CN106909739B - 一种持续爬升运行的离场程序优化方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种持续爬升运行的离场程序优化方法和装置，包括：以持续爬升运行概念为指导，将离场程序抽象为由一系列离散点组成的线，在此基础上对多个进场程序和离场程序混合交叉运行情况下的离场程序进行建模；根据进场程序和离场程序横向间隔和纵向间隔要求，定义离场程序设计的目标函数，以及该目标函数优化过程中的飞机爬升性能约束、间隔距离等约束条件；通过求解离场程序混合整数规划模型，对离场程序每个航路点上的高度上限进行优化，使得在考虑到目标离场程序与其它交叉程序之间的间隔的前提下最大程度减少对目标离场程序的航路点上的高度限制。

Description

一种持续爬升运行的离场程序优化方法和装置

技术领域

本发明涉及飞行程序设计领域，具体而言，在分析终端区净空条件和空域布局的基础上，根据航空器的飞行性能，发明一种持续爬升离场程序的混合整数规划方法和装置，进而确定航空器的离场飞行路线。

背景技术

由于航空交通需求量不断增大，飞机操作产生的温室气体排放就成为全球航空业担心的主要问题。为了减少飞机的温室气体排放和燃耗，有关人士探究了有助于提高飞机飞行效率和生态友好程度的先进飞行程序设计概念。其中，连续降落运行(CDA)和持续爬升运行(CCO)就是基于上述先进飞行程序设计推出的两种方法，目的是分别提高飞机操作中降落和爬升阶段的飞行效率。

经过理论研究和事实实践证明，上述连续降落运行(CDA)和持续爬升运行(CCO)在燃料燃烧和噪声冲击方面具有突出贡献。对此，美国FAA研究了一种基于上述持续爬升运行(CCO)的飞机优化离场程序，并具体分析了达拉斯/沃思堡国际机场离场飞机采取持续爬升方式的机会，结果表明，在采用持续爬升程序的情况下，离场飞机爬升效率更高，而且减少中间平飞的时间。另外，相关技术还研究了一种制订优化纵向离场剖面的方法，以最大程度减少对机场周围的噪声冲击，以及运用多目标优化技巧来制订了一种减噪离场程序，以最大程度降低人口密集区上空的噪声滋扰偏差。而其它的研究工作则着重于制订支持决策的工具来促进空中交通控制员对连续降落方式或持续爬升操作的实施。另外，相关技术还提出了一种基于概率的决策支持工具，以帮助空中交通控制员在开始指示连续降落之前判定飞机之间合适的间隔。

尽管连续降落运行和持续爬升运行具有环保方面的益处，但是在拥有多座机场的复杂终端管制区，无法连续使用上述两种方式。并且在多座机场同时运行的情况下，难免会出现离场和进场程序之间复杂的交互，往往就必须在交叉点执行垂直间隔的程序。另外，离场和进场程序的航路点上还会被施加种种高度限制，而这样的限制就使得飞机无法进行连续降落或持续爬升。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种持续爬升运行的离场程序优化方法和装置，在复杂多机场终端管制区内，按照持续爬升运行概念，保证交叉程序之间的空间间隔满足飞行程序间隔要求，并考虑航空器爬升性能等约束条件，进而最大程度地提高离场程序的高度上限。

第一方面，本发明提供了一种持续爬升运行的离场程序优化方法，包括：

抽取待规划的目标离场程序以及与目标离场程序交叉的离场程序和进场程序；其中，目标离场程序、交叉离场程序以及交叉进场程序均对应有预设航路点；

根据交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的高度上限和高度下限的制约条件，计算目标离场程序对应的目标函数；其中，目标函数用于最大程度提高目标离场程序的航路点的高度上限；

根据交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的预设制约条件，计算目标函数对应的约束条件；其中，预设制约条件至少包括：爬升性能制约条件、间隔距离制约条件和最后一个航路点的高度上下限制约条件；约束条件至少包括：爬升性能约束条件、间隔距离约束条件和最后一个航路点的高度上下限制约束条件；

根据目标函数和约束条件对应的规划模型，对目标离场程序进行规划处理。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，根据交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的高度上限和高度下限的制约条件，计算目标离场程序对应的目标函数包括：

