CN113408907B - 空中交通管制系统威胁影响分析方法、系统及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空中交通管制系统威胁影响分析方法、系统及设备，包括构建机场‑航路‑扇区网络拓扑结构；确定约束条件及目标函数，并获取航班实际路径；利用系统正常运行延误和系统受到威胁后的延误，得到当前威胁影响对比结果；根据不同威胁影响对比结果，得到空中交通管制系统威胁影响分析结果；本发明通过构建机场‑航路‑扇区网络拓扑结构，能够同时或分别对机场网络、航路网络及扇区网络的外界威胁进行模拟；采用机场排队模型对地面延误的描述，采用航班实际路径对空中延误，实现对空中交通管制系统延误产生的真实体现，有效体现系统内部的相互作用；以系统运行延误为指标，实现对外界威胁的量化，直观体现威胁影响大小。
Description
技术领域
本发明属于空中交通技术领域，特别涉及一种空中交通管制系统威胁影响分析方法、系统及设备。
背景技术
空中交通管制系统利用通信、导航技术和监控手段对飞机飞行活动进行监视和控制，保证飞行安全和飞行秩序；同时，空中交通管制系统还负责飞机航线的规划，有效的维护和促进空中交通安全，维护空中交通秩序，保障空中交通畅通；空中交通管制系统包括空中交通服务、空中交通流量管理和空域管理三大部分；空中交通管制系统将飞行航线的空域划分为不同的管理空域，包括航路、飞行情报管理区、进近管理区、塔台管理区及等待空域管理区等，并要求飞机在不同的飞行阶段按照所处管理区的不同与不同交通管制设施(例如：导航设备、雷达系统、二次雷达、通信设备及地面控制中心)进行通信，实现交通管制系统对覆盖区域内的飞机进行监视、识别及导引，确保飞机安全飞行。
随着航空运输需求的不断增长，航空器的数量越来越多，对空中交通流量管制的要求也逐渐增高；现代空中交通管制系统通过越来越多的使用数字技术来加强对空域的控制和感知，减少交通堵塞和延误现象的出现，例如，美国的下一代航空运输系统(NextGeneration Air Transportation System,NextGen)，欧洲的SESAR(Single EuropeanSky’s ATM Research)；通过提高空域系统的安全性、效率、容量、可访问性、灵活性、可预测性和弹性，同时减少对环境的影响，利用卫星技术、数据链技术及计算机网络技术的结合，实现从传统管制的“路边到路边”到精确管制“门到门”引导。
空中交通管制系统是一个典型网络物理系统(Cyber Physical System，CPS)，通过将计算、通信及控制集成在一起来实现预期的性能，尽管在结合新兴数字技术后，能够在理想状态达到更好的控制和更少的延迟，有效改善空中管制的效率；但同时其系统的威胁面也被扩展，其中在物理层面，一些典型的故障和物理设备的攻击也同样对空中交通管制系统造成影响；在网络层面，空中交通管制系统对信息系统的严重依赖，并随着信息网络威胁的不断发展，会带来更高的网络威胁；美国联邦航空局的报告也指出，需要提高国家空域系统(National Airspace System，NAS)的网络安全和恢复能力。在真实世界中，对空中交通系统的黑客入侵也确实存在，系统的中断频率也越来越高，故障和威胁正变的越来越普遍、多样和有影响力。
空中交通管制系统是一个复杂且相互作用的系统，系统的破坏会在整个航空运输网络中引起复杂的传播影响，从而使网络调度和路由复杂化，降低系统效率，甚至影响飞行安全；因此，对空中交通管制系统威胁影响分析显得尤为重要。为了优化现有系统，合理的进行航班安排，增强系统中脆弱节点的保护，提高空中交通管制系统的安全性、鲁棒性和弹性，必须对空中交通管制系统进行合理的建模和分析。
现有的空中交通管制系统的威胁分析方法主要分为两个方面：第一，从网络拓扑结构的角度对空中交通管制系统进行建模分析，是将研究主体作为节点，在具有相互作用的节点间设置连边；通过这种方式来构建系统在不同层面下的网络拓扑，并加以利用复杂网络等科学理论对其进行研究；第二，除了对网络拓扑结构的研究外，结合延误、流量和效益等动力学特性对空中交通管制系统进行建模分析也取得了许多重要成果和发现；然而现有的方法主要存在以下几个方面不足：第一，系统的威胁分析要素考虑较为单一，仅利用机场或扇区的某一要素进行分析；第二，分析方法忽略了空中交通管制系统本身的特性，所建立的模型无法反映真实的系统特点；第三，系统所受威胁影响评价指标仅使用复杂网络理论的典型拓扑指标进行评判，没有较为直观的反映；第四，威胁影响分析方法无法体现系统内部复杂的相互作用特性。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种空中交通管制系统威胁影响分析方法、系统及设备，以解决现有的系统威胁分析要素单一，忽略空中交通管制系统本身特性，无法反映真实系统特点，无法体现系统内部的相互作用的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供了一种空中交通管制系统威胁影响分析方法，包括以下步骤：
