CN112115614A - 多扇区冲突探测与解脱模型构建方法及该方法构建的模型 - Google Patents

多扇区冲突探测与解脱模型构建方法及该方法构建的模型 Download PDF

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CN112115614A CN202010992576.6A CN202010992576A CN112115614A CN 112115614 A CN112115614 A CN 112115614A CN 202010992576 A CN202010992576 A CN 202010992576A CN 112115614 A CN112115614 A CN 112115614A
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唐治理
王长春
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Abstract

本发明具体涉及一种多扇区冲突探测与解脱模型构建方法及该方法构建的模型，其中多扇区冲突探测与解脱模型构建方法包括：对混合整数非线性规划模型涉及的参数进行定义；确定混合整数非线性规划模型的决策变量；根据参数和决策变量确定混合整数非线性规划模型的约束条件；以及构建混合整数非线性规划模型的目标函数，实现了根据约束条件能同时考虑流量管理及空中交通管制实际运行约束，模型的优化目标综合考虑冲突解脱策略对航班运行和对管制工作负荷的影响，模型的决策对象涵盖入扇区之前分配的延误以及在多扇区内航空器的速度、高度层、航向调整等多种形式，能用于有效支撑流量管理与空中交通管制协调运行决策解决多扇区内空管实际运行问题。

Description

多扇区冲突探测与解脱模型构建方法及该方法构建的模型
技术领域
本发明属于航空技术领域，具体涉及一种多扇区冲突探测与解脱模型构建方法及该方法构建的模型。
背景技术
随着未来空中交通流量的增加，有限的空域和繁忙的航线面临着越来越大的流量压力，空中交通运行方式也将从基于分离的空域和预定航路的运行方式转变为基于航迹的运行方式，在基于航迹运行方式下，流量管理将与管制运行结合更为紧密。流量管理策略包括起飞前的地面等待策略以及在空中航路点实施的计量管理策略等，航路点计量管理策略包括控制航班过点时间的基于时间的计量管理策略(Time-based metering)、控制航班之间间隔的基于时间间隔的计量管理策略(Minutes-in-trail)和基于距离间隔的计量管理策略(Miles-in-trail)，基于航班时间/距离间隔的计量管理策略是我国常见的一种流量管理策略，也称为流控策略，计量管理策略对管制运行产生影响，管制人员既需要满足航路点计量管理约束，同时也要确保航班之间无冲突，针对该问题建立起一套可以为管制人员在存在下游航路点计量约束下的多扇区冲突探测与解脱决策提供支撑的模型，对于当前及逐步过渡到未来航迹运行方式下提高管制运行安全性和运行效率都具有重大实际意义。当前大部分扇区冲突解脱模型只关注单扇区或多扇区内冲突解脱本身，而较少同时关注扇区冲突解脱约束与航路点流量管理约束，因此不能满足实际运行中存在航路点流控约束下的冲突探测与解脱的建模要求。
因此，基于上述技术问题需要设计一种新的多扇区冲突探测与解脱模型构建方法及该方法构建的模型。
发明内容
本发明的目的是提供一种多扇区冲突探测与解脱模型构建方法及该方法构建的模型。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多扇区冲突探测与解脱混合整数非线性规划模型的构建方法，包括：对混合整数非线性规划模型涉及的参数进行定义；确定混合整数非线性规划模型的决策变量；根据参数和决策变量确定混合整数非线性规划模型的约束条件；以及构建混合整数非线性规划模型的目标函数。
进一步，所述对混合整数非线性规划模型涉及的参数进行定义的方法包括：构建多扇区空域及交通仿真场景，对多扇区空域及交通仿真场景的数据进行预处理并确定混合整数非线性规划模型涉及的参数定义；参数的定义包括：E：交叉冲突的飞行计划对集合；
Figure BDA0002691433090000011
追赶冲突的飞行计划对集合；J：飞行计划集合；|J|：飞行计划的总数量；J(p,l)：E中第p对飞行计划中的第l个飞行计划，p∈E,l∈{1,2},J(p,l)∈J；
Figure BDA0002691433090000012
Figure BDA0002691433090000013
中第p对飞行计划中的第l个飞行计划，
Figure BDA0002691433090000014
A：航班集合；|A|：航空器总数量；S：所规划范围内的所有扇区集合；K：可使用高度层集合；α：允许发生速度调整的航空器数量占比；β：允许发生高度层调整的航空器数量占比；λ：扇区内工作负荷与多扇区平均工作负荷的最大允许比值；Δv：速度调整的基本单位；
Figure BDA0002691433090000015
Figure BDA0002691433090000021
N(i)：飞行计划i包含的航路点数量；zi(m)：表示初始飞行计划i在航路点m飞行高度层；
Figure BDA0002691433090000022
航空器a的计划巡航速度；
Figure BDA0002691433090000023
航空器a的最大允许速度；
Figure BDA0002691433090000024
航空器a的最小允许速度；Di(m)：飞行计划i在航路点m与m+1之间的距离；ti(m)：飞行计划i经过第m个航路点时的计划过点时间；
Figure BDA0002691433090000025
不考虑进入多扇区之前的时间调整，航空器按照飞行计划i到达第m个航路点的最大可能时间；
Figure BDA0002691433090000026
不考虑进入多扇区之前的时间调整，航空器按照飞行计划i到达第m个航路点的最小可能时间；Sp：在E中的第p对飞行计划在航路交叉点所需最小时间间隔；W(i)：飞行计划i中交叉点的数量；di(w)：第w个交叉点与其前一个航路点之间的距离；
Figure BDA0002691433090000027
航路点m与共享航段的起始点之间的距离；
Figure BDA0002691433090000028
航路点m与共享航段的终止点之间的距离；
Figure BDA0002691433090000029
中的第p对飞行计划对i和j之间在共享航段CFS的起始点的终止点之间的最小间隔时间；
Figure BDA00026914330900000210
中第p对飞行计划的第l个飞行计划在共享航段起始点的过点时间；
Figure BDA00026914330900000211
Figure BDA00026914330900000212
中第p对飞行计划的第l个飞行计划在共享航段终止点的过点时间；FC：出扇区流控限制集合；
Figure BDA00026914330900000213
出扇区流控限制q相关受影响航班集合，q∈FC；
Figure BDA00026914330900000214
下游间隔计量值，即在预设流控点两架航空器经过时需要满足的时间间隔，q∈FC。
进一步，所述确定混合整数非线性规划模型的决策变量的方法包括：
Figure BDA00026914330900000215
Figure BDA00026914330900000216
Figure BDA00026914330900000217
Figure BDA00026914330900000218
Figure BDA0002691433090000031
Figure BDA0002691433090000032
Figure BDA0002691433090000033
Ti(m)：表示飞行计划i中航路点m与m+1之间的飞行时间；
σi(m)：表示飞行计划i中航路点m与m+1之间飞行速度基于计划速度的调整量相对基本调速单位Δv的倍数，σi(m)∈Z；
Figure BDA0002691433090000034
Figure BDA0002691433090000035
Figure BDA0002691433090000036
Figure BDA0002691433090000037
Figure BDA0002691433090000038
Figure BDA0002691433090000039
Figure BDA0002691433090000041
Figure BDA0002691433090000042
Figure BDA0002691433090000043
Figure BDA0002691433090000044
Figure BDA0002691433090000045
Figure BDA0002691433090000046
Figure BDA0002691433090000047
Figure BDA0002691433090000048
t′i(m)：调整后的飞行计划i到达第m个航路点的过点时间；
Figure BDA0002691433090000049
调整后的飞行计划i到达第w个交叉点的过点时间。
进一步，所述根据参数和决策变量确定混合整数非线性规划模型的约束条件的方法包括：
所述约束条件包括：飞行计划选择约束、过点时间约束、航空器调速约束、航空器航向调整约束、航空器高度调整约束、交叉冲突判断约束、追赶冲突判断约束、扇区冲突调配负荷平衡性约束和航路点流控间隔约束。
进一步，所述飞行计划选择约束为：