根据交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的高度上限和高度下限的制约条件，计算目标离场程序对应的目标函数其中，是U_i可行的最大值，D_i系指从第一个航路点T₁到第i个航路点的累计距离，r_max系指飞机的最大爬升梯度；爬升梯度是每单位地面距离的高度增益。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，根据交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的预设制约条件，计算目标函数对应的约束条件包括：

根据交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的爬升性能制约条件，计算目标函数对应的爬升性能约束条件L_i-1≤L_i≤L_i-1+d_i·r_min for i＝2,3,…,N；其中，d_i系指第i-1和第i个航路点之间的距离；r_min系指要求飞机达到的最小爬升梯度；第i个航路点的高度下限大于或者等于第i-1个航路点的高度下限，第i个航路点的高度上限大于或者等于第i-1个航路点的高度上限，即U_i-1≤U_i for i＝2,3,…N。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，根据交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的预设制约条件，计算目标函数对应的约束条件包括：

根据交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的间隔距离制约条件，计算目标函数对应的间隔距离约束条件或者其中，h_s系指飞机之间的垂直间隔标准。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，根据交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的预设制约条件，计算目标函数对应的约束条件包括：

根据交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的最后一个航路点的高度上下限制约条件，计算目标函数对应的最后一个航路点的高度上下限制约束条件L_N＝L_F,U_N＝U_F；其中，同一航路点的高度上限大于或者等于该航路点的高度下限，即L_i＝U_i for i＝1,2,…N。

结合第一方面的第二种可能的实施方式或第三种可能的实施方式或第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述方法还包括：

获取飞机飞行程序的所有航路点；其中，航路点的横向位置表示为坐标，航路点的纵向位置表示为航路点的高度限制；高度限制包括高度上限限制和高度下限限制；

在所有航路点中确定待规划的目标离场程序。

第二方面，本发明还提供了一种持续爬升运行的离场程序优化装置，包括：

航路点抽取模块，用于获取待规划的目标离场程序以及与目标离场程序交叉的交叉离场程序和交叉进场程序；其中，目标离场程序、交叉离场程序以及交叉进场程序均对应有预设航路点；

目标函数计算模块，用于根据交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的高度上限和高度下限的制约条件，计算目标离场程序对应的目标函数；其中，目标函数用于最大程度提高目标离场程序的航路点的高度上限；

约束条件计算模块，用于根据交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的预设制约条件，计算目标函数对应的约束条件；其中，预设制约条件至少包括：爬升性能制约条件、间隔距离制约条件和最后一个航路点的高度上下限制约条件；约束条件至少包括：爬升性能约束条件、间隔距离约束条件和最后一个航路点的高度上下限制约束条件；

规划处理模块，用于根据目标函数和约束条件对应的规划模型，对目标离场程序进行规划处理。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，目标函数计算模块包括：

目标函数计算单元，用于根据交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的高度上限和高度下限的制约条件，计算目标离场程序对应的目标函数其中，是U_i可行的最大值，D_i系指从第一个航路点T₁到第i个航路点的累计距离，r_max系指飞机的最大爬升梯度；爬升梯度是每单位地面距离的高度增益；

设置单元，用于将目标函数计算单元计算的目标函数设置为目标离场程序对应的目标函数。

结合第二方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，约束条件计算模块包括：

爬升性能约束条件计算单元，用于根据交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的爬升性能制约条件，计算目标函数对应的爬升性能约束条件L_i-1≤L_i≤L_i-1+d_i·r_minfor i＝2,3,…,N；其中，d_i系指第i-1和第i个航路点之间的距离；r_min系指要求飞机达到的最小爬升梯度；第i个航路点的高度下限大于或者等于第i-1个航路点的高度下限，第i个航路点的高度上限大于或者等于第i-1个航路点的高度上限，即U_i-1≤U_i for i＝2,3,…N；

间隔距离约束条件计算单元，用于根据交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的间隔距离制约条件，计算目标函数对应的间隔距离约束条件或者其中，h_s系指飞机之间的垂直间隔标准；

高度上下限制约束条件计算单元，用于根据交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的最后一个航路点的高度上下限制约条件，计算目标函数对应的最后一个航路点的高度上下限制约束条件L_N＝L_F,U_N＝U_F；其中，同一航路点的高度上限大于或者等于该航路点的高度下限，即L_i＝U_i for i＝1,2,…N。

结合第二方面的第二种可能的实施方式，本发明提供了第二方面的第三种可能的实施方式，其中，所述装置还包括：

第二航路点抽取模块，用于获取飞机飞行程序的所有航路点；其中，航路点的横向位置表示为坐标，航路点的纵向位置表示为航路点的高度限制；高度限制包括高度上限限制和高度下限限制；

