CN112185179A - 基于多维空间的航路利用率评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多维空间的航路利用率评估方法，该方法所用评估模型为：航路利用率＝δ₁×航路时空利用率+δ₂×航路容量利用率，其中所述航路时空为由飞行时间、飞行航路和飞行高度形成的三维时空。本发明通过构建抽象的三维立体空间研究航路时空利用率，再融合航路容量利用率的方式对航路利用率进行了评估，评估过程直观且具有通用性，评估结果精确。

Description

基于多维空间的航路利用率评估方法

技术领域

本发明涉及航路利用率评估方法的技术领域。

背景技术

航路利用率是飞机对空域环境的利用能力，是空域利用程度的指标。获得精确的航路利用率是了解航路资源利用程度的基础。而航路利用率在不同时段、不同航路上存在差异，且随航路运行时间特征的不同发生显著变化，通过常规统计难以得到准确结果。

近年来，现有技术对航路利用率的研究多集中于研究短时利用率，且是以确定的时间、空间条件为基础，研究航路容量利用率，并未实现时间、空间及容流三个角度的综合研究。如部分现有技术提出了基于流量需求的航路短时利用率计算模型，部分现有技术建立了基于高度层的航路短时利用率模型，部分现有技术建立了综合区域管制空域利用率计算模型。以上模型均只能计算短时利用率，且未考虑各类飞机在航路上运行的常用时段不同对航路利用率的影响，未实现多维影响因素的综合评估。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新的航路利用率评估方法，其可获得多维度、高精度的航路利用率结果。

为实现上述目的，本发明首先提出了如下的技术方案：

基于多维空间的航路利用率评估方法，其通过评估模型对航路利用率进行评估，所述评估模型如下：

航路利用率＝δ₁×航路时空利用率+δ₂×航路容量利用率，

其中，δ₁、δ₂分别表示航路时空利用率、航路容量利用率在航路利用中的权重值。

在一些优选实施方式中，所述时空为由飞行时间、飞行航路和飞行高度形成的三维时空。

在一些优选实施方式中，所述三维时空在三个维度的单位向量分别为：飞机飞越最小标准间隔所需的最短时长，飞机间最小标准间隔的距离，及高度层标准中的标准高度。

在一些优选实施方式中，所述航路时空利用率η_tl通过如下的模型获得：

其中，所述三维空间中的立方小方格为在时间-航路-高度层形成的三维空间图中，根据所述单位向量将其划分后得到的立体方块。

在一些优选实施方式中，所述航路容量利用率通过如下的航路容量利用率模型获得：

其中，f表示飞机的实际流量，其通过统计在给定时间片内某一高度层给定航路段上、飞行的飞机数量获得，F表示飞机的最大容量。

在一些优选实施方式中，所述航路容量利用率为对全部fl高度层的航路容量利用率η_f的加和求平均值，如下：

在一些优选实施方式中，所述权重值通过CRITIC权重法确定。

在一些优选实施方式中，所述评估模型如下：

其中，fl表示全部高度层。

本发明具有以下有益效果：

本发明在评估过程中构建了基于时间-航路-高度层三个维度的时空模型，提出一种新的基于多维空间的航路利用率评估方法。

本发明通过构建抽象的三维立体空间研究航路时空利用率，再融合航路容量利用率的方式对航路利用率进行了评估，其融合了时间、空间、容流三个方面的因素，评估过程直观且具有通用性，评估结果精确，可为飞机的运行和调度提供更准确有效的决策信息。

附图说明

图1为具体实施方式所述航路利用率获取流程示意图。

图2为具体实施方式所述航路时空利用率获取流程示意图。

图3为具体实施方式所述航路容量利用率获取流程示意图。

图4为具体实施方式所述时间-航路-高度层三维空间划分示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。

