CN111009154A - 基于航班流预排序的终端区空域冲突探测与解脱算法 - Google Patents

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CN111009154A CN201910993024.4A CN201910993024A CN111009154A CN 111009154 A CN111009154 A CN 111009154A CN 201910993024 A CN201910993024 A CN 201910993024A CN 111009154 A CN111009154 A CN 111009154A
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Abstract

本发明公开一种基于航班流预排序的终端区空域冲突探测与解脱算法，包括：1.确定航班计划集合；2.航班流预排序；3.预排序航班流遍历，若序列中的航班为即将加入仿真终端区空域进行冲突探测与解脱的航班为，执行步骤4；4.航班过点遍历，若该航班的过点序列中不存在尚未遍历的终端区空域点，则表示该航班已完成全路径的冲突探测与解脱，执行步骤3；否则，对于航班过点序列中的点进行冲突探测与解脱，执行步骤5；5.冲突探测与解脱。本发明通过对航班流预先排序，又以航班轨迹为基础，通过过点时间窗实现航班的冲突探测；以航班推演过程回溯为前提进行冲突解脱；以贴近实际管制目的，能够实现基于业务需求的仿真推演，使结果真实可信。

Description

基于航班流预排序的终端区空域冲突探测与解脱算法
技术领域
本发明涉及一种终端区空域的冲突探测与解脱算法，特别是对航班流有明确管制意图的冲突探测与解脱算法。
背景技术
终端区是航空器航路飞行与进离场阶段的飞行过渡区，进入终端区空域的航空器按照飞行性质可以分为三种：进近飞行、离场飞行和穿越飞行，其中进近飞行和离场飞行是终端区内的主要飞行活动，因此终端区内存在大量的飞行冲突。尤其是近年来，随着机场数量和规模的不断扩大以及交通需求的迅猛增长，终端区内空域供需矛盾、空域安全隐患等问题不断凸显。
终端区空域冲突探测与解脱技术是实现终端区仿真的关键技术，国内外对相关技术的研究力度不断加大。当前大部分研究通常依据不同的优化目标构建优化模型，并筛选合适的智能算法进行求解，包括决策树、NSGA-II遗传算法、粒子群算法等；该类方法能够较好地实现飞行冲突解脱，但同时存在算法过于复杂、计算效率低下，模型过度抽象等问题。此外，大部分研究通常只考虑了终端区局部或者特定场景的运行过程，缺乏对终端区整体运行管制意图因素的考虑。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于航班流预排序的终端区空域冲突探测与解脱算法，针对终端区空域内所有航空器，依据预先排序队列，以尽可能满足预先队列顺序为前提，从宏观角度对终端区空域内运行的航空器进行冲突探测与解脱，生成有序无冲突的航班流信息，高效、实用的终端区空域冲突探测与解脱方法。
技术方案：一种基于航班流预排序的终端区空域冲突探测与解脱算法，采用两级循环的方式进行冲突探测与解脱，包括以下步骤：
(1)确定航班计划集合，根据终端区空域信息，对航班计划信息进行清理筛选，确定进行冲突探测与解脱的航班信息；
(2)航班流预排序，采用先到先服务的资源分配方式，以航班预计到跑到时间进行预先排序；
(3)预排序航班流遍历，遍历已排序的航班序列，按照预先排序序列逐个加入仿真终端区空域进行冲突探测与解脱，序列遍历结束，则算法结束，否则对航班进行推演；若序列中的航班为即将加入仿真终端区空域进行冲突探测与解脱的航班为，执行步骤(4)；
(4)航班过点遍历，每个进行推演的航班均包含固定的的过点序列，若该航班的过点序列中不存在尚未遍历的终端区空域点，则表示该航班已完成全路径的冲突探测与解脱，执行步骤(3)；否则，对于航班过点序列中的点进行冲突探测与解脱，执行步骤(5)
(5)冲突探测与解脱，计算航班到达下一终端区空域点的预计到达时间，并根据常用的过点间隔标准，计算航班过点时间窗，若目标点为当前航班进入终端区空域点，则标识航班为初始状态，否则标识航班为运行状态；
