CN105976644A - 一种空域动态调配的滚动时域控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空域动态调配的滚动时域控制方法，属于空中交通管理领域，本发明设置滚动时域控制策略，以当前时域内全部航班和旅客总延误损失最小为目标，建立空域动态调配模型，优化分配当前时域内的空域时隙资源，生成并执行每个时域内的空域动态调配策略，尽可能减少空域使用需求临时性变化导致的航班延误损失，与先到先服务策略相比，取得了较好的优化效果，为空域使用需求变化条件下的空域时隙资源动态调配提供了一种实现方法，能够有效应对飞行需求的临时变化，减少延误损失，并且为区域航路流量管理、空域与流量协同管理提供了技术依据。

Description

一种空域动态调配的滚动时域控制方法

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域动态调配、空域与流量协同管理的空域资源实时优化分配实现方法。

背景技术

空域时隙资源分配一般根据飞行计划、空域容量、航路航线分布等条件，协同优化分配空域时隙资源，缓解空域拥挤，减少飞行延误。目前国外相关研究成果主要集中在协同航路、空域流量程序、空中交通流量与容量管理等方面。其中，协同航路通过设置备选临时航线，建立航线与时隙分配模型，制定航班运行航线与时刻策略，满足各类飞行用户的偏好；空域流量程序考虑航空公司对空域时隙的需求，根据协同决策理念，建立以起飞延误成本、空中延误成本、航班改航或取消成本等各类延误成本最小为目标的规划模型，提出空域资源分配策略；空中交通流量与容量管理集成地面等待、改航等流量管理技术手段，通过优化利用容量、协同调配流量，实现空域资源的合理配置，保障空中交通的整体运行效率。国内研究较少，但仍可见一些报道，有学者通过引入动态航路、条件航路概念，定义相应的航路运行成本，以选择各航路的全部航班运行总成本最小为目标建立整数规划模型；还有学者考虑空域耦合容量，引入临时航路，以航班延误成本和改航成本最小为目标，建立了多航路资源分配的0-1整数规划模型。

现有模型或方法中空域资源分配的计划性较强，一般表现为基于计划的空域使用需求，较少涉及空域资源动态调配，缺乏对空域资源使用情况的有效跟踪和动态优化分配；从空域使用需求的角度讲，协同航路管理过程中可能出现临时增加或取消的航班，即空域使用需求可能发生变化，进而影响空域运行的各相关方，计划性较强的空域资源分配策略难以应对空域使用需求的变化。目前尚缺少能实时控制并优化空域时隙资源的动态调配的实现方法。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的缺陷，本发明旨在提供一种空域动态调配的滚动时域控制算法方法。

技术方案：一种空域动态调配的滚动时域控制方法，包括如下步骤：

(1)获取空域容量信息与航班信息并根据获取的信息构建空域资源信息平台；

(2)利用步骤(1)构建的信息平台，收集空域与流量管理者决策偏好，设置时域长度及滚动步长，第一个时域的起始时刻为空域动态调配时段的起始时刻，每个时域按滚动步长向前滚动则产生下一个时域；

(3)对每个时域建立并运行当前时域内的空域动态调配模型，生成当前时域内的空域动态调配策略并执行。

所述步骤(3)具体包括如下子步骤：

(3.1)根据步骤(2)设置的时域长度，以当前时域内全部航班和旅客的总延误损失最小为目标建立目标函数；

(3.2)根据步骤(3.1)提出的目标函数，建立当前时域内的约束条件；

(3.3)根据步骤(3.1)建立的目标函数及步骤(3.2)建立的约束条件，建立并运行当前时域内的空域动态调配模型，生成当前时域内的空域动态调配策略；

(3.4)根据步骤(2)设置的滚动步长，通过步骤(1)构建的空域资源信息平台，发布步骤(3.3)生成的空域动态调配策略中该滚动步长内的策略；

(3.5)根据步骤(2)设置的滚动步长，令当前时域向前执行时域滚动，并执行步骤(3.4)发布的策略。

进一步的，步骤(1)中所述空域容量信息包括流量受限空域单元内各航路的容量信息和关键点的容量信息；所述航班信息包括航班计划、机型、载客数、航班类型、计划到达时刻。

进一步的，步骤(2)中所述时域长度小于空域动态调配的整个时段长度，空域动态调配时段内包括两个及以上的时域，所述滚动步长小于时域长度。

进一步的，步骤(3.1)中所述目标函数为：

$\min Y\left(k\right)=\underset{f_i\∈I_k}{\Σ}\underset{s_j\∈J_k}{\Σ}(c_i+n_i{p}_i)(t_j-{\mathrm{eta}}_i)x_{ij}$

