CN114491894A - 一种基于剩余空域的航路网络重构方法 - Google Patents

一种基于剩余空域的航路网络重构方法 Download PDF

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CN114491894A CN202210322461.5A CN202210322461A CN114491894A CN 114491894 A CN114491894 A CN 114491894A CN 202210322461 A CN202210322461 A CN 202210322461A CN 114491894 A CN114491894 A CN 114491894A
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Abstract

本发明公开了一种基于剩余空域的航路网络重构方法，包括：构建航路网络模型，基于航路网络模型形成规格化的航路网络结构数据，实现航路网络要素间网络拓扑关系的数字化表达，评估外界扰动对航路网络的影响，确定航路网络受扰后的剩余空域，基于剩余空域对航路网进行调整重构，形成重构方案，基于航路网运输能力评价方法对重构方案进行评估，迭代优化，形成优化方案。本发明对航路网络从基础航路网络、城市对航路网络和航班运行航路网络三个层面建模，对航路网络要素间关系全面描述，对航路网受扰影响准确分析，对扰动影响下的航路网多角度重构，航路网络重构效果可量化评估，可应用于战略级航路网规划和预战术和战术级航路网动态重构。

Description

一种基于剩余空域的航路网络重构方法
技术领域
本发明涉及一种航路网络重构方法，特别是一种基于剩余空域的航路网络重构方法。
背景技术
随着航空运输业的迅猛发展，航空运输需求不断增长，新机场不断建成并投入使用，航路网络不断扩充，航班量和运行复杂度持续增大，对航路网络的高效利用、航班的高效运行带来了诸多挑战，尤其是军事活动、恶劣天气等外界扰动的影响，尤为突出，如何能够在外界扰动的影响下科学高效的进行航空网络的重构成为关注的重点。目前航路网络重构大多从战略角度对航路网进行静态的优化，未能从预战术和战术角度考虑外界的动态扰动；部分基于动态扰动的重构研究，多考虑局部的航路重构，未能从航路网络各要素间的相互作用与影响的整体角度进行分析和重构，同时缺少对重构后的航路网络效果的量化评估手段。因此目前亟需一种能够从整体网络角度基于受扰后的剩余空域对航路网络动态重构的方法。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于剩余空域的航路网络重构方法。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于剩余空域的航路网络重构方法，包括以下步骤：
步骤1，构建航路网络模型，基于航路网络模型形成规格化的航路网络结构数据，实现航路网络要素间网络拓扑关系的数字化表达；
步骤2，评估外界扰动对航路网络的影响，确定航路网络受扰后的剩余空域；
步骤3，基于剩余空域对航路网络进行调整重构，形成重构方案；
步骤4，基于航路网络运输能力评价方法对重构方案进行评估，迭代步骤3直至重构方案满足运输能力评估要求，形成最终的航路网络模型优化方案。
本发明中，步骤1包括：
步骤1-1，将航路网络定义为基础航路网络、城市对航路网络和航班运行航路网络，分别从三个层面上对航路网络建模；
步骤1-2，读取空管基础数据和航班时刻数据，以基础航路网络模型、城市对航路网络模型和航班运行航路网络模型为模型基础，赋予空管基础数据和航班时刻数据，构建形成完整的航路网络模型。
本发明中，步骤1-1包括：
步骤1-1-1，将基础航路网络分解为机场、航路点、航段、高空航线和进离场航线五类点线要素，其中机场和航路点抽象为点要素，航段、高空航线和进离场航线抽象为线要素，通过五类要素描述构建基础航路网络模型；
机场要素
Figure 745236DEST_PATH_IMAGE001
描述为：
Figure 334480DEST_PATH_IMAGE002
其中 i为该机场要素在机场数据中的序号，
Figure 832326DEST_PATH_IMAGE003
代表第 i个机场的代号，
Figure 696377DEST_PATH_IMAGE004
代表第 i个机场的基本信息，包括机场名称、经纬度位置和标高，
Figure 979591DEST_PATH_IMAGE005
代表第i个机场的网络连接关系，将
Figure 270895DEST_PATH_IMAGE005
描述为：
Figure 256037DEST_PATH_IMAGE006
其中，m为该机场在航路网络中连接关系的数量
Figure 189358DEST_PATH_IMAGE007
代表该机场第m个网络连接关系是通过进离场航线
Figure 530341DEST_PATH_IMAGE008
在航路点
Figure 241814DEST_PATH_IMAGE009
进场或离场；
航路点要素
Figure 730564DEST_PATH_IMAGE010
描述为
Figure 936417DEST_PATH_IMAGE011
，其中 j为该航路点要素在航路点数据中的序号，
Figure 381174DEST_PATH_IMAGE012
代表第j个航路点的代号，
Figure 279860DEST_PATH_IMAGE013
代表第j个航路点的基本信息，包括航路点名称和经纬度位置，
Figure 990327DEST_PATH_IMAGE014
代表第j个航路点的网络连接关系，将
Figure 734292DEST_PATH_IMAGE014
描述为：
Figure 95872DEST_PATH_IMAGE015
其中，e为该航路点连接的航段数量，
Figure 899880DEST_PATH_IMAGE016
代表该航路点连接的第e个航段，
Figure 97643DEST_PATH_IMAGE017
为该航路点连接的进离场航线的数量，
Figure 645299DEST_PATH_IMAGE018
代表该航路点连接的第
Figure 861386DEST_PATH_IMAGE017
个进离场航线；
航段要素
Figure 101874DEST_PATH_IMAGE019
描述为：
Figure 521354DEST_PATH_IMAGE020
其中， k为该航段要素在航段数据中的序号，
Figure 872701DEST_PATH_IMAGE021
代表第 k个航段的代号，
Figure 943294DEST_PATH_IMAGE022
代表第 k个航段的基本信息，包括航段名称、航段长度、高度范围及航段宽度，
Figure 620263DEST_PATH_IMAGE023
代表第 k个航段的网络连接关系，将
Figure 730302DEST_PATH_IMAGE024
描述为：
Figure 134607DEST_PATH_IMAGE025
其中，
Figure 76018DEST_PATH_IMAGE026
代表该航段起点关联的航路点，
Figure 861572DEST_PATH_IMAGE027
代表该航段终点关联的航路点，
Figure 504911DEST_PATH_IMAGE028
代表该航段所属的高空航线；
高空航线要素
Figure 463640DEST_PATH_IMAGE029
描述为：
Figure 993979DEST_PATH_IMAGE030
其中， 0为该高空航线要素在高空航线数据中的序号，
Figure 747171DEST_PATH_IMAGE031
代表第0个高空航线的代号，
Figure 81069DEST_PATH_IMAGE032
代表第0个高空航线的基本信息，包括航线名称和属性，
Figure 577910DEST_PATH_IMAGE033
代表第0个高空航线的网络连接关系，将
Figure 228334DEST_PATH_IMAGE033
描述为：
Figure 401695DEST_PATH_IMAGE034
其中，p为组成该高空航线关联的航路点数量，
Figure 770360DEST_PATH_IMAGE035
代表该高空航线关联的第p个航路点；
进离场航线要素
Figure 805312DEST_PATH_IMAGE036
描述为：