每个过点时间窗由航班唯一标识、时间上限和时间下限组成，利用时间窗进行冲突探测，若存在交集则表明有冲突；若不存在冲突，则将当前航班的过点时间窗加入到目标点的时间窗序列中，执行步骤(4)；
若存在冲突则进行冲突解脱；具体包含三种解脱方式，按照执行优先级由高到低分别为调速解脱策略、回溯解脱策略以及时刻调整解脱策略；其中进行回溯解脱策略时，设定每个航班进行一次回溯；
若航空器处于运行状态，则可以采用调速、回溯、时刻调整进行冲突解脱；若航空器处于初始状态或回溯状态，则只可以选择调速和时刻调整进行冲突解脱。
所述步骤(5)，首先进行调速解脱策略，执行步骤(5.1)
(5.1)调速解脱策略，若航班为运行状态，则根据航空器性能，调整当前航班的过点速度，计算对应的过点时间窗，若某个调速情况下过点时间窗与目标点的时间窗序列中以已存在的时间窗均不存在冲突，则冲突解脱完成，将航班的过点时间窗加入当前点的过点时间窗序列中，执行步骤(4)；否则表示需要进行其他方式的冲突解脱，执行步骤(5.2)；
若航班为初始状态，则根据航空器性能，调整当前航班的过点速度，计算对应的过点时间窗，若某个调速情况下过点时间窗与目标点的时间窗序列中以已存在的时间窗均不存在冲突，则冲突解脱完成，将航班的过点时间窗加入当前点的过点时间窗序列中，执行步骤(4)；否则表示需要进行其他方式的冲突解脱，执行步骤(5.3)；
若航班为回溯状态，则根据航空器性能，调整当前航班的过点速度，计算对应的过点时间窗，判断是否能满足平移后的时间窗，若某个调速情况下过点时间窗与当前航班在目标点已存在的时间窗重合，则冲突解脱完成，执行步骤(4)；否则表示需要进行其他方式的冲突解脱，执行步骤(5.3)；
(5.2)回溯解脱策略，根据航空器性能，调整当前航班的过点速度，使航班在目标点的过点延误最小，并记录延误时间；回溯上一点，将目标点改为当前目标点的上一点，并平移当前航班在目标点的时间窗，移动幅度为延误时间，标识航班状态为回溯状态，执行步骤(5)；
(5.3)时刻调整解脱策略，调整当前航班预计进入终端区空域的时间，若当前航班存在已经进行执行冲突解脱的路径点，则遍历点集合，从对应的过点时间窗序列中删除当前航班的时间窗；对航班序列中，当前航班开始向后的航班序列进行重新排序，执行步骤(3)。
步骤(5.1)调速解脱策略，若航班为运行状态，则根据航空器性能，调整当前航班的过点速度，调整幅度为-10％～10％，调整步长为1％；
若航班为初始状态，则根据航空器性能，调整当前航班的过点速度，调整幅度为-10％～10％，调整步长为1％；
若航班为回溯状态，则根据航空器性能，调整当前航班的过点速度，调整幅度为-10％～10％，调整步长为1％。
所述步骤(5.2)回溯解脱策略，根据航空器性能，调整当前航班的过点速度，调整幅度为-10％～10％，调整步长为1％。
所述时刻调整解脱策略，时间调整幅度为2分钟。
步骤(3)中，采用先到先服务的资源分配方式，具体为采用航班预计到跑到时间进行预先排序。
步骤(5)中，利用时间窗进行冲突探测，具体为遍历目标点时间窗序列中已经存在时间窗，判断与当前航班过点时间窗是否存在交集，若存在交集则表明有冲突。
步骤(5)中，利用时间窗进行冲突探测，具体为遍历目标点时间窗序列中已经存在的时间窗，判断与当前航班过点时间窗是否存在交集，若不存在冲突，则将当前航班的过点时间窗加入到目标点的时间窗序列中。
有益效果：与现有技术相比，本发明的公开的一种基于航班流预先排序的终端区空域冲突探测与解脱算法，具有以下优点：
1.本发明通过对航班流预先排序，体现航班流整体的优化目的以及管制目标；
2.本发明以航班轨迹为基础，通过过点时间窗的方式实现航班的冲突探测；体现实际管制意图，从而尽可能在满足管制需求的前提下进行推演。
3.本发明以航班推演过程回溯为前提进行冲突解脱；以贴近实际管制目的，能够实现基于业务需求的仿真推演，从而使结果真实可信。
附图说明
图1为基于航班流预排序的终端区空域冲突探测与解脱算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明及其应用范围。
一种基于航班流预排序的终端区空域冲突探测与解脱算法，所述方法包括以下步骤，流程图如图1所示。
Step 1：确定航班计划集合