选取模块，用于在所有航路点中选取待规划的目标离场程序。

本发明提供的一种持续爬升运行的离场程序优化方法和装置，包括：获取待规划的目标离场程序以及与目标离场程序交叉的交叉离场程序和交叉进场程序；根据交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的高度上限和高度下限的制约条件，计算目标离场程序对应的目标函数；根据交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的预设制约条件，计算目标函数对应的约束条件；根据目标函数和约束条件对应的规划模型，对目标离场程序进行规划处理，与现有技术中的在拥有多座机场的复杂的机场机动区的高密度交通期间，无法连续使用持续爬升的飞行方式相比，其考虑交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的所有的制约条件，建立包括目标离场程序的目标函数和约束条件的规划模型，并通过该规划模型对目标飞机的离场程序进行优化，使得在考虑到目标离场程序与其它交叉程序之间的间隔的前提下最大程度减少对目标离场程序的航路点上的高度限制。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的一种进场程序和离场程序之间相互交互的示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的一种持续爬升运行的离场程序优化方法的流程图；

图3示出了本发明实施例所提供的飞行程序交叉时两种垂直间隔管制方法；

图4示出了本发明实施例所提供的优化后离场程序高度上限示意图；

图5示出了本发明实施例所提供的一种优化后的离场程序高度上限三维视图；

图6示出了本发明实施例所提供的一种持续爬升运行的离场程序优化装置的结构示意图；

图7示出了本发明实施例所提供的一种持续爬升运行的离场程序优化装置中目标函数计算模块的结构示意图；

图8示出了本发明实施例所提供的一种持续爬升运行的离场程序优化装置中约束条件计算模块的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在飞机离场程序上，连续降落运行和持续爬升运行具有环保方面的益处，但是在具有多个机场同时运行的终端管制区内，往往无法连续使用上述两种方式。并且在多个机场彼此靠近的情况下，难免会出现离场和进场程序之间存在交叉，此时往往就必须在交叉点采取垂直间隔措施来保证程序运行。另外，离场和进场程序的航路点上还会被施加种种其它高度限制，这些限制条件就使得飞机无法进行连续降落或持续爬升。

针对上述问题，理想的情况是能够取消高度限制，而且不同程序沿途上飞机之间的间隔可以单纯依靠管制员的战术性空中交通管理来确保。不过在复杂的机场机动区内，能保证交叉程序之间的空间间隔毕竟最好，这样可以减轻管制员在保证安全间隔方面的工作负荷。

本发明实施例就提出了一种持续爬升运行的离场程序优化方法和装置，其强调了不同程序之间的交互，较现有技术中更多地注重优化单独的进场或离场程序相比，其可以对离场程序进行优化，以便在考虑到待规划的目标离场程序与其它交叉程序之间的间隔的前提下最大程度减少对航路点上的高度限制。本发明实施例以混合整数线性规划来对问题进行数学建模，并将提出的方法应用到某个实际国际机场的离场程序中，以验证其效果，图1更加详细地显示了程序之间的交互情况。

参见图2所示的一种持续爬升运行的离场程序优化方法的流程图，所述方法具体包括：

S101、获取待规划的目标离场程序以及与所述目标离场程序交叉的交叉离场程序和交叉进场程序；其中，所述目标离场程序、所述交叉离场程序以及所述交叉进场程序均对应有预设航路点。

具体的，以图1所示的飞行程序来详细说明了所提方法的数学公式。在图1中，将要优化的目标离场程序(即上述的RNAV EGOBA 1K离场程序，简称为目标程序)用黑色实线来表示，至于与目标程序交叉的其它程序(即本发明实施例中的，与目标离场程序交叉的交叉离场程序和交叉进场程序，可以简称为其他程序)，则以虚点线来表示交叉离场程序，以短划虚线来表示交叉进场程序。本发明实施例中采用{T₁、T₂……T_N}来表示目标程序T的每一个航路点高度。对于每个航路点，T_i用以下公式来进一步参数化：

其中，U_i和L_i分别是为第i个航路点指定的高度上下限，N系指目标程序T中航路点的总数。我们用来表示有可能与目标程序T交叉的第k个程序G^K的每个航路点的高度。对于每个航路点，用以下公式来进一步参数化：

