CN110428665A - 一种航路与机场时隙协同分配的随机双层规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航路与机场时隙协同分配的随机双层规划方法，包括如下步骤：获取空中交通流量受限空域内的航路网络结构、航路概率容量情景、扇区概率容量情景、计划航路下游空域单元容量情景、受影响航班的目的机场概率进场容量情景、航班计划；针对航路概率容量情景、扇区概率容量情景、计划航路下游空域单元容量情景、受影响航班的目的机场概率进场容量情景，建立上层规划的目标函数和约束条件；针对受影响航班的目的机场概率进场容量情景，建立下层规划的目标函数和约束条件，进而构建航路与机场时隙协同分配的随机双层规划模型；求解构建的随机双层规划模型，形成航路与机场时隙协同分配策略。本发明有效应对概率容量条件，减少航班延误。
Description
技术领域
本发明涉及空中交通管理技术领域，尤其是一种航路与机场时隙协同分配的随机双层规划方法。
背景技术
航路时隙分配一般引入协同决策机制，根据航路、扇区等空域单元容量条件，协同分配航路时隙资源，充分利用空域，优化航班运行时刻。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；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；还有学者建立了以全部航班总转弯点数量最小、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的协同航路时隙资源分配的多目标优化模型。
现有研究一般独立考虑航路，较少将航路时隙分配与机场时隙分配结合起来。机场作为空中交通网络的节点，其容量及时隙分配策略直接影响航路交通运行效率及其管理策略。目前尚缺少一种协同分配航路与机场时隙的实现方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种航路与机场时隙协同分配的随机双层规划方法，根据流量受限空域内的航路概率容量情景、扇区概率容量情景、计划航路下游空域单元容量情景、受影响航班的目的机场概率进场容量情景等条件，以全部航班航路飞行的总成本期望值最小为上层规划的目标，以全部航班地面等待的总成本期望值最小为下层规划的目标，建立航路与机场时隙协同分配的随机双层规划模型，为每个航班合理安排空中和地面延误，有效应对概率容量条件，充分利用航路、扇区、机场等空域单元时隙资源，减少航班延误。
为解决上述技术问题，本发明提供一种航路与机场时隙协同分配的随机双层规划方法，包括如下步骤：
(1)获取空中交通流量受限空域内的航路网络结构、航路概率容量情景、扇区概率容量情景、计划航路下游空域单元容量情景、受影响航班的目的机场概率进场容量情景、航班计划；
(2)针对航路概率容量情景、扇区概率容量情景、计划航路下游空域单元容量情景、受影响航班的目的机场概率进场容量情景，建立上层规划的目标函数和约束条件；
(3)针对受影响航班的目的机场概率进场容量情景，建立下层规划的目标函数和约束条件，进而构建航路与机场时隙协同分配的随机双层规划模型；
(4)求解步骤(3)构建的随机双层规划模型，形成航路与机场时隙协同分配策略。
优选的，步骤(2)中，以全部航班航路飞行的总成本期望值最小为目标建立上层规划的目标函数为：
其中，ci a表示航班i的空中延误成本，1≤i≤I，I为航班总数；ct k表示航班使用临时航路k的单位时间成本，1≤k≤K，K为临时航路的数量；etai a表示航班i预计到达计划航路下游空域单元的时刻，tj am为情景m下计划航路下游空域单元时隙j的起始时刻，1≤j≤Jm，Jm为情景m下的时隙总数，M为计划航路下游空域单元的容量情景集；pm为情景m的发生概率，ε是延误控制系数，xij m、yij km为决策变量，表示为：
优选的，步骤(2)中，建立上层规划的约束条件为：
表示任意情景下每个航班有且仅有一个计划航路下游空域单元时隙和一条航路；
表示任意情景下每个计划航路下游空域单元时隙最多只能分配给一个航班；
表示任意情景下航班实际到达计划航路下游空域单元的时刻不能早于预计到达时刻；