构建待分析空中交通管制系统的机场-航路-扇区网络拓扑结构；
确定待分析空中交通管制系统的约束条件及目标函数，并获取航班实际路径；
当待分析空中交通管制系统未受威胁时，构建机场正常排队模型，计算待分析空中交通管制系统中所有航班的总延误时间，即得到系统正常运行延误；
当待分析空中交通管制系统受到威胁时，根据外界威胁特征，对航班实际路径进行更新；并构建受威胁机场排队模型；计算在当前威胁下，待分析空中交通管制系统中所有航班的总延误时间，即得到系统受到威胁后的延误；
利用系统正常运行延误和系统受到威胁后的延误，得到当前威胁影响对比结果；
根据不同威胁影响对比结果，得到空中交通管制系统威胁影响分析结果。
进一步的，机场-航路-扇区网络拓扑结构包括机场网络层、航路网络层及扇区网络层；
机场网络层中，将机场作为机场网络节点，具有航班直飞连接的两个机场连线作为机场网络连边；航路网络层中，将机场点和航路点作为航路网络节点，具有航路设定的航路网络节点连线作为航路网络连边，采用标准仪表离场程序和标准进场程序，构建有向网络，得到航路网络层；扇区网络层中，将空域中的每个扇区作为扇区网络节点，具有航班交接的扇区网络节点连线作为扇区网络连边；其中，机场网络层中的机场网络节点与航路网络层中的机场点一一对应，机场网络节点和航路网络节点分别与扇区网络节点之间存在隶属关系。
进一步的，待分析空中交通管制系统的约束条件包括机场容量限制、扇区容量限制及航班飞行路径长度限制；
其中，机场容量限制为在预设时间段内机场能够处理的航班起飞和着陆程序的最大次数；扇区容量限制为在任何时刻，扇区能够同时提供管制服务的最大飞机数；航班飞行路径长度限制为航班直飞飞机所携带的燃油使飞机能够飞行的最大长度；
待分析空中交通管制系统的目标函数为航班的实际延误。
进一步的，航班实际路径为待分析空中交通管制系统的目标函数值达到最小所对应的航班飞行路径。
进一步的，计算系统正常运行延误过程如下：
根据机场特点，设置航班之间的安全间隔参数；
将待分析时间段划分为若干时间部分，根据航班之间的安全间隔参数，按时间顺序对每个时间部分的航班起降程序进行判定，得到机场正常排队模型；
按照机场正常排队模型及航班实际路径，执行所有航班的起降程序，计算得到所有航班执行起降程序完毕后的总延误时间，即得到系统正常运行延误。
进一步的，计算系统受到威胁后的延误过程如下：
根据不同的威胁方式、威胁持续时间及威胁目标的影响特点，对待分析空中交通管制系统的约束条件进行更新，并结合待分析空中交通管制系统的目标函数，对航班实际路径进行更新，得到更新后的航班实际路径；
根据机场特点及系统受到威胁对机场的影响，设置威胁影响下航班之间的安全间隔参数；
将待分析时间段划分为若干时间部分，根据威胁影响下航班之间的安全间隔参数，按时间顺序对每个时间部分的航班起降程序进行判定，得到受威胁机场排队模型；
按照受威胁机场排队模型及更新后的航班实际路径，执行所有航班的起降程序，计算得到所有航班执行起降程序完毕后的总延误时间，即得到系统受威胁后的延误。
进一步的，当前威胁影响对比结果为系统受威胁后的延误与系统正常运行延误的延误差值。
进一步的，获取空中交通管制系统威胁影响分析结果的过程如下：
按照延误差值大小，对系统受到的威胁进行评估，得到空中交通管制系统威胁影响分析结果；其中，延误差值越大，则在对应威胁下，空中交通管制系统受到影响程度越大。
本发明还提供了一种空中交通管制系统威胁影响分析系统，包括网络模块、路径模块、第一计算模块、第二计算模块、影响对比模块及分析模块；
网络模块，用于构建待分析空中交通管制系统的机场-航路-扇区网络拓扑结构；
路径模块，用于确定待分析空中交通管制系统的约束条件及目标函数，并获取航班实际路径；
第一计算模块，用于当待分析空中交通管制系统未受威胁时，构建机场正常排队模型，计算待分析空中交通管制系统中所有航班的总延误时间，即系统正常运行延误；
第二计算模块，用于当待分析空中交通管制系统受到威胁时，根据外界威胁特征，对航班实际路径进行更新；并构建受威胁机场排队模型；计算在当前威胁下，待分析空中交通管制系统中所有航班的总延误时间，即系统受到威胁后的延误；
影响对比模块，用于利用系统正常运行延误和系统受到威胁后的延误，得到当前威胁影响对比结果；
分析模块，用于根据不同威胁影响对比结果，得到空中交通管制系统威胁影响分析结果。