其中，和分别表示G^K第J个航空点上的高度上下限。这里需要注意，针对目标程序T在公布的航路点以外的其它点上与程序G^K相交的情况，还给出了附加的航路点，即T₂、T₄和T与其它程序之间的交互情况。为说明起见，本发明实施例中仅把T_is视作决策变量，而把视作依据现有的限高和飞机的名义爬升速度或降落速度来预先确定的已知数值。不过本发明实施例提出的方法并不排除将作为决策变量来纳入。

S102、根据所述交叉离场程序和所述交叉进场程序对所述目标离场程序的高度上限和高度下限的制约条件，计算所述目标离场程序对应的目标函数；其中，所述目标函数用于最大程度提高所述目标离场程序的航路点的高度上限。

具体来说，在拥有多个机场运行的终端管制区内，会有其他机场的离场程序(即交叉离场程序)和进场程序(即交叉进场程序)对目标离场程序进行影响，该影响可以体现在对目标离场程序的高度上限和高度下限的制约条件，然后根据该条件可以计算该目标离场程序对应的目标函数。

S103、根据所述交叉离场程序和交叉进场程序对所述目标离场程序的预设制约条件，计算所述目标函数对应的约束条件；其中，所述预设制约条件至少包括：爬升性能制约条件、间隔距离制约条件和最后一个航路点的高度上下限制约条件；所述约束条件至少包括：爬升性能约束条件、间隔距离约束条件和最后一个航路点的高度上下限制约束条件。

具体来说，其他机场的离场程序和进场程序对目标离场程序的制约至少包括以下三方面的制约：爬升性能制约条件、间隔距离制约条件和最后一个航路点的高度上下限制约条件，当然还可以包括其他方面的制约；然后，根据上述制约条件，计算所述目标函数对应的约束条件；对应于上述制约条件，目标函数对应的约束条件同样包括：爬升性能约束条件、间隔距离约束条件和最后一个航路点的高度上下限制约束条件等。

S104、根据所述目标函数和所述约束条件对应的规划模型，对所述目标离场程序进行规划处理。

具体的，上述目标函数和上述目标函数对应的三个约束条件即一个规划模型，然后按照这个规划模型对获取的目标离场程序进行规划处理，则可以在复杂终端管制区内，能保证交叉程序之间的空间间隔优化协调，在考虑到与其它交叉程序之间的间隔的前提下最大程度减少对航路点上的高度限制。

本发明实施例提供的一种持续爬升运行的离场程序优化方法，包括：获取待规划的目标离场程序以及与目标离场程序交叉的交叉离场程序和交叉进场程序；根据交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的高度上限和高度下限的制约条件，计算目标离场程序对应的目标函数；根据交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的预设制约条件，计算目标函数对应的约束条件；根据目标函数和约束条件对应的规划模型，对目标离场程序进行规划处理，与现有技术中的在复杂多机场运行的终端管制区内，无法连续使用持续爬升的飞行方式相比，其考虑交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的所有的制约条件，建立包括目标离场程序的目标函数和约束条件的规划模型，并通过该规划模型对目标飞机的离场程序进行优化，使得在考虑到目标离场程序与其它交叉程序之间的间隔的前提下最大程度减少对目标离场程序的航路点上的高度限制。

进一步来说，上述步骤102中计算目标函数的具体方法如下：根据所述交叉离场程序和所述交叉进场程序对所述目标离场程序的高度上限和高度下限的制约条件，计算所述目标离场程序对应的目标函数其中，是U_i可行的最大值，D_i系指从第一个航路点T₁到第i个航路点的累计距离，r_max系指飞机的最大爬升梯度；所述爬升梯度是每单位地面距离的高度增益。

具体的，为了确保飞机在离场期间能够按照最优剖面来持续爬升，就应当减少离场程序沿途限高的制约性。从持续爬升操作的角度来说，总体上航路点上的高度上限比下限的制约性更强，因为飞机到达高度上限后就得停止爬升并开始平飞，直至到达下一个航路点。因此，本发明实施例按照下面的公式3所示的离场程序沿途可行的最大数值来计算了最大程度提高航路点高度上限的目标函数。

其中是U_i可行的最大值，可以采用公式来算得，其中D_i系指从第一个航路点T₁到第i个航路点的累计距离，r_max系指飞机的最大爬升梯度。需要注意的是，本发明实施例对爬升梯度的定义是每单位地面距离的高度增益。