Figure 28351DEST_PATH_IMAGE037
其中， q为该进离场航线要素在进离场航线数据中的序号，
Figure 857767DEST_PATH_IMAGE038
代表第q个进离场航线的代号，
Figure 713728DEST_PATH_IMAGE039
代表第q个进离场航线的基本信息，包括进离场航线名称和属性，组成点经纬度信息，
Figure 817950DEST_PATH_IMAGE040
代表第 q个进离场航线的网络连接关系，将
Figure 450092DEST_PATH_IMAGE040
描述为：
Figure 715989DEST_PATH_IMAGE041
其中，
Figure 996928DEST_PATH_IMAGE042
为该进离场航线关联的机场，
Figure 154109DEST_PATH_IMAGE043
为该进离场航线关联的航路点；
步骤1-1-2，基于基础航路网络模型，选取两两机场构建城市对航路网络模型，起飞机场为
Figure 633632DEST_PATH_IMAGE044
，目的机场为
Figure 70429DEST_PATH_IMAGE045
，从起飞机场的网络连接关系
Figure 87933DEST_PATH_IMAGE046
中任意选取一组离场航线
Figure 268378DEST_PATH_IMAGE047
和离场航路点
Figure 602408DEST_PATH_IMAGE048
，从目的机场的网络连接关系
Figure 475686DEST_PATH_IMAGE049
中任意选取一组进场航线
Figure 777223DEST_PATH_IMAGE050
和进场航路点
Figure 699043DEST_PATH_IMAGE051
，以
Figure 153158DEST_PATH_IMAGE052
和
Figure 446605DEST_PATH_IMAGE051
作为端点采用A*算法进行最短路径规划，得到从
Figure 986171DEST_PATH_IMAGE052
到
Figure 508419DEST_PATH_IMAGE051
的一组航路点序列
Figure 269570DEST_PATH_IMAGE053
，从而确定从起飞机场
Figure 219072DEST_PATH_IMAGE054
到目的机场为
Figure 245934DEST_PATH_IMAGE055
的一条城市对航路；同理，采用不同的进离场航线组合可以得到该机场对的所有城市对航路，起飞机场
Figure 571873DEST_PATH_IMAGE056
到目的机场
Figure 187531DEST_PATH_IMAGE045
的城市对网络
Figure 573513DEST_PATH_IMAGE057
描述为：
Figure 87671DEST_PATH_IMAGE058
其中，s为该机场对之间的城市对航路数量，
Figure 404251DEST_PATH_IMAGE059
为第s条城市对航路高空航路点集合，同理确定所有起降机场对之间的城市对网络，从而构建其整个城市对航路网络模型；
步骤1-1-3，基于城市对航路网络模型，以航班计划为驱动，赋予城市对航路网络模型时间信息，构建航班运行航路网络模型，航班运行航路网络
Figure 421886DEST_PATH_IMAGE060
描述为：
Figure 244348DEST_PATH_IMAGE061
其中，t为航班起飞时间。
本发明中，步骤2包括：
步骤2-1，定义变量，包括：
AirportInfList：受影响的机场列表；
WayPtInfList：受影响的航路点列表；
SegInfList：受影响的航段列表；
RouteInfList：受影响的高空航线列表；
AdlInfList：受影响的进离场航线列表；
CprInfList：受影响的城市对航路列表；
FprInfList：受影响的航班运行航路列表；
BaseRouteNetLeft：剩余基础航路网络；
CityRouteNetLeft：剩余城市对航路网络；
FlightNetLeft：剩余航班运行航路网络；
步骤2-2，将外界扰动抽象为多边形区域，与航路网络要素位置关系进行比对，评估外界扰动对航路网络的影响；
步骤2-3，根据外界扰动对航路网络的影响，更新基础航路网络、城市对航路网络和航班运行航路网络，形成航路网络受扰后的剩余空域。
本发明中，步骤2-2包括：
步骤2-2-1，遍历基础航路网中的机场、航路点、航段、高空航线和进离场航线数据，通过点、线与面的几何关系进行判断，得到相应受影响的要素列表：AirportInfList、WayPtInfList、SegInfList、RouteInfList和AdlInfList；
步骤2-2-2，遍历城市对航路网络中的每一条城市对航路，判断城市对航路网络模型中的
Figure 432753DEST_PATH_IMAGE062
、
Figure 100495DEST_PATH_IMAGE059
和
Figure 238215DEST_PATH_IMAGE063
的关联信息是否存在于步骤2-2-1中的受影响的要素列表中，若存在则将该城市对航路加入到受影响的城市对航路列表，全部遍历完成后形成受影响的城市对航路列表CprInfList；
步骤2-2-3，遍历航班运行航路网络中的每一条航班运行航路，判断该航班运行航路所关联的城市对航路
Figure 215267DEST_PATH_IMAGE057
是否存在于受影响的城市对航路列表CprInfList，若存在则将其加入到受影响的航班航路列表，全部遍历完成后形成受影响的航班运行航路列表FprInfList。
本发明中，步骤2-3包括：
步骤2-3-1，遍历基础航路网中每一个机场要素数据
Figure 641701DEST_PATH_IMAGE064
，如果该机场存在于受影响的机场列表AirportInfList，则从基础航路网中移除该机场，否则进一步判断该机场连接关系中的每一个关联的进离场航线
Figure 113133DEST_PATH_IMAGE065
及关联的进离场航路点
Figure 354628DEST_PATH_IMAGE066
是否存在于相应的受影响列表AdlInfList或WayPtInfList，若存在则从连接关系中移除该关联；采用同样的处理方法对航路点、航段、高空航线以及进离场航线进行处理，处理完成后形成剩余基础航路网络BaseRouteNetLeft；
步骤2-3-2，遍历城市对航路网络和航班运行航路网络中的每一条航路数据，与受影响的列表CprInfList和FprInfList进行比对，移除受影响的航路，形成剩余城市对航路网络CityRouteNetLeft和剩余航班运行航路网络FlightNetLeft。
本发明中，步骤3包括：
步骤3-1，定义变量，包括：
FlightRtAddList：新增加的航班运行航路列表；
FlightRtDisList：不可选用的航班运行航路列表，经评估后新增的航班运行航路达不到航路网运输能力要求的加入到该列表，在下一轮迭代重构过程中不再选用该航路；
SWptSearchList：重构的网络起点航路点搜索列表，存放网络重构过程中搜索过的起点航路点；
EWptSearchList：重构的网络终点航路点搜索列表，存放网络重构过程中搜索过的终点航路点；
步骤3-2，从剩余航班运行航路网络FlightNetLeft中移除不可选用的航班运行航路列表FlightRtDisList中的航路，遍历FlightNetLeft，判断每个航班是否关联了城市对航路，如果未关联则执行步骤3-3，否则不进行调整，最终形成重构后的航班运行航路网络
Figure 456576DEST_PATH_IMAGE067
；
步骤3-3，为未关联城市对航路的航班重新分配和关联航路。
本发明中，步骤3-3包括：
步骤3-3-1，以航班的起降机场为搜索条件到CityRouteNetLeft中查找该起降机场对是否还有其他可用城市对航路，如果有则将该城市对航路关联到航班运行航路上，将该航班运行航路加入到FlightRtAddList，否则执行步骤3-3-2；
步骤3-3-2，以剩余基础航路网络BaseRouteNetLeft为网络基础，以该航班的起降机场对为输入，通过A*算法对该机场对重新进行路径规划，如果能够规划出可通行路径，则将该路径作为城市对航路关联到该航班运行航路上，并将该航班运行航路加入到FlightRtAddList，否则执行步骤3-3-3；