Figure BDA00026914330900000410
以表示每架航班只能选择一个飞行计划执行；
所述过点时间约束为：
Figure BDA00026914330900000411
以表示航班依次到达各个航路点的调度过点时间的关系。
进一步，所述航空器调速约束为：
Figure BDA00026914330900000412
以表示航班在各个航路点之间飞行的飞行速度在所要求速度限制范围内；
Figure BDA0002691433090000051
以表示航班的速度调整量为调速基本单位Δv的σi(m)倍，σi(m)为整数；
Figure BDA0002691433090000052
以表示航班调速避免增速减速交替进行的情况；
Figure BDA0002691433090000053
以表示航班是否发生调速，若发生调速则Is(i)为1，若未发生则为0；
Figure BDA0002691433090000054
以表示对允许调整速度的航空器数量的限制。
进一步，所述航空器航向调整约束为：
Figure BDA00026914330900000510
以表示航向是否发生调整，J中飞行计划与A中航空器的序号对应关系为：航空器a对应的飞行计划分别为3a-2，3a-1和3a，其中初始飞行计划为3a-2，航向调整飞行计划分别为3a-1和3a，若发生航向调整，则Ih(a)为1，否则为0。
进一步，所述航空器高度调整约束为：
Figure BDA0002691433090000055
以表示各航路点只能分配一个高度层；
Figure BDA0002691433090000056
以表示多扇区出扇区点处的高度层保持原飞行计划的高度层不变；
Figure BDA0002691433090000057
以表示飞行计划是否发生高度层调整，如果发生调整，则
Figure BDA0002691433090000058
Il(i)为1，否则Il(i)为0；
Figure BDA0002691433090000059
以表示对允许调整高度层的航空器数量的限制。
进一步，所述交叉冲突判断约束为：
Figure BDA0002691433090000061
以表示交叉冲突飞行计划对中两架航空器所选择的飞行计划在交叉点m处是否位于同一高度层，位于同一高度层，则Hp(k)为0，否则Hp(k)为1；
Figure BDA0002691433090000062
以表示航空器在交叉点的过点时间与交叉点所在航路点m的调度过点时间t′i(m)以及航路点m与m+1之间的飞行时间Ti(m)的关系；
Figure BDA0002691433090000063
以表示交叉冲突飞行计划对中第一个飞行计划先于第二个飞行计划通过交叉点的情况下判断是否满足安全间隔的约束，若满足时间间隔，则Ap为1，否则为0；
Figure BDA0002691433090000064
以表示交叉冲突飞行计划对中第二个飞行计划先于第一个飞行计划通过交叉点的情况下是否满足安全间隔的约束，若满足时间间隔，则Bp为1，若不满足时间间隔，则Bp为0；
Figure BDA0002691433090000065
以表示第p对飞行计划中两航空器之间是否存在交叉冲突，其中：当P(J(p,1))＝1并且P(J(p,2))＝1时，两航空器选择交叉冲突飞行计划对p中的两个飞行计划，当
Figure BDA0002691433090000066
时，两航空器位于同一高度，当Ap＝Bp＝0时，两航空器之间不满足时间间隔，若存在则Cp为1，若不存在则Cp为0。
进一步，所述追赶冲突判断约束为：
Figure BDA0002691433090000071
以表示追赶冲突飞行计划对中两架航空器在共享航段是否位于同一高度层，位于同一高度层，则
Figure BDA0002691433090000072
为0，否则
Figure BDA0002691433090000073
为1；
Figure BDA0002691433090000074
以分别表示目标航空器过共享航段起始点和终止点的过点时间与共享航段所在航路点m的调度过点时间t′i(m)以及航路点m与m+1之间的飞行时间Ti(m)的关系；
Figure BDA0002691433090000075
以表示追赶冲突对中第一个飞行计划先于第二个飞行计划经过共享航段的情况下判断在共享航段起点是否满足安全间隔，若满足安全间隔，则
Figure BDA0002691433090000076
为1，否则为0；
Figure BDA0002691433090000077
以表示追赶冲突对中第二个飞行计划先于第一个飞行计划经过共享航段的情况下判断在共享航段起点是否满足安全间隔，若满足安全间隔，则
Figure BDA0002691433090000078
为1，否则为0；
Figure BDA0002691433090000079
以表示航空器在共享航段起始点是否存在追赶冲突，若存在，则
Figure BDA00026914330900000710
为1，否则
Figure BDA00026914330900000711
为0；
Figure BDA0002691433090000081
以表示追赶冲突对中第一个飞行计划先于第二个飞行计划经过共享航段的情况下判断在共享航段终点是否满足安全间隔，若满足安全间隔，则
Figure BDA0002691433090000082
为1，否则为0；
Figure BDA0002691433090000083
以表示追赶冲突对中第二个飞行计划先于第一个飞行计划经过共享航段的情况下判断在共享航段终点是否满足安全间隔，若满足安全间隔，则
Figure BDA0002691433090000084
为1，否则为0；
Figure BDA0002691433090000085
以表示航空器在共享航段终止点是否存在追赶冲突，若存在，则
Figure BDA0002691433090000086
为1，否则
Figure BDA0002691433090000087
为0；
Figure BDA0002691433090000088
以表示两航空器之间是否存在追赶冲突，若存在则
Figure BDA0002691433090000089
为1，若不存在则
Figure BDA00026914330900000810
为0。
进一步，所述扇区冲突调配负荷平衡性约束为：
Figure BDA00026914330900000811
以表示各个扇区内调整速度与高度的总次数与所有扇区平均调整次数的比值不超过λ，从而平衡各扇区的冲突调配工作负荷；
Figure BDA00026914330900000812
以表示在航路点m是否进行了调速，若航路点m没有进行调速，则
Figure BDA00026914330900000813
为0，若航路点m速度发生变化，则
Figure BDA00026914330900000814
为1；
Figure BDA0002691433090000091
以表示飞行计划中各航路点是否存在速度调整与该飞行计划是否存在速度调整之间的逻辑关系，飞行计划中某个航路点存在速度调整，则该飞行计划存在速度调整；
Figure BDA0002691433090000092
以表示航班在航路点m和m+1之间是否使用同一高度层k，若是，则Ui(m,k)为0，否则Ui(m,k)为1；
Figure BDA0002691433090000093
以表示航班在航路点m是否发生高度调整，如果发生调整，则
Figure BDA0002691433090000094
否则，
Figure BDA0002691433090000095
Figure BDA0002691433090000096
以表示飞行计划中各航路点是否存在高度调整与飞行计划是否存在高度调整之间的逻辑关系，飞行计划中某个航路点存在高度调整，则该飞行计划存在高度调整；
所述航路点流控间隔约束为：
Figure BDA0002691433090000097
Figure BDA0002691433090000098
以表示过流控点的任意两架航空器之间的时间间隔不得小于要求的时间间隔值。
进一步，所述构建混合整数非线性规划模型的目标函数的方法包括：
所述目标函数为：
Figure BDA0002691433090000099
其中，
Figure BDA0002691433090000101
Figure BDA0002691433090000102
Figure BDA0002691433090000103
Figure BDA0002691433090000104
Figure BDA0002691433090000105
f′k(X)为未归一化的目标函数；fk(X)为归一化后的目标函数；ωk表示各子目标函数的权重系数；
Figure BDA0002691433090000106
为归一化计算公式；maxf′k(X)为对各单目标最优解
Figure BDA0002691433090000107
所求得的f′k(Xl *)的最大值；f′1(X)表示多扇区内交叉冲突与追赶冲突的数量之和；f′2(X)表示进入多扇区之前的航班延误总量；f′3(X)表示多扇区内航班延误总量；f′4(X)表示多扇区内调速、调航向及调高度总次数。
另一方面，本发明还提供一种多扇区冲突探测与解脱混合整数非线性规划模型，包括：
参数、决策变量、约束条件和目标函数；
所述参数包括：E：交叉冲突的飞行计划对集合；
Figure BDA0002691433090000108
追赶冲突的飞行计划对集合；J：飞行计划集合；|J|：飞行计划的总数量；J(p,l)：E中第p对飞行计划中的第l个飞行计划，