进一步的，交叉离场程序和交叉进场程序主要在爬升性能、间隔距离和最后一个航路点的高度上下限这三个方面制约目标离场程序，因此，本发明实施例计算这三个方面对应的约束条件，具体方法如下：

第一种，针对交叉离场程序和交叉进场程序在爬升性能方面对目标离场程序的制约：根据所述交叉离场程序和交叉进场程序对所述目标离场程序的爬升性能制约条件，计算所述目标函数对应的爬升性能约束条件L_i-1≤L_i≤L_i-1+d_i·r_min for i＝2,3,…,N；其中，d_i系指第i-1和第i个航路点之间的距离；r_min系指要求飞机达到的最小爬升梯度；第i个航路点的高度下限大于或者等于第i-1个航路点的高度下限，第i个航路点的高度上限大于或者等于第i-1个航路点的高度上限，即U_i-1≤U_i for i＝2,3,…N。

具体的，爬升性能的约束条件：飞行程序应该针对爬升性能最低的飞机来设计。换句话说，飞行程序中后续航路点上高度下线的增量不得超过依据最小爬升梯度来算得的高度增量。因此，本发明实施例的目标程序上第i个航路点的高度下限L_i就必须符合以下条件：

L_i-1≤L_i≤L_i-1+d_i·r_min for i＝2,3,…,N (4)

其中d_i系指第i-1和第i个航路点之间的距离；r_min系指要求飞机达到的最小爬升梯度。注意下限不能低于前一个航路点的下限。与高度下限不同的是，高度上限U_i只要不低于前一个航路点的上限即可，此外不受其它制约。

U_i-1≤U_i for i＝2,3,…N (5)

第二种，针对交叉离场程序和交叉进场程序在间隔距离方面对目标离场程序的制约：根据所述交叉离场程序和交叉进场程序对所述目标离场程序的间隔距离制约条件，计算所述目标函数对应的间隔距离约束条件或者其中，h_s系指飞机之间的垂直间隔标准。

具体的，间隔距离约束条件：目标程序T要与跟它相交的另一个程序G^K保持间隔。程序之间的间隔可以通过交叉航路点上的垂直间隔来保证。我们分别以T_i和来对应T和G^K的交叉航路点，对应的，这些航路点指定的高度上下限就应当满足下列制约条件。

或者

其中h_s系指飞机之间的垂直间隔标准。目标程序T的位置既可以高于、也可以低于与它相交的程序G^K，如图3所示。

第三种，针对交叉离场程序和交叉进场程序在最后一个航路点的高度上下限方面对目标离场程序的制约：根据所述交叉离场程序和交叉进场程序对所述目标离场程序的最后一个航路点的高度上下限制约条件，计算所述目标函数对应的最后一个航路点的高度上下限制约束条件L_N＝L_F,U_N＝U_F；其中，同一航路点的高度上限大于或者等于该航路点的高度下限，即L_i＝U_i for i＝1,2,…N。

具体的，其它约束条件：其他约束条件为交叉离场程序和交叉进场程序在最后一个航路点的高度上下限方面对目标离场程序的制约条件，本发明实施例将目标程序最后一个航路点(也就是EGOBA)上的高度上下限视作固定值，出于操作方面的各种考虑(比如航路空域越顶航线的最低巡航高度)，最后一个航路点上的限高通常都是不变的，故本发明实施例以T^F＝[U_F L_F]来表示目标程序最终航路点的高度范围，对应的，上述航路点上的高度上下限就用以下公式来算出：

L_N＝L_F,U_N＝U_F (8)

最后，高度上限还应当等于或高于同一航路点的高度下限，如下公式9所示：

L_i＝U_i for i＝1,2,…N (9)

具体的，本发明实施例所提议的持续爬升运行的离场程序优化方法应用到上述的离场程序EGOBA 1K中，对离场程序EGOBA 1K的航路点高度上限进行了最大化，同时也考虑了与跟这一程序相交的其它程序之间的间隔，要求飞机达到的最低爬升梯度(r_min)被定为6.5％，该数值是《航空资料汇编》(Aeronautical Information Publication)中发布的数值。本发明实施例则依据国际民航组织(ICAO)的文件，将垂直间隔最低值(h_s)定为1000英尺，以保证飞机的飞行的各种操作均符合规定标准。

