CN112489498B - 一种航路交通精细改航规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航路交通精细改航规划方法，属于空中交通管理领域。该方法首先获取危险天气影响空域内的航路网络结构、各航班速度限制、危险天气范围、航班计划、各航班的目的机场进场容量等信息，然后分别以全部航班总延误损失最小、全部航班引导指令最少为目标，约束条件包括航段可用性约束、航段连续性约束、航路一致性约束、航班唯一性约束、安全间隔约束、航班速度约束、目的机场进场容量约束，进而建立航路交通精细改航多目标优化模型，最后求解模型，得到非劣解集，形成航路交通协同改航规划策略。本发明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。

Description

一种航路交通精细改航规划方法

技术领域

本发明属于空中交通管理领域，特别涉及一种可应用于空中交通流量管理、空域与流量协同管理的多航班协同改航实现方法。

背景技术

空中交通管理中的改航规划一般根据飞行受限区分布、飞行特点、空域环境等条件，以一定目标优化改航路径和飞行时间，满足航班飞行习惯、航空器性能、管制规则等要求，主要方法包括基于多边形的改航路径规划法、基于网格的改航路径规划法、基于可视图和权重的改航路径规划法、基于已有航路点的改航路径规划法、基于标准进离场程序的改航路径规划法、基于自由飞行的改航路径规划法、基于椭圆边界的改航路径规划法等以及将改航规划与流量管理相结合的方法。现有研究大多基于偏离固定航路航线的理念规划最优航线，尽管在缩短航程和飞行时间等方面效果显著，但增加了管制员引导绕飞的工作负荷，而且对空域限制考虑不足；将改航规划与流量管理相结合的方法充分利用现有航路航线、优化空中交通流，能有效克服上述缺点，适合解决大量航班构成的航路交通改航问题，但现有研究一般根据空域或机场容量为航路交通中的各航班配置时长相对固定的时隙，对航路交通管理的灵活性有待提高，且对管制员负荷考虑不足。目前尚缺少一种针对航路交通、综合考虑航路飞行冲突与管制负荷的改航规划实现方法。

发明内容

发明目的：本发明要解决的技术问题是：根据危险天气影响空域内的航路网络结构、可用航段、航班计划、各航班的目的机场进场容量等条件，分别以全部航班总延误损失最小、全部航班引导指令最少为目标，建立航路交通精细改航多目标优化模型，为每个航班合理安排进离场时刻、改航航线及其航段上的速度配置，在有效控制管制负荷的同时实现航路资源的精细化使用，减少航班延误，保障改航环境下航路交通安全、有序运行。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种航路交通精细改航规划方法，包括如下步骤：

步骤1：构建空域资源信息平台，获取危险天气影响空域内的航路网络结构、各航班速度限制、危险天气范围、航班计划、各航班的目的机场进场容量信息；

步骤2：以全部航班总延误损失最小为目标，建立目标函数；

步骤3：以全部航班引导指令最少为目标，建立目标函数；

步骤4：根据航路交通管理、航班改航的一般性要求，将航段可用性约束、航段连续性约束、航路一致性约束、航班唯一性约束、安全间隔约束、航班速度约束建立为约束条件；

步骤5：根据步骤2、步骤3建立的目标函数和步骤4建立的约束条件，建立航路交通精细改航多目标优化模型；

步骤6：采用启发式算法求解步骤5构建的航路交通精细改航多目标优化模型，形成航路交通协同改航策略，明确每个航班在起飞机场的实际离场时刻、在目的机场的实际进场时刻、改航航线及其在各航段上的速度；

步骤7：通过步骤1构建的空域资源信息平台，发布航路交通协同改航策略。

在一种实现方式中，步骤2中以全部航班总延误损失最小为目标建立目标函数为：

其中，c_i ^g表示航班i的地面延误成本，1≤i≤I，I为航班总数，ε是延误控制系数，etd_i表示航班i在起飞机场的计划离场时刻，rtd_i表示航班i在起飞机场的实际离场时刻。

在一种实现方式中，步骤3中航班引导指令包括改变航向、调速，以全部航班引导指令最少为目标建立目标函数为：

其中，y_ij、z_ij为决策变量，表示为：

其中，hea_j表示航段L_j的航线角，1≤j≤J，J为航段总数，e_j ^s表示航段L_j的起点，e_j ^f表示航段L_j的终点，对于航段L_j与航段L_k，若e_j ^s＝e_k ^f，则航段L_k是航段L_j的紧前航段；v_i ^j表示航班i在航段L_j上速度。

在一种实现方式中，步骤4中建立约束条件如下：

x_ij＝0,航段L_j不可用,1≤i≤I,1≤j≤J为航段可用性约束，表示危险天气影响下航班不能飞行的航段，其中x_ij为决策变量，表示为：

为航段连续性约束，表示分配给每个航班的航段必须连接为一条完整的航路；

为航路一致性约束，表示实际进入或退出危险天气影响空域的航路点必须与计划航路点相同，其中ent_i表示航班i进入危险天气影响空域的计划航路点，ext_i表示航班i退出危险天气影响空域的计划航路点；