本发明还提供了一种空中交通管制系统威胁影响分析设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器中并可在所述处理器中运行的可执行指令；所述处理器执行所述可执行指令时实现所述的空中交通管制系统威胁影响分析方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种空中交通管制系统威胁影响分析方法、系统及设备，通过从机场、航路及扇区三个层面构建空中交通管制系统的网络拓扑结构，能够同时或分别对机场网络层、航路网络层及扇区网络层的外界威胁情形进行构建；同时，确保了机场排队模型符合实际，更加贴近真实空中交通管制系统，有效结合了空中交通管制系统本身特性；采用机场排队模型对地面延误进行描述，采用航班实际路径的改变对空中延误进行描述，实现对空中交通管制系统延误产生的真实体现，分析要求全面，有效体现系统内部的相互作用；通过以系统运行延误为指标，实现对外界威胁的量化，直观体现威胁影响大小，实现延误传播的观察，以进一步了解延误传播机理。
本发明所述的空中交通管制系统威胁影响分析方法，能够用于特定外界威胁下的事前预测和/或事后评估，并可根据该影响分析通过“假设”情景方法来采取合适的行动减轻影响，可以从“宏观”的层面上对不同的场景、备选方案进行研究，使空中交通管制系统的规划者可以更好的了解在何处进行优化，同时做出基础保护设施的投资决策；此外，本发明还可用于评估航班时刻表的弹性和预期后果，识别关键机场和航路点，有效进行航路规划，以及外界威胁时间之前、期间和之后的缓解措施；同时，本发明只要稍加修改和扩展就可以应用于其他甚至更大的空中交通管制系统。
附图说明
图1为实施例中的空中交通管制系统的机场-航路-扇区网络拓扑结构示意图；
图2为实施例中进行航班路径规划的流程图；
图3为实施例中航班排队模型中分时刻判定的划分示意图；
图4为实施例中航班排队规则流程图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种空中交通管制系统威胁影响分析方法，包括以下步骤：
步骤1、构建待分析空中交通管制系统的机场-航路-扇区网络拓扑结构；其中，构建机场-航路-扇区网络拓扑结构过程，包括以下步骤：
步骤11、根据待分析空中交通管制系统特征，获取待分析空中交通管制系统所管辖区域内的扇区数据、机场列表数据、日航班计划列表数据及航路数据；
步骤12、根据获取的扇区数据、机场列表数据、日航班计划列表数据及航路数据，构建机场-航路-扇区网络拓扑结构；其中，机场-航路-扇区网络拓扑结构包括机场网络层、航路网络层及扇区网络层，具体的：
机场网络层中，将机场作为机场网络节点，具有航班直飞连接的两个机场连线作为机场网络连边；航路网络层中，将机场点和航路点作为航路网络节点，具有航路设定的航路网络节点连线作为航路网络连边；在构建航路网络层中，采用标准仪表离场程序(Standard Instrument Departures，SIDs)和标准进场程序(Standard Terminal ArrivalRoutes，STARs)，构建有向网络，即得到航路网络层；扇区网络层中，将空域中的每个扇区作为扇区网络节点，具有航班交接的扇区网络节点连线作为扇区网络连边；其中，机场网络层中的机场网络节点与航路网络层中的机场点一一对应，机场网络节点和航路网络节点分别与扇区网络节点之间存在隶属关系；其中，扇区网络层中一个节点代表一个扇区，扇区内管辖的航路点和机场隶属与该扇区，当扇区遭受威胁导致扇区容量限制变化或扇区拒绝服务时，对其所属的航路点及机场均有威胁影响。
步骤2、确定待分析空中交通管制系统的约束条件及目标函数，并获取航班实际路径；其中，待分析空中交通管制系统的约束条件包括机场容量限制、扇区容量限制及航班飞行路径长度限制。
其中，机场容量限制为在预设时间段内机场能够处理的航班起飞和着陆程序的最大次数；扇区容量限制为在任何时刻，扇区能够同时提供管制服务的最大飞机数；航班飞行路径长度限制为航班直飞飞机所携带的燃油使飞机能够飞行的最大长度；待分析空中交通管制系统的目标函数为航班的实际延误。
步骤3、当待分析空中交通管制系统未受威胁时，构建机场正常排队模型，计算对应机场所有航班的总延误时间，即得到系统正常运行延误；
其中，计算系统正常运行延误过程如下：
步骤31、根据机场特点，系统正常运行条件下，设置航班之间的安全间隔参数；本发明中，航班之间的安全间隔参数为机场在处理航班起飞程序和降落程序的间隔时间，包括起飞-降落时间间隔、起飞-起飞时间间隔及降落-降落时间间隔；即在保证航班安全的前提下，所有处理的相邻程序间的时间间隔。
步骤32、将待分析时间段划分为若干时间部分，根据航班之间的安全间隔参数，按时间顺序对每个时间部分的航班起降程序进行判定，得到机场正常排队模型。
步骤33、按照机场正常排队模型及航班实际路径，执行所有航班的起降程序，计算得到所有航班执行起降程序完毕后的总延误时间，即得到系统正常运行延误。