步骤3-3-3，通过增加临时航段，重构出起降机场之间的航路。
本发明中，步骤3-3-3包括：
步骤3-3-3-1，从受影响的航班运行航路列表FprInfList中找出该航班原始关联的城市对航路
Figure 901464DEST_PATH_IMAGE068
及其航路点序
Figure 425855DEST_PATH_IMAGE069
，其中从
Figure 741430DEST_PATH_IMAGE070
到
Figure 545437DEST_PATH_IMAGE071
是受影响的部分，u代表受影响部分前一个航路点的序号， v代表受影响部分后一个航路点的序号，h代表该航路所有的组成点数；
步骤3-3-3-2，从剩余基础航路网络BaseRouteNetLeft中查找与
Figure 258047DEST_PATH_IMAGE072
距离最近且不在SWptSearchList列表中的航路点记为
Figure 8966DEST_PATH_IMAGE073
，并将
Figure 241364DEST_PATH_IMAGE074
加入到SWptSearchList，并判断
Figure 465541DEST_PATH_IMAGE072
与
Figure 353862DEST_PATH_IMAGE075
连线与外界扰动区域是否相交，如果相交则重复执行步骤3-3-3-2；
步骤3-3-3-3，由航路点
Figure 970788DEST_PATH_IMAGE073
确定该航路点关联的航段序列，进一步确定所关联的高空航线集合，由关联的高空航线集合确定关联这些高空航线的航路点集合；
步骤3-3-3-4，从这些航路点集合中查找与
Figure 41382DEST_PATH_IMAGE076
距离最近且不在EWptSearchList列表中的航路点记为
Figure 452771DEST_PATH_IMAGE077
，并将
Figure 562810DEST_PATH_IMAGE077
加入到EWptSearchList，并判断
Figure 701536DEST_PATH_IMAGE076
与
Figure 908526DEST_PATH_IMAGE077
连线与外界扰动区域是否相交，如果相交则重复执行步骤3-3-3-4；
步骤3-3-3-5，连接航路点
Figure 225238DEST_PATH_IMAGE072
与
Figure 619310DEST_PATH_IMAGE077
以及
Figure 764990DEST_PATH_IMAGE076
与
Figure 826487DEST_PATH_IMAGE077
构建两条航段，在剩余基础航路网络基础上增加这两条航段，更新形成新的基础航路网，以航班起降机场为输入重新构建新的城市对航路，关联到该航班运行航路上，并将该航班运行航路加入到FlightRtAddList。
本发明中，步骤4包括以下步骤：
步骤4-1，设置航路网络中机场及航路点的容量值，形成航路网络容量对应表
Figure 579679DEST_PATH_IMAGE078
，表示为：
Figure 710315DEST_PATH_IMAGE079
其中，f代表航路网络中机场及航路点点要素的数量，
Figure 144839DEST_PATH_IMAGE080
代表第f个点要素的代号，
Figure 795263DEST_PATH_IMAGE081
代表该点要素的容量值；
步骤4-2，基于4D轨迹推算技术对重构前后的航班运行航路网络进行4D轨迹推算，计算出各航班在航路网上个航路点上的到点时刻，进而计算出各航路点航班流量密度，重构前流量密度表示为：
Figure 234203DEST_PATH_IMAGE082
其中，g代表重构前航班运行网络使用的点要素数量，
Figure 806130DEST_PATH_IMAGE083
代表第 g个点要素的代号，
Figure 841082DEST_PATH_IMAGE084
代表该点要素的流量密度值，同理重构后的流量密度表示为：
Figure 860860DEST_PATH_IMAGE085
其中， c代表重构后航班运行网络使用的点要素数量；
步骤4-3，以航路网容量满足航班流量的程度来表达航路网运输能力，并以航路网航班流量正负偏离容量的比例来描述航路网运输能力，重构前的航路网运输能力表示为：
Figure 159117DEST_PATH_IMAGE086
调整后的航路网运输能力表示为：
Figure 15077DEST_PATH_IMAGE087
调整前后的航路网运输能力变化情况表示为：
Figure 102988DEST_PATH_IMAGE088
步骤4-4，设定能力变化条件阈值
Figure 931267DEST_PATH_IMAGE089
，如果
Figure 197163DEST_PATH_IMAGE090
则重构完成，否则从FlightRtAddList提取出影响航路网运输能力较大的航班运行航路，加入到FlightRtDisList，并再次执行步骤3直至满足运输能力评估要求为止。
有益效果：
（1）本发明对航路网络从基础航路网络、城市对航路网络和航班运行航路网络三个层面建模，对航路网络要素间关系描述更全面；
（2）本发明基于航路网络模型对航路网受扰影响分析评估，更准确；
（3）本发明针对航空网络受扰影响，基于剩余空域动态重构，既适用于战略级航路网静态规划，又适用于预战术和战术级航路网动态重构；
（4）本发明提出一种可量化的航路网运输能力评价方法，方法简单有效，为航路网络重构效果提供量化评估手段；
（5）本发明基于航路网运输能力评价提出一种自主迭代优化方法，可实现预定运输能力下的航路网重构。
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是本发明方法流程图。
图2是本发明中剩余空域构建流程图。
图3是本发明中受影响航班重新分配和关联航路流程图。
具体实施方式
一种基于剩余空域的航路网络重构方法，包括以下步骤：
步骤1，构建航路网络模型，基于航路网络模型形成规格化的航路网络结构数据，实现航路网络要素间网络拓扑关系的数字化表达；
步骤1-1，将航路网络定义为基础航路网络、城市对航路网络和航班运行航路网络，分别从三个层面上对航路网络建模；
步骤1-1-1，将基础航路网络分解为机场、航路点、航段、高空航线和进离场航线五类点线要素，其中机场和航路点抽象为点要素，航段、高空航线和进离场航线抽象为线要素，通过五类要素描述构建基础航路网络模型；
步骤1-1-1，将基础航路网络分解为机场、航路点、航段、高空航线和进离场航线五类点线要素，其中机场和航路点抽象为点要素，航段、高空航线和进离场航线抽象为线要素，通过五类要素描述构建基础航路网络模型；
机场要素
Figure 789687DEST_PATH_IMAGE001
描述为：
Figure 635283DEST_PATH_IMAGE002
其中 i为该机场要素在机场数据中的序号，
Figure 380386DEST_PATH_IMAGE003
代表第 i个机场的代号，
Figure 66451DEST_PATH_IMAGE004
代表第 i个机场的基本信息，包括机场名称、经纬度位置和标高，
Figure 834687DEST_PATH_IMAGE005
代表第i个机场的网络连接关系，将
Figure 15132DEST_PATH_IMAGE005
描述为：
Figure 864008DEST_PATH_IMAGE006
其中，m为该机场在航路网络中连接关系的数量
Figure 143811DEST_PATH_IMAGE007
代表该机场第m个网络连接关系是通过进离场航线
Figure 710928DEST_PATH_IMAGE008
在航路点
Figure 632747DEST_PATH_IMAGE009
进场或离场；
航路点要素
Figure 883600DEST_PATH_IMAGE010
描述为
Figure 662200DEST_PATH_IMAGE011
，其中 j为该航路点要素在航路点数据中的序号，
Figure 654296DEST_PATH_IMAGE012
代表第j个航路点的代号，
Figure 176544DEST_PATH_IMAGE013
代表第j个航路点的基本信息，包括航路点名称和经纬度位置，
Figure 485166DEST_PATH_IMAGE014
代表第j个航路点的网络连接关系，将