Figure BDA0002691433090000109
中第p对飞行计划中的第l个飞行计划，
Figure BDA00026914330900001010
A：航班集合；|A|：航空器总数量；S：所规划范围内的所有扇区集合；K：可使用高度层集合；α：允许发生速度调整的航空器数量占比；β：允许发生高度层调整的航空器数量占比；λ：扇区内工作负荷与多扇区平均工作负荷的最大允许比值；Δv：速度调整的基本单位；
Figure BDA00026914330900001011
N(i)：飞行计划i包含的航路点数量；zi(m)：表示初始飞行计划i在航路点m飞行高度层；
Figure BDA0002691433090000111
航空器a的计划巡航速度；
Figure BDA0002691433090000112
航空器a的最大允许速度；
Figure BDA0002691433090000113
航空器a的最小允许速度；Di(m)：飞行计划i在航路点m与m+1之间的距离；ti(m)：飞行计划i经过第m个航路点时的计划过点时间；
Figure BDA0002691433090000114
不考虑进入多扇区之前的时间调整，航空器按照飞行计划i到达第m个航路点的最大可能时间；
Figure BDA0002691433090000115
不考虑进入多扇区之前的时间调整，航空器按照飞行计划i到达第m个航路点的最小可能时间；Sp：在E中的第p对飞行计划在航路交叉点所需最小时间间隔；W(i)：飞行计划i中交叉点的数量；di(w)：第w个交叉点与其前一个航路点之间的距离；
Figure BDA0002691433090000116
航路点m与共享航段的起始点之间的距离；
Figure BDA0002691433090000117
航路点m与共享航段的终止点之间的距离；
Figure BDA0002691433090000118
中的第p对飞行计划对i和j之间在共享航段CFS的起始点的终止点之间的最小间隔时间；
Figure BDA0002691433090000119
中第p对飞行计划的第l个飞行计划在共享航段起始点的过点时间；
Figure BDA00026914330900001110
中第p对飞行计划的第l个飞行计划在共享航段终止点的过点时间；FC：出扇区流控限制集合；
Figure BDA00026914330900001111
出扇区流控限制q相关受影响航班集合，q∈FC；
Figure BDA00026914330900001112
下游间隔计量值，即在预设流控点两架航空器经过时需要满足的时间间隔，q∈FC；
所述决策变量包括：
Figure BDA00026914330900001113
Figure BDA00026914330900001114
Figure BDA00026914330900001115
Figure BDA00026914330900001116
Figure BDA00026914330900001117
Figure BDA00026914330900001118
Figure BDA0002691433090000121
Ti(m)：表示飞行计划i中航路点m与m+1之间的飞行时间；
σi(m)：表示飞行计划i中航路点m与m+1之间飞行速度基于计划速度的调整量相对基本调速单位Δv的倍数，σi(m)∈Z；
Figure BDA0002691433090000122
Figure BDA0002691433090000123
Figure BDA0002691433090000124
Figure BDA0002691433090000125
Figure BDA0002691433090000126
Figure BDA0002691433090000127
Figure BDA0002691433090000128
Figure BDA0002691433090000129
Figure BDA0002691433090000131
Figure BDA0002691433090000132
Figure BDA0002691433090000133
Figure BDA0002691433090000134
Figure BDA0002691433090000135
Figure BDA0002691433090000136
t′i(m)：调整后的飞行计划i到达第m个航路点的过点时间；
Figure BDA0002691433090000137
调整后的飞行计划i到达第w个交叉点的过点时间；
所述约束条件包括：飞行计划选择约束、过点时间约束、航空器调速约束、航空器航向调整约束、航空器高度调整约束、交叉冲突判断约束、追赶冲突判断约束、扇区冲突调配负荷平衡性约束和航路点流控间隔约束；
所述目标函数为：
Figure BDA0002691433090000138
其中，
Figure BDA0002691433090000139
Figure BDA00026914330900001310
Figure BDA00026914330900001311
Figure BDA00026914330900001312
Figure BDA0002691433090000141
f′k(X)为未归一化的目标函数；fk(X)为归一化后的目标函数；ωk表示各子目标函数的权重系数；
Figure BDA0002691433090000142
为归一化计算公式；maxfk(X)为对各单目标最优解
Figure BDA0002691433090000143
所求得的f′k(Xl *)的最大值；f′1(X)表示多扇区内交叉冲突与追赶冲突的数量之和；f′2(X)表示进入多扇区之前的航班延误总量；f′3(X)表示多扇区内航班延误总量；f′4(X)表示多扇区内调速、调航向及调高度总次数。
本发明的有益效果是，本发明通过对混合整数非线性规划模型涉及的参数进行定义；确定混合整数非线性规划模型的决策变量；根据参数和决策变量确定混合整数非线性规划模型的约束条件；以及构建混合整数非线性规划模型的目标函数，实现了根据约束条件能同时考虑流量管理及空中交通管制实际运行约束，模型的优化目标综合考虑冲突解脱策略对航班运行和对管制工作负荷的影响，模型的决策对象涵盖入扇区之前分配的延误以及在多扇区内航空器的速度、高度层、航向调整等多种形式，能用于有效支撑流量管理与空中交通管制协调运行决策，解决多扇区内空管实际运行问题。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
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具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。
图1是本发明所涉及的多扇区冲突探测与解脱混合整数非线性规划模型的构建方法的流程图；
图2是本发明所涉及的多扇区空域场景示意图；
图3是本发明所涉及的包含航向机动调整下备选航路的多扇区空域场景示意图；
图4是本发明所涉及的交叉冲突及追赶冲突示意图；
图5是本发明所涉及的交叉冲突探测示意图；
图6是本发明所涉及的追赶冲突探测示意图。
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，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
实施例1
如图1所示，本实施例1提供了一种多扇区冲突探测与解脱混合整数非线性规划模型的构建方法，包括：对混合整数非线性规划模型涉及的参数进行定义；确定混合整数非线性规划模型的决策变量；根据参数和决策变量确定混合整数非线性规划模型的约束条件；以及构建混合整数非线性规划模型的目标函数，实现了根据约束条件能同时考虑流量管理及空中交通管制实际运行约束，模型的优化目标综合考虑冲突解脱策略对航班运行和对管制工作负荷的影响，模型的决策对象涵盖入扇区之前分配的延误以及在多扇区内航空器的速度、高度层、航向调整等多种形式，能用于有效支撑流量管理与空中交通管制协调运行决策，解决多扇区内空管实际运行问题。
在本实施例中，所述对混合整数非线性规划模型涉及的参数进行定义的方法包括：构建多扇区空域及交通仿真场景，对多扇区空域及交通仿真场景的数据进行预处理，并确定混合整数非线性规划模型涉及的参数定义；所构建多扇区空域及交通仿真场景示例图如图2所示，考虑航向机动调整下的备选航路的多扇区空域仿真场景示例图如图3所示，多扇区空域实例由四个相邻扇区构成，设置4条模拟航路，每条航路有2条备选航路，每条可选航路包括3个可用飞行高度层，交通仿真场景为沿原航路各有一架航班，每个航班可选飞行计划有3条，航班初始飞行计划示例如表1所示，航班备选飞行计划三维坐标示例如表2所示，航班备选飞行计划过点时间示例如表3所示，航班可选择使用飞行计划示例如表4所示：
表1：航班初始飞行计划表((x,y)单位为km,ti(m)单位为分钟)
Figure BDA0002691433090000151
表2：航班备选飞行计划三维坐标表((x,y)单位为km)
Figure BDA0002691433090000152
Figure BDA0002691433090000161
表3：航班备选飞行计划过点时间表(ti(m)单位为分钟)
Figure BDA0002691433090000162
表4：航班可选择使用飞行计划变量Ia(i)
Figure BDA0002691433090000163
如图4、图5和图6所示，进行数据预处理，获得可能存在交叉冲突的飞行计划对E和可能追赶冲突飞行计划对
Figure BDA0002691433090000164
