CN107657838B - 一种空中交通流特征参数指标体系中参数指标的提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空中交通流特征参数指标体系中参数指标的提取方法。围绕空管雷达数据所能提供的信息，根据运行单位对交通流进行研究的需求，设计了一套系统的空中交通流特征参数指标体系，给出了指标定义和指标的提取方法。特征指标体系包含飞行流属性特征指标、运行安全特征指标和运行效率特征指标。这些特征参数值的计算结果，反映了空中交通流的运动状态和复杂程度，不同时段的连续指标的对比，可以反应交通流态势的变化。对空中交通流的运行态势进行定量的描述和评估，为研究者和使用者了解、认识和优化交通流提供基础分析数据方法和技术。

Description

一种空中交通流特征参数指标体系中参数指标的提取方法

技术领域

本发明涉及空中交通领域，尤其涉及一种空中交通流特征参数指标体系中参数指标的提取方法。

背景技术

由于空中交通需求的不断增加，在现有的运行环境下，空中局部区域或短时内出现了需求与容量不匹配的现象，导致了诸如空中交通拥挤、危险接近、航班延误等现象。为了更好分析上述现象产生的原因、发展的趋势以及更好的控制交通流运行效率，需要对现有的整个交通运行环境下，交通流现状的本身特征进行梳理和分析，建立可量化的指标体系。通过对这些指标的计算、分析、对比，从而掌握、控制和优化现有的交通流的分配和组织形式，从规律中创造效率。目前，国内还没有完整的针对空中交通流在不同的运行环境中的特征指标体系。

发明内容

鉴于现有技术状况，本发明的目的是提供一种空中交通流特征参数指标体系中参数指标的提取方法。该方法在于提供一种基于实际雷达轨迹数据的特征指标体系和有效、便捷、快速的提取分析技术，并在设置提取参数时考虑不同研究人员、不同研究对象时的一般需求。

本发明采取的技术方案是：一种空中交通流特征参数指标体系中参数指标的提取方法，其特征在于，该指标体系分为飞行流属性特征指标、运行安全特征指标和运行效率特征指标，其中的飞行流属性特征指标中设有过点平均速度、流量和密度指标；运行安全特征指标中设有高度平均改变次数和航向平均改变次数指标；运行效率特征指标中设有延误时长、滞留度和通行率指标。

本发明所述的过点平均速度的定义是指在观测时间内通过指定点断面的所有航空器瞬时速度的算术平均值；过点平均速度指标提取方法：依据定义，通过选择关注点的位置、高度范围和提取半径所形成的圆柱范围，计算该圆柱范围内的所有航空器的瞬时速度的算术平均值。

本发明所述的流量的定义是指单位时间内，选定航路上航空器数；流量指标提取方法：在选定航路块的区域里，只要航班在不同航路块中出现的次数不少于2次，就认为该航班有效。

本发明所述的密度指标的定义是指在某一时间段内且在选定区域内，所有航空器数量与可用区域水平面积比值；密度指标的提取方法：通过对在某一时间段内且在选定区域内，计算提取所有航空器数量与可用区域水平面积比值，根据区域特征选取区域半径。

本发明所述的高度平均改变次数的定义是统计在指定航路上多架航空器飞过不同高度层时进行高度改变的次数，对选定航路上的航班，在选定区域内高度改变超过200米就算高度进行了改变，连续改变高度按一次计算；断续改变高度，按断续次数处理。

本发明所述的航向平均改变次数的定义是指定空域内，航空器发生航向调整的平均次数，航向平均改变次数指标的提取方法：选取空域内统计航空器发生航向调整的平均次数，计算提取每架航空器航向改变次数的平均值。

本发明所述的延误时长的定义是指选定航路上的航班晚于预计到达时刻的时长，延误时长指标的提取方法：将每天该航班在研究空域第一次出现的时间作为航班到达时间，对比n天的航班到达时间，最早的一个时间选为标杆时间，其他天的航班到达时间与该标杆时间相减，得到航班延误时间。