Figure 683935DEST_PATH_IMAGE014
描述为：
Figure 445217DEST_PATH_IMAGE015
其中，e为该航路点连接的航段数量，
Figure 36736DEST_PATH_IMAGE016
代表该航路点连接的第e个航段，
Figure 199864DEST_PATH_IMAGE017
为该航路点连接的进离场航线的数量，
Figure 569534DEST_PATH_IMAGE018
代表该航路点连接的第
Figure 286954DEST_PATH_IMAGE017
个进离场航线；
航段要素
Figure 151005DEST_PATH_IMAGE019
描述为：
Figure 417907DEST_PATH_IMAGE020
其中， k为该航段要素在航段数据中的序号，
Figure 240370DEST_PATH_IMAGE021
代表第 k个航段的代号，
Figure 976245DEST_PATH_IMAGE022
代表第 k个航段的基本信息，包括航段名称、航段长度、高度范围及航段宽度，
Figure 830937DEST_PATH_IMAGE023
代表第 k个航段的网络连接关系，将
Figure 968657DEST_PATH_IMAGE024
描述为：
Figure 962021DEST_PATH_IMAGE025
其中，
Figure 919613DEST_PATH_IMAGE026
代表该航段起点关联的航路点，
Figure 640313DEST_PATH_IMAGE027
代表该航段终点关联的航路点，
Figure 835802DEST_PATH_IMAGE028
代表该航段所属的高空航线；
高空航线要素
Figure 734488DEST_PATH_IMAGE029
描述为：
Figure 694223DEST_PATH_IMAGE030
其中， 0为该高空航线要素在高空航线数据中的序号，
Figure 907029DEST_PATH_IMAGE031
代表第0个高空航线的代号，
Figure 753762DEST_PATH_IMAGE032
代表第0个高空航线的基本信息，包括航线名称和属性，
Figure 361634DEST_PATH_IMAGE033
代表第0个高空航线的网络连接关系，将
Figure 497080DEST_PATH_IMAGE033
描述为：
Figure 310315DEST_PATH_IMAGE034
其中，p为组成该高空航线关联的航路点数量，
Figure 791981DEST_PATH_IMAGE035
代表该高空航线关联的第p个航路点；
进离场航线要素
Figure 970153DEST_PATH_IMAGE036
描述为：
Figure 655212DEST_PATH_IMAGE037
其中， q为该进离场航线要素在进离场航线数据中的序号，
Figure 255826DEST_PATH_IMAGE038
代表第q个进离场航线的代号，
Figure 342731DEST_PATH_IMAGE039
代表第q个进离场航线的基本信息，包括进离场航线名称和属性，组成点经纬度信息，
Figure 488542DEST_PATH_IMAGE040
代表第 q个进离场航线的网络连接关系，将
Figure 847848DEST_PATH_IMAGE040
描述为：
Figure 2886DEST_PATH_IMAGE041
其中，
Figure 678718DEST_PATH_IMAGE042
为该进离场航线关联的机场，
Figure 526588DEST_PATH_IMAGE043
为该进离场航线关联的航路点；
步骤1-1-2，基于基础航路网络模型，选取两两机场构建城市对航路网络模型，起飞机场为
Figure 169928DEST_PATH_IMAGE044
，目的机场为
Figure 863077DEST_PATH_IMAGE045
，从起飞机场的网络连接关系
Figure 862257DEST_PATH_IMAGE046
中任意选取一组离场航线
Figure 864717DEST_PATH_IMAGE047
和离场航路点
Figure 480506DEST_PATH_IMAGE048
，从目的机场的网络连接关系
Figure 242926DEST_PATH_IMAGE049
中任意选取一组进场航线
Figure 893350DEST_PATH_IMAGE050
和进场航路点
Figure 269974DEST_PATH_IMAGE051
，以
Figure 638638DEST_PATH_IMAGE052
和
Figure 939169DEST_PATH_IMAGE051
作为端点采用A*算法进行最短路径规划，得到从
Figure 693368DEST_PATH_IMAGE052
到
Figure 991625DEST_PATH_IMAGE051
的一组航路点序列
Figure 582006DEST_PATH_IMAGE053
，从而确定从起飞机场
Figure 669917DEST_PATH_IMAGE054
到目的机场为
Figure 560512DEST_PATH_IMAGE055
的一条城市对航路；同理，采用不同的进离场航线组合可以得到该机场对的所有城市对航路，起飞机场
Figure 29671DEST_PATH_IMAGE056
到目的机场
Figure 622195DEST_PATH_IMAGE045
的城市对网络
Figure 202212DEST_PATH_IMAGE057
描述为：
Figure 681735DEST_PATH_IMAGE058
其中，s为该机场对之间的城市对航路数量，
Figure 633380DEST_PATH_IMAGE059
为第s条城市对航路高空航路点集合，同理确定所有起降机场对之间的城市对网络，从而构建其整个城市对航路网络模型；
步骤1-1-3，基于城市对航路网络模型，以航班计划为驱动，赋予城市对航路网络模型时间信息，构建航班运行航路网络模型，航班运行航路网络
Figure 401615DEST_PATH_IMAGE060
描述为：
Figure 582061DEST_PATH_IMAGE061
其中，t为航班起飞时间。
步骤1-2，读取空管基础数据和航班时刻数据，以基础航路网络模型、城市对航路网络模型和航班运行航路网络模型为模型基础，赋予空管基础数据和航班时刻数据，构建形成完整的航路网络模型。
步骤2，评估外界扰动对航路网络的影响，确定航路网络受扰后的剩余空域；
步骤2-1，定义变量，包括：
AirportInfList：受影响的机场列表；
WayPtInfList：受影响的航路点列表；
SegInfList：受影响的航段列表；
RouteInfList：受影响的高空航线列表；
AdlInfList：受影响的进离场航线列表；
CprInfList：受影响的城市对航路列表；
FprInfList：受影响的航班运行航路列表；
BaseRouteNetLeft：剩余基础航路网络；
CityRouteNetLeft：剩余城市对航路网络；
FlightNetLeft：剩余航班运行航路网络；
步骤2-2，将外界扰动抽象为多边形区域，与航路网络要素位置关系进行比对，评估外界扰动对航路网络的影响；
步骤2-2-1，遍历基础航路网中的机场、航路点、航段、高空航线和进离场航线数据，通过点、线与面的几何关系进行判断，得到相应受影响的要素列表：AirportInfList、WayPtInfList、SegInfList、RouteInfList和AdlInfList；
步骤2-2-2，遍历城市对航路网络中的每一条城市对航路，判断城市对航路网络模型中的
Figure 696516DEST_PATH_IMAGE062
、
Figure 304215DEST_PATH_IMAGE059
和
Figure 294168DEST_PATH_IMAGE063
的关联信息是否存在于步骤2-2-1中的受影响的要素列表中，若存在则将该城市对航路加入到受影响的城市对航路列表，全部遍历完成后形成受影响的城市对航路列表CprInfList；
步骤2-2-3，遍历航班运行航路网络中的每一条航班运行航路，判断该航班运行航路所关联的城市对航路
Figure 793151DEST_PATH_IMAGE057
是否存在于受影响的城市对航路列表CprInfList，若存在则将其加入到受影响的航班航路列表，全部遍历完成后形成受影响的航班运行航路列表FprInfList。