根据终端区空域信息，对航班计划信息进行清理筛选，确定进行冲突探测与解脱的航班信息，包括：航班在指定终端区内的过点序列、进入指定终端区的时间、航班的过点高度序列、航空器过点速度序列、航空器类型等，确定航班计划集合为Fs＝{Fs1,Fs2,L,Fsi}。
Fsi包含的主要信息说明如下：
Figure BDA0002238872190000041
当前航段Fsi进入终端区的时刻；
Figure BDA0002238872190000042
航班预计到达终端区内机场的时刻；
Figure BDA0002238872190000043
Fsi的过点序列，并且以过点顺序存储；
Figure BDA0002238872190000044
Fsi的过点速度序列，与
Figure BDA0002238872190000045
长度相同，且取值一一对应；
Figure BDA0002238872190000046
Fsi在终端区内经过航段序列，长度为
Figure BDA0002238872190000047
单位为米；
Step 2：航班流预排序
该算法适用于单机场终端区。终端区管制员的工作目的是让航班在终端区内顺畅、有序的运行。终端区空域的航空器按照飞行性质可以分为三种：进近飞行、离场飞行和穿越飞行，其中进近飞行和离场飞行是终端区内的主要飞行活动，因此跑道是终端区内进离场航班都会使用的共有资源，也是管制员进行管制和资源分配的参考因素。
当前管制过程中，通常优先考虑公平性原则，采用先到先服务的资源分配方式，因此该算法采用航班预计到跑到时间进行预先排序。
对于每个Fsi∈Fs，计算Fsi的预计到达跑道时间，若Fsi是进场航班，则
Figure BDA0002238872190000051
若Fsi是离场航班，则
Figure BDA0002238872190000052
根据
Figure BDA0002238872190000053
对Fs进行升序排序，形成有序航班序列FFs＝{FFs1,FFs2,L FFsi},其中
Figure BDA0002238872190000054
FFsi包含的主要信息说明如下：
Figure BDA0002238872190000055
表示航班的唯一标识，通常为航班号；
Figure BDA0002238872190000056
表示航班FFsi的状态，目前取值有三个INI表示处于初始状态，尚未加入仿真空域；NOR表示处于正常推演状态；REC表示处于回溯状态；
Figure BDA0002238872190000057
当前航段FFsi进入终端区的时刻；
Figure BDA0002238872190000058
航班预计到达终端区内机场的时刻；
Figure BDA0002238872190000059
FFsi的过点序列，并且以过点顺序存储；
Figure BDA00022388721900000510
FFsi的过点速度序列，与
Figure BDA00022388721900000511
长度相同，且取值一一对应；
Figure BDA00022388721900000512
FFsi在终端区内经过航段序列，长度为
Figure BDA00022388721900000513
单位为米；
Figure BDA00022388721900000514
在当前航段FFsi的延误消解时间；
Figure BDA00022388721900000515
在当前航段FFsi的飞行速度，单位为千米/小时；
Figure BDA00022388721900000516
开始当前航段飞行的时间；
Figure BDA00022388721900000517
开始当前航段飞行的时间；
Step3：预排序航班流遍历
遍历已排序的航班序列FFs，若FFs遍历结束，则算法结束，否则对航班进行推演。若FFsi∈FFs，则即将加入仿真终端区空域进行冲突探测与解脱的航班为FFsi，执行Step4。预排序航班流遍历是算法中的第一级循环，是按照预先排序序列逐个加入仿真终端区空域进行冲突探测与解脱。
Step4：航班过点遍历
Figure BDA00022388721900000518
是当前进行推演航班FFsi的过点序列，令