在下述具体实施方式及实施例中，模型符合以下标准：

维度标准：

“维”是几何学及空间理论中的一个基本概念，是一个度量单位，表示构成空间的每个参数。维数的度量由参数的个数确定，如在空间几何中：空间由一条无数点组成的线构成，有一个度量单位时，称为一维；空间由一个无数条线组成的面构成，有两个度量单位时，称为二维；空间由无数个面构成，有三个度量单位时，称为三维。一维至三维的演变过程就是由线到面再到体的过程。当一个事物由x个参数决定时，可构建x维空间对该事物进行研究。

多维空间中包括多个参数，受多种因素的影响。x维空间中包含x个度量单位，包括x个单位向量。如，三维空间中含有三个度量单位，有三个单位向量，可用三维坐标系构建三维空间。

高度层标准：

根据《中华人民共和国飞行基本规则》中规定：航路、航线飞行或转场飞行的垂直间隔，按照飞行高度层配备。其中，600米至8400米，每隔300米为一个高度层；8400米至8900米，隔500米为一个高度层；8900米至12500米，每隔300米为一个高度层；12500米以上，每隔600米为一个高度层。飞机在航路上飞行时，必须按照标准的飞行高度层飞行。

飞行间隔标准：

为保障飞机的运行安全，飞机在航路上飞行时，需保持一定间隔，特别需要最小间隔标准的要求。如：(1)同航迹，同高度目视飞行的航空器之间纵向间隔为：指示空速250公里/小时(含)以上的航空器之间为5公里；指示空速250公里/小时以下的航空器之间为2公里。(2)仪表飞行规则中，同航迹、同高度、不同速度飞行的航空器，纵向间隔为10分钟。

在上述标准的基础下，本发明通过如附图1所示的获得流程获取航路利用率模型。

其中，

设定其可通过航路时空利用率及航路容量利用率获得，即本发明的基础航路利用率模型如下：

航路利用率＝δ₁×航路时空利用率+δ₂×航路容量利用率，

其中，δ₁、δ₂分别表示航路时空利用率、航路容量利用率在航路利用中的权重值。

上述模型特别适用于如下的应用条件：

(1)飞机飞行过程中，在固定时段内，航路的容量不受恶劣天气等环境因素的影响，是固定不变的。

(2)飞机在固定时段内，以平均巡航速度飞行，未发生穿越高度层现象，不出现超越，不考虑在航路交叉点附近的运行。

进一步的，其中航路时空利用率的获得可通过构建基于时间、航路、高度层三个维度的多维时空模型获得，其获取流程如附图2所示。

其中，

其具体获取过程如下：

首先对时间段、航路段及高度层进行划分。

其中，将时间段划分为时间片，划分优选：(1)时间片不能过大或过小，若时间片的选取过大，则获得的航路利用率的精确性不高；若时间片选取过小，在各时间片内，航路上的飞机架次数均为零，导致则该航路的时空利用率及容量利用率均为零，使得模型结果无意义；(2)时间片的划分需与航路段长短的选取相适应，如在航段较长的情况下，在较短的时间片内即可出现一架飞机；而选取的航段较短时，时间片较长时才会出现一架飞机。

具体划分方法可如：将给定的时段[0,T_t]划分为若干时间片[0,T₁]，[T₁,T₂]，…，[T_t-1,T_t]。本发明设定时间片长度为飞机飞越最小标准间隔所需的时间，并取最小时间作为时间片长度。

并将航路划分为航路段，划分优选：(1)航段的不能过大或过小，若航段的选取过大，则获得的航路利用率精确性不高；若航段的选取过小，在各航段内，飞机的架次数均为零，导致则该航路的时空利用率及容量利用率均为零，使得模型结果无意义。(2)航段的划分需与时间片长短的选取相适应。如在时间片较长的情况下，在较短的航段内即可出现一架飞机；而选取的时间片较短时，航段较长时才会出现一架飞机。

具体划分方法可如：将给定的航路[0,L_l]划分为若干航段[0,L₁]，[L₁,L₂]，…，[L_l-1,L_l]。依据飞机运行特点及航路利用率计算方法给定航路段划分标准。本发明设定航路段为飞机间的最小标准间隔的距离，并取最小间隔距离为航路段长度。