如表5和表6所示：
表5可能存在交叉冲突的飞行计划对E
p 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
J(p,1) 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2
J(p,2) 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 4 5 6
p 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
J(p,1) 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3
J(p,2) 7 8 9 10 11 12 13 14 15 4 5 6 7 8 9
p 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45
J(p,1) 3 3 3 3 3 3 4 4 4 5 5 5 6 6 6
J(p,2) 10 11 12 13 14 15 7 8 9 7 8 9 7 8 9
表6可能存在追赶冲突的飞行计划对
Figure BDA0002691433090000171
Figure BDA0002691433090000172
参数的定义包括：E：可能存在交叉冲突的飞行计划对集合；
Figure BDA0002691433090000173
可能存在追赶冲突的飞行计划对集合；J：可飞的飞行计划集合；J：可飞的飞行计划的总数量；J(p,l)：E中第p对飞行计划中的第l个飞行计划，p∈E,l∈{1,2},J(p,l)∈J；
Figure BDA0002691433090000174
中第p对飞行计划中的第l个飞行计划，
Figure BDA0002691433090000175
A：航班集合；|A|：航空器总数量；S：所规划范围内的所有扇区集合；K：可使用高度层集合；α：允许发生速度调整的航空器数量占比；β：允许发生高度层调整的航空器数量占比；λ：扇区内工作负荷与多扇区平均工作负荷的最大允许比值；Δv：速度调整的基本单位，调速按照基本单位的倍数进行；
Figure BDA0002691433090000176
N(i)：飞行计划i包含的航路点数量；zi(m)：表示初始飞行计划i在航路点m飞行高度层；
Figure BDA0002691433090000177
航空器a的计划巡航速度；
Figure BDA0002691433090000178
航空器a的最大允许速度；
Figure BDA0002691433090000179
航空器a的最小允许速度Di(m)：飞行计划i在航路点m与m+1之间的距离；ti(m)：飞行计划i经过第m个航路点时的计划过点时间；
Figure BDA00026914330900001710
不考虑进入多扇区之前的时间调整，航空器按照飞行计划i到达第m个航路点的最大可能时间；
Figure BDA00026914330900001711
不考虑进入多扇区之前的时间调整，航空器按照飞行计划i到达第m个航路点的最小可能时间；Sp：在E中的第p对飞行计划在航路交叉点所需最小时间间隔；W(i)：飞行计划i中交叉点的数量；di(w)：第w个交叉点与其前一个航路点之间的距离；
Figure BDA0002691433090000181
航路点m与共享航段的起始点之间的距离；
Figure BDA0002691433090000182
航路点m与共享航段的终止点之间的距离；
Figure BDA0002691433090000183
中的第p对飞行计划对i和j之间在共享航段CFS的起始点的终止点之间的最小间隔时间；
Figure BDA0002691433090000184
中第p对飞行计划的第l个飞行计划在共享航段起始点的过点时间；
Figure BDA0002691433090000185
中第p对飞行计划的第l个飞行计划在共享航段终止点的过点时间；FC：出扇区流控限制集合；
Figure BDA0002691433090000186
出扇区流控限制q相关受影响航班集合，q∈FC；
Figure BDA0002691433090000187
下游间隔计量值，即在预设流控点两架航空器经过时需要满足的时间间隔，q∈FC。
在本实施例中，所述确定混合整数非线性规划模型的决策变量的方法包括：
Figure BDA0002691433090000188
Figure BDA0002691433090000189
Figure BDA00026914330900001810
Figure BDA00026914330900001811
Figure BDA00026914330900001812
Figure BDA00026914330900001813
Figure BDA00026914330900001814
Ti(m)：表示飞行计划i中航路点m与m+1之间的飞行时间；
σi(m)：表示飞行计划i中航路点m与m+1之间飞行速度基于计划速度的调整量相对基本调速单位Δv的倍数，σi(m)∈Z；
Figure BDA00026914330900001815
Figure BDA0002691433090000191
Figure BDA0002691433090000192
Figure BDA0002691433090000193
Figure BDA0002691433090000194
Figure BDA0002691433090000195
Figure BDA0002691433090000196
Figure BDA0002691433090000197
Figure BDA0002691433090000198
Figure BDA0002691433090000199
Figure BDA00026914330900001910
Figure BDA00026914330900001911
Figure BDA0002691433090000201
Figure BDA0002691433090000202
t′i(m)：调整后的飞行计划i到达第m个航路点的过点时间；
Figure BDA0002691433090000203
调整后的飞行计划i到达第w个交叉点的过点时间。
在本实施例中，所述根据参数和决策变量确定混合整数非线性规划模型的约束条件的方法包括：所述约束条件包括：飞行计划选择约束、过点时间约束、航空器调速约束、航空器航向调整约束、航空器高度调整约束、交叉冲突判断约束、追赶冲突判断约束、扇区冲突调配负荷平衡性约束和航路点流控间隔约束；
所述飞行计划选择约束为：
Figure BDA0002691433090000204
以表示每架航班只能选择一个飞行计划执行；
所述过点时间约束为：
Figure BDA0002691433090000205
以表示航班依次到达各个航路点的调度过点时间的关系；
所述航空器调速约束为：
Figure BDA0002691433090000206
以表示航班在各个航路点之间飞行的飞行速度在所要求速度限制范围内；
Figure BDA0002691433090000207
以表示航班的速度调整量为调速基本单位Δv的σi(m)倍，σi(m)为整数；
Figure BDA0002691433090000208
以表示航班调速避免增速减速交替进行的情况；
Figure BDA0002691433090000209
以表示航班是否发生调速，若发生调速则Is(i)为1，若未发生则为0；
Figure BDA00026914330900002010
以表示对允许调整速度的航空器数量的限制；
所述航空器航向调整约束为：
Figure BDA00026914330900002011
表示航向是否发生调整，J中飞行计划与A中航空器的序号对应关系为：航空器a对应的飞行计划分别为3a-2，3a-1和3a，其中初始飞行计划为3a-2，航向调整飞行计划分别为3a-1和3a，若发生航向调整，则Ih(a)为1，否则为0；
所述航空器高度调整约束为：
Figure BDA0002691433090000211
以表示各航路点只能分配一个高度层；
Figure BDA0002691433090000212
以表示多扇区出扇区点处的高度层保持原飞行计划的高度层不变；
Figure BDA0002691433090000213
以表示飞行计划是否发生高度层调整，如果发生调整，则
Figure BDA0002691433090000214
Il(i)为1，否则Il(i)为0；
Figure BDA0002691433090000215
以表示对允许调整高度层的航空器数量的限制；
所述交叉冲突判断约束为：
Figure BDA0002691433090000216
以表示交叉冲突飞行计划对中两架航空器所选择的飞行计划在交叉点m处是否位于同一高度层，位于同一高度层，则Hp(k)为0，否则Hp(k)为1；
Figure BDA0002691433090000217
以表示航空器在交叉点的过点时间与交叉点所在航路点m的调度过点时间t′i(m)以及航路点m与m+1之间的飞行时间Ti(m)的关系；
Figure BDA0002691433090000218
以表示交叉冲突飞行计划对中第一个飞行计划先于第二个飞行计划通过交叉点的情况下判断是否满足安全间隔的约束，若满足时间间隔，则Ap为1，否则为0，
Figure BDA0002691433090000221
为一个相对较大的数；
Figure BDA0002691433090000222