其中，c_i表示航班f_i的单位时间延误成本，f_i∈I_k；I_k为时域k内的总航班集，1≤k≤N，p_i表示航班f_i中每个旅客单位时间的延误成本，n_i表示航班f_i的载客数，t_j为时域k内时隙s_j的起始时刻，s_j∈J_k，J_k为时域k内的时隙集，eta_i表示航班f_i的预计到达时刻，x_ij为决策变量。

进一步的，所述I_k为：

$I_k=\left\{\begin{array}{c}{F}_k\∪(I_{k-1}-Q_{k-1}),2\≤k\≤N\\ F_k,k=1\end{array}\right.$

其中，F_k为预计到达时刻在时域k内的航班集，Q_k-1为时域k-1向前滚动后获得滚动步长内时隙的航班集。

进一步的，所述x_ij为：

进一步的，步骤(3.2)所述约束条件具体为：

则每个航班有且仅有一个时隙；

则每个时隙最多只能分配给一个航班；

t_j≥eta_i,f_i∈I_k,s_j∈J_k，则航班实际到达时刻不能早于预计到达时刻；

则各航路流量不超过航路容量，r_i为航班f_i所经航路，Cr_m为航路R_m的容量，R为空域单元内的航路集；

则各关键点流量不超过关键点容量，u_i为航班f_i所经关键点，Cu_g为关键点U_g的容量，U为空域单元内的关键点集。

有益效果：本发明通过设置滚动时域控制策略，以当前时域内全部航班和旅客总延误损失最小为目标，建立空域动态调配模型，优化分配当前时域内的空域时隙资源，生成并执行每个时域内的空域动态调配策略，通过实时优化分配有限时域内的空域时隙资源，尽可能减少空域使用需求临时性变化导致的航班延误损失，与先到先服务策略相比，取得了较好的优化效果，为空域使用需求变化条件下的空域时隙资源动态调配提供了一种实现方法，能够有效应对飞行需求的临时变化，减少延误损失，并且为区域航路流量管理、空域与流量协同管理提供了技术依据。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为实施例的空域结构示意图。

图3为实施例的增加航班情况下的仿真结果。

图4为实施例的减少航班情况下的仿真结果。

具体实施方式

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。

空域运行过程中可能会随机出现一些临时性的空域使用需求，例如增加或取消航班，对整个空域内的空中交通运行产生影响，增加航班延误或浪费空域时隙资源。空域动态调配应制定实时优化规则，控制空域时隙资源分配的规模，采取多次滚动优化机制，不断检测临时出现的空域使用需求，从而及时调配可用空域时隙资源，在保障空中交通运行稳定性的同时优化利用空域时隙资源，尽可能减少航班延误。

如图1所示，一种空域动态调配的滚动时域控制方法，以民航某空域单元仿真运行数据为例，包括如下步骤：

(1)获取空域容量信息与航班信息并根据获取的信息构建空域资源信息平台；空域容量信息包括流量受限空域单元内各航路的容量信息和关键点的容量信息；航班信息包括航班计划、机型、载客数、航班类型、计划到达时刻。

本实施例中，民航某空域单元仿真数据的容量信息如图2所示，包括两条交叉航路，交叉点为关键点，航路与关键点均为容量受限元，各航路的容量、延误成本及关键点容量如表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；航班信息如表2所示，预计到达时刻为计划过关键点的时刻，按照经验值，国际、国内航班每个旅客单位时间的延误成本分别为100元/小时、50元/小时。