将高度层按所述高度层标准中的标准高度间隔作为单位向量，即600米至8400米，每隔300米为一个单位向量；8400米至8900米，隔500米为一个单位向量；8900米至12500米，每隔300米为一个单位向量；12500米以上，每隔600米为一个单位向量。

根据上述划分，可得到分别以最小时间间隔，最小距离间隔，标准飞行高度层高度为单位向量的时间-航路-高度层三维时空模型。

在上述三维时空模型下，如附图4所示，进一步可获得航路时空利用率η_tl如下：

其中，所述三维空间中的立方小方格为在时间-航路-高度层形成的三维空间图中，根据上述单位向量将其划分后得到的立体方块，用立体小方块的数量表示给定时段内固定航路的实际可用时空资源的度量值。

在本发明设定的上述单位向量下，各立体小方块中最多只有一架飞机。

在具体统计时，依据飞机所在的时间片、航路段、高度层，可确定飞机所在立体小方块的位置，通过统计含有飞机的立体小方块的数量，可确定航路上飞机实际占用时空资源的度量值。

进一步的，评估模型中所述航路容量利用率可通过如附图3所示的获取流程得到。

其中，

其具体获取过程如下：

首先对时段、航路段进行划分。划分过程与获得前述时空利用率的过程相同。

在某一高度层上，若在部分时间片内部分航路段上有飞机飞行，则将这些飞机计入实际流量f，最大容量为实际可服务的最多飞机架次F，则该高度层的容量利用率η_f为：

对全部fl高度层的航路容量利用率η_f加和求平均，可得航路容量利用率η'_f为：

基于所得航路时空利用率和航路容量利用率，并结合其各自的权重可获得航路利用率。其中各权重可通过CRITIC权重法确定。

所述CRITIC权重法是一种客观赋权法，通过确定各指标间的对比强度及冲突性确定各指标的权重值。其中，指标间的对比强度体现了同一指标对不同样本取值的差异性大小；指标间的冲突性体现了各指标间相关性的强弱。为度量某一指标的冲突性强弱，可通过计算

的值实现，其中，ε_mn表示第m个指标与第n个指标的相关系数。令指标m所含的信息量为Y，则

λ_m为指标间对比强度的大小。将Y_m进行归一化处理，即可得到第m个指标的客观权重δ_m。

指标间的对比强度越大，说明其波动性越大，权重值会越高；指标间的冲突性越大，说明指标间的相关系数越大，权重值就越低。

具体的，通过以下过程获得各自权重：

首先计算各指标的航路利用率对不同样本取值的差异性大小，即选取多个航路计算各航路的时空利用率及容量利用率，确定各指标对不同航路的利用率取值的差异λ_m。

其后计算两个指标间的冲突性，可通过计算

来实现。

继而得到各指标所包含的信息量

并对其进行归一化处理，得到航路时空利用率、航路容量利用率的权重δ₁、δ₂，且δ₁+δ₂＝1。

具体计算过程可设置如下：

首先选取x个航路，计算各航路的时空利用率ω_1x、容量利用率ω_2x，用标准差确定时空利用率及容量利用率的对比强度λ_m，m＝1,2。接着，计算时空利用率及容量利用率间的相关系数ε_mn，m＝1,2，n＝1,2，确定时空利用率及容量利用率所含的信息量

最后，将Y_m进行归一化处理，即可得到时空利用率及容量利用率指标的权重δ_m，

综合可得到如下的航路利用率η模型：

实施例1

通过以下过程进行本发明的航路利用率评估：

选取某航路，以某日1小时为研究时段，设定时间片为飞机飞越最小尾流间隔所需的时间：5分钟，则可将该时段划分为12个时间片，将时间片作为时间的单位向量。将给定的航路划分为若干航段，设定航路段为飞机间的最小标准间隔：10千米，将航路段作为航路的单位向量。将高度层按所述高度层标准中的标准高度间隔作为单位向量，即600米至8400米，每隔300米为一个单位向量；8400米至8900米，隔500米为一个单位向量；8900米至12500米，每隔300米为一个单位向量；12500米以上，每隔600米为一个单位向量。