本发明所述的滞留度的定义是在给定时间范围内，某空域单元流入交通量与流出交通量的差与流出交通量的比值，滞留度的计算公式如下：

其中：k——滞留度；

q₁——流入交通量(架次)；

q₂——流出交通量(架次)；

滞留度指标提取方法：选取空域，计算提取某空域单元流入交通量与流出交通量的差与流出交通量的比值。

本发明所述的通行率的定义指在特定的飞行运行需求和路网条件下，单位时间内通过区域的交通量与该区域最大通行能力的比值；

计算公式如下：

其中：υ——航路通行率；

q——1小时内通过区域的交通量；

t_机头时距——表示两个航空器在间隔标准对应的机头时距；

K_i——表示空域结构对通行能力的影响系数，其中i表示不同高度层；

通行率指标提取方法：计算提取在特定的飞行运行需求和路网条件下，单位时间内通过区域的通行量与该区域最大通行能力的比值。

本发明所产生的有益效果是：通过对历史空中交通流雷达航迹数据初步特征分析，分别从飞行流属性特征指标、运行安全特征指标以及运行效率特征指标三个方面设定基础指标。这些基础一是保证不用添加其他参数，从现有的雷达数据中可以计算提取；二是用指标反应运行环境特征，不需要输入空域参数；三是指标都选择的是基础指标，这些基础指标通过一定的关系组合，可以计算更复杂的复合指标，其目的是为使用者搭建涉及交通流的基础数据，并可根据需要延伸出空中交通综合评价指标，为我国空中交通运行指标的优化提升提供科学方法指导、辅助决策支持。

本发明围绕空管雷达数据所能提供的信息，根据运行单位对交通流进行研究的需求，设计了一套系统的空中交通流特征参数指标体系，并对首次提出的特征指标给出了指标定义和指标的提取方法。这些特征参数值的计算结果，反映了空中交通流的运动状态和复杂程度，不同时段的连续指标的对比，可以反应交通流态势的变化。对空中交通流的运行态势进行定量的描述和评估，为研究者和使用者了解、认识和优化交通流提供基础分析数据方法和技术。

附图说明

图1为本发明的空中交通流总体特征参数指标体系框图；

图2为图1中的过点平均速度指标提取流程图；

图3为图1中的流量指标提取流程图；

图4为图1中的密度指标提取流程图；

图5为图1中的高度平均改变次数指标提取流程图；

图6为图1中的航向平均改变次数指标提取流程图；

图7为图1中的延误时长指标提取流程图；

图8为图1中的滞留度指标提取流程图；

图9为图1中的通行率指标提取流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

一、构建交通流特征指标体系

通过与相关的研究人员、运行单位的管制员、管理层反复沟通，结合提取到的不同地区的空中交通雷达轨迹数据，最后得到空中交通流的特征参数指标体系。参照图1，指标体系如下：

1、飞行流属性特征指标

飞行流属性特征指标可以从微观的航空器运行角度出发，按照运动学的过程，分为微观运行过程中的加速度、平均速度、航向、飞行时间、航空器位置、以及多架航空器运动时的平均间隔和通过某区域时的平均速度，前几点是单个航空器的五要素，后两点着重体现航空器之间相互作用的关系。

由多架航空器整体运行过程形成的宏观飞行流属性包括在同一个区域内的，起点和终地点(O-D)的需求分布情况、机型种类所占比例、航路密度、航空器位置分布概率、交通流量和区域可压缩性。

2、运行安全特征指标

空中交通安全运行从交通流属性出发主要由两方面要素构成，一个是空域固有的结构导致交通流表现的运行属性，另一个表现为交通流因动态调整和干扰体现出的扰动特征。因此，运行安全特征指标可以分为静态和动态指标来反映空中交流安全方面的特征。

运行安全特征中静态指标主要包括航路网中冲突点的个数、航线间的汇聚夹角、平均通过时间和汇聚流的条数。

动态指标主要包括航空器高度平均改变次数、航向平均改变次数、位置误差(纵向、垂直和侧向误差)、冲突次数和接近率。

3、运行效率特征指标

运行效率特征指标可以从时间延误状况和空间通行状况进行分析，结合空中交通流的属性从时间上体现的是航空器运行速度减慢、滞留和延误；对于多架航空器造成不同延误情况。这几个指标彼此相关性较高，但各自反映交通流状况又各有侧重。