下面将本发明实施例提供的上述持续爬升运行的离场程序优化方法应用到某国际机场离场程序优化中，下面对其结果进行详细说明：

图4显示了按照EGOBA 1K程序优化(即待规划的目标离场程序，即目标程序)的和现行的高度上限值、在飞机最大爬升速度下的离场高度剖面。从图4中可以看出，优化后的目标程序的爬升初期高度比现有技术对该目标程序的处理得到的爬升初期高度提高了。现行程序在SI704航路点上的限高是5000英尺，而优化后的结果显示出SI704航路点的限高可以放宽到8567英尺。对JUNHA和SI740设置的10000英尺的上限仍然不变，这是确保与在11000英尺左右的高度穿过SI740而进入金浦国际机场、处于降落阶段的进场飞机保持间隔所必需的平飞航段。航路点之间每个航段的详细结果列在表1中。

表1

本发明实施例提出了一种持续爬升运行的离场程序优化方法，其采用混合整数线性规划来进行处理，能够针对待规划的离场程序的高度上限进行优化，同时也能保证与其它飞行程序之间的间隔也能得到保证。为验证本发明实施例提供的一种持续爬升的离场程序混合整数规划方法的效果，本发明实施例将上述方法应用到某国际机场的离场程序中，证明上述方法得到了较好的效果；其中，再次优化后的新程序在图5中以黑色实线进行显示。

本发明实施例提供的一种持续爬升运行的离场程序优化方法，包括：获取待规划的目标离场程序以及与目标离场程序交叉的离场程序和进场程序；根据交叉离场程序和进场程序对目标离场程序的高度上限和高度下限的制约条件，计算目标离场程序对应的目标函数；根据交叉离场程序和进场程序对目标离场程序的制约条件，计算目标函数对应的约束条件；根据目标函数和约束条件对应的规划模型，对目标离场程序进行优化处理，与现有技术中的在多个机场同时运行的终端管制区内，无法连续使用持续爬升的飞行方式相比，其考虑了交叉离场程序和进场程序对目标离场程序所有的制约条件，建立包括目标离场程序的目标函数和约束条件的规划模型，并通过该规划模型对目标飞机的离场程序进行优化，使得在考虑到目标离场程序与其它交叉程序之间的间隔的前提下最大程度减少对目标离场程序的航路点上的高度限制。

本发明实施例提供了一种持续爬升运行的离场程序优化装置，所述装置用于执行上述持续爬升运行的离场程序优化方法，参考图6，所述装置包括：

航路点抽取模块11，用于获取待规划的目标离场程序以及与目标离场程序交叉的离场程序和进场程序；其中，目标离场程序、交叉离场程序以及交叉进场程序均对应有预设航路点；

目标函数计算模块12，用于根据交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的高度上限和高度下限的制约条件，计算目标离场程序对应的目标函数；其中，目标函数用于最大程度提高目标离场程序的航路点的高度上限；

约束条件计算模块13，用于根据交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的预设制约条件，计算目标函数对应的约束条件；其中，预设制约条件至少包括：爬升性能制约条件、间隔距离制约条件和最后一个航路点的高度上下限制约条件；约束条件至少包括：爬升性能约束条件、间隔距离约束条件和最后一个航路点的高度上下限制约束条件；

规划处理模块14，用于根据目标函数和约束条件对应的规划模型，对目标离场程序进行规划处理。

进一步的，参考图7，上述持续爬升运行的离场程序优化装置中，目标函数计算模块12包括：

目标函数计算单元121，用于根据交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的高度上限和高度下限的制约条件，计算目标离场程序对应的目标函数其中，是U_i可行的最大值，D_i系指从第一个航路点T₁到第i个航路点的累计距离，r_max系指飞机的最大爬升梯度；爬升梯度是每单位地面距离的高度增益；

设置单元122，用于将目标函数计算单元计算的目标函数设置为目标离场程序对应的目标函数。

进一步的，交叉离场程序和交叉进场程序主要在爬升性能、间隔距离和最后一个航路点的高度上下限这三个方面制约目标离场程序，因此，本发明实施例计算这三个方面对应的约束条件，进一步的，参考图8，上述持续爬升运行的离场程序优化装置中，约束条件计算模块13包括：

