CN110751857A - 一种机会约束空中交通流量管理方法 - Google Patents

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CN110751857A CN201910880163.6A CN201910880163A CN110751857A CN 110751857 A CN110751857 A CN 110751857A CN 201910880163 A CN201910880163 A CN 201910880163A CN 110751857 A CN110751857 A CN 110751857A
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王艳军
王丽伟
马晓真
陈平
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Abstract

本发明公开了一种机会约束空中交通流量管理方法，在预战术空中交通流量管理阶段，针对未来容量信息不确定性，采用机会约束的方法对未来的空中交通流量进行预调整，其具体为：获取航班计划；获取扇区容量分布信息并确定机会约束值；在容量分布信息和机会约束值基础上，进行预战术空中交通流量管理决策。本发明将机会约束应用在空中交通流量管理的预战术阶段，根据未来的容量分布信息，在空域容量与流量以大概率平衡的条件下，对流量进行预调整，达到大幅降低航班总延误的效果，而且易于理解，易于实现，只需对未来一段时间内的空域和机场容量进行预测，具有推广实践的优势。

Description

一种机会约束空中交通流量管理方法
技术领域
本发明属于空中交通流量管理技术领域，涉及一种预战术管理方法，具体涉及一种机会约束空中交通流量管理方法。
背景技术
空中交通流量管理的根本目的是平衡空中交通供需，加快并保持空中交通持续畅通，促使空域和机场资源合理、有效和充分利用。“供”指的是空域和机场容量，“需”指的是航班流量，供需平衡指的是保证流量不超过容量。预战术管理方法是指在航班飞行计划的基础上结合信息网络所提供的预测信息，通过起飞前的地面等待、起飞后的空中等待和改航，预先调配流量。因为预测信息并不是完全准确的，所以未来的空域和机场容量具有不确定性，使得相关部门很难做出有效的预战术空中交通流量管理策略，因此容易造成更多的空中拥堵和航班延误。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于机会约束方法的空中交通流量管理方法，其能够有效的减少空中拥堵和航班延误，实现空中交通畅通、高效地流动。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种机会约束空中交通流量管理方法，在预战术空中交通流量管理阶段，针对未来容量信息不确定性，采用机会约束的方法对未来的空中交通流量进行预调整，其具体为：
1)获取航班计划；
2)获取扇区容量分布信息并确定机会约束值：
设定机会约束值α，根据机会约束值α设定如下约束条件：
Figure BDA0002205629200000011
Figure BDA0002205629200000013
Figure BDA0002205629200000021
Figure BDA0002205629200000022
上述约束条件中，表达式(1)表示目标函数，代表总航班延误最小，qk(t)表示在时间t，在机场k未能起飞的航班数；
表达式(2)中，xk(t)、xj(t)分别表示在时间段t，k机场的起飞航班数或k机场着陆航班数和扇区j内的航班数，ξk(t)、ξj(t)分别代表在时间段t，k机场的起飞容量变量或者k机场着陆容量变量和扇区j的容量变量，
Figure BDA0002205629200000023
表示起飞机场集合，
Figure BDA0002205629200000024
表示着陆机场集合，在这里机场起飞和着陆是独立的，所以一个机场表示为一个起飞机场和着陆机场，μ表示扇区集合，
Figure BDA0002205629200000025
是时间段集合；
表达式(3)中j’表示扇区j的上一个扇区，即通过任意一条航线到达扇区j的上一个扇区，
Figure BDA0002205629200000026
表示它的集合；
表达式(4)表示在时间t以及之前起飞的航班数不能超过计划起飞的航班数量，pk(t)表示计划在时间t机场k起飞的航班数；
表达式(5)表示时间t在机场未能起飞的航班数，是所有计划在时间t以及之前起飞的航班数减去已经起飞的航班数；
3)在容量分布信息和机会约束值基础上，进行预战术空中交通流量管理决策：
工作人员根据上述机会约束值α和上述约束条件下的空域容量分布情况对未来的空中交通流量进行预调整。
进一步的，所述未来容量信息通过离散变量的分布律进行表示，具体如下表1所示：
进一步的，所述0.5≤α<1，α的取值应该尽可能接近1。
有益效果：本发明与现有技术相比，将机会约束的方法应用在空中交通流量管理上，有效地解决了未来容量不确定性这个难题，将流量超出扇区或机场容量风险控制在一个较小的值以内，根据未来的容量分布信息，在空域容量与流量以大概率平衡的条件下，对流量进行预调整，获得预战术空中交通流量管理的综合决策，换句话说，这个决策大概率是有效地，而且并没有太过于保守地以容量最小值进行决策，提高了空域和机场容量的利用率，避免了空域和机场容量的浪费，实现了大幅降低航班总延误的效果，并且降低了地面等待成本。
附图说明
图1为本实施例中机场和空域示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
本实施例将本发明方法应用在空中交通流量管理上，如图1所示，圆圈代表机场，一共分为K1、K2、K3、K4四个机场，矩形代表空域单元-扇区，一共分为S01、S02、S03、S04、S05五个扇区，圆圈在矩形内，表示机场和扇区在地理位置上重叠、空域结构上相连。
本实施例中针对K1、K2、K3、K4四个机场以及S01、S02、S03、S04、S05五个扇区进行空中交通流量管理，其具体步骤如下：
一、获取航班计划
航班计划包括航班的起飞机场、目的地机场、两个机场的航线以及计划起飞时间、计划到达时间、扇区飞越时间等。如表1所示，本实施例考虑9个航班(F1～F9)，分别计划在时间t为1、2、3时起飞，在两对起飞机场—目的地机场上运行，航线表示在起飞机场、目的地机场之间经过的扇区序列。在本实施例中，假设航班起飞后直接进入机场所在的扇区，航班在目的地机场着陆视为瞬间完成，不消耗时间，换句话说，无论是起飞机场还是目的地机场，都认为和其所在的扇区是一个整体，并且每一个航班飞越每一个扇区的时间都视为1。
表1航班计划表
Figure BDA0002205629200000031
二、获取扇区容量分布信息并确定机会约束值
本实施例中考虑扇区未来的容量分布如表2所示，所有的扇区在所有的时间段容量分布相同并且相互独立。对应的累积概率如表3。本实施例指定机会约束值α为0.8。
表2扇区容量分布律
Figure BDA0002205629200000032
表3累积概率：P(ξj≥xj)
Figure BDA0002205629200000042
三、在容量分布信息和机会约束值基础上，进行预战术空中交通流量管理决策表4机会约束结果
Figure BDA0002205629200000043
在机会约束空中交通流量管理方法中，得到的结果是将航班F1、F7和F9分别在地面等待一个时间段，总延误时间为3，流量分布见表4。
本实施例中再根据容量最小值进行最保守地决策时，即不冒任何决策不可行的风险，这时的决策结果中，9个航班中8个航班将会延误，总延误时间为33。
从实例的结果对比中可以看出，采用机会约束空中交通流量管理方法，在违反容量-流量平衡条件的概率不大于0.2的情况下，决策结果的成本还不到百分百满足容量-流量平衡条件的10％。由此可见，本发明提出的机会约束空中交通流量管理方法能够大幅降低航班总延误时间，大幅度降低在预战术空中交通流量管理阶段造成的成本，并且易于理解和应用。