Figure BDA00022388721900000519
若Ns中不存在尚未遍历的终端区空域点，则表示该航班已完成全路径的冲突探测与解脱，执行Step3；否则，对于Nsj∈Ns，航班FFsi依次进行冲突探测与解脱，执行Step5。航班过点遍历是算法中的第二级循环，是指定航对经过点的遍历，是对全路径点进行冲突探测与解脱，从而形成无冲突的运行过程。
Step 5：航空器冲突探测与解脱
确定当前进行冲突探测与解脱的航班为FFsi,当前进行冲突探测与解脱的终端区空域点为Nsj,Nsj∈Ns。
计算FFsi预计到达Nsj点的时间，若Nsj为航班FFsi进入仿真终端区空域的起点，则
Figure BDA0002238872190000061
并且标记航班FFsi状态，
Figure BDA0002238872190000062
若Nsj为航班FFsi当前航段的终点，则
Figure BDA0002238872190000063
Figure BDA0002238872190000064
是点Nsj的时间窗序列表，列表中每一个元素均为三元组
Figure BDA0002238872190000065
表示航班FFsm占用Nsj点的时隙为[Tms,Tme]。
若FFsi与
Figure BDA0002238872190000066
中的每一个三元组均满足
Figure BDA0002238872190000067
则表示航班在点
Figure BDA0002238872190000068
处于前序航班过点时间无冲突，则计算FFsi的过点三元组，并将FFsi的三元组
Figure BDA0002238872190000069
加入到
Figure BDA00022388721900000610
中。具体计算方式为
Figure BDA00022388721900000611
Figure BDA00022388721900000612
Inter为Nsj点的过点间隔，单位为米，通常为10000米。执行Step4。
若
Figure BDA00022388721900000613
则表示航班FFsi在Nsj点处与前序过该点的航班有冲突，则有三种冲突解脱策略，按照对航班已执行轨迹的影响程度划分优先级，优先级由高到低分别为调速解脱策略、回溯解脱策略以及时刻调整解脱策略。
当进行回溯解脱策略时，会对航班已经进行冲突解脱的点重新计算时间，因此会造成过点时序的错乱，增加算法复杂度，因此该算法设定每个航班只能进行一次回溯。即当FFsi在当前点存在冲突时，若FFsi状态为NOR，则可以采用调速、回溯、时刻调整进行冲突解脱；若FFsi状态为REC或INI，则只可以采用调速和时刻调整进行冲突解脱；首先进行调速执行调速解脱策略，执行Step5.1。
Step 5.1：调速解脱策略
若航班为运行状态，根据航空器性能，调整FFsi过点速度
Figure BDA00022388721900000614
通常调整幅度为-10％～10％，调整步长为1％，并计算
Figure BDA0002238872190000071
若速度调整后
Figure BDA0002238872190000072
则计算FFsi的过点三元组，并将FFsi的三元组
Figure BDA0002238872190000073
加入到
Figure BDA0002238872190000074
中，执行Step4。若
Figure BDA0002238872190000075
表示调整速度后无法使航班在Nsj处与其他航班无冲突，需要进行其他的方式的解脱，执行Step5.2回溯解脱策略；
若航班为初始状态，根据航空器性能，调整FFsi过点速度
Figure BDA0002238872190000076
通常调整幅度为-10％～10％，调整步长为1％，并计算
Figure BDA0002238872190000077
若速度调整后
Figure BDA0002238872190000078
则计算FFsi的过点三元组，并将FFsi的三元组
Figure BDA0002238872190000079
加入到
Figure BDA00022388721900000710
中，执行Step4。若
Figure BDA00022388721900000711