表1容量受限元参数

表2航班计划

(2)利用步骤(1)构建的信息平台，收集空域与流量管理者决策偏好，此处决策偏好即空域与流量管理者对滚动时域长度和滚动步长的设置偏好，本实施例中选择的时域长度小于空域动态调配的整个时段长度，空域动态调配时段内包括两个及以上的时域，所述滚动步长小于时域长度，在这一原则下，可按偏好自行设置；设置时域长度及滚动步长，第一个时域的起始时刻为空域动态调配时段的起始时刻，每个时域按滚动步长向前滚动则产生下一个时域。本实施例中针对民航仿真数据，采用Matlab2007b运行本发明方法，时域长度取25个关键点时隙，滚动步长取10个关键点时隙。

(3)对每个时域建立并运行当前时域内的空域动态调配模型，生成当前时域内的空域动态调配策略并执行，步骤(3)具体包括如下子步骤：

(3.1)根据步骤(2)设置的时域长度，以当前时域内全部航班和旅客的总延误损失最小为目标建立目标函数，目标函数为：

$\min Y\left(k\right)=\underset{f_i\∈I_k}{\Σ}\underset{s_j\∈J_k}{\Σ}(c_i+n_i{p}_i)(t_j-{\mathrm{eta}}_i)x_{ij}$

其中，c_i表示航班f_i的单位时间延误成本，f_i∈I_k；I_k为时域k内的总航班集，1≤k≤N，I_k即：

$I_k=\left\{\begin{array}{c}{F}_k\∪(I_{k-1}-Q_{k-1}),2\≤k\≤N\\ F_k,k=1\end{array}\right.$

其中，F_k为预计到达时刻在时域k内的航班集，Q_k-1为时域k-1向前滚动后获得滚动步长内时隙的航班集。

N由航班量、时域长度和滚动步长决定，p_i表示航班f_i中每个旅客单位时间的延误成本，n_i表示航班f_i的载客数，t_j为时域k内时隙s_j的起始时刻，代表该时隙，s_j∈J_k，J_k为时域k内的时隙集，eta_i表示航班f_i的预计到达时刻，x_ij为决策变量：

(3.2)根据步骤(3.1)提出的目标函数，建立当前时域内的约束条件，约束条件具体为：

则每个航班有且仅有一个时隙；

则每个时隙最多只能分配给一个航班；

t_j≥eta_i,f_i∈I_k,s_j∈J_k，则航班实际到达时刻不能早于预计到达时刻；

则各航路流量不超过航路容量，r_i为航班f_i所经航路，Cr_m为航路R_m的容量，R为空域单元内的航路集；

则各关键点流量不超过关键点容量，u_i为航班f_i所经关键点，Cu_g为关键点U_g的容量，U为空域单元内的关键点集。

(3.3)根据步骤(3.1)建立的目标函数及步骤(3.2)建立的约束条件，建立并运行当前时域内的空域动态调配模型，生成当前时域内的空域动态调配策略；

(3.4)根据步骤(2)设置的滚动步长，通过步骤(1)构建的空域资源信息平台，发布步骤(3.3)生成的空域动态调配策略中该滚动步长内的策略；

(3.5)根据步骤(2)设置的滚动步长，令当前时域向前执行时域滚动，并执行步骤(3.4)发布的策略。

本实施例在原航班量的基础上按比例增加或减少航班，分别计算各比例下的延误损失，其中对于增加航班的情况，重、中、轻机型比按照表2中的比例配置，即0.46:0.44:0.10，载客数按照重型机200人、中型机100人、轻型机30人设置，航班重要性均设为国内，随机生成在表2航班预计时刻的最小值和最大值区间上均匀分布的各航班预计时刻，各航路等比例增加航班；对于减少航班的情况，按照表2航班编号区间上的均匀分布随机指定被取消的航班。与先到先服务策略进行比较，仿真结果如图3、图4所示，本发明方法较先到先服务策略减少延误损失的效果如表3、表4所示。

表3增加航班情况下的运行效果

表4减少航班情况下的运行效果

从图3、图4和表3、表4可以看出，在航班随机增加或减少的情况下，与先到先服务策略相比，本发明方法分别在不同比例下取得了较好的效果，显著减少了延误损失。仿真结果表明，本发明方法能够有效应对随机性空域使用需求，通过动态配置空域时隙资源，降低空域使用需求变化对空中交通延误的影响，保障了空中交通的实时运行效率；本发明方法过程简便易行，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。