因此，在时间上的效率指标主要包括单架航空器的延误时长(针对过点的和通过某个区域的延误时长)，针对多架航空器在一个区域内的平均飞行时长，过点的延误率和区域延误率。

针对空间运行效率特征指标，主要体现了空域的使用效率、通行能力等方面。因此，主要设置针对航路、扇区、终端区和交叉点的通行率；针对路网中的繁忙程度设置航路拥挤度、扇区拥挤度和终端区拥挤度；针对空域中的使用效率可以设置容率指标，根据空域中理论容纳架次与实际使用的架次关系分析其效率。

二、部分交通流特征指标定义及提取方法

对于整个指标体系，涉及到的指标很多。有些是有官方定义的，有些提取方法是通用的。本发明只对首次提出的特征指标的提取方法进行详细说明。

(1)过点平均速度

本发明飞行流属性特征指标中设有的过点平均速度的定义是指在观测时间内通过指定点断面的所有航空器瞬时速度的算术平均值；过点平均速度指标提取方法：依据定义，通过选择关注点的位置、高度范围和提取半径，计算该圆柱范围内的所有航空器的瞬时速度的算术平均值。

参照图2，提取过点平均速度指标程序执行以下操作：程序初始化后，加载雷达数据，在指标计算中选择过点平均速度模块的计算，自动获取鼠标光标的位置为圆心，同时记录圆心所在位置的经纬度，以过点半径中输入参数为半径，然后对是否选择所有高度进行判断，如果选择所有高度，则获取圆柱体中所有航空器的速度信息并统计航空器架次n，否则选取高度输入模块中的上限和下限作为圆柱体的高度，获取圆柱体中所有航空器的速度信息并统计航空器架次n，将统计的航空器速度求和并除以n得到过点平均速度，输出圆心所在位置经纬度和过点平均速度。

过点平均速度体现了飞行流在特定观测点处的运行状况，可用于对网络中的热点区域进行分析，位置和高度由研究者根据研究内容选取，提取半径可选，一般15KM为宜。

(2)流量

本发明飞行流属性特征指标中设有的流量的定义是指单位时间内，选定航路上航空器数；流量指标提取方法：在选定航路块(指包含所研究航路的特定区域)的区域里，只要航班在不同航路块中出现的次数不少于2次，就认为该航班有效，是在这个航路上运行的，而不是交叉而过。

参照图3，提取流量指标程序执行以下操作：程序初始化后，加载雷达数据，在指标计算中选择流量模块的计算，设定流量统计区域，获取区域内所有航空器的呼号、架次、航向以及时间信息，对区域内航班架次是否大于2进行判断，如果是大于2，则统计区域内半小时、一小时和一天的航空器架次，否则在数据库中删除该航班信息，接着判断航空器航向是否在0-180°范围，如果是在0-180°范围，则将其定义为东向交通流，否则将其定义为西向交通流，分别输出东向、西向和双向该区域内半小时、一小时和一天的流量。

本发明飞行流属性特征指标中设有的密度指标的定义是指在某一时间段内且在选定区域内，所有航空器数量与可用区域水平面积比值；密度指标的提取方法：通过对在某一时间段内且在选定区域内，计算提取所有航空器数量与可用区域水平面积比值，根据区域特征选取区域半径。一般航路选取10KM，终端区选取46KM。

参照图4，提取密度指标程序执行以下操作：程序初始化后，加载雷达数据，在指标计算中选择密度模块的计算，自动获取鼠标光标的位置为圆心，同时记录圆心所在位置的经纬度，以区域半径中输入参数为半径，以高度层中输入数据为高度，得到圆柱体区域，获取圆柱体区域内所有航班的时间信息和航空器架次，将统计的架次，将统计的架次除以圆形区域的面积得到区域密度，输出圆心所在位置经纬度和过点区域密度。

本发明运行安全特征指标中设有的高度平均改变次数的定义是统计在指定航路上多架航空器飞过不同高度层时进行高度改变的次数，对选定航路上的航班，在选定区域内高度改变超过200米就算高度进行了改变，连续改变高度按一次计算；断续改变高度，按断续次数处理。