表示任意情景下航班选择临时航路k时实际到达计划航路下游空域单元的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，Δk为选择临时航路k所增加的飞行时间；
表示航班预计到达计划航路下游空域单元的时刻等于航班到达目的机场的规划时刻与航班到达计划航路下游空域单元后飞行至目的机场的飞行时间之差，twv gh为目的机场h的情景w下时隙v的起始时刻，1≤v≤Vw h，Vw h为目的机场h的情景w下的时隙总数，1≤h≤H，H为受影响航班的目的机场数量，Wh为目的机场h的进场容量情景集；si h为航班到达计划航路下游空域单元后飞行至目的机场的飞行时间，ziv hw为决策变量，表示为：
当ziv hw＝1时，twv gh即为航班到达目的机场的规划时刻；
表示置信水平α下计划航路流量不超过计划航路容量，Cas表示计划航路的容量；
表示置信水平α下临时航路流量不超过临时航路容量，Cat k表示临时航路k的容量；
表示置信水平α下计划航路和各临时航路流量之和不超过各航路所在扇区的容量，Casec表示各航路所在扇区的容量。
优选的，步骤(3)中，以全部航班地面等待的总成本期望值最小为目标建立下层规划的目标函数为：
其中，ci g表示航班i的地面延误成本，etai h表示航班i计划到达目的机场h的时刻，qw h为目的机场h的情景w的发生概率。
优选的，步骤(3)中，建立下层规划的约束条件如下：
表示目的机场h的任意情景下每个航班有且仅有一个时隙；
表示目的机场h的任意情景下每个时隙最多只能分配给一个航班；
表示目的机场h的任意情景下航班实际到达时刻不能早于计划到达时刻。
优选的，步骤(3)中，构建航路与机场时隙协同分配的随机双层规划模型如下：
本发明的有益效果为：本发明为航路、扇区、机场等空域单元概率容量条件下的航路与机场时隙协同分配提供了一种实现方法，为空中交通流量管理、空域与流量协同管理提供了技术依据；根据流量受限空域内的航路概率容量情景、扇区概率容量情景、计划航路下游空域单元容量情景、受影响航班的目的机场概率进场容量情景等条件，以全部航班航路飞行的总成本期望值最小为上层规划的目标，以全部航班地面等待的总成本期望值最小为下层规划的目标，建立航路与机场时隙协同分配的随机双层规划模型，为每个航班合理安排空中和地面延误，有效应对概率容量条件，充分利用航路、扇区、机场等空域单元时隙资源，减少航班延误。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为本发明航路与机场协同运行示意图。
图3为本发明的具体实施方式流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种航路与机场时隙协同分配的随机双层规划方法，包括如下步骤：
(1)获取空中交通流量受限空域内的航路网络结构、航路概率容量情景、扇区概率容量情景、计划航路下游空域单元容量情景、受影响航班的目的机场概率进场容量情景、航班计划；
(2)针对航路概率容量情景、扇区概率容量情景、计划航路下游空域单元容量情景、受影响航班的目的机场概率进场容量情景，建立上层规划的目标函数和约束条件；
(3)针对受影响航班的目的机场概率进场容量情景，建立下层规划的目标函数和约束条件，进而构建航路与机场时隙协同分配的随机双层规划模型；
(4)求解步骤(3)构建的随机双层规划模型，形成航路与机场时隙协同分配策略。
如图2所示，计划航路受危险天气等因素影响时，可能出现容量下降的情况，通过开辟临时航路或利用其他可用航路合理分流，并根据受影响航班目的机场的容量情况，先安排地面等待，优化空中飞行到达相关空域单元的时刻，再根据航路、扇区条件分配可用航路和时隙。针对航路、扇区、机场等空域单元容量的不确定性，根据概率容量和航路交通运行特征，减少延误损失期望，合理优化航班空中和地面运行时刻，尽可能利用空域时隙资源。
本发明公开了一种航路与机场时隙协同分配的随机双层规划方法，具体实施流程如图3所示，包括如下步骤：
步骤1：构建空域资源信息平台，获取空中交通流量受限空域内的航路网络结构、航路概率容量情景、扇区概率容量情景、计划航路下游空域单元容量情景、受影响航班的目的机场概率进场容量情景等信息，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：针对航路概率容量情景、扇区概率容量情景、计划航路下游空域单元容量情景、受影响航班的目的机场概率进场容量情景，以全部航班航路飞行的总成本期望值最小为上层规划的目标；