本发明提供了一种空域动态调配的滚动时域控制方法，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 (7)

1.一种空域动态调配的滚动时域控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)获取空域容量信息与航班信息并根据获取的信息构建空域资源信息平台；

(2)利用步骤(1)构建的信息平台，收集空域与流量管理者决策偏好，设置时域长度及滚动步长，第一个时域的起始时刻为空域动态调配时段的起始时刻，每个时域按滚动步长向前滚动则产生下一个时域；

(3)对每个时域建立并运行当前时域内的空域动态调配模型，生成当前时域内的空域动态调配策略并执行。

所述步骤(3)具体包括如下子步骤：

(3.1)根据步骤(2)设置的时域长度，以当前时域内全部航班和旅客的总延误损失最小为目标建立目标函数；

(3.2)根据步骤(3.1)提出的目标函数，建立当前时域内的约束条件；

(3.3)根据步骤(3.1)建立的目标函数及步骤(3.2)建立的约束条件，建立并运行当前时域内的空域动态调配模型，生成当前时域内的空域动态调配策略；

(3.4)根据步骤(2)设置的滚动步长，通过步骤(1)构建的空域资源信息平台，发布步骤(3.3)生成的空域动态调配策略中该滚动步长内的策略；

(3.5)根据步骤(2)设置的滚动步长，令当前时域向前执行时域滚动，并执行步骤(3.4)发布的策略。

2.根据权利要求1所述的一种空域动态调配的滚动时域控制方法，其特征在于，步骤(1)中所述空域容量信息包括流量受限空域单元内各航路的容量信息和关键点的容量信息；所述航班信息包括航班计划、机型、载客数、航班类型、计划到达时刻。

3.根据权利要求1所述的一种空域动态调配的滚动时域控制方法，其特征在于，步骤(2)中所述时域长度小于空域动态调配的整个时段长度，空域动态调配时段内包括两个及以上的时域，所述滚动步长小于时域长度。

4.根据权利要求1所述的一种空域动态调配的滚动时域控制方法，其特征在于，步骤(3.1)中所述目标函数为：

$\min Y\left(k\right)=\underset{f_i\∈I_k}{\Σ}\underset{s_j\∈J_k}{\Σ}(c_i+n_i{p}_i)(t_j-{\mathrm{eta}}_i)x_{ij}$

其中，c_i表示航班f_i的单位时间延误成本，f_i∈I_k；I_k为时域k内的总航班集，1≤k≤N，p_i表示航班f_i中每个旅客单位时间的延误成本，n_i表示航班f_i的载客数，t_j为时域k内时隙s_j的起始时刻，s_j∈J_k，J_k为时域k内的时隙集，eta_i表示航班f_i的预计到达时刻，x_ij为决策变量。

5.根据权利要求4所述的一种空域动态调配的滚动时域控制方法，其特征在于，所述I_k为：

$I_k=\left\{\begin{array}{c}{F}_k\∪(I_{k-1}-Q_{k-1}),2\≤k\≤N\\ F_k,k=1\end{array}\right.$

其中，F_k为预计到达时刻在时域k内的航班集，Q_k-1为时域k-1向前滚动后获得滚动步长内时隙的航班集。

6.根据权利要求4所述的一种空域动态调配的滚动时域控制方法，其特征在于，所述x_ij为：

7.根据权利要求1所述的一种空域动态调配的滚动时域控制方法，其特征在于，步骤(3.2)所述约束条件具体为：

则每个航班有且仅有一个时隙；

则每个时隙最多只能分配给一个航班；

t_j≥eta_i,f_i∈I_k,s_j∈J_k，则航班实际到达时刻不能早于预计到达时刻；

则各航路流量不超过航路容量，r_i为航班f_i所经航路，Cr_m为航路R_m的容量，R为空域单元内的航路集；

则各关键点流量不超过关键点容量，u_i为航班f_i所经关键点，Cu_g为关键点U_g的容量，U为空域单元内的关键点集。