步骤2-3，根据外界扰动对航路网络的影响，更新基础航路网络、城市对航路网络和航班运行航路网络，形成航路网络受扰后的剩余空域。
步骤2-3-1，遍历基础航路网中每一个机场要素数据
Figure 450529DEST_PATH_IMAGE064
，如果该机场存在于受影响的机场列表AirportInfList，则从基础航路网中移除该机场，否则进一步判断该机场连接关系中的每一个关联的进离场航线
Figure 229129DEST_PATH_IMAGE065
及关联的进离场航路点
Figure 17962DEST_PATH_IMAGE066
是否存在于相应的受影响列表AdlInfList或WayPtInfList，若存在则从连接关系中移除该关联；采用同样的处理方法对航路点、航段、高空航线以及进离场航线进行处理，处理完成后形成剩余基础航路网络BaseRouteNetLeft；
步骤2-3-2，遍历城市对航路网络和航班运行航路网络中的每一条航路数据，与受影响的列表CprInfList和FprInfList进行比对，移除受影响的航路，形成剩余城市对航路网络CityRouteNetLeft和剩余航班运行航路网络FlightNetLeft。
步骤3，基于剩余空域对航路网络进行调整重构，形成重构方案；
步骤3-1，定义变量，包括：
FlightRtAddList：新增加的航班运行航路列表；
FlightRtDisList：不可选用的航班运行航路列表，经评估后新增的航班运行航路达不到航路网运输能力要求的加入到该列表，在下一轮迭代重构过程中不再选用该航路；
SWptSearchList：重构的网络起点航路点搜索列表，存放网络重构过程中搜索过的起点航路点；
EWptSearchList：重构的网络终点航路点搜索列表，存放网络重构过程中搜索过的终点航路点；
步骤3-2，从剩余航班运行航路网络FlightNetLeft中移除不可选用的航班运行航路列表FlightRtDisList中的航路，遍历FlightNetLeft，判断每个航班是否关联了城市对航路，如果未关联则执行步骤3-3，否则不进行调整，最终形成重构后的航班运行航路网络
Figure 743473DEST_PATH_IMAGE067
；
步骤3-3，为未关联城市对航路的航班重新分配和关联航路。
步骤3-3-1，以航班的起降机场为搜索条件到CityRouteNetLeft中查找该起降机场对是否还有其他可用城市对航路，如果有则将该城市对航路关联到航班运行航路上，将该航班运行航路加入到FlightRtAddList，否则执行步骤3-3-2；
步骤3-3-2，以剩余基础航路网络BaseRouteNetLeft为网络基础，以该航班的起降机场对为输入，通过A*算法对该机场对重新进行路径规划，如果能够规划出可通行路径，则将该路径作为城市对航路关联到该航班运行航路上，并将该航班运行航路加入到FlightRtAddList，否则执行步骤3-3-3；
步骤3-3-3，通过增加临时航段，重构出起降机场之间的航路。
步骤3-3-3-1，从受影响的航班运行航路列表FprInfList中找出该航班原始关联的城市对航路
Figure 317674DEST_PATH_IMAGE068
及其航路点序
Figure 719705DEST_PATH_IMAGE069
，其中从
Figure 746567DEST_PATH_IMAGE070
到
Figure 72506DEST_PATH_IMAGE071
是受影响的部分，u代表受影响部分前一个航路点的序号， v代表受影响部分后一个航路点的序号，h代表该航路所有的组成点数；
步骤3-3-3-2，从剩余基础航路网络BaseRouteNetLeft中查找与
Figure 750481DEST_PATH_IMAGE072
距离最近且不在SWptSearchList列表中的航路点记为
Figure 870884DEST_PATH_IMAGE073
，并将
Figure 322725DEST_PATH_IMAGE074
加入到SWptSearchList，并判断
Figure 701622DEST_PATH_IMAGE072
与
Figure 188098DEST_PATH_IMAGE075
连线与外界扰动区域是否相交，如果相交则重复执行步骤3-3-3-2；
步骤3-3-3-3，由航路点
Figure 479402DEST_PATH_IMAGE073
确定该航路点关联的航段序列，进一步确定所关联的高空航线集合，由关联的高空航线集合确定关联这些高空航线的航路点集合；
步骤3-3-3-4，从这些航路点集合中查找与
Figure 730124DEST_PATH_IMAGE076
距离最近且不在EWptSearchList列表中的航路点记为
Figure 601128DEST_PATH_IMAGE077
，并将
Figure 4428DEST_PATH_IMAGE077
加入到EWptSearchList，并判断
Figure 919163DEST_PATH_IMAGE076
与
Figure 142334DEST_PATH_IMAGE077
连线与外界扰动区域是否相交，如果相交则重复执行步骤3-3-3-4；
步骤3-3-3-5，连接航路点
Figure 879346DEST_PATH_IMAGE072
与
Figure 324102DEST_PATH_IMAGE073
以及
Figure 957209DEST_PATH_IMAGE076
与
Figure 667676DEST_PATH_IMAGE077
构建两条航段，在剩余基础航路网络基础上增加这两条航段，更新形成新的基础航路网，以航班起降机场为输入重新构建新的城市对航路，关联到该航班运行航路上，并将该航班运行航路加入到FlightRtAddList。
步骤4，基于航路网络运输能力评价方法对重构方案进行评估，迭代步骤3直至重构方案满足运输能力评估要求，形成最终的航路网络模型优化方案。
步骤4-1，设置航路网络中机场及航路点的容量值，形成航路网络容量对应表
Figure 192067DEST_PATH_IMAGE078
，表示为：
Figure 242063DEST_PATH_IMAGE079
其中，f代表航路网络中机场及航路点点要素的数量，
Figure 311650DEST_PATH_IMAGE080
代表第f个点要素的代号，
Figure 758681DEST_PATH_IMAGE081
代表该点要素的容量值；
步骤4-2，基于4D轨迹推算技术对重构前后的航班运行航路网络进行4D轨迹推算，计算出各航班在航路网上个航路点上的到点时刻，进而计算出各航路点航班流量密度，重构前流量密度表示为：
Figure 775178DEST_PATH_IMAGE082
其中，g代表重构前航班运行网络使用的点要素数量，
Figure 476418DEST_PATH_IMAGE083
代表第 g个点要素的代号，
Figure 231753DEST_PATH_IMAGE084
代表该点要素的流量密度值，同理重构后的流量密度表示为：
Figure 651233DEST_PATH_IMAGE085
其中， c代表重构后航班运行网络使用的点要素数量；
步骤4-3，以航路网容量满足航班流量的程度来表达航路网运输能力，并以航路网航班流量正负偏离容量的比例来描述航路网运输能力，重构前的航路网运输能力表示为：
Figure 205842DEST_PATH_IMAGE086
调整后的航路网运输能力表示为：
Figure 276436DEST_PATH_IMAGE087
调整前后的航路网运输能力变化情况表示为：
Figure 953405DEST_PATH_IMAGE088
步骤4-4，设定能力变化条件阈值
Figure 63443DEST_PATH_IMAGE089
，如果
Figure 733328DEST_PATH_IMAGE090
则重构完成，否则从FlightRtAddList提取出影响航路网运输能力较大的航班运行航路，加入到FlightRtDisList，并再次执行步骤3直至满足运输能力评估要求为止。
实施例：
以华东地区突发雷暴天气扰动影响下的航空网络重构为例，结合附图具体说明一种基于剩余空域的航路网络重构方法。
如图1所示，一种基于剩余空域的航路网络重构方法，主要包括以下4个步骤：
步骤1、构建航路网络模型，基于航路网络模型形成规格化的航路网络结构数据，实现航路网络要素间网络拓扑关系的数字化表达；