步骤3：根据步骤2建立的上层规划的目标和风险决策特点，建立符合有效性的上层规划的约束条件，包括航班唯一性约束、航路时隙独占性约束、航班航路运行时刻约束、航路容量机会约束、扇区容量机会约束；
步骤4：针对受影响航班的目的机场概率进场容量情景，以全部航班地面等待的总成本期望值最小为下层规划的目标；
步骤5：根据步骤4建立的下层规划的目标，建立符合有效性的下层规划的约束条件，包括航班唯一性约束、机场时隙独占性约束、航班机场运行时刻约束；
步骤6：根据步骤2建立的上层规划的目标函数、步骤3建立的上层规划的约束条件、步骤4建立的下层规划的目标、步骤5建立的下层规划的约束条件，建立航路与机场时隙协同分配的随机双层规划模型；
步骤7：采用遗传算法等启发式算法求解下层规划，寻找下层规划的最优解，得到各航班到达目的机场的规划时刻，形成机场时隙分配策略；
步骤8：根据步骤7得到的各航班到达目的机场的规划时刻，求解各航班预计到达计划航路下游空域单元的时刻；
步骤9：根据步骤8得到的各航班预计到达计划航路下游空域单元的时刻，设置置信水平值，采用遗传算法等启发式算法求解上层规划，寻找上层规划的最优解，为每个航班分配航路和时隙，得到航路时隙分配策略；
步骤10：根据步骤7得到的机场时隙分配策略和步骤9得到的航路时隙分配策略，形成航路与机场时隙协同分配策略，明确每个航班经过流量受限空域时所分配的航路、到达计划航路下游空域单元的时刻以及到达目的机场的时刻。
步骤11：通过步骤1构建的空域资源信息平台，发布航路与机场时隙协同分配策略。
步骤2中，以全部航班航路飞行的总成本期望值最小为目标建立上层规划的目标函数为：
其中，ci a表示航班i(1≤i≤I，I为航班总数)的空中延误成本，ct k表示航班使用临时航路k的单位时间成本(1≤k≤K，K为临时航路的数量)，etai a表示航班i预计到达计划航路下游空域单元的时刻，tj am(1≤j≤Jm，Jm为情景m(M为计划航路下游空域单元的容量情景集)下的时隙总数)为情景m下计划航路下游空域单元时隙j的起始时刻，pm为情景m的发生概率，ε是延误控制系数，xij m、yij km为决策变量，表示为：
步骤3中，建立上层规划的约束条件如下：
表示任意情景下每个航班有且仅有一个计划航路下游空域单元时隙和一条航路；
表示任意情景下每个计划航路下游空域单元时隙最多只能分配给一个航班；
表示任意情景下航班实际到达计划航路下游空域单元的时刻不能早于预计到达时刻；
表示任意情景下航班选择临时航路k时实际到达计划航路下游空域单元的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，Δk为选择临时航路k所增加的飞行时间；
表示航班预计到达计划航路下游空域单元的时刻等于航班到达目的机场的规划时刻与航班到达计划航路下游空域单元后飞行至目的机场的飞行时间之差，twv gh(1≤v≤Vw h，Vw h为目的机场h(1≤h≤H，H为受影响航班的目的机场数量)的情景w(Wh为目的机场h的进场容量情景集)下的时隙总数)为目的机场h的情景w下时隙v的起始时刻，si h为航班到达计划航路下游空域单元后飞行至目的机场的飞行时间，ziv hw为决策变量，表示为：
当ziv hw＝1时，twv gh即为航班到达目的机场的规划时刻；
表示置信水平α下计划航路流量不超过计划航路容量，Cas表示计划航路的容量；
表示置信水平α下临时航路流量不超过临时航路容量，Cat k表示临时航路k的容量；
表示置信水平α下计划航路和各临时航路流量之和不超过各航路所在扇区的容量，Casec表示各航路所在扇区的容量。
步骤4中，以全部航班地面等待的总成本期望值最小为目标建立下层规划的目标函数为：
其中，ci g表示航班i的地面延误成本，etai h表示航班i计划到达目的机场h的时刻，qw h为目的机场h的情景w的发生概率。
步骤5中，建立下层规划的约束条件如下：
表示目的机场h的任意情景下每个航班有且仅有一个时隙；
表示目的机场h的任意情景下每个时隙最多只能分配给一个航班；
表示目的机场h的任意情景下航班实际到达时刻不能早于计划到达时刻。
步骤6中，建立航路与机场时隙协同分配的随机双层规划模型如下：