以表示交叉冲突飞行计划对中第二个飞行计划先于第一个飞行计划通过交叉点的情况下是否满足安全间隔的约束，若满足时间间隔，则Bp为1，若不满足时间间隔，则Bp为0，
Figure BDA0002691433090000223
为一个相对较大的数；
Figure BDA0002691433090000224
以表示第p对飞行计划中两航空器之间是否存在交叉冲突，其中：当P(J(p,1))＝1并且P(J(p,2))＝1时，两航空器选择交叉冲突飞行计划对p中的两个飞行计划，当
Figure BDA0002691433090000225
时，两航空器位于同一高度，当Ap＝Bp＝0时，两航空器之间不满足时间间隔，若存在则Cp为1，若不存在则Cp为0；
所述追赶冲突判断约束为：
Figure BDA0002691433090000226
以表示追赶冲突飞行计划对中两架航空器在共享航段是否位于同一高度层，位于同一高度层，则
Figure BDA0002691433090000227
为0，否则
Figure BDA0002691433090000228
为1；
Figure BDA0002691433090000229
以分别表示目标航空器过共享航段起始点和终止点的过点时间与共享航段所在航路点m的调度过点时间t′i(m)以及航路点m与m+1之间的飞行时间Ti(m)的关系；
Figure BDA0002691433090000231
以表示追赶冲突对中第一个飞行计划先于第二个飞行计划经过共享航段的情况下判断在共享航段起点是否满足安全间隔，若满足安全间隔，则
Figure BDA0002691433090000232
为1，否则为0，
Figure BDA0002691433090000233
为一个相对较大的数；
Figure BDA0002691433090000234
以表示追赶冲突对中第二个飞行计划先于第一个飞行计划经过共享航段的情况下判断在共享航段起点是否满足安全间隔，若满足安全间隔，则
Figure BDA0002691433090000235
为1，否则为0，
Figure BDA0002691433090000236
为一个相对较大的数；
Figure BDA0002691433090000237
以表示航空器在共享航段起始点是否存在追赶冲突，若存在，则
Figure BDA0002691433090000238
为1，否则
Figure BDA0002691433090000239
为0；
Figure BDA00026914330900002310
以表示追赶冲突对中第一个飞行计划先于第二个飞行计划经过共享航段的情况下判断在共享航段终点是否满足安全间隔，若满足安全间隔，则
Figure BDA00026914330900002311
为1，否则为0，
Figure BDA00026914330900002312
为一个相对较大的数；
Figure BDA00026914330900002313
以表示追赶冲突对中第二个飞行计划先于第一个飞行计划经过共享航段的情况下判断在共享航段终点是否满足安全间隔，若满足安全间隔，则
Figure BDA00026914330900002314
为1，否则为0，
Figure BDA00026914330900002315
为一个相对较大的数；
Figure BDA00026914330900002316
以表示航空器在共享航段终止点是否存在追赶冲突，若存在，则
Figure BDA00026914330900002317
为1，否则
Figure BDA00026914330900002318
为0；
Figure BDA0002691433090000241
以表示两航空器之间是否存在追赶冲突，若存在则
Figure BDA0002691433090000242
为1，若不存在则
Figure BDA0002691433090000243
为0；
所述扇区冲突调配负荷平衡性约束为：
Figure BDA0002691433090000244
以表示各个扇区内调整速度与高度的总次数与所有扇区平均调整次数的比值不超过λ，从而平衡各扇区的冲突调配工作负荷；
Figure BDA0002691433090000245
以表示航路点m-1和m之间与航路点m和m+1之间速度是否发生了变化，即在航路点m是否进行了调速，若航路点m没有进行调速，则
Figure BDA0002691433090000246
为0，若航路点m速度发生变化，则
Figure BDA0002691433090000247
为1，M为一个较大的数；
Figure BDA0002691433090000248
以表示飞行计划中各航路点是否存在速度调整与该飞行计划是否存在速度调整之间的逻辑关系，飞行计划中某个航路点存在速度调整，则该飞行计划存在速度调整；
Figure BDA0002691433090000249
以表示航班在航路点m和m+1之间是否使用同一高度层k，若是，则Ui(m,k)为0，否则Ui(m,k)为1；
Figure BDA00026914330900002410
以表示航班在航路点m是否发生高度调整，如果发生调整，则
Figure BDA00026914330900002411
否则，
Figure BDA00026914330900002412
Figure BDA0002691433090000251
以表示飞行计划中各航路点是否存在高度调整与飞行计划是否存在高度调整之间的逻辑关系，飞行计划中某个航路点存在高度调整，则该飞行计划存在高度调整；
所述航路点流控间隔约束为：
Figure BDA0002691433090000252
Figure BDA0002691433090000253
以表示下游出扇区航班之间的时间间隔约束，即过流控点的任意两架航空器之间的时间间隔不得小于要求的时间间隔值。
在本实施例中，所述构建混合整数非线性规划模型的目标函数的方法包括：
所述目标函数为：
Figure BDA0002691433090000254
其中，
Figure BDA0002691433090000255
Figure BDA0002691433090000256
Figure BDA0002691433090000257
Figure BDA0002691433090000258
Figure BDA0002691433090000259
f′k(X)为未归一化的目标函数；fk(X)为归一化后的目标函数；ωk表示各子目标函数的权重系数；
Figure BDA0002691433090000261
为归一化计算公式；maxf′k(X)为对各单目标最优解
Figure BDA0002691433090000262
所求得的f′k(Xl *)的最大值；f′1(X)表示多扇区内交叉冲突与追赶冲突的数量之和；f′2(X)表示进入多扇区之前的航班延误总量；f′3(X)表示多扇区内航班延误总量；f′4(X)表示多扇区内调速、调航向及调高度总次数；对入扇区之前的延误分配以及多扇区内航空器的速度、高度层、航向调整进行优化决策，模型(混合整数非线性规划模型)约束条件同时考虑流量管理及空中交通管制实际运行约束，包括：飞行计划选择约束、过点时间约束、航空器调速约束、航空器航向调整约束、航空器高度调整约束、交叉冲突判断约束、追赶冲突判断约束、扇区冲突调配负荷平衡性约束和航路点流控间隔约束等，模型优化目标综合考虑冲突解脱策略对航班运行和对管制工作负荷的影响，对减少冲突数量、入扇区前延误、多扇区内延误、扇区内航班机动调整量多个目标在进行归一化处理后通过线性加权转化为单个优化目标进行处理，所建模型能有效解决流量管理约束以及管制运行安全间隔约束下的航班优化调配，提高航班运行安全性，减少不必要的航班延误。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例2还提供一种多扇区冲突探测与解脱混合整数非线性规划模型，包括：
参数、决策变量、约束条件和目标函数(混合整数非线性规划模型的目标函数)；
所述参数包括：E：交叉冲突的飞行计划对集合；
Figure BDA0002691433090000263
追赶冲突的飞行计划对集合；J：飞行计划集合；|J|：飞行计划的总数量；J(p,l)：E中第p对飞行计划中的第l个飞行计划，p∈E,l∈{1,2},J(p,l)∈J；
Figure BDA0002691433090000264
中第p对飞行计划中的第l个飞行计划，
Figure BDA0002691433090000265
A：航班集合；|A|：航空器总数量；S：所规划范围内的所有扇区集合；K：可使用高度层集合；α：允许发生速度调整的航空器数量占比；β：允许发生高度层调整的航空器数量占比；λ：扇区内工作负荷与多扇区平均工作负荷的最大允许比值；Δv：速度调整的基本单位；
Figure BDA0002691433090000266
Figure BDA0002691433090000271
N(i)：飞行计划i包含的航路点数量；zi(m)：表示初始飞行计划i在航路点m飞行高度层；
Figure BDA0002691433090000272
航空器a的计划巡航速度；
Figure BDA0002691433090000273
航空器a的最大允许速度；
Figure BDA0002691433090000274
航空器a的最小允许速度；Di(m)：飞行计划i在航路点m与m+1之间的距离；ti(m)：飞行计划i经过第m个航路点时的计划过点时间；
Figure BDA0002691433090000275
不考虑进入多扇区之前的时间调整，航空器按照飞行计划i到达第m个航路点的最大可能时间；