表示调整速度后无法使航班在Nsj处与其他航班无冲突，需要进行其他的方式的解脱，执行Step5.3时刻调整解脱策略；
若航班为回溯状态，根据航空器性能，调整FFsi过点速度
Figure BDA00022388721900000712
通常调整幅度为-10％～10％，调整步长为1％，并计算
Figure BDA00022388721900000713
若调速后当前航班在与目标点平移后的时间窗重合，则表示可以可以在目标点与其他航班无冲突，执行Step4；否则表示调整速度后无法使航班在Nsj处与其他航班无冲突，需要进行其他的方式的解脱，执行Step5.3时刻调整解脱策略。
根据航空器性能，调整FFsi过点速度
Figure BDA00022388721900000714
通常调整幅度为-10％～10％，调整步长为1％，并计算
Figure BDA00022388721900000715
若速度调整后
Figure BDA00022388721900000716
则计算FFsi的过点三元组，并将FFsi的三元组
Figure BDA00022388721900000717
加入到
Figure BDA00022388721900000718
中，执行Step4。若
Figure BDA00022388721900000719
且调整速度后无法使航班在Nsj处于其他航班无冲突，需要进行其他的方式的解脱。若FFsi状态为NOR，则执行Step5.2回溯解脱策略；若FFsi状态为REC或INI，则执行Step5.3时刻调整解脱策略。
Step 5.2：回溯解脱策略
调整FFsi过点速度
Figure BDA00022388721900000720
通常调整幅度为-10％～10％，调整步长为1％，计算预计过点Nsj的时间
Figure BDA0002238872190000081
Figure BDA0002238872190000082
Inter为Nsj点的过点间隔，单位为米，通常为10000米；计算在Nsj点的延误
Figure BDA0002238872190000083
调整速度使得
Figure BDA0002238872190000084
最小。
回溯计算航班过当前点的时间，令j＝j-1，从Nsj点的时间窗列表中获取FFsi的过点三元组
Figure BDA0002238872190000085
并进行时间窗移动，具体为
Figure BDA0002238872190000086
Figure BDA0002238872190000087
标记航班状态为REC，即
Figure BDA0002238872190000088
执行Step5。
Step 5.3：时刻调整解脱策略
调整FFsi预计进入终端区空域的时间，调整幅度为2分钟，即
Figure BDA0002238872190000089
若FFsi存在已经进行执行冲突解脱的路径点，则遍历点集合，从对应的过点时间窗序列中删除FFsi的时间窗。对FFs序列中，从FFsi开始向后的航班序列进行重新排序，执行Step3。

Claims (8)

1.一种基于航班流预排序的终端区空域冲突探测与解脱算法，其特征在于：采用两级循环的方式进行冲突探测与解脱，包括以下步骤：
(1)确定航班计划集合，根据终端区空域信息，对航班计划信息进行清理筛选，确定进行冲突探测与解脱的航班信息；
(2)航班流预排序，采用先到先服务的资源分配方式，以航班预计到跑到时间进行预先排序；
(3)预排序航班流遍历，遍历已排序的航班序列，按照预先排序序列逐个加入仿真终端区空域进行冲突探测与解脱，序列遍历结束，则算法结束，否则对航班进行推演；若序列中的航班为即将加入仿真终端区空域进行冲突探测与解脱的航班为，执行步骤(4)；
(4)航班过点遍历，每个进行推演的航班均包含固定的的过点序列，若该航班的过点序列中不存在尚未遍历的终端区空域点，则表示该航班已完成全路径的冲突探测与解脱，执行步骤(3)；否则，对于航班过点序列中的点进行冲突探测与解脱，执行步骤(5)
(5)冲突探测与解脱，计算航班到达下一终端区空域点的预计到达时间，并根据常用的过点间隔标准，计算航班过点时间窗，若目标点为当前航班进入终端区空域点，则标识航班为初始状态，否则标识航班为运行状态；