步骤4、当待分析空中交通管制系统受到威胁时，根据外界威胁特征，对待分析空中交通管制系统的约束条件及航班实际路径进行更新，并更新航班之间的安全间隔参数后，构建受威胁机场排队模型；在当前威胁下，执行所有航班的起降程序，计算在当前威胁下，对应机场所有航班的总延误时间，即得到系统受到威胁后的延误。
具体包括以下步骤：
步骤41、根据不同的威胁方式、威胁持续时间和威胁目标的影响特点，对待分析空中交通管制系统的约束条件进行更新，并结合待分析空中交通管制系统的目标函数，对航班实际路径进行更新，得到更新后的航班实际路径。
步骤42、根据机场特点及系统受到威胁对机场的影响，设置威胁影响下航班之间的安全间隔参数。
步骤43、将待分析时间段划分为若干时间部分，根据威胁影响下航班之间的安全间隔参数，按时间顺序对每个时间部分的航班起降程序进行判断，得到受威胁机场排队模型。
步骤44、按照受威胁机场排队模型及更新后的航班实际路径，执行所有航班的起降程序，计算得到所有航班执行起降程序完毕后的总延误时间，即得到系统受威胁后的延误。
本发明中，根据受到的威胁特征，通过空中交通管制系统的机场-航路-扇区网络拓扑结构及其约束条件中对应参数的修改，实现外界威胁对空中交通管制系统的影响体现，参数修改以实际威胁影响为基础，以贴合实际为准则；例如：(1)当航路点受到威胁时，从航路网络层中删除受威胁航路点，航路点删除时间与该航路点受威胁影响时间相一致；(2)当扇区指控中心受到威胁；受威胁扇区的容量下降；(3)机场受到威胁时，机场的航班安全间隔增加。
步骤5、利用系统正常运行延误和系统受到威胁后的延误，得到当前威胁影响对比结果；其中，当前威胁影响对比结果为系统受到威胁后的延误与系统正常运行延误的差值。
步骤6、重复步骤4-5，获取不同威胁影响对比结果；按照延误差值大小，对系统受到的威胁进行评估，得到空中交通管制系统威胁影响分析结果；其中，延误差值越大，则在对应威胁下，空中交通管制系统受到影响程度越大。
本发明还提供了一种空中交通管制系统威胁影响分析系统，包括网络模块、路径模块、第一计算模块、第二计算模块、影响对比模块及分析模块；网络模块，用于构建待分析空中交通管制系统的机场-航路-扇区网络拓扑结构；路径模块，用于确定待分析空中交通管制系统的约束条件及目标函数，并获取航班实际路径；第一计算模块，用于当待分析空中交通管制系统未受威胁时，构建机场正常排队模型，计算待分析空中交通管制系统中所有航班的总延误时间，即系统正常运行延误；第二计算模块，用于当待分析空中交通管制系统受到威胁时，根据外界威胁特征，对航班实际路径进行更新；并构建受威胁机场排队模型；计算在当前威胁下，待分析空中交通管制系统中所有航班的总延误时间，即系统受到威胁后的延误；影响对比模块，用于利用系统正常运行延误和系统受到威胁后的延误，得到当前威胁影响对比结果；分析模块，用于根据不同威胁影响对比结果，得到空中交通管制系统威胁影响分析结果。
本发明还提供了一种空中交通管制系统威胁影响分析设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序；所述处理器执行所述计算机程序时，实现上述空中交通管制系统威胁影响分析方法中的步骤；或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述空中交通管制系统威胁影响分析系统中各个模块的功能。
示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块，所述一个或多个模块被存储在所述存储器中，并有所述处理器执行，以完成本发明。
所述一个或多个模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述空中交通管制系统威胁影响分析设备中的执行过程。例如，所述计算机程序可以被分割成网络模块、路径模块、第一计算模块、第二计算模块、影响对比模块及分析模块，各模块具体功能如下：网络模块，用于构建待分析空中交通管制系统的机场-航路-扇区网络拓扑结构；路径模块，用于确定待分析空中交通管制系统的约束条件及目标函数，并获取航班实际路径；第一计算模块，用于当待分析空中交通管制系统未受威胁时，构建机场正常排队模型，计算待分析空中交通管制系统中所有航班的总延误时间，即系统正常运行延误；第二计算模块，用于当待分析空中交通管制系统受到威胁时，根据外界威胁特征，对航班实际路径进行更新；并构建受威胁机场排队模型；计算在当前威胁下，待分析空中交通管制系统中所有航班的总延误时间，即系统受到威胁后的延误；影响对比模块，用于利用系统正常运行延误和系统受到威胁后的延误，得到当前威胁影响对比结果；分析模块，用于根据不同威胁影响对比结果，得到空中交通管制系统威胁影响分析结果。