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。
Claims (6)
1.一种航路与机场时隙协同分配的随机双层规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)获取空中交通流量受限空域内的航路网络结构、航路概率容量情景、扇区概率容量情景、计划航路下游空域单元容量情景、受影响航班的目的机场概率进场容量情景、航班计划；
(2)针对航路概率容量情景、扇区概率容量情景、计划航路下游空域单元容量情景、受影响航班的目的机场概率进场容量情景，建立上层规划的目标函数和约束条件；
(3)针对受影响航班的目的机场概率进场容量情景，建立下层规划的目标函数和约束条件，进而构建航路与机场时隙协同分配的随机双层规划模型；
(4)求解步骤(3)构建的随机双层规划模型，形成航路与机场时隙协同分配策略。
2.如权利要求1所述的航路与机场时隙协同分配的随机双层规划方法，其特征在于，步骤(2)中，以全部航班航路飞行的总成本期望值最小为目标建立上层规划的目标函数为：
其中，ci a表示航班i的空中延误成本，1≤i≤I，I为航班总数；表示航班使用临时航路k的单位时间成本，1≤k≤K，K为临时航路的数量；etai a表示航班i预计到达计划航路下游空域单元的时刻，tj am为情景m下计划航路下游空域单元时隙j的起始时刻，1≤j≤Jm，Jm为情景m下的时隙总数，M为计划航路下游空域单元的容量情景集；pm为情景m的发生概率，ε是延误控制系数，xij m、yij km为决策变量，表示为：
3.如权利要求1所述的航路与机场时隙协同分配的随机双层规划方法，其特征在于，步骤(2)中，建立上层规划的约束条件为：
表示任意情景下每个航班有且仅有一个计划航路下游空域单元时隙和一条航路；
表示任意情景下每个计划航路下游空域单元时隙最多只能分配给一个航班；
表示任意情景下航班实际到达计划航路下游空域单元的时刻不能早于预计到达时刻；
表示任意情景下航班选择临时航路k时实际到达计划航路下游空域单元的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，Δk为选择临时航路k所增加的飞行时间；
表示航班预计到达计划航路下游空域单元的时刻等于航班到达目的机场的规划时刻与航班到达计划航路下游空域单元后飞行至目的机场的飞行时间之差，twv gh为目的机场h的情景w下时隙v的起始时刻，1≤v≤Vw h，Vw h为目的机场h的情景w下的时隙总数，1≤h≤H，H为受影响航班的目的机场数量，Wh为目的机场h的进场容量情景集；si h为航班到达计划航路下游空域单元后飞行至目的机场的飞行时间，ziv hw为决策变量，表示为：
当ziv hw＝1时，twv gh即为航班到达目的机场的规划时刻；
表示置信水平α下计划航路流量不超过计划航路容量，Cas表示计划航路的容量；
表示置信水平α下临时航路流量不超过临时航路容量，Cat k表示临时航路k的容量；
表示置信水平α下计划航路和各临时航路流量之和不超过各航路所在扇区的容量，Casec表示各航路所在扇区的容量。
4.如权利要求1所述的航路与机场时隙协同分配的随机双层规划方法，其特征在于，步骤(3)中，以全部航班地面等待的总成本期望值最小为目标建立下层规划的目标函数为：
其中，ci g表示航班i的地面延误成本，etai h表示航班i计划到达目的机场h的时刻，qw h为目的机场h的情景w的发生概率。
5.如权利要求1所述的航路与机场时隙协同分配的随机双层规划方法，其特征在于，步骤(3)中，建立下层规划的约束条件如下：
表示目的机场h的任意情景下每个航班有且仅有一个时隙；
表示目的机场h的任意情景下每个时隙最多只能分配给一个航班；
表示目的机场h的任意情景下航班实际到达时刻不能早于计划到达时刻。
6.如权利要求1所述的航路与机场时隙协同分配的随机双层规划方法，其特征在于，步骤(3)中，构建航路与机场时隙协同分配的随机双层规划模型如下：
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2019
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