爬升性能约束条件计算单元131，用于根据交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的爬升性能制约条件，计算目标函数对应的爬升性能约束条件L_i-1≤L_i≤L_i-1+d_i·r_min for i＝2,3,…,N；其中，d_i系指第i-1和第i个航路点之间的距离；r_min系指要求飞机达到的最小爬升梯度；第i个航路点的高度下限大于或者等于第i-1个航路点的高度下限，第i个航路点的高度上限大于或者等于第i-1个航路点的高度上限，即U_i-1≤U_i for i＝2,3,…N；

间隔距离约束条件计算单元132，用于根据交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的间隔距离制约条件，计算目标函数对应的间隔距离约束条件或者其中，h_s系指飞机之间的垂直间隔标准；

高度上下限制约束条件计算单元133，用于根据交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的最后一个航路点的高度上下限制约条件，计算目标函数对应的最后一个航路点的高度上下限制约束条件L_N＝L_F,U_N＝U_F；其中，同一航路点的高度上限大于或者等于该航路点的高度下限，即L_i＝U_i for i＝1,2,…N。

本发明实施例提供的一种持续爬升运行的离场程序优化装置，与现有技术中的在多个机场同时运行的终端管制区内，无法连续使用持续爬升的飞行方式相比，其考虑交叉离场程序和交叉进场程序对目标离场程序的所有的制约条件，建立包括目标离场程序的目标函数和约束条件的规划模型，并通过该规划模型对目标飞机的离场程序进行优化，使得在考虑到目标离场程序与其它交叉程序之间的间隔的前提下最大程度减少对目标离场程序的航路点上的高度限制。

本发明实施例所提供的进行持续爬升运行的离场程序优化方法的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种持续爬升运行的离场程序优化方法，其特征在于，包括：

获取待规划的目标离场程序以及与所述目标离场程序交叉的离场程序和进场程序；其中，所述目标离场程序、所述交叉离场程序以及所述交叉进场程序均对应有预设航路点；

根据所述交叉离场程序和所述交叉进场程序对所述目标离场程序的高度上限和高度下限的制约条件，计算所述目标离场程序对应的目标函数；其中，所述目标函数用于最大程度提高所述目标离场程序的航路点的高度上限；

根据所述交叉离场程序和交叉进场程序对所述目标离场程序的预设制约条件，计算所述目标函数对应的约束条件；其中，所述预设制约条件至少包括：爬升性能制约条件、间隔距离制约条件和最后一个航路点的高度上下限制约条件；所述约束条件至少包括：爬升性能约束条件、间隔距离约束条件和最后一个航路点的高度上下限制约束条件；

根据所述目标函数和所述约束条件对应的规划模型，对所述目标离场程序进行优化处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述交叉离场程序和所述交叉进场程序对所述目标离场程序的高度上限和高度下限的制约条件，计算所述目标离场程序对应的目标函数包括：

根据所述交叉离场程序和所述交叉进场程序对所述目标离场程序的高度上限和高度下限的制约条件，计算所述目标离场程序对应的目标函数其中，是U_i可行的最大值，D_i系指从第一个航路点T₁到第i个航路点的累计距离，r_max系指飞机的最大爬升梯度；所述爬升梯度是每单位地面距离的高度增益。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述交叉离场程序和交叉进场程序对所述目标离场程序的预设制约条件，计算所述目标函数对应的约束条件包括：

根据所述交叉离场程序和交叉进场程序对所述目标离场程序的爬升性能制约条件，计算所述目标函数对应的爬升性能约束条件L_i-1≤L_i≤L_i-1+d_i·r_min fori＝2,3,…,N；其中，d_i系指第i-1和第i个航路点之间的距离；r_min系指要求飞机达到的最小爬升梯度；L_i系指目标程序第i个航路点高度的下限值；第i个航路点的高度下限大于或者等于第i-1个航路点的高度下限，第i个航路点的高度上限大于或者等于第i-1个航路点的高度上限，即U_i-1≤U_ifori＝2,3,…N。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述交叉离场程序和交叉进场程序对所述目标离场程序的预设制约条件，计算所述目标函数对应的约束条件包括：

根据所述交叉离场程序和交叉进场程序对所述目标离场程序的间隔距离制约条件，计算所述目标函数对应的间隔距离约束条件或者其中，h_s系指飞机之间的垂直间隔标准；L_i系指目标程序第i个航路点高度的下限值；系指与目标程序交叉的第k个程序的第j个航路点高度的下限值。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述交叉离场程序和交叉进场程序对所述目标离场程序的预设制约条件，计算所述目标函数对应的约束条件包括：