本发明所述的空中交通管制系统威胁影响分析设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述的空中交通管制系统威胁影响分析设备可包括，但不仅限于，处理器和存储器。本领域技术人员可以理解，上述空中交通管制系统威胁影响分析设备仅仅是该设备的示例，并不构成对空中交通管制系统威胁影响分析设备的限定，可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述空中交通管制系统威胁影响分析设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备及总线等。
所述的处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述空中交通管制系统威胁影响分析设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个空中交通管制系统威胁影响分析设备的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述空中交通管制系统威胁影响分析设备的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。
此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(SmartMediaCard,SMC)，安全数字(SecureDigital,SD)卡，闪存卡(FlashCard)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
所述空中交通管制系统威胁影响分析设备集成的模块如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述方法的步骤。
其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
本发明所述的空中交通管制系统威胁影响分析方法、系统及设备，通过构建机场-航路-扇区网络拓扑结构，利用机场网络层、航路网络层及扇区网络层三个不同网络层要素和影响因素的考虑；采用系统运行延误，实现对空中交通管制系统外界威胁的直观描述和量化；结合容量和延误的特性，有效反映了待分析空中交通管制系统的实际特性要素和网络拓扑结构，确保分析更加全面，实现对空中交通管制系统更细节的建模，通过机场、航路及扇区不同层面的参数修改，实现对各类外界威胁的模拟。
本发明中，为了对空中交通管制系统的建模更加贴近真实生活中的系统，在网络拓扑结构的基础上结合系统动力学要素考虑，通过设置航路重路由、路径选择及速度变化等规则，确保了机场排队模型符合实际，更加贴近真实空中交通管制系统，有效提高了模型的准确性和说服力；以系统延误为指标，结合延误产生的两个阶段，即地面延误和空中延误阶段进行空中交通管制系统的建模，充分考虑了系统动力学因素，并有一个明确评价威胁影响大小的指标；航班延误的传播效应在空中交通管制系统中是普遍的，能够较好的观察系统中的延误传播。
本发明所述的空中交通管制系统威胁影响分析方法，能够用于特定外界威胁下的事前预测和事后评估，并可根据该影响分析通过“假设”情景方法来采取合适的行动减轻影响；可以从“宏观”的层面上对不同的场景、备选方案进行研究；不同场景、备选方案指根据实际对该方法的参数进行修改，通过该方法的结果即系统延误大小来识别关键部位，使空中交通管制系统的规划者可以更好的了解在何处进行优化，同时做出基础保护设施的投资决策；本发明还可用于评估航班时刻表的弹性和预期后果，识别关键机场和航路点，有效进行航路规划，以及外界威胁时间之前、期间和之后的缓解措施；只要稍加修改和扩展就可以应用于其他甚至更大的空中交通管制系统。
实施例
以某空中交通管制系统的威胁影响分析过程为例，本实施例提供了一种空中交通管制系统威胁影响分析方法，包括以下步骤：
步骤1、根据待分析空中交通管制系统，获取待分析空中交通管制系统管辖区域内的扇区数据、机场列表数据、日航班计划列表数据及航路数据。
步骤2、根据获取的扇区数据、机场列表数据、日航班计划列表数据及航路数据，构建机场-航路-扇区网络拓扑结构。
如附图1所示，本实施例中，机场-航路-扇区网络拓扑结构包括机场网络层、航路网络层及扇区网络层；机场网络层中，将机场作为机场网络节点，具有航班直飞连接的两个机场连线作为机场网络连边；航路网络层中，将机场点和航路点作为航路网络节点，具有航路设定的航路网络节点连线作为航路网络连边。
在构建航路网络层中，采用标准仪表离场程序(Standard InstrumentDepartures，SIDs)和标准进场程序(Standard Terminal Arrival Routes，STARs)，构建有向网络，即得到航路网络层；扇区网络层中，将空域中的每个扇区作为扇区网络节点，具有航班交接的扇区网络节点连线作为扇区网络连边；其中，机场网络层中的机场网络节点与航路网络层中的机场点一一对应，机场网络节点和航路网络节点分别与扇区网络节点之间存在隶属关系。