每个过点时间窗由航班唯一标识、时间上限和时间下限组成，利用时间窗进行冲突探测，若存在交集则表明有冲突；若不存在冲突，则将当前航班的过点时间窗加入到目标点的时间窗序列中，执行步骤(4)；
若存在冲突则进行冲突解脱；具体包含三种解脱方式，按照执行优先级由高到低分别为调速解脱策略、回溯解脱策略以及时刻调整解脱策略；其中进行回溯解脱策略时，设定每个航班进行一次回溯；
若航空器处于运行状态，则可以采用调速、回溯、时刻调整进行冲突解脱；若航空器处于初始状态或回溯状态，则只可以选择调速和时刻调整进行冲突解脱。
2.根据权利要求1所述的基于航班流预排序的终端区空域冲突探测与解脱算法，其特征在于：所述步骤(5)，首先进行调速解脱策略，执行步骤(5.1)
(5.1)调速解脱策略，若航班为运行状态，则根据航空器性能，调整当前航班的过点速度，计算对应的过点时间窗，若某个调速情况下过点时间窗与目标点的时间窗序列中以已存在的时间窗均不存在冲突，则冲突解脱完成，将航班的过点时间窗加入当前点的过点时间窗序列中，执行步骤(4)；否则表示需要进行其他方式的冲突解脱，执行步骤(5.2)；
若航班为初始状态，则根据航空器性能，调整当前航班的过点速度，计算对应的过点时间窗，若某个调速情况下过点时间窗与目标点的时间窗序列中以已存在的时间窗均不存在冲突，则冲突解脱完成，将航班的过点时间窗加入当前点的过点时间窗序列中，执行步骤(4)；否则表示需要进行其他方式的冲突解脱，执行步骤(5.3)；
若航班为回溯状态，则根据航空器性能，调整当前航班的过点速度，计算对应的过点时间窗，判断是否能满足平移后的时间窗，若某个调速情况下过点时间窗与当前航班在目标点已存在的时间窗重合，则冲突解脱完成，执行步骤(4)；否则表示需要进行其他方式的冲突解脱，执行步骤(5.3)；
(5.2)回溯解脱策略，根据航空器性能，调整当前航班的过点速度，使航班在目标点的过点延误最小，并记录延误时间；回溯上一点，将目标点改为当前目标点的上一点，并平移当前航班在目标点的时间窗，移动幅度为延误时间，标识航班状态为回溯状态，执行步骤(5)；
(5.3)时刻调整解脱策略，调整当前航班预计进入终端区空域的时间，若当前航班存在已经进行执行冲突解脱的路径点，则遍历点集合，从对应的过点时间窗序列中删除当前航班的时间窗；对航班序列中，当前航班开始向后的航班序列进行重新排序，执行步骤(3)。
3.根据权利要求2所述的基于航班流预排序的终端区空域冲突探测与解脱算法，其特征在于：步骤(5.1)调速解脱策略，若航班为运行状态，则根据航空器性能，调整当前航班的过点速度，调整幅度为-10％～10％，调整步长为1％；
若航班为初始状态，则根据航空器性能，调整当前航班的过点速度，调整幅度为-10％～10％，调整步长为1％；
若航班为回溯状态，则根据航空器性能，调整当前航班的过点速度，调整幅度为-10％～10％，调整步长为1％。
4.根据权利要求2所述的基于航班流预排序的终端区空域冲突探测与解脱算法，其特征在于：所述步骤(5.2)回溯解脱策略，根据航空器性能，调整当前航班的过点速度，调整幅度为-10％～10％，调整步长为1％。
5.根据权利要求2所述的基于航班流预排序的终端区空域冲突探测与解脱算法，其特征在于：所述时刻调整解脱策略，时间调整幅度为2分钟。
6.根据权利要求1所述的基于航班流预排序的终端区空域冲突探测与解脱算法，其特征在于：步骤(3)中，采用先到先服务的资源分配方式，具体为采用航班预计到跑到时间进行预先排序。
7.根据权利要求1或2所述的基于航班流预排序的终端区空域冲突探测与解脱算法，其特征在于：步骤(5)中，利用时间窗进行冲突探测，具体为遍历目标点时间窗序列中已经存在时间窗，判断与当前航班过点时间窗是否存在交集，若存在交集则表明有冲突。
8.根据权利要求1或2所述的基于航班流预排序的终端区空域冲突探测与解脱算法，其特征在于：步骤(5)中，利用时间窗进行冲突探测，具体为遍历目标点时间窗序列中已经存在的时间窗，判断与当前航班过点时间窗是否存在交集，若不存在冲突，则将当前航班的过点时间窗加入到目标点的时间窗序列中。
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