为航班唯一性约束，表示每个航班有且仅有一条航路，其中A表示危险天气影响空域内的航路网络中能够组成一条完整航路的最大航段数，C_J ^A表示从危险天气影响空域内的航路网络的全部航段J中抽取A个航段的组合，

为安全间隔约束，表示危险天气影响空域内航路网络中的航段交叉点的飞行冲突避让，其中

表示航班i距航段L_j的终点e_j ^f的距离，

表示航班m距航段L_k的终点e_k ^f的距离，Sep表示间隔标准；

在航段L_j上是恒定值,1≤i≤I,1≤j≤J为航班速度约束，表示每个航班航路飞行的速度限制且在同一航段上航班速度不变，其中V_i ^min、V_i ^max分别表示航班i航路飞行的最小速度和最大速度；

为目的机场进场容量约束，表示到达同一目的机场的航班之间满足时间间隔要求，其中T^h表示目的机场h(1≤h≤H，H为目的机场总数)两进场航班之间的最小时间间隔，rta_i ^h表示航班i到达目的机场h的实际到达时刻，表示为：

其中，fly_i ¹表示航班i从起飞机场飞行至危险天气影响空域的进入点的空中飞行时间，fly_i ²表示航班i从危险天气影响空域的退出点飞行至目的机场的空中飞行时间，seg_j表示危险天气影响空域内的航路网络中航段L_j的长度。

在一种实现方式中，步骤5中构建航路交通精细改航多目标优化模型如下：

有益效果：

1、为危险天气影响空域条件下的大航班量精细化改航及航路交通管理提供了一种实现方法；

2、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。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明的方法流程图。

图2为航路交通改航运行示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明。

如图2所示，某空域存在多条交叉航路，航路结构较为复杂，飞越该空域的航班分别来自多个起飞机场，到多个目的机场着陆。当部分航路受危险天气等因素影响时，可能出现部分航段不可用或容量下降的情况，需根据航班飞行性能、目的机场进场容量等条件，科学安排地面等待，优化航班进离场时刻、改航航线及速度，优化航路交通改航秩序，最大程度地利用空域资源，有效降低管制负荷。

如图1所示，本发明公开了一种航路交通精细改航规划方法，包括如下步骤：

步骤1：构建空域资源信息平台，获取危险天气影响空域内的航路网络结构、各航班速度限制、危险天气范围、航班计划、各航班的目的机场进场容量信息；

步骤2：以全部航班总延误损失最小为目标，建立目标函数；

步骤3：以全部航班引导指令最少为目标，建立目标函数；

步骤4：根据航路交通管理、航班改航的一般性要求，将航段可用性约束、航段连续性约束、航路一致性约束、航班唯一性约束、安全间隔约束、航班速度约束建立为约束条件；

步骤5：根据步骤2、步骤3建立的目标函数和步骤4建立的约束条件，建立航路交通精细改航多目标优化模型；

步骤6：采用启发式算法求解步骤5构建的航路交通精细改航多目标优化模型，形成航路交通协同改航策略，明确每个航班在起飞机场的实际离场时刻、在目的机场的实际进场时刻、改航航线及其在各航段上的速度；本实施例中采用的启发式算法为遗传算法。

步骤7：通过步骤1构建的空域资源信息平台，发布航路交通协同改航策略。

本实施例中，步骤2中以全部航班总延误损失最小为目标建立目标函数为：

其中，c_i ^g表示航班i(1≤i≤I，I为航班总数)的地面延误成本，ε是延误控制系数，etd_i表示航班i在起飞机场的计划离场时刻，rtd_i表示航班i在起飞机场的实际离场时刻。

本实施例中，步骤3中航班引导指令包括改变航向、调速，以全部航班引导指令最少为目标建立目标函数为：

其中，y_ij、z_ij为决策变量，表示为：

其中，hea_j表示航段L_j的航线角，1≤j≤J，J为航段总数，e_j ^s表示航段L_j的起点，e_j ^f表示航段L_j的终点，对于航段L_j与航段L_k，若e_j ^s＝e_k ^f，则航段L_k是航段L_j的紧前航段；

表示航班i在航段L_j上速度。

本实施例中，步骤4中建立约束条件如下：

x_ij＝0,航段L_j不可用,1≤i≤I,1≤j≤J为航段可用性约束，表示危险天气影响下航班不能飞行的航段，其中x_ij为决策变量，表示为：

为航段连续性约束，表示分配给每个航班的航段必须连接为一条完整的航路；

为航路一致性约束，表示实际进入或退出危险天气影响空域的航路点必须与计划航路点相同，其中ent_i表示航班i进入危险天气影响空域的计划航路点，ext_i表示航班i退出危险天气影响空域的计划航路点；