其中，扇区网络层中一个节点代表一个扇区，扇区内管辖的航路点和机场隶属与该扇区，当扇区遭受威胁导致扇区容量限制变化或扇区拒绝服务时，对其所属的航路点及机场均有威胁影响。
步骤3、确定约束条件
待分析空中交通管制系统的约束条件包括机场容量限制、扇区容量限制及航班飞行路径长度限制；其中，机场容量限制为在预设时间段内机场能够处理的航班起飞和着陆程序的最大次数；扇区容量限制为在任何时刻，扇区能够同时提供管制服务的最大飞机数；航班飞行路径长度限制为航班直飞飞机所携带的燃油使飞机能够飞行的最大长度；待分析空中交通管制系统的目标函数为航班的实际延误。
步骤4、确定航班飞行速度变化规则
本实施例中，为了贴近真实空中交通管制系统，飞行路径长度变长的航班提高其飞行速度，飞行路径长度变短的航班降低其飞行速度，以确保航班延误最小；其中，航班飞行速度变化规则如下式所示：
其中，v为航班的实际飞行速度，v*为航班的计划飞行速度，e为航班实际飞行路径长度，e*为航班计划飞行路径长度。
步骤5、确定目标函数
待分析空中交通管制系统的目标函数为航班的实际延误，即航班实际到达时刻与计划到达时刻的差值。
步骤6、获取航班实际路径
如附图2所示，本实施例中，获取航班实际路径包括以下步骤：
步骤61、在满足步骤3的约束条件下，从步骤2的机场-航路-扇区网络拓扑结构中，获取多条航班飞行路径。
步骤62、结合步骤4的航班飞行速度变化规则，从多条航班飞行路径中，选择使得待分析空中交通管制系统的目标函数值达到最小所对应的航班飞行路径，即得到航班实际路径。
步骤7、构建机场正常排队模型
本实施例中，构建机场排队模型包括以下步骤：
步骤71、根据机场特点，在系统正常运行条件下，设置航班之间的安全间隔参数；其中，航班之间的安全间隔参数为机场在处理航班起飞程序和降落程序的间隔时间，包括起飞-降落时间间隔、起飞-起飞时间间隔及降落-降落时间间隔；即在保证航班安全的前提下，所有处理的相邻程序间的时间间隔。
步骤72、将待分析时间段划分为若干时间部分，根据航班之间的安全间隔参数，按时间顺序对每个时间部分的航班起降程序进行判定，得到机场正常排队模型。
如附图3、4所示，本实施例中，以某机场设定的航班之间的安全间隔参数S为例，根据航班之间的安全间隔参数S，将不同时刻划分为四个时间部分，包括A时间部分、B时间部分、C时间部分及D时间部分；
对上述四个时间部分的航班起降程序的判定过程，具体如下：
(1)当前时刻无航班执行时，进入下一时刻判定；若有航班执行起降程序时，则需进行判定，进入(2)；
(2)在当前时刻的B时间部分内，若有航班起降，则当前航班的起飞或降落程序顺延一个时刻执行，并进入下一时刻判定；若无航班程序，进入(3)；
(3)对当前时刻的A时间部分、C时间部分及D时间部分内的航班执行优先级进行比较；其中，若A时间部分中航班的优先级高于C时间部分中航班的优先级，则A时间部分中优先级最高的航班执行程序不变，其他优先级低的航班顺延一个时刻执行，并进入下一时刻判定；
若C时间部分中航班的优先级高于A时间部分中航班的优先级，但低于D时间部分中航班的优先级，则A时间部分中优先级最高的航班执行程序不变，其他优先级低的航班顺延一个时刻执行，并进入下一时刻判定；若C时间部分中航班的优先级高于A时间部分中的航班，且高于D时间部分中航班的优先级，则A时间部分中的航班都顺延一个时刻执行，并进入下一时刻判定。
步骤8、获取系统正常运行延误
按照时间顺序，利用步骤7中的机场正常排队模型，对待分析空中交通管制系统的航班计划表中的所有航班进行判定，当确定对应航班在对应时刻执行时，该航班按照获取的航班实际路径执行；计算所有航班的总延误时间，即得到系统正常运行延误；其中，单个航班的延误为该航班的实际到达时间与计划达到时间的差值，对所有航班延误求和，即得到所有航班的总延误时间。
步骤9、获取系统受到威胁后的延误
当待分析空中交通管制系统受到外界威胁时，会不同程度影响待分析空中交通管制系统管辖区域内的机场、扇区及航班点的服务能力以及航班的运行状态；根据外界威胁特征，包括威胁方式、威胁持续时间和威胁目标的特点，对机场-航路-扇区网络拓扑结构及约束条件进行更新，并构建受威胁机场排队模型；计算在当前威胁下，对应机场所有航班的总延误时间，即系统受到威胁后的延误。
其中，根据不同的威胁方式、威胁持续时间和威胁目标的影响特点，对待分析空中交通管制系统的约束条件进行更新，例如：对应执行航路点删除、扇区容量改变或扇区删除等；同时，根据外界威胁对建立的机场-航路-扇区网络拓扑结构的参数进行修改，例如：航路点删除、扇区容量改变或扇区删除操作；结合待分析空中交通管制系统的目标函数，对航班实际路径进行更新，得到更新后的航班实际路径。