(1)航路时空利用率的计算：

根据上述划分，可得到分别以最小时间间隔，最小距离间隔，标准飞行高度层高度为单位向量的时间-航路-高度层三维时空模型。其中，所述三维空间中的立方小方格为在时间-航路-高度层形成的三维空间图中，根据上述单位向量将其划分后得到的立体方块，用立体小方块的数量表示给定时段内固定航路的实际可用时空资源的度量值。通过统计含有飞机的立体小方块的数量，可确定航路上飞机实际占用时空资源。统计可得：航路可用时空资源的度量值为1512，航路上飞机实际占用时空资源的度量值为1045。计算可得：航路时空利用率为0.69。

(2)航路容量利用率的计算：

在某一高度层上，若在部分时间片内的部分航路段上有飞机飞行，则将这些飞机计入实际流量，最大容量为实际可服务的最多飞机架次，则该高度层的容量利用率为：实际流量与最大容量的比值。如：时间片[5,10]内，在FL330高度层共有两个航段上有飞机运行，飞机类型为一个大型机、一个中型机，飞机实际流量为2。时间片内给定航路的FL330高度层可供2架大型机、1架中型机运行，最大容量为3。则该时间片内的容量利用率为：0.67。其他时间片内FL330高度层的容量利用率计算方法与其类似。对FL330高度层全部时间片内的航路容量利用率加和求平均，可得该高度层的平均容量利用率为：0.70。对全部高度层的航路容量利用率加和求平均，可得航路容量利用率为：0.73。

(3)航路利用率的计算：

首先选取四个航路，明确研究时段，依据上述方法分别计算各航路的时空利用率、容量利用率，得到航路利用率统计表如表1所示

表1航路利用率统计表

用标准差确定时空利用率、容量利用率的对比强度，可得：时空利用率、容量利用率的对比强度分别为0.063、0.073。接着，计算时空利用率与容量利用率的相关系数，可得：时空利用率与容量利用率的相关系数为0.973。由表达式

可得：各利用率所含的信息量分别为：时空利用率0.0017，容量利用率0.0019。最后，将信息量进行归一化处理，即可得到时空利用率及容量利用率指标的权重分别为：0.47，0.53。

代入航路利用率模型，

计算可得：航路利用率为：0.711。

上述过程融合了时空利用率及容量利用率，建立了多维空间研究航路利用率，给出的航路利用率评估效果好。

以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于多维空间的航路利用率评估方法，其特征在于：通过评估模型对航路利用率进行评估，所述评估模型如下：

航路利用率＝δ₁×航路时空利用率+δ₂×航路容量利用率，

其中，δ₁、δ₂分别表示航路时空利用率、航路容量利用率在航路利用中的权重值。

2.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于：所述时空为由飞行时间、飞行航路和飞行高度形成的三维时空。

3.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于：所述三维时空在三个维度的单位向量分别为：飞机飞越最小标准间隔所需的最短时长，飞机间最小标准间隔的距离，及高度层标准中的标准高度。

4.根据权利要求3所述的评估方法，其特征在于：所述航路时空利用率η_tl通过如下的模型获得：

其中，所述三维空间中的立方小方格为在时间-航路-高度层形成的三维空间图中，根据所述单位向量将其划分后得到的立体方块。

5.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于：所述航路容量利用率通过如下的航路容量利用率模型获得：

其中，f表示飞机的实际流量，其通过统计在给定时间片内某一高度层给定航路段上、飞行的飞机数量获得，F表示飞机的最大容量。

6.根据权利要求7所述的评估方法，其特征在于：所述航路容量利用率为对全部fl高度层的航路容量利用率η_f的加和求平均值，如下：

7.根据权利要求1-6中任一项所述的评估方法，其特征在于：所述权重值通过CRITIC权重法确定。

8.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于：所述评估模型如下：

其中，fl表示全部高度层。

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