根据所述交叉离场程序和交叉进场程序对所述目标离场程序的最后一个航路点的高度上下限制约条件，计算所述目标函数对应的最后一个航路点的高度上下限制约束条件L_N＝L_F,U_N＝U_F；其中，同一航路点的高度上限大于或者等于该航路点的高度下限，即L_i＝U_ifori＝1,2,…N；L_i系指目标程序第i个航路点高度的下限值；U_i系指目标程序第i个航路点高度的上限值；L_N系指目标程序第N个航路点高度的下限值；L_F系指目标程序最后一个航路点高度的下限值；U_N系指目标程序第N个航路点高度的上限值；U_F系指目标程序最后一个航路点高度的上限值。

6.根据权利要求3或4或5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取飞机飞行程序的所有航路点；其中，所述航路点的横向位置表示为坐标，所述航路点的纵向位置表示为所述航路点的高度限制；所述高度限制包括高度上限限制和高度下限限制；

在所述所有航路点中确定待规划的目标离场程序。

7.一种持续爬升运行的离场程序优化装置，其特征在于，包括：

航路点抽取模块，用于获取待规划的目标离场程序以及与所述目标离场程序交叉的交叉离场程序和交叉进场程序；其中，所述目标离场程序、所述交叉离场程序以及所述交叉进场程序均对应有预设航路点；

目标函数计算模块，用于根据所述交叉离场程序和所述交叉进场程序对所述目标离场程序的高度上限和高度下限的制约条件，计算所述目标离场程序对应的目标函数；其中，所述目标函数用于最大程度提高所述目标离场程序的航路点的高度上限；

约束条件计算模块，用于根据所述交叉离场程序和交叉进场程序对所述目标离场程序的预设制约条件，计算所述目标函数对应的约束条件；其中，所述预设制约条件至少包括：爬升性能制约条件、间隔距离制约条件和最后一个航路点的高度上下限制约条件；所述约束条件至少包括：爬升性能约束条件、间隔距离约束条件和最后一个航路点的高度上下限制约束条件；

规划处理模块，用于根据所述目标函数和所述约束条件对应的规划模型，对所述目标离场程序进行规划处理。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述目标函数计算模块包括：

目标函数计算单元，用于根据所述交叉离场程序和所述交叉进场程序对所述目标离场程序的高度上限和高度下限的制约条件，计算所述目标离场程序对应的目标函数其中，是U_i可行的最大值，D_i系指从第一个航路点T₁到第i个航路点的累计距离，r_max系指飞机的最大爬升梯度；所述爬升梯度是每单位地面距离的高度增益；

设置单元，用于将所述目标函数计算单元计算的目标函数设置为所述目标离场程序对应的目标函数。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述约束条件计算模块包括：

爬升性能约束条件计算单元，用于根据所述交叉离场程序和交叉进场程序对所述目标离场程序的爬升性能制约条件，计算所述目标函数对应的爬升性能约束条件L_i-1≤L_i≤L_i-1+d_i·r_min fori＝2,3,…,N；其中，d_i系指第i-1和第i个航路点之间的距离；r_min系指要求飞机达到的最小爬升梯度；L_i系指目标程序第i个航路点高度的下限值；第i个航路点的高度下限大于或者等于第i-1个航路点的高度下限，第i个航路点的高度上限大于或者等于第i-1个航路点的高度上限，即U_i-1≤U_i fori＝2,3,…N；

间隔距离约束条件计算单元，用于根据所述交叉离场程序和交叉进场程序对所述目标离场程序的间隔距离制约条件，计算所述目标函数对应的间隔距离约束条件或者其中，h_s系指飞机之间的垂直间隔标准；系指与目标程序交叉的第k个程序的第j个航路点高度的下限值；U_i系指目标程序第i个航路点高度的上限值；

高度上下限制约束条件计算单元，用于根据所述交叉离场程序和交叉进场程序对所述目标离场程序的最后一个航路点的高度上下限制约条件，计算所述目标函数对应的最后一个航路点的高度上下限制约束条件L_N＝L_F,U_N＝U_F；其中，同一航路点的高度上限大于或者等于该航路点的高度下限，即L_i＝U_i fori＝1,2,…N；L_N系指目标程序第N个航路点高度的下限值；L_F系指目标程序最后一个航路点高度的下限值；U_N系指目标程序第N个航路点高度的上限值；U_F系指目标程序最后一个航路点高度的上限值。