根据机场特点及系统受到威胁对机场的影响，设置威胁影响下航班之间的安全间隔参数；将待分析时间段划分为若干时间部分，根据威胁影响下航班之间的安全间隔参数，按时间顺序对每个时间部分的航班起降程序进行判断，得到受威胁机场排队模型；按照受威胁机场排队模型及更新后的航班实际路径，执行所有航班的起降程序，计算得到所有航班执行起降程序完毕后的总延误时间，即得到系统受威胁后的延误。
步骤10，利用系统正常运行延误和系统受到威胁后的延误，得到当前威胁影响对比结果；当前威胁影响对比结果为系统受到威胁后的延误与系统正常运行延误的差值。
步骤11，重复步骤9-10，获取不同威胁影响对比结果，得到空中交通管制系统威胁影响分析结果。
本实施例利用不同外界威胁所造成的系统延误的大小可直观反映威胁的相对影响，利用该延误对比也可进行关键机场等要素的识别；通过从机场、航路、扇区三个层面构建空中交通管制系统的网络拓扑结构，能够同时或分别对机场网络层、航路网络层及扇区网络层的外界威胁情形进行构建；通过在网络拓扑结构的基础上结合系统动力学要素考虑，采用设置航路重路由、路径选择及速度变化规则，确保了机场排队模型符合实际，更加贴近真实空中交通管制系统，有效提高了模型的准确性和说服力。
本实施例还提供了一种空中交通管制系统威胁影响分析系统及设备，其中相关部分的说明可以参见本实施例所述的空中交通管制系统威胁影响分析方法中对应部分的详细说明，在此不再赘述。
本发明所述的空中交通管制系统威胁影响分析方法、系统及设备，通过构建机场-航路-扇区网络拓扑结构，能够同时或分别对机场网络、航路网络及扇区网络三个层面的外界威胁进行影响分析；结合系统动力学和网络拓扑，确保了分析结果的全面性；通过设置航路重路由、路径选择及速度变化规则，确保了机场排队模型符合实际，更加贴近真实空中交通管制系统，有效提高了模型的准确性和说服力。
本发明采用系统运行延误为指标，结合空中延误和地面延误进行空中交通管制系统的建模；其中，空中延误由飞行路径改变体现，地面延误由机场排队模型来体现；空中延误建模和地面延误建模过程考虑了系统动力学因素，具体的系统动力学因素指能够反映所研究系统的实际特性要素，对于空中交通管制系统有流量、容量、延误及收益等。
本发明中，考虑了系统动力学中容量、延误的特性，结合空中交通管制系统延误产生的两个阶段进行建模，两个阶段分别为：空中延误和地面延误；其中空中延误由航班飞行路径改变体现，地面延误由机场排队模型来体现；以系统运行延误为指标实现外界威胁的量化，直观的体现威胁影响大小；约束条件的设定反映了系统内各要素的相互作用，可以实现延误传播的观察，以进一步了解延误传播机理。
本发明能够用于特定外界威胁下的事前预测和/或事后评估，并可根据该影响分析通过“假设”情景方法来采取合适的行动减轻影响，可以从“宏观”的层面上对不同的场景、备选方案进行研究，使空中交通管制系统的规划者可以更好的了解在何处进行优化，同时做出基础保护设施的投资决策。此外，该方法还可用于评估航班时刻表的弹性和预期后果，识别关键机场和航路点，有效进行航路规划，以及外界威胁时间之前、期间和之后的缓解措施；同时，只要稍加修改和扩展就可以应用于其他甚至更大的空中交通管制系统。
上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。
Claims (8)
1.一种空中交通管制系统威胁影响分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建待分析空中交通管制系统的机场-航路-扇区网络拓扑结构；
确定待分析空中交通管制系统的约束条件及目标函数，并获取航班实际路径；
当待分析空中交通管制系统未受威胁时，构建机场正常排队模型，计算待分析空中交通管制系统中所有航班的总延误时间，即得到系统正常运行延误；
当待分析空中交通管制系统受到威胁时，根据外界威胁特征，对航班实际路径进行更新；并构建受威胁机场排队模型；计算在当前威胁下，待分析空中交通管制系统中所有航班的总延误时间，即得到系统受到威胁后的延误；
利用系统正常运行延误和系统受到威胁后的延误，得到当前威胁影响对比结果；
根据不同威胁影响对比结果，得到空中交通管制系统威胁影响分析结果；
计算系统正常运行延误过程如下：
根据机场特点，设置航班之间的安全间隔参数；
将待分析时间段划分为若干时间部分，根据航班之间的安全间隔参数，按时间顺序对每个时间部分的航班起降程序进行判定，得到机场正常排队模型；
按照机场正常排队模型及航班实际路径，执行所有航班的起降程序，计算得到所有航班执行起降程序完毕后的总延误时间，即得到系统正常运行延误；
计算系统受到威胁后的延误过程如下：
根据不同的威胁方式、威胁持续时间及威胁目标的影响特点，对待分析空中交通管制系统的约束条件进行更新，并结合待分析空中交通管制系统的目标函数，对航班实际路径进行更新，得到更新后的航班实际路径；