Figure BDA0002691433090000276
不考虑进入多扇区之前的时间调整，航空器按照飞行计划i到达第m个航路点的最小可能时间；Sp：在E中的第p对飞行计划在航路交叉点所需最小时间间隔；W(i)：飞行计划i中交叉点的数量；di(w)：第w个交叉点与其前一个航路点之间的距离；
Figure BDA0002691433090000277
航路点m与共享航段的起始点之间的距离；
Figure BDA0002691433090000278
航路点m与共享航段的终止点之间的距离；
Figure BDA0002691433090000279
中的第p对飞行计划对i和j之间在共享航段CFS的起始点的终止点之间的最小间隔时间；
Figure BDA00026914330900002710
中第p对飞行计划的第l个飞行计划在共享航段起始点的过点时间；
Figure BDA00026914330900002711
中第p对飞行计划的第l个飞行计划在共享航段终止点的过点时间；FC：出扇区流控限制集合；
Figure BDA00026914330900002712
出扇区流控限制q相关受影响航班集合，q∈FC；
Figure BDA00026914330900002713
下游间隔计量值，即在预设流控点两架航空器经过时需要满足的时间间隔，q∈FC；
所述决策变量包括：
Figure BDA00026914330900002714
Figure BDA00026914330900002715
Figure BDA00026914330900002716
Figure BDA00026914330900002717
Figure BDA00026914330900002718
Figure BDA0002691433090000281
Figure BDA0002691433090000282
Ti(m)：表示飞行计划i中航路点m与m+1之间的飞行时间；
σi(m)：表示飞行计划i中航路点m与m+1之间飞行速度基于计划速度的调整量相对基本调速单位Δv的倍数，σi(m)∈Z；
Figure BDA0002691433090000283
Figure BDA0002691433090000284
Figure BDA0002691433090000285
Figure BDA0002691433090000286
Figure BDA0002691433090000287
Figure BDA0002691433090000288
Figure BDA0002691433090000289
Figure BDA0002691433090000291
Figure BDA0002691433090000292
Figure BDA0002691433090000293
Figure BDA0002691433090000294
Figure BDA0002691433090000295
Figure BDA0002691433090000296
Figure BDA0002691433090000297
t′i(m)：调整后的飞行计划i到达第m个航路点的过点时间；
Figure BDA0002691433090000298
调整后的飞行计划i到达第w个交叉点的过点时间；
所述约束条件包括：飞行计划选择约束、过点时间约束、航空器调速约束、航空器航向调整约束、航空器高度调整约束、交叉冲突判断约束、追赶冲突判断约束、扇区冲突调配负荷平衡性约束和航路点流控间隔约束；
所述目标函数为：
Figure BDA0002691433090000299
其中，
Figure BDA00026914330900002910
Figure BDA00026914330900002911
Figure BDA00026914330900002912
Figure BDA0002691433090000301
Figure BDA0002691433090000302
f′k(X)为未归一化的目标函数；fk(X)为归一化后的目标函数；ωk表示各子目标函数的权重系数；
Figure BDA0002691433090000303
为归一化计算公式；maxf′k(X)为对各单目标最优解
Figure BDA0002691433090000304
所求得的
Figure BDA0002691433090000305
的最大值；f′1(X)表示多扇区内交叉冲突与追赶冲突的数量之和；f′2(X)表示进入多扇区之前的航班延误总量；f′3(X)表示多扇区内航班延误总量；f′4(X)表示多扇区内调速、调航向及调高度总次数。
在本实施例中，混合整数非线性规划模型的目标函数的构建方法适于采用实施例1中涉及的多扇区冲突探测与解脱混合整数非线性规划模型的构建方法实现参数的定义，决策变量的确定、约束条件的确定，以及目标函数的构建。
综上所述，本发明通过对混合整数非线性规划模型涉及的参数进行定义；确定混合整数非线性规划模型的决策变量；根据参数和决策变量确定混合整数非线性规划模型的约束条件；以及构建混合整数非线性规划模型的目标函数，实现了根据约束条件能同时考虑流量管理及空中交通管制实际运行约束，模型的优化目标综合考虑冲突解脱策略对航班运行和对管制工作负荷的影响，模型的决策对象涵盖入扇区之前分配的延误以及在多扇区内航空器的速度、高度层、航向调整等多种形式，能用于有效支撑流量管理与空中交通管制协调运行决策，解决多扇区内空管实际运行问题。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (14)

1.一种多扇区冲突探测与解脱混合整数非线性规划模型的构建方法，其特征在于，包括：
对混合整数非线性规划模型涉及的参数进行定义；
确定混合整数非线性规划模型的决策变量；
根据参数和决策变量确定混合整数非线性规划模型的约束条件；以及
构建混合整数非线性规划模型的目标函数。
2.如权利要求1所述的构建方法，其特征在于，
所述对混合整数非线性规划模型涉及的参数进行定义的方法包括：
构建多扇区空域及交通仿真场景，对多扇区空域及交通仿真场景的数据进行预处理，并确定混合整数非线性规划模型涉及的参数定义；
参数的定义包括：
E：交叉冲突的飞行计划对集合；
Figure FDA0002691433080000011
追赶冲突的飞行计划对集合；
J：飞行计划集合；
|J|：飞行计划的总数量；
J(p,l)：E中第p对飞行计划中的第l个飞行计划，p∈E,l∈{1,2},J(p,l)∈J；
Figure FDA0002691433080000012
Figure FDA0002691433080000013
中第p对飞行计划中的第l个飞行计划，
Figure FDA0002691433080000018
A：航班集合；
|A|：航空器总数量；
S：所规划范围内的所有扇区集合；
K：可使用高度层集合；
α：允许发生速度调整的航空器数量占比；
β：允许发生高度层调整的航空器数量占比；
λ：扇区内工作负荷与多扇区平均工作负荷的最大允许比值；
Δv：速度调整的基本单位；
Figure FDA0002691433080000016
Figure FDA0002691433080000017
N(i)：飞行计划i包含的航路点数量；
zi(m)：表示初始飞行计划i在航路点m飞行高度层；
Figure FDA0002691433080000021
航空器a的计划巡航速度；
Figure FDA0002691433080000022
航空器a的最大允许速度；
Figure FDA0002691433080000023
航空器a的最小允许速度；
Di(m)：飞行计划i在航路点m与m+1之间的距离；
ti(m)：飞行计划i经过第m个航路点时的计划过点时间；
Figure FDA0002691433080000024
不考虑进入多扇区之前的时间调整，航空器按照飞行计划i到达第m个航路点的最大可能时间；
Figure FDA0002691433080000025
不考虑进入多扇区之前的时间调整，航空器按照飞行计划i到达第m个航路点的最小可能时间；
Sp：在E中的第p对飞行计划在航路交叉点所需最小时间间隔；
W(i)：飞行计划i中交叉点的数量；
di(w)：第w个交叉点与其前一个航路点之间的距离；
Figure FDA0002691433080000026
航路点m与共享航段的起始点之间的距离；
Figure FDA0002691433080000027
航路点m与共享航段的终止点之间的距离；
Figure FDA0002691433080000028
Figure FDA0002691433080000029
中的第p对飞行计划对i和j之间在共享航段CFS的起始点的终止点之间的最小间隔时间；
Figure FDA00026914330800000210
Figure FDA00026914330800000211
中第p对飞行计划的第l个飞行计划在共享航段起始点的过点时间；
Figure FDA00026914330800000212
Figure FDA00026914330800000213
中第p对飞行计划的第l个飞行计划在共享航段终止点的过点时间；
FC：出扇区流控限制集合；
Figure FDA00026914330800000214
出扇区流控限制q相关受影响航班集合，q∈FC；
Figure FDA00026914330800000215
下游间隔计量值，即在预设流控点两架航空器经过时需要满足的时间间隔，q∈FC。
3.如权利要求1所述的构建方法，其特征在于，
所述确定混合整数非线性规划模型的决策变量的方法包括：