步骤2、评估外界扰动对航路网络的影响，确定航路网络受扰后的剩余空域；
步骤3、基于剩余空域对航路网进行调整重构，形成重构方案；
步骤4、基于航路网运输能力评价方法对重构方案进行评估，迭代步骤3直至方案满足运输能力评估要求为止，形成优化方案。
步骤1具体包括以下步骤：
步骤1-1，定义航路网络为基础航路网络、城市对航路网络和航班运行航路网络，分别从三个层面上对航路网络建模，具体包括：
步骤1-1-1，将基础航路网络分解为机场、航路点、航段、高空航线、进离场航线五类点线要素，其中机场、航路点抽象为点要素，航段、高空航线、进离场航线抽象为线要素，通过五类要素描述构建基础航路网络模型；
以禄口机场为例描述机场要素，禄口机场与多条进离场航线相关联，假设禄口机场在机场数据中的序号为1，禄口机场要素可描述为
Figure 612422DEST_PATH_IMAGE091
，其中
Figure 194713DEST_PATH_IMAGE092
为禄口机场的代号，该机场基本信息
Figure 103632DEST_PATH_IMAGE093
，包含名称、经纬度、标高等，该机场网络连接关系
Figure 44DEST_PATH_IMAGE094
，以第一个连接关系为例，该机场通过进离场航
Figure 795962DEST_PATH_IMAGE095
与航路点
Figure 798422DEST_PATH_IMAGE096
关联；
以航路
Figure 883052DEST_PATH_IMAGE096
为例描述航路点要素，该航路点与1个航段关联，与4条进离场航线关联，假设该航路点在航路点数据中的序号是1，
Figure 379893DEST_PATH_IMAGE096
航路点要素可描述为
Figure 545164DEST_PATH_IMAGE097
，该航路点的网络连接关系可表示为
Figure 469257DEST_PATH_IMAGE098
，其中
Figure 775605DEST_PATH_IMAGE099
为该航路点关联的航段，
Figure 59824DEST_PATH_IMAGE100
为其关联的进离场航线；
以航段
Figure 299176DEST_PATH_IMAGE099
为例描述航段要素，该航段起点为
Figure 394171DEST_PATH_IMAGE096
、终点为
Figure 499399DEST_PATH_IMAGE101
，是高空航线
Figure 541304DEST_PATH_IMAGE102
的一部分，假设该航段在航段数据中的序号是1，该航段要素可描述为
Figure 166321DEST_PATH_IMAGE103
，其网络连接关系可表示为
Figure 681485DEST_PATH_IMAGE104
；
以高空航线
Figure 24741DEST_PATH_IMAGE102
为例描述高空航线要素，该高空航线由南翔、
Figure 401496DEST_PATH_IMAGE105
、
Figure 881019DEST_PATH_IMAGE106
、
Figure 770346DEST_PATH_IMAGE101
、
Figure 600899DEST_PATH_IMAGE096
等航路点组成，假设该高空航线在高空航线数据中的序号是1，该高空航线可描述为
Figure 781345DEST_PATH_IMAGE107
；
以进离场航线
Figure 591341DEST_PATH_IMAGE095
为例描述进离场航线要素，该进离场航线与机场ZBAA和航路点
Figure 464620DEST_PATH_IMAGE096
关联，假设该进离场航线在进离场航线数据中的序号是1，该进离场航线可描述为
Figure 516889DEST_PATH_IMAGE108
，该进离场航线网络连接关系
Figure 953556DEST_PATH_IMAGE109
；
步骤1-1-2，基于基础航路网络模型，选取两两机场构建城市对航路网络模型，以起飞机场为南京禄口机场（代号ZSNJ），目的机场为上海浦东机场（代号为ZSPD）为例进行说明，从禄口机场的网络连接关系中任意选取一组离场航线和离场航路点如
Figure 407671DEST_PATH_IMAGE095
和
Figure 186271DEST_PATH_IMAGE096
，从浦东机场的网络连接关系中任意选取一组进场航线和进场航路点如
Figure 178366DEST_PATH_IMAGE110
和
Figure 966194DEST_PATH_IMAGE111
，以
Figure 274815DEST_PATH_IMAGE096
和
Figure 676847DEST_PATH_IMAGE111
作为端点采用A*算法进行最短路径规划，得到从禄口机场到浦东机场的一组航路点序
Figure 969288DEST_PATH_IMAGE112
，从而确定从禄口机场到浦东机场的一条城市对航路，同理采用不同的进离场航线组合可以得到禄口机场到浦东机场的所有城市对航路，同理可确定所有起降机场对之间的城市对网络，从而构建其整个城市对航路网络模型；
步骤1-1-3，基于城市对航路网络模型，以航班计划为驱动，赋予城市对航路网络模型时间信息，构建航班运行航路网络模型，航班运行航路网络
Figure 29648DEST_PATH_IMAGE113
可描述为
Figure 645306DEST_PATH_IMAGE114
，其中
Figure 296867DEST_PATH_IMAGE115
为航班起飞时间；
步骤1-2，从管制自动化系统导出并读取当前最新的空管基础数据，从历史计划信息获取并读取航班时刻数据，以基础航路网络模型、城市对航路网络模型和航班运行航路网络模型为模型基础，赋予模型具体数据，构建形成整个航线网络，部分航班时刻数据如表1所示：
航班号 计划起飞时间 起飞机场 目的机场
CES2811 8:30 ZSNJ ZBAA
CES5129 9:00 ZSPD ZBAA
CES3843 9:20 ZBAA ZSPD
CCA1818 11:45 ZSNJ ZBAA
CES6160 13:30 ZSNJ ZSSS
…… …… …… ……
表1部分航班时刻表
步骤2具体包括以下步骤：
步骤2-1，定义变量，具体如下：
AirportInfList：受影响的机场列表；
WayPtInfList：受影响的航路点列表；
SegInfList：受影响的航段列表；
RouteInfList：受影响的高空航线列表；
AdlInfList：受影响的进离场航线列表；
CprInfList：受影响的城市对航路列表；
FprInfList：受影响的航班运行航路列表；
BaseRouteNetLeft：剩余基础航路网络；
CityRouteNetLeft：剩余城市对航路网络；
FlightNetLeft：剩余航班运行航路网络；
如图2所示，为剩余空域构建流程，结合步骤2-2、2-3进行说明。
步骤2-2，华东地区突发雷暴天气影响，将该雷暴天气的扰动抽象为多边形区域，与航路网络要素位置关系进行比对，评估外界扰动对航路网络的影响，具体包括：
步骤2-2-1，遍历基础航路网中的机场、航路点、航段、高空航线、进离场航线数据，通过点、线与面的几何关系进行判断，得到相应受影响的要素列表：AirportInfList、WayPtInfList、SegInfList、RouteInfList、AdlInfList；
步骤2-2-2，遍历城市对航路网络中的每一条城市对航路，判断城市对航路网络模型中的
Figure 997976DEST_PATH_IMAGE116
、
Figure 862026DEST_PATH_IMAGE117
、
Figure 410819DEST_PATH_IMAGE118
等关联信息是否存在于步骤2-2-1中的受影响的要素列表中，若存在则将该城市对航路加入到受影响的城市对航路列表，全部遍历完成后形成受影响的城市对航路列表CprInfList；
步骤2-2-3，遍历航班运行航路网络中的每一条航班运行航路，判断该航班运行航路所关联的城市对航路
Figure 702124DEST_PATH_IMAGE119
是否存在于受影响的城市对航路列表CprInfList，若存在则将其加入到受影响的航班航路列表，全部遍历完成后形成受影响的航班运行航路列表FprInfList；
步骤2-3，根据该雷暴天气影响，更新基础航路网络、城市对航路网络和航班运行航路网络，形成航路网络受扰后的剩余空域，具体包括：