参照图5，提取高度平均改变次数指标程序执行以下操作：程序初始化后，加载雷达数据，在指标计算中选择高度平均改变次数模块的计算，设定统计区域，获取区域内航路中所有航班的呼号、高度以及时间信息，对高度改变间隔是否超过3分钟进行判断，若高度改变间隔没超过3分钟，则连续改变高度统计，接下来对高度改变值是否超过200m进行判断，若高度改变值超过200m，则累计高度改变次数，否则不累计；若高度改变间隔超过3分钟，则断续改变高度统计，接下来对高度改变值是否超过200m进行判断，若高度改变值超过200m，则累计高度改变次数，否则不累计，输出高度平均改变次数。

本发明运行安全特征指标中设有的航向平均改变次数的定义是指定空域内，航空器发生航向调整的平均次数，航向平均改变次数指标的提取方法：选取空域内统计航空器发生航向调整的平均次数，计算提取每架航空器航向改变次数的平均值。

参照图6，提取航向平均改变次数指标程序执行以下操作：程序初始化后，加载雷达数据，在指标计算中选择航向平均改变次数模块的计算，设定统计区域，获取区域内航路中所有航班的呼号、时间、航向以及航空器架次信息，对计算相邻两航空器的航向角度差值是否大于5度进行判断，若没大于5度不累计，若大于5度则累计航向改变次数，计算总的航向改变次数除以总的航空器架次，输出航向平均改变次数。

本发明运行效率特征指标中设有的延误时长的定义是指选定航路上的航班晚于预计到达时刻的时长(单位：小时)，延误时长指标的提取方法：将每天该航班在研究空域第一次出现的时间作为航班到达时间，对比n天(n≥2)的航班到达时间，最早的一个时间选为标杆时间，其他天的航班到达时间与该标杆时间相减，得到航班延误时间。如果航班延误时间在5分钟内，认为没有延误，延误时间记为零。

参照图7，提取延误时长指标程序执行以下操作：程序初始化后，加载n天的雷达数据，在指标计算中选择延误时长模块的计算，选取多个航路段(两个或两个以上)，将同时通过航路段的航班作为延误统计对象，统计所有航班的呼号以及时间信息，将每天该航班在研究空域第一次出现的时间作为航班到达时间，对比n天的航班到达时间，最早的一个时间选为标杆时间，其他天的航班到达时间与该标杆时间相减得到时间间隔，统计最大时间间隔即为最大延误时长，统计其他n-1天时间间隔总和再除以n-1天得到平均延误时长，输出延误时长。

本发明运行效率特征指标中设有的滞留度的定义是在给定时间范围内，某空域单元流入交通量与流出交通量的差与流出交通量的比值，滞留度的计算公式如下：

其中：k——滞留度；

q₁——流入交通量(架次)；

q₂——流出交通量(架次)；

滞留度指标提取方法：选取空域，计算提取某空域单元流入交通量与流出交通量的差与流出交通量的比值。其中，流出交通量在一定程度上代表着空域单元的交通服务水平，那么滞留度就可理解为流入交通量超出空域单元交通服务水平的程度。

参照图8，提取滞留度指标程序执行以下操作：程序初始化后，加载雷达数据，在指标计算中选择滞留度模块的计算，设定流量统计区域，设定入航边和出航边，获取区域边界所有航班的呼号、架次以及时间信息，以软件中起始时间和结束时间的间隔为时长，统计该时间段内所在区域的航空器架次，统计从入航边进入的交通流量q1架次和出航边流出交通量q2架次，用流出交通量q2和流入交通量q1的差值除以流出交通量q2得到滞留度，输出滞留度。

本发明运行效率特征指标中设有的通行率的定义指在特定的飞行运行需求和路网条件下，单位时间内通过区域的交通量与该区域最大通行能力的比值；

计算公式如下：

其中：υ——航路通行率；

q——1小时内通过区域的交通量(架次)；

t_机头时距——表示两个航空器在间隔标准时间内的机头时距(秒)；

K_i——表示空域结构对通行能力的影响系数，其中i表示不同高度层；

通行率指标提取方法：计算提取在特定的飞行运行需求和路网条件下，单位时间内通过区域的交通量与该区域最大通行能力的比值。这里将最大通行量定义为:

也可根据该点处实际情况，在90架、70架、60架三个参数中选取。

参照图9，提取通行率指标程序执行以下操作：程序初始化后，加载雷达数据，在指标计算中选择通行率模块的计算，设定统计区域，获取区域内所有航班的呼号、架次、速度、航向以及时间信息，统计一小时内通过区域的交通量q计算该区域的航空器平均速度，用该区域最小时间间隔(根据管制规则给出)除以平均速度得到机头实距，用3600除以事先给出的空域结构对通行能力的影响系数k和机头实距的乘积得到该区域的最大通行量，用通过区域的交通量q除以该区域的最大通行能力得到通行率，输出通行率。

Claims (1)

1.一种空中交通流特征参数指标体系中参数指标的提取方法，其特征在于，该指标体系分为飞行流属性特征指标、运行安全特征指标和运行效率特征指标，其中的飞行流属性特征指标中设有过点平均速度、流量和密度指标；运行安全特征指标中设有高度平均改变次数和航向平均改变次数指标；运行效率特征指标中设有延误时长、滞留度和通行率指标；

所述的过点平均速度是指在观测时间内通过指定点断面的所有航空器瞬时速度的算术平均值；过点平均速度指标提取方法：依据定义，通过选择关注点的位置、高度范围和提取半径所形成的圆柱范围，计算该圆柱范围内的所有航空器的瞬时速度的算术平均值；

所述的流量的定义是指单位时间内，选定航路上航空器数；流量指标提取方法：在选定航路块的区域里，只要航班在不同航路块中出现的次数不少于2次，就认为该航班有效；

所述的密度指标的定义是指在某一时间段内且在选定区域内，所有航空器数量与可用区域水平面积比值；密度指标的提取方法：通过对在某一时间段内且在选定区域内，计算提取所有航空器数量与可用区域水平面积比值，根据区域特征选取区域半径；

所述的高度平均改变次数的定义是统计在指定航路上多架航空器飞过不同高度层时进行高度改变的次数，对选定航路上的航班，在选定区域内高度改变超过200米就算高度进行了改变，连续改变高度按一次计算；断续改变高度，按断续次数处理；

所述的航向平均改变次数的定义是指定空域内，航空器发生航向调整的平均次数，航向平均改变次数指标的提取方法：选取空域内统计航空器发生航向调整的平均次数，计算提取每架航空器航向改变次数的平均值；

所述的延误时长的定义是指选定航路上的航班晚于预计到达时刻的时长，延误时长指标的提取方法：将每天该航班在研究空域第一次出现的时间作为航班到达时间，对比n天的航班到达时间，最早的一个时间选为标杆时间，其他天的航班到达时间与该标杆时间相减，得到航班延误时间；

所述的滞留度的定义是在给定时间范围内，某空域单元流入交通量与流出交通量的差与流出交通量的比值，滞留度的计算公式如下：

其中：k——滞留度；

q1——流入交通量；

q2——流出交通量；

滞留度指标提取方法：选取空域，计算提取某空域单元流入交通量与流出交通量的差与流出交通量的比值；

所述的通行率的定义指在特定的飞行运行需求和路网条件下，单位时间内通过区域的交通量与该区域最大通行能力的比值；

计算公式如下：

其中：υ——航路通行率；

q——1小时内通过区域的交通量；

t机头时距——表示两个航空器在间隔标准对应的机头时距；

Ki——表示空域结构对通行能力的影响系数，其中i表示不同高度层；

通行率指标提取方法：计算提取在特定的飞行运行需求和路网条件下，单位时间内通过区域的通行量与该区域最大通行能力的比值；

提取过点平均速度执行以下操作：程序初始化后，加载雷达数据，在指标计算中选择过点平均速度模块的计算，自动获取鼠标光标的位置为圆心，同时记录圆心所在位置的经纬度，以过点半径中输入参数为半径，然后对是否选择该点所有高度进行判断，如果选择所有高度，则获取圆柱体中所有航空器的速度信息并统计航空器架次数值用n表示，否则选取高度输入模块中的上限和下限作为圆柱体的高度，获取圆柱体中所有航空器的速度信息并统计航空器架次n，将统计的航空器速度求和并除以n得到过点平均速度，输出圆心所在位置经纬度和过点平均速度；