Figure FDA00026914330800000216
Figure FDA00026914330800000217
Figure FDA0002691433080000031
Figure FDA0002691433080000032
Figure FDA0002691433080000033
Figure FDA0002691433080000034
Figure FDA0002691433080000035
Ti(m)：表示飞行计划i中航路点m与m+1之间的飞行时间；
σi(m)：表示飞行计划i中航路点m与m+1之间飞行速度基于计划速度的调整量相对基本调速单位Δv的倍数，σi(m)∈Z；
Figure FDA0002691433080000036
Figure FDA0002691433080000037
Figure FDA0002691433080000038
Figure FDA0002691433080000039
Figure FDA00026914330800000310
Figure FDA0002691433080000041
Figure FDA0002691433080000042
Figure FDA0002691433080000043
Figure FDA0002691433080000044
Figure FDA0002691433080000045
Figure FDA0002691433080000046
Figure FDA0002691433080000047
Figure FDA0002691433080000048
Figure FDA0002691433080000049
t′i(m)：调整后的飞行计划i到达第m个航路点的过点时间；
Figure FDA00026914330800000410
调整后的飞行计划i到达第w个交叉点的过点时间。
4.如权利要求1所述的构建方法，其特征在于，
所述根据参数和决策变量确定混合整数非线性规划模型的约束条件的方法包括：
所述约束条件包括：飞行计划选择约束、过点时间约束、航空器调速约束、航空器航向调整约束、航空器高度调整约束、交叉冲突判断约束、追赶冲突判断约束、扇区冲突调配负荷平衡性约束和航路点流控间隔约束。
5.如权利要求4所述的构建方法，其特征在于，
所述飞行计划选择约束为：
Figure FDA00026914330800000411
以表示每架航班只能选择一个飞行计划执行；
所述过点时间约束为：
Figure FDA00026914330800000412
以表示航班依次到达各个航路点的调度过点时间的关系。
6.如权利要求4所述的构建方法，其特征在于，
所述航空器调速约束为：
Figure FDA0002691433080000051
以表示航班在各个航路点之间飞行的飞行速度在所要求速度限制范围内；
Figure FDA0002691433080000052
以表示航班的速度调整量为调速基本单位Δv的σi(m)倍，σi(m)为整数；
Figure FDA0002691433080000053
以表示航班调速避免增速减速交替进行的情况；
Figure FDA0002691433080000054
以表示航班是否发生调速，若发生调速则Is(i)为1，若未发生则为0；
Figure FDA0002691433080000055
以表示对允许调整速度的航空器数量的限制。
7.如权利要求4所述的构建方法，其特征在于，
所述航空器航向调整约束为：
Figure FDA0002691433080000056
以表示航向是否发生调整，J中飞行计划与A中航空器的序号对应关系为：航空器a对应的飞行计划分别为3a-2，3a-1和3a，其中初始飞行计划为3a-2，航向调整飞行计划分别为3a-1和3a，若发生航向调整，则Ih(a)为1，否则为0。
8.如权利要求4所述的构建方法，其特征在于，
所述航空器高度调整约束为：
Figure FDA0002691433080000057
以表示各航路点只能分配一个高度层；
Figure FDA0002691433080000058
以表示多扇区出扇区点处的高度层保持原飞行计划的高度层不变；
Figure FDA0002691433080000061
以表示飞行计划是否发生高度层调整，如果发生调整，则
Figure FDA0002691433080000062
Il(i)为1，否则Il(i)为0；
Figure FDA0002691433080000063
以表示对允许调整高度层的航空器数量的限制。
9.如权利要求4所述的构建方法，其特征在于，
所述交叉冲突判断约束为：
Figure FDA0002691433080000064
以表示交叉冲突飞行计划对中两架航空器所选择的飞行计划在交叉点m处是否位于同一高度层，位于同一高度层，则Hp(k)为0，否则Hp(k)为1；
Figure FDA0002691433080000065
以表示航空器在交叉点的过点时间与交叉点所在航路点m的调度过点时间t′i(m)以及航路点m与m+1之间的飞行时间Ti(m)的关系；
Figure FDA0002691433080000066
以表示交叉冲突飞行计划对中第一个飞行计划先于第二个飞行计划通过交叉点的情况下判断是否满足安全间隔的约束，若满足时间间隔，则Ap为1，否则为0；
Figure FDA0002691433080000067
以表示交叉冲突飞行计划对中第二个飞行计划先于第一个飞行计划通过交叉点的情况下是否满足安全间隔的约束，若满足时间间隔，则Bp为1，若不满足时间间隔，则Bp为0；
Figure FDA0002691433080000071
以表示第p对飞行计划中两航空器之间是否存在交叉冲突，其中：当P(J(p,1))＝1并且P(J(p,2))＝1时，两航空器选择交叉冲突飞行计划对p中的两个飞行计划，当
Figure FDA0002691433080000072
时，两航空器位于同一高度，当Ap＝Bp＝0时，两航空器之间不满足时间间隔，若存在则Cp为1，若不存在则Cp为0。
10.如权利要求4所述的构建方法，其特征在于，
所述追赶冲突判断约束为：
Figure FDA0002691433080000073
以表示追赶冲突飞行计划对中两架航空器在共享航段是否位于同一高度层，位于同一高度层，则
Figure FDA0002691433080000074
为0，否则
Figure FDA0002691433080000075
为1；
Figure FDA0002691433080000076
以分别表示目标航空器过共享航段起始点和终止点的过点时间与共享航段所在航路点m的调度过点时间t′i(m)以及航路点m与m+1之间的飞行时间Ti(m)的关系；
Figure FDA0002691433080000077
以表示追赶冲突对中第一个飞行计划先于第二个飞行计划经过共享航段的情况下判断在共享航段起点是否满足安全间隔，若满足安全间隔，则
Figure FDA0002691433080000078
为1，否则为0；
Figure FDA0002691433080000079
以表示追赶冲突对中第二个飞行计划先于第一个飞行计划经过共享航段的情况下判断在共享航段起点是否满足安全间隔，若满足安全间隔，则
Figure FDA0002691433080000081
为1，否则为0；
Figure FDA0002691433080000082
以表示航空器在共享航段起始点是否存在追赶冲突，若存在，则
Figure FDA0002691433080000083
为1，否则
Figure FDA0002691433080000084
为0；
Figure FDA0002691433080000085
以表示追赶冲突对中第一个飞行计划先于第二个飞行计划经过共享航段的情况下判断在共享航段终点是否满足安全间隔，若满足安全间隔，则
Figure FDA0002691433080000086
为1，否则为0；
Figure FDA0002691433080000087
以表示追赶冲突对中第二个飞行计划先于第一个飞行计划经过共享航段的情况下判断在共享航段终点是否满足安全间隔，若满足安全间隔，则
Figure FDA0002691433080000088
为1，否则为0；
Figure FDA0002691433080000089
以表示航空器在共享航段终止点是否存在追赶冲突，若存在，则
Figure FDA00026914330800000810
为1，否则
Figure FDA00026914330800000811
为0；
Figure FDA00026914330800000812
以表示两航空器之间是否存在追赶冲突，若存在则
Figure FDA00026914330800000813
为1，若不存在则
Figure FDA00026914330800000814
为0。
11.如权利要求4所述的构建方法，其特征在于，
所述扇区冲突调配负荷平衡性约束为：
Figure FDA00026914330800000815
以表示各个扇区内调整速度与高度的总次数与所有扇区平均调整次数的比值不超过λ，从而平衡各扇区的冲突调配工作负荷；
Figure FDA0002691433080000091
以表示在航路点m是否进行了调速，若航路点m没有进行调速，则
Figure FDA0002691433080000092
为0，若航路点m速度发生变化，则
Figure FDA0002691433080000093
为1；
Figure FDA0002691433080000094