为航班唯一性约束，表示每个航班有且仅有一条航路，其中A表示危险天气影响空域内的航路网络中能够组成一条完整航路的最大航段数，

表示从危险天气影响空域内的航路网络的全部航段J中抽取A个航段的组合，

为安全间隔约束，表示危险天气影响空域内航路网络中的航段交叉点的飞行冲突避让，其中

表示航班i距航段L_j的终点e_j ^f的距离，

表示航班m距航段L_k的终点e_k ^f的距离，Sep表示间隔标准；

在航段L_j上是恒定值,1≤i≤I,1≤j≤J为航班速度约束，表示每个航班航路飞行的速度限制且在同一航段上航班速度不变，其中V_i ^min、V_i ^max分别表示航班i航路飞行的最小速度和最大速度；

为目的机场进场容量约束，表示到达同一目的机场的航班之间满足时间间隔要求，其中T^h表示目的机场h(1≤h≤H，H为目的机场总数)两进场航班之间的最小时间间隔，

表示航班i到达目的机场h的实际到达时刻，表示为：

其中，fly_i ¹表示航班i从起飞机场飞行至危险天气影响空域的进入点的空中飞行时间，fly_i ²表示航班i从危险天气影响空域的退出点飞行至目的机场的空中飞行时间，seg_j表示危险天气影响空域内的航路网络中航段L_j的长度。

本实施例中，步骤5中构建航路交通精细改航多目标优化模型如下：

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。

本发明提供了一种航路交通精细改航规划方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种航路交通精细改航规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：构建空域资源信息平台，获取危险天气影响空域内的航路网络结构、各航班速度限制、危险天气范围、航班计划和各航班的目的机场进场容量信息；

步骤2：以全部航班总延误损失最小为目标，建立目标函数；

步骤3：以全部航班引导指令最少为目标，建立目标函数；

步骤4：将航段可用性约束、航段连续性约束、航路一致性约束、航班唯一性约束、安全间隔约束和航班速度约束建立为约束条件；

步骤5：根据步骤2、步骤3建立的目标函数和步骤4建立的约束条件，建立航路交通精细改航多目标优化模型；

步骤6：采用启发式算法求解步骤5构建的航路交通精细改航多目标优化模型，形成航路交通协同改航策略，明确每个航班在起飞机场的实际离场时刻、在目的机场的实际进场时刻、改航航线及其在各航段上的速度；

步骤7：通过步骤1构建的空域资源信息平台，发布航路交通协同改航策略；

步骤2中以全部航班总延误损失最小为目标建立目标函数为：

其中，c_i ^g表示航班i的地面延误成本，1≤i≤I，I为航班总数，ε是延误控制系数，etd_i表示航班i在起飞机场的计划离场时刻，rtd_i表示航班i在起飞机场的实际离场时刻；

步骤3中航班引导指令包括改变航向、调速，以全部航班引导指令最少为目标建立目标函数为：

其中，y_ij、z_ij为决策变量，表示为：

其中，hea_j表示航段L_j的航线角，1≤j≤J，J为航段总数，e_j ^s表示航段L_j的起点，e_j ^f表示航段L_j的终点，对于航段L_j与航段L_k，若e_j ^s＝e_kf，则航段L_k是航段L_j的紧前航段；v_i ^j表示航班i在航段L_j上速度；

步骤4中建立约束条件如下：

x_ij＝0,航段L_j不可用,1≤i≤I,1≤j≤J为航段可用性约束，表示危险天气影响下航班不能飞行的航段，其中x_ij为决策变量，表示为：

为航段连续性约束，表示分配给每个航班的航段必须连接为一条完整的航路；

为航路一致性约束，表示实际进入或退出危险天气影响空域的航路点必须与计划航路点相同，其中ent_i表示航班i进入危险天气影响空域的计划航路点，ext_i表示航班i退出危险天气影响空域的计划航路点；

为航班唯一性约束，表示每个航班有且仅有一条航路，其中A表示危险天气影响空域内的航路网络中能够组成一条完整航路的最大航段数，C_J ^A表示从危险天气影响空域内的航路网络的全部航段J中抽取A个航段的组合，

为安全间隔约束，表示危险天气影响空域内航路网络中的航段交叉点的飞行冲突避让，其中

表示航班i距航段L_j的终点e_j ^f的距离，

表示航班m距航段L_k的终点e_k ^f的距离，Sep表示间隔标准；

在航段L_j上是恒定值,1≤i≤I,1≤j≤J为航班速度约束，表示每个航班航路飞行的速度限制且在同一航段上航班速度不变，其中V_i ^min、V_i ^max分别表示航班i航路飞行的最小速度和最大速度；

为目的机场进场容量约束，表示到达同一目的机场的航班之间满足时间间隔要求，其中T^h表示目的机场h两进场航班之间的最小时间间隔，1≤h≤H，H为目的机场总数，rta_i ^h表示航班i到达目的机场h的实际到达时刻，表示为：

其中，fly_i ¹表示航班i从起飞机场飞行至危险天气影响空域的进入点的空中飞行时间，fly_i ²表示航班i从危险天气影响空域的退出点飞行至目的机场的空中飞行时间，seg_j表示危险天气影响空域内的航路网络中航段L_j的长度；

步骤5中构建航路交通精细改航多目标优化模型如下：

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