提取流量指标程序执行以下操作：程序初始化后，加载雷达数据，在指标计算中选择流量模块的计算，设定流量统计区域，获取区域内所有航空器的呼号、架次、航向以及时间信息，对区域内航班架次是否大于2进行判断，如果是大于2，则统计区域内半小时、一小时和一天的航空器架次，否则在数据库中删除该航班信息，接着判断航空器航向是否在0-180°范围，如果是在0-180°范围，则将其定义为东向交通流，否则将其定义为西向交通流，分别输出东向、西向和双向该区域内半小时、一小时和一天的流量；

提取密度指标程序执行以下操作：程序初始化后，加载雷达数据，在指标计算中选择密度模块的计算，自动获取鼠标光标的位置为圆心，同时记录圆心所在位置的经纬度，以区域半径中输入参数为半径，以高度层中输入数据为高度，得到圆柱体区域，获取圆柱体区域内所有航班的时间信息和航空器架次，将统计的架次，将统计的架次除以圆形区域的面积得到区域密度，输出圆心所在位置经纬度和过点区域密度；

提取高度平均改变次数指标程序执行以下操作：程序初始化后，加载雷达数据，在指标计算中选择高度平均改变次数模块的计算，设定统计区域，获取区域内航路中所有航班的呼号、高度以及时间信息，对高度改变间隔是否超过3分钟进行判断，若高度改变间隔没超过3分钟，则连续改变高度统计，接下来对高度改变值是否超过200m进行判断，若高度改变值超过200m，则累计高度改变次数，否则不累计；若高度改变间隔超过3分钟，则断续改变高度统计，接下来对高度改变值是否超过200m进行判断，若高度改变值超过200m，则累计高度改变次数，否则不累计，输出高度平均改变次数；

提取航向平均改变次数指标程序执行以下操作：程序初始化后，加载雷达数据，在指标计算中选择航向平均改变次数模块的计算，设定统计区域，获取区域内航路中所有航班的呼号、时间、航向以及航空器架次信息，对计算相邻两航空器的航向角度差值是否大于5度进行判断，若没大于5度不累计，若大于5度则累计航向改变次数，计算总的航向改变次数除以总的航空器架次，输出航向平均改变次数；

提取延误时长指标程序执行以下操作：程序初始化后，加载n天的雷达数据，在指标计算中选择延误时长模块的计算，选取多个航路段，将同时通过航路段的航班作为延误统计对象，统计所有航班的呼号以及时间信息，将每天该航班在研究空域第一次出现的时间作为航班到达时间，对比n天的航班到达时间，最早的一个时间选为标杆时间，其他天的航班到达时间与该标杆时间相减得到时间间隔，统计最大时间间隔即为最大延误时长，统计其他n-1天时间间隔总和再除以n-1天得到平均延误时长，输出平均延误时长；

提取滞留度指标程序执行以下操作：程序初始化后，加载雷达数据，在指标计算中选择滞留度模块的计算，设定流量统计区域，设定入航边和出航边，获取区域边界所有航班的呼号、架次以及时间信息，以软件中起始时间和结束时间的间隔为时长，统计该时间段内所在区域的航空器架次，统计从入航边进入的交通流量q1架次和出航边流出交通量q2架次，用流出交通量q2和流入交通量q1的差值除以流出交通量q2得到滞留度，输出滞留度；

提取通行率指标程序执行以下操作：程序初始化后，加载雷达数据，在指标计算中选择通行率模块的计算，设定统计区域，获取区域内所有航班的呼号、架次、速度、航向以及时间信息，统计一小时内通过区域的交通量q计算该区域的航空器平均速度，用该区域最小时间间隔除以平均速度得到机头实距，用3600除以事先给出的空域结构对通行能力的影响系数k和机头实距的乘积得到该区域的最大通行量，用通过区域的交通量q除以该区域最大通行能力得到通行率，输出通行率。

Images