以表示飞行计划中各航路点是否存在速度调整与该飞行计划是否存在速度调整之间的逻辑关系，飞行计划中某个航路点存在速度调整，则该飞行计划存在速度调整；
Figure FDA0002691433080000095
以表示航班在航路点m和m+1之间是否使用同一高度层k，若是，则Ui(m,k)为0，否则Ui(m,k)为1；
Figure FDA0002691433080000096
以表示航班在航路点m是否发生高度调整，如果发生调整，则
Figure FDA0002691433080000097
否则，
Figure FDA0002691433080000098
Figure FDA0002691433080000099
以表示飞行计划中各航路点是否存在高度调整与飞行计划是否存在高度调整之间的逻辑关系，飞行计划中某个航路点存在高度调整，则该飞行计划存在高度调整。
12.如权利要求4所述的构建方法，其特征在于，
所述航路点流控间隔约束为：
Figure FDA00026914330800000910
Figure FDA0002691433080000101
以表示过流控点的任意两架航空器之间的时间间隔不得小于要求的时间间隔值。
13.如权利要求1所述的构建方法，其特征在于，
所述构建混合整数非线性规划模型的目标函数的方法包括：
所述目标函数为：
Figure FDA0002691433080000102
其中，
Figure FDA0002691433080000103
Figure FDA0002691433080000104
Figure FDA0002691433080000105
Figure FDA0002691433080000106
Figure FDA0002691433080000107
f′k(X)为未归一化的目标函数；fk(X)为归一化后的目标函数；ωk表示各子目标函数的权重系数；
Figure FDA0002691433080000108
为归一化计算公式；maxf′k(X)为对各单目标最优解
Figure FDA0002691433080000109
所求得的
Figure FDA00026914330800001010
的最大值；f′1(X)表示多扇区内交叉冲突与追赶冲突的数量之和；f′2(X)表示进入多扇区之前的航班延误总量；f′3(X)表示多扇区内航班延误总量；f′4(X)表示多扇区内调速、调航向及调高度总次数。
14.一种多扇区冲突探测与解脱混合整数非线性规划模型，其特征在于，包括：
参数、决策变量、约束条件和目标函数；
所述参数包括：
E：交叉冲突的飞行计划对集合；
Figure FDA00026914330800001011
追赶冲突的飞行计划对集合；
J：飞行计划集合；
|J|：飞行计划的总数量；
J(p,l)：E中第p对飞行计划中的第l个飞行计划，p∈E,l∈{1,2},J(p,l)∈J；
Figure FDA0002691433080000111
Figure FDA0002691433080000112
中第p对飞行计划中的第l个飞行计划，
Figure FDA0002691433080000113
A：航班集合；
|A|：航空器总数量；
S：所规划范围内的所有扇区集合；
K：可使用高度层集合；
α：允许发生速度调整的航空器数量占比；
β：允许发生高度层调整的航空器数量占比；
λ：扇区内工作负荷与多扇区平均工作负荷的最大允许比值；
Δv：速度调整的基本单位；
Figure FDA0002691433080000114
Figure FDA0002691433080000115
N(i)：飞行计划i包含的航路点数量；
zi(m)：表示初始飞行计划i在航路点m飞行高度层；
Figure FDA0002691433080000116
航空器a的计划巡航速度；
Figure FDA0002691433080000117
航空器a的最大允许速度；
Figure FDA0002691433080000118
航空器a的最小允许速度；
Di(m)：飞行计划i在航路点m与m+1之间的距离；
ti(m)：飞行计划i经过第m个航路点时的计划过点时间；
Figure FDA0002691433080000119
不考虑进入多扇区之前的时间调整，航空器按照飞行计划i到达第m个航路点的最大可能时间；
Figure FDA00026914330800001110
不考虑进入多扇区之前的时间调整，航空器按照飞行计划i到达第m个航路点的最小可能时间；
Sp：在E中的第p对飞行计划在航路交叉点所需最小时间间隔；
W(i)：飞行计划i中交叉点的数量；
di(w)：第w个交叉点与其前一个航路点之间的距离；
Figure FDA0002691433080000121
航路点m与共享航段的起始点之间的距离；
Figure FDA0002691433080000122
航路点m与共享航段的终止点之间的距离；
Figure FDA0002691433080000123
Figure FDA0002691433080000124
中的第p对飞行计划对i和j之间在共享航段CFS的起始点的终止点之间的最小间隔时间；
Figure FDA0002691433080000125
Figure FDA0002691433080000126
中第p对飞行计划的第l个飞行计划在共享航段起始点的过点时间；
Figure FDA0002691433080000127
Figure FDA0002691433080000128
中第p对飞行计划的第l个飞行计划在共享航段终止点的过点时间；
FC：出扇区流控限制集合；
Figure FDA0002691433080000129
出扇区流控限制q相关受影响航班集合，q∈FC；
Figure FDA00026914330800001210
下游间隔计量值，即在预设流控点两架航空器经过时需要满足的时间间隔，q∈FC；
所述决策变量包括：
Figure FDA00026914330800001211
Figure FDA00026914330800001212
Figure FDA00026914330800001213
Figure FDA00026914330800001214
Figure FDA00026914330800001215
Figure FDA00026914330800001216
Figure FDA00026914330800001217
Ti(m)：表示飞行计划i中航路点m与m+1之间的飞行时间；
σi(m)：表示飞行计划i中航路点m与m+1之间飞行速度基于计划速度的调整量相对基本调速单位Δv的倍数，σi(m)∈Z；
Figure FDA0002691433080000131
Figure FDA0002691433080000132
Figure FDA0002691433080000133
Figure FDA0002691433080000134
Figure FDA0002691433080000135
Figure FDA0002691433080000136
Figure FDA0002691433080000137
Figure FDA0002691433080000138
Figure FDA0002691433080000139
Figure FDA0002691433080000141
Figure FDA0002691433080000142
Figure FDA0002691433080000143
Figure FDA0002691433080000144
Figure FDA0002691433080000145
t′i(m)：调整后的飞行计划i到达第m个航路点的过点时间；
Figure FDA0002691433080000146
调整后的飞行计划i到达第w个交叉点的过点时间；
所述约束条件包括：飞行计划选择约束、过点时间约束、航空器调速约束、航空器航向调整约束、航空器高度调整约束、交叉冲突判断约束、追赶冲突判断约束、扇区冲突调配负荷平衡性约束和航路点流控间隔约束；
所述目标函数为：
Figure FDA0002691433080000147
其中，
Figure FDA0002691433080000148
Figure FDA0002691433080000149
Figure FDA00026914330800001410
Figure FDA00026914330800001411
Figure FDA00026914330800001412
f′k(X)为未归一化的目标函数；fk(X)为归一化后的目标函数；ωk表示各子目标函数的权重系数；
Figure FDA0002691433080000151
为归一化计算公式；maxf′k(X)为对各单目标最优解
Figure FDA0002691433080000152
所求得的
Figure FDA0002691433080000153
的最大值；f′1(X)表示多扇区内交叉冲突与追赶冲突的数量之和；f′2(X)表示进入多扇区之前的航班延误总量；f′3(X)表示多扇区内航班延误总量；f′4(X)表示多扇区内调速、调航向及调高度总次数。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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CN116312072A (zh) * 2023-03-21 2023-06-23 中国人民解放军93209部队 一种基于空域网格的航迹运行冲突解耦控制方法

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