达时刻，x_ij、为决策变量，表示为：

步骤4：以全部航班总转弯点数量最小为目标建立目标函数为：

$min\underset{i=1}{\overset{30}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{30}{\mathrm{\Σ}}}(r_s{x}_{ij}+\underset{k=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{r}_t^k{y}_{ij}^k)---\left(2\right)$

式(2)中，r_s表示计划航路的转弯点数量，表示临时航路k的转弯点数量。

步骤5：以平均旅客延误时间最小为目标建立目标函数为：

$\min \frac{\underset{i=1}{\overset{30}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{30}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i(t_j-{\mathrm{eta}}_i)(x_{ij}+\underset{k=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{ij}^k)}{\underset{i=1}{\overset{30}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i}---\left(3\right)$

式(3)中，n_i表示航班i的载客数。

步骤6：建立满足有效性的约束条件，表示为：

$\underset{j=1}{\overset{30}{\mathrm{\Σ}}}(x_{ij}+\underset{k=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{ij}^k)=1,1\≤i\≤30---\left(4\right)$

$\underset{i=1}{\overset{30}{\mathrm{\Σ}}}(x_{ij}+\underset{k=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{ij}^k)=1,1\≤j\≤30---\left(5\right)$

t_j≥eta_i,1≤i≤30,1≤j≤30(6)

$t_j\≥{\mathrm{eta}}_i+{\mathrm{\Δ}}_k{y}_{ij}^k,1\≤i\≤30,1\≤j\≤30,1\≤k\≤2---\left(7\right)$

$\underset{i=1}{\overset{30}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{ij}\≤{\mathrm{Ca}}_s,1\≤j\≤30---\left(8\right)$

$\underset{i=1}{\overset{30}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{ij}^k\≤{\mathrm{Ca}}_t^k,1\≤j\≤30,1\≤k\≤2---\left(9\right)$

式(4)表示每个航班有且仅有一个时隙和一条航路，式(5)表示每个时隙最多只能分配给一个航班，式(6)表示航班实际到达时刻不能早于计划到达时刻，式(7)表示当航班选择某一临时航路时实际到达时刻不能早于预计到达时刻与该航路增加的飞行时间之和，Δ_k为选择临时航路k所增加的飞行时间；式(8)表示计划航路流量不超过计划航路容量，Ca_s表示计划航路的容量；式(9)表示临时航路流量不超过临时航路容量，Ca_t ^k表示临时航路k的容量。

步骤7：根据步骤3、步骤4、步骤5确定的目标函数及步骤6确定的约束条件，建立协同航路时隙资源分配的多目标优化模型。

步骤8：采用Lingo11和Matlab2007b求解步骤7建立的多目标优化模型，得出非劣解集，如图3所示，形成航路时隙资源分配策略集，详细数据如表3～表5所示。

表3航路时隙资源分配策略

表4航路时隙资源分配策略(续)

表5航路时隙资源分配策略(续)

步骤9：通过步骤1构建的航路时隙资源协同决策信息平台，发布航路时隙资源分配策略，方法结束。

为比较分析本发明方法的优越性，按照先到先服务原则分配航路时隙，形成航路时隙资源分配策略如表6所示，总航班延误损失为249840元，平均旅客延误时间为59.61分钟，总转弯点数为60。

表6基于先到先服务原则的航路时隙资源分配策略

按照本发明方法得到的全部航路时隙资源分配策略的各目标平均值分别为：总航班延误损失158748.75元，平均旅客延误时间37.39分钟，总转弯点数56.46。

从仿真结果可以看出，本发明方法优化效果显著优于传统的先到先服务方法，通过构建多种优化目标，不仅兼顾了效率与公平，而且综合考虑了空管、航空公司、旅客等相关方的利益，形成航路时隙资源分配策略集，为航路运行协同决策提供了充足的决策空间；本发明建模过程简便易行，易于求解实现，适合应用于空域管理或空中交通流量管理协同决策系统工具的开发。

本发明提供了一种航路时隙资源协同多目标优化分配方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种航路时隙资源协同多目标优化分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：构建航路时隙资源协同决策信息平台，获取包括容量、延误成本、转弯点数量在内的流量受限空域内的计划航路及临时航路信息，获取计划航路下游空域单元的可用时隙信息，获取包括航班计划、机型、载客数在内的航班运行信息；

步骤2：利用步骤1构建的协同决策信息平台，制定协同航路时隙分配的算法；

步骤3：根据步骤2制定的协同航路时隙分配的算法，以全部航班总延误损失最小为目标建立目标函数；

步骤4：根据步骤2制定的协同航路时隙分配的算法，以全部航班总转弯点数量最小为目标建立目标函数；

步骤5：根据步骤2制定的协同航路时隙分配的算法，以平均旅客延误时间最小为目标建立目标函数；

步骤6：根据步骤2制定的协同航路时隙分配的算法，建立满足有效性的约束条件；

步骤7：根据步骤3、步骤4、步骤5确定的目标函数及步骤6确定的约束条件，建立协同航路时隙资源分配的多目标优化模型；

步骤8：求解步骤7建立的多目标优化模型，得出非劣解集，形成航路时隙资源分配策略集；

步骤9：通过步骤1构建的航路时隙资源协同决策信息平台，发布航路时隙资源分配策略，进行多目标优化分配。

2.根据权利要求1所述的一种航路时隙资源协同多目标优化分配方法，其特征在于，步骤3中以全部航班总延误损失最小为目标建立目标函数为：

$\min \underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}(c_s{x}_{ij}+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{c}_t^k{y}_{ij}^k)(t_j-{\mathrm{eta}}_i),$

其中，c_s表示航班使用计划航路的单位时间延误成本，表示航班使用临时航路k的单位时间延误成本，1≤k≤K，K为临时航路的数量，t_j为时隙j的起始时刻，1≤j≤J，J为时隙总数，eta_i表示航班i的预计到达时刻，1≤i≤I，I为航班总数，x_ij、为决策变量，表示为：

3.根据权利要求2所述的一种航路时隙资源协同多目标优化分配方法，其特征在于，步骤4中以全部航班总转弯点数量最小为目标建立目标函数为：

$min\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}(r_s{x}_{ij}+\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{r}_t^k{y}_{ij}^k),$

其中，r_s表示计划航路的转弯点数量，表示临时航路k的转弯点数量。

4.根据权利要求3所述的一种航路时隙资源协同多目标优化分配方法，其特征在于，步骤5中以平均旅客延误时间最小为目标建立目标函数为：

$min\frac{\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}{n}_i(t_j-{\mathrm{eta}}_i)(x_{ij}+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{ij}^k)}{\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}{n}_i},$

其中，n_i表示航班i的载客数。

5.根据权利要求4所述的一种航路时隙资源协同多目标优化分配方法，其特征在于，步骤6中建立如下满足有效性的约束条件：

表示每个航班有且仅有一个时隙和一条航路；

表示每个时隙最多只能分配给一个航班；

t_j≥eta_i，表示航班实际到达时刻不能早于计划到达时刻；

表示当航班选择临时航路k时实际到达时刻不能早于预计到达时刻与该航路增加的飞行时间之和，Δ_k为选择临时航路k所增加的飞行时间；

表示计划航路流量不超过计划航路容量，Ca_s表示计划航路的容量；

表示临时航路流量不超过临时航路容量，表示临时航路k的容量。