步骤2-3-1，遍历基础航路网中每一个机场要素数据
Figure 687266DEST_PATH_IMAGE120
，如果该机场存在于受影响的机场列表AirportInfList，则从基础航路网中移除该机场，否则进一步判断该机场连接关系中的每一个关联的进离场航线
Figure 558270DEST_PATH_IMAGE121
及关联的进离场航路点
Figure 961569DEST_PATH_IMAGE122
是否存在于相应的受影响列表AdlInfList、WayPtInfList，若存在则从连接关系中移除该关联，采用同样的处理方法对航路点、航段、高空航线、进离场航线进行处理，处理完成后形成剩余基础航路网络BaseRouteNetLeft；
步骤2-3-2，遍历城市对航路网络和航班运行航路网络中的每一条航路数据，与受影响的列表CprInfList、FprInfList进行比对，移除受影响的航路，形成剩余城市对航路网络CityRouteNetLeft和剩余航班运行航路网络FlightNetLeft；
步骤3具体包括以下步骤：
步骤3-1，定义变量，具体如下：
FlightRtAddList：新增加的航班运行航路列表；
FlightRtDisList：不可选用的航班运行航路列表，经评估后新增的航班运行航路达不到航路网运输能力要求的加入到该列表，在下一轮迭代重构过程中不再选用该航路；
SWptSearchList：重构的网络起点航路点搜索列表，存放网络重构过程中搜索过的起点航路点；
EWptSearchList：重构的网络终点航路点搜索列表，存放网络重构过程中搜索过的终点航路点；
步骤3-2，从剩余航班运行航路网络FlightNetLeft中移除不可选用的航班运行航路列表FlightRtDisList中的航路，遍历FlightNetLeft，判断每个航班是否关联了城市对航路，如果未关联则执行步骤3-3，否则外界扰动对该航班无影响，无需调整，最终形成重构后的航班运行航路网络
Figure 876305DEST_PATH_IMAGE123
；
步骤3-3，为未关联城市对航路的航班（即受影响航班）重新分配和关联航路，如图3所示，具体步骤如下：
步骤3-3-1，以该航班的起降机场为搜索条件到CityRouteNetLeft中查找该起降机场对是否还有其他可用城市对航路，如果有则将该城市对航路关联到航班运行航路上，将该航班运行航路加入到FlightRtAddList，否则执行步骤3-3-2；
步骤3-3-2，以剩余基础航路网络BaseRouteNetLeft为网络基础，以该航班的起降机场对为输入，通过A*算法对该机场对重新进行路径规划，如果能够规划出可通行路径，则将该路径作为城市对航路关联到该航班运行航路上，并将该航班运行航路加入到FlightRtAddList，否则执行步骤3-3-3；
步骤3-3-3，通过增加临时航段，重构出起降机场之间的航路，具体步骤如下：
步骤3-3-3-1，从受影响的航班运行航路列表FprInfList中找出该航班原始关联的城市对航路
Figure 99476DEST_PATH_IMAGE119
及其航路点序列
Figure 570908DEST_PATH_IMAGE124
，其中从
Figure 15665DEST_PATH_IMAGE125
到
Figure 179930DEST_PATH_IMAGE126
是受影响的部分；
步骤3-3-3-2，从剩余基础航路网络BaseRouteNetLeft中查找
Figure 342927DEST_PATH_IMAGE127
距离最近且不在SWptSearchList列表中的航路点记为
Figure 352471DEST_PATH_IMAGE128
，并将
Figure 464784DEST_PATH_IMAGE129
加入到SWptSearchList，并判断
Figure 721322DEST_PATH_IMAGE127
与
Figure 184664DEST_PATH_IMAGE130
连线与雷暴天气影响区域是否相交，如果相交则重复执行步骤3-3-3-2；
步骤3-3-3-3，由航路点
Figure 935582DEST_PATH_IMAGE128
确定该航路点关联的航段序列，进一步确定所关联的高空航线集合，由关联的高空航线集合确定关联这些高空航线的航路点集合；
步骤3-3-3-4，从这些航路点集合中查找与
Figure 151669DEST_PATH_IMAGE131
距离最近且不在EWptSearchList列表中的航路点记为
Figure 657737DEST_PATH_IMAGE132
，并将
Figure 280479DEST_PATH_IMAGE132
加入到EWptSearchList，并判断
Figure 146673DEST_PATH_IMAGE131
与
Figure 171261DEST_PATH_IMAGE132
连线与外界扰动区域是否相交，如果相交则重复执行步骤3-3-3-4；
步骤3-3-3-5，连接航路点
Figure 582650DEST_PATH_IMAGE127
与
Figure 4273DEST_PATH_IMAGE130
以及
Figure 893732DEST_PATH_IMAGE131
与
Figure 38405DEST_PATH_IMAGE132
构建两条航段，在剩余基础航路网络基础上增加这两条航段，更新形成新的基础航路网，以航班起降机场为输入重新构建新的城市对航路，关联到该航班运行航路上，并将该航班运行航路加入到FlightRtAddList；
步骤4具体包括以下步骤：
步骤4-1，设置航路网络中机场及航路点的容量值，形成航路网络容量对应表
Figure 135543DEST_PATH_IMAGE133
，可表示为
Figure 529615DEST_PATH_IMAGE134
，其中
Figure 426027DEST_PATH_IMAGE135
代表航路网络中机场及航路点点要素的数量，
Figure 205633DEST_PATH_IMAGE136
代表第
Figure 224405DEST_PATH_IMAGE135
个点要素的代号，
Figure 105773DEST_PATH_IMAGE137
代表该点要素的容量值，设置的航路网络容量对应表部分数据如表2所示：
Figure 55144DEST_PATH_IMAGE139
表2航路网络容量对应表
步骤4-2，基于4D轨迹推算技术对重构前后的航班运行航路网络进行4D轨迹推算，计算出各航班在航路网上个航路点上的到点时刻，进而计算出各航路点航班流量密度，重构前流量密度表示为
Figure 705568DEST_PATH_IMAGE140
，其中
Figure 629661DEST_PATH_IMAGE141
代表重构前航班运行网络使用的点要素数量，
Figure 998326DEST_PATH_IMAGE142
代表第
Figure 485808DEST_PATH_IMAGE141
个点要素的代号，
Figure 256318DEST_PATH_IMAGE143
代表该点要素的流量密度值，同理重构后的流量密度可表示为
Figure 351313DEST_PATH_IMAGE144
，其中
Figure 659803DEST_PATH_IMAGE145
代表重构后航班运行网络使用的点要素数量；
步骤4-3，以航路网容量满足航班流量的程度来表达航路网运输能力，进一步的以航路网航班流量正负偏离容量的比例来描述航路网运输能力，重构前的航路网运输能力表示为：
Figure 498446DEST_PATH_IMAGE146
调整后的航路网运输能力表示为：
Figure 123463DEST_PATH_IMAGE147
调整前后的航路网运输能力变化情况表示为：
Figure 841889DEST_PATH_IMAGE148
步骤4-4，设定能力变化条件阈值
Figure 919566DEST_PATH_IMAGE149
为0.05，如果
Figure 827479DEST_PATH_IMAGE150
则重构完成，否则从FlightRtAddList提取出影响航路网运输能力较大的航班运行航路，加入到FlightRtDisList，并再次执行步骤3直至满足运输能力评估要求为止，经过3轮迭代，优化后的航路网络满足要求，生成符合条件的优化方案。