Claims (5)

1.一种机会约束空中交通流量管理方法，其特征在于：在预战术空中交通流量管理阶段，针对未来容量信息不确定性，采用机会约束的方法对未来的空中交通流量进行预调整，其具体为：
1)获取航班计划；
2)获取扇区容量分布信息并确定机会约束值；
3)在容量分布信息和机会约束值基础上，进行预战术空中交通流量管理决策。
2.根据权利要求1所述的一种机会约束空中交通流量管理方法，其特征在于：所述步骤2具体为：
设定机会约束值d，根据机会约束值α设定如下约束条件：
Figure FDA0002205629190000011
Figure FDA0002205629190000012
Figure FDA0002205629190000013
Figure FDA0002205629190000014
Figure FDA0002205629190000015
上述约束条件中，表达式(1)表示目标函数，代表总航班延误最小，qk(t)表示在时间t，在机场k未能起飞的航班数；
表达式(2)中，xk(t)、xj(t)分别表示在时间段t，k机场的起飞航班数或k机场着陆航班数和扇区j内的航班数，ξk(t)、ξj(t)分别代表在时间段t，k机场的起飞容量变量或者k机场着陆容量变量和扇区j的容量变量，
Figure FDA0002205629190000016
表示起飞机场集合，表示着陆机场集合，在这里机场起飞和着陆是独立的，所以一个机场表示为一个起飞机场和着陆机场，μ表示扇区集合，
Figure FDA0002205629190000018
是时间段集合；
表达式(3)中j’表示扇区j的上一个扇区，即通过任意一条航线到达扇区j的上一个扇区，
Figure FDA0002205629190000019
表示它的集合；
表达式(4)表示在时间t以及之前起飞的航班数不能超过计划起飞的航班数量，pk(t)表示计划在时间t机场k起飞的航班数；
表达式(5)表示时间t在机场未能起飞的航班数，是所有计划在时间t以及之前起飞的航班数减去已经起飞的航班数。
3.根据权利要求1或2所述的一种机会约束空中交通流量管理方法，其特征在于：所述未来容量信息通过离散变量的分布律进行表示。
4.根据权利要求2所述的一种机会约束空中交通流量管理方法，其特征在于：所述0.5≤α<1。
5.根据权利要求1所述的一种机会约束空中交通流量管理方法，其特征在于：所述步骤1中航班计划包括航班的起飞机场、目的地机场、两个机场的航线、计划起飞时间、计划到达时间、扇区飞越时间。
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