根据机场特点及系统受到威胁对机场的影响，设置威胁影响下航班之间的安全间隔参数；
将待分析时间段划分为若干时间部分，根据威胁影响下航班之间的安全间隔参数，按时间顺序对每个时间部分的航班起降程序进行判定，得到受威胁机场排队模型；
按照受威胁机场排队模型及更新后的航班实际路径，执行所有航班的起降程序，计算得到所有航班执行起降程序完毕后的总延误时间，即得到系统受威胁后的延误。
2.根据权利要求1所述的一种空中交通管制系统威胁影响分析方法，其特征在于，机场-航路-扇区网络拓扑结构包括机场网络层、航路网络层及扇区网络层；
机场网络层中，将机场作为机场网络节点，具有航班直飞连接的两个机场连线作为机场网络连边；航路网络层中，将机场点和航路点作为航路网络节点，具有航路设定的航路网络节点连线作为航路网络连边，采用标准仪表离场程序和标准进场程序，构建有向网络，得到航路网络层；扇区网络层中，将空域中的每个扇区作为扇区网络节点，具有航班交接的扇区网络节点连线作为扇区网络连边；其中，机场网络层中的机场网络节点与航路网络层中的机场点一一对应，机场网络节点和航路网络节点分别与扇区网络节点之间存在隶属关系。
3.根据权利要求1所述的一种空中交通管制系统威胁影响分析方法，其特征在于，待分析空中交通管制系统的约束条件包括机场容量限制、扇区容量限制及航班飞行路径长度限制；
其中，机场容量限制为在预设时间段内机场能够处理的航班起飞和着陆程序的最大次数；扇区容量限制为在任何时刻，扇区能够同时提供管制服务的最大飞机数；航班飞行路径长度限制为航班直飞飞机所携带的燃油使飞机能够飞行的最大长度；
待分析空中交通管制系统的目标函数为航班的实际延误。
4.根据权利要求3所述的一种空中交通管制系统威胁影响分析方法，其特征在于，航班实际路径为待分析空中交通管制系统的目标函数值达到最小所对应的航班飞行路径。
5.根据权利要求1所述的一种空中交通管制系统威胁影响分析方法，其特征在于，当前威胁影响对比结果为系统受威胁后的延误与系统正常运行延误的延误差值。
6.根据权利要求5所述的一种空中交通管制系统威胁影响分析方法，其特征在于，获取空中交通管制系统威胁影响分析结果的过程如下：
按照延误差值大小，对系统受到的威胁进行评估，得到空中交通管制系统威胁影响分析结果；其中，延误差值越大，则在对应威胁下，空中交通管制系统受到影响程度越大。
7.一种空中交通管制系统威胁影响分析系统，其特征在于，包括网络模块、路径模块、第一计算模块、第二计算模块、影响对比模块及分析模块；
网络模块，用于构建待分析空中交通管制系统的机场-航路-扇区网络拓扑结构；
路径模块，用于确定待分析空中交通管制系统的约束条件及目标函数，并获取航班实际路径；
第一计算模块，用于当待分析空中交通管制系统未受威胁时，构建机场正常排队模型，计算待分析空中交通管制系统中所有航班的总延误时间，即系统正常运行延误；
第二计算模块，用于当待分析空中交通管制系统受到威胁时，根据外界威胁特征，对航班实际路径进行更新；并构建受威胁机场排队模型；计算在当前威胁下，待分析空中交通管制系统中所有航班的总延误时间，即系统受到威胁后的延误；
影响对比模块，用于利用系统正常运行延误和系统受到威胁后的延误，得到当前威胁影响对比结果；
分析模块，用于根据不同威胁影响对比结果，得到空中交通管制系统威胁影响分析结果；
计算系统正常运行延误过程如下：
根据机场特点，设置航班之间的安全间隔参数；
将待分析时间段划分为若干时间部分，根据航班之间的安全间隔参数，按时间顺序对每个时间部分的航班起降程序进行判定，得到机场正常排队模型；
按照机场正常排队模型及航班实际路径，执行所有航班的起降程序，计算得到所有航班执行起降程序完毕后的总延误时间，即得到系统正常运行延误；
计算系统受到威胁后的延误过程如下：
根据不同的威胁方式、威胁持续时间及威胁目标的影响特点，对待分析空中交通管制系统的约束条件进行更新，并结合待分析空中交通管制系统的目标函数，对航班实际路径进行更新，得到更新后的航班实际路径；
根据机场特点及系统受到威胁对机场的影响，设置威胁影响下航班之间的安全间隔参数；
将待分析时间段划分为若干时间部分，根据威胁影响下航班之间的安全间隔参数，按时间顺序对每个时间部分的航班起降程序进行判定，得到受威胁机场排队模型；
按照受威胁机场排队模型及更新后的航班实际路径，执行所有航班的起降程序，计算得到所有航班执行起降程序完毕后的总延误时间，即得到系统受威胁后的延误。
8.一种空中交通管制系统威胁影响分析设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器中并可在所述处理器中运行的可执行指令；所述处理器执行所述可执行指令时实现如权利要求1-6任一项所述的方法。
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