本发明提供了一种基于剩余空域的航路网络重构方法的思路及方法，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 (10)

1.一种基于剩余空域的航路网络重构方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，构建航路网络模型，基于航路网络模型形成规格化的航路网络结构数据，实现航路网络要素间网络拓扑关系的数字化表达；
步骤2，评估外界扰动对航路网络的影响，确定航路网络受扰后的剩余空域；
步骤3，基于剩余空域对航路网络进行调整重构，形成重构方案；
步骤4，基于航路网络运输能力评价方法对重构方案进行评估，迭代步骤3直至重构方案满足运输能力评估要求，形成最终的航路网络模型优化方案。
2.根据权利要求1所述的一种基于剩余空域的航路网络重构方法，其特征在于，步骤1包括：
步骤1-1，将航路网络定义为基础航路网络、城市对航路网络和航班运行航路网络，分别从三个层面上对航路网络建模；
步骤1-2，读取空管基础数据和航班时刻数据，以基础航路网络模型、城市对航路网络模型和航班运行航路网络模型为模型基础，赋予空管基础数据和航班时刻数据，构建形成完整的航路网络模型。
3.根据权利要求2所述的一种基于剩余空域的航路网络重构方法，其特征在于，步骤1-1包括：
步骤1-1-1，将基础航路网络分解为机场、航路点、航段、高空航线和进离场航线五类点线要素，其中机场和航路点抽象为点要素，航段、高空航线和进离场航线抽象为线要素，通过五类要素描述构建基础航路网络模型；
机场要素
Figure 457516DEST_PATH_IMAGE001
描述为：
Figure 171394DEST_PATH_IMAGE002
其中 i为该机场要素在机场数据中的序号，
Figure 13448DEST_PATH_IMAGE003
代表第 i个机场的代号，
Figure 270642DEST_PATH_IMAGE004
代表第 i个机场的基本信息，包括机场名称、经纬度位置和标高，
Figure 881751DEST_PATH_IMAGE005
代表第i个机场的网络连接关系，将
Figure 766531DEST_PATH_IMAGE005
描述为：
Figure 767985DEST_PATH_IMAGE006
其中，m为该机场在航路网络中连接关系的数量
Figure 763623DEST_PATH_IMAGE007
代表该机场第m个网络连接关系是通过进离场航线
Figure 291556DEST_PATH_IMAGE008
在航路点
Figure 81658DEST_PATH_IMAGE009
进场或离场；
航路点要素
Figure 570408DEST_PATH_IMAGE010
描述为
Figure 900895DEST_PATH_IMAGE011
，其中 j为该航路点要素在航路点数据中的序号，
Figure 221018DEST_PATH_IMAGE012
代表第j个航路点的代号，
Figure 716109DEST_PATH_IMAGE013
代表第j个航路点的基本信息，包括航路点名称和经纬度位置，
Figure 426576DEST_PATH_IMAGE014
代表第j个航路点的网络连接关系，将
Figure 560754DEST_PATH_IMAGE014
描述为：
Figure 673066DEST_PATH_IMAGE015
其中，e为该航路点连接的航段数量，
Figure 601708DEST_PATH_IMAGE016
代表该航路点连接的第e个航段，
Figure 127367DEST_PATH_IMAGE017
为该航路点连接的进离场航线的数量，
Figure 675023DEST_PATH_IMAGE018
代表该航路点连接的第
Figure 766476DEST_PATH_IMAGE017
个进离场航线；
航段要素
Figure 6965DEST_PATH_IMAGE019
描述为：
Figure 551078DEST_PATH_IMAGE020
其中， k为该航段要素在航段数据中的序号，
Figure 168005DEST_PATH_IMAGE021
代表第 k个航段的代号，
Figure 317226DEST_PATH_IMAGE022
代表第k个航段的基本信息，包括航段名称、航段长度、高度范围及航段宽度，
Figure 853250DEST_PATH_IMAGE023
代表第 k个航段的网络连接关系，将
Figure 25605DEST_PATH_IMAGE024
描述为：
Figure 70108DEST_PATH_IMAGE025
其中，
Figure 136153DEST_PATH_IMAGE026
代表该航段起点关联的航路点，
Figure 718444DEST_PATH_IMAGE027
代表该航段终点关联的航路点，
Figure 237150DEST_PATH_IMAGE028
代表该航段所属的高空航线；
高空航线要素
Figure 195879DEST_PATH_IMAGE029
描述为：
Figure 850851DEST_PATH_IMAGE030
其中， 0为该高空航线要素在高空航线数据中的序号，
Figure 604044DEST_PATH_IMAGE031
代表第0个高空航线的代号，
Figure 813308DEST_PATH_IMAGE032
代表第0个高空航线的基本信息，包括航线名称和属性，
Figure 434782DEST_PATH_IMAGE033
代表第0个高空航线的网络连接关系，将
Figure 350786DEST_PATH_IMAGE033
描述为：
Figure 133934DEST_PATH_IMAGE034
其中，p为组成该高空航线关联的航路点数量，
Figure 502598DEST_PATH_IMAGE035
代表该高空航线关联的第p个航路点；
进离场航线要素
Figure 662184DEST_PATH_IMAGE036
描述为：
Figure 763520DEST_PATH_IMAGE037
其中， q为该进离场航线要素在进离场航线数据中的序号，
Figure 592936DEST_PATH_IMAGE038
代表第q个进离场航线的代号，
Figure 839109DEST_PATH_IMAGE039
代表第q个进离场航线的基本信息，包括进离场航线名称和属性，组成点经纬度信息，
Figure 5648DEST_PATH_IMAGE040
代表第 q个进离场航线的网络连接关系，将
Figure 365086DEST_PATH_IMAGE040
描述为：
Figure 755616DEST_PATH_IMAGE041
其中，
Figure 98872DEST_PATH_IMAGE042
为该进离场航线关联的机场，
Figure 69102DEST_PATH_IMAGE043
为该进离场航线关联的航路点；
步骤1-1-2，基于基础航路网络模型，选取两两机场构建城市对航路网络模型，起飞机场为
Figure 938838DEST_PATH_IMAGE044
，目的机场为
Figure 703532DEST_PATH_IMAGE045
，从起飞机场的网络连接关系
Figure 534085DEST_PATH_IMAGE046
中任意选取一组离场航线
Figure 839164DEST_PATH_IMAGE047
和离场航路点
Figure 769598DEST_PATH_IMAGE048
，从目的机场的网络连接关系
Figure 377297DEST_PATH_IMAGE049
中任意选取一组进场航线
Figure 757463DEST_PATH_IMAGE050
和进场航路点
Figure 600654DEST_PATH_IMAGE051
，以
Figure 54769DEST_PATH_IMAGE052
和
Figure 223582DEST_PATH_IMAGE051
作为端点采用A*算法进行最短路径规划，得到从
Figure 763148DEST_PATH_IMAGE052
到
Figure 410030DEST_PATH_IMAGE051
的一组航路点序列
Figure 46548DEST_PATH_IMAGE053
，从而确定从起飞机场
Figure 261629DEST_PATH_IMAGE054
到目的机场为
Figure 147545DEST_PATH_IMAGE055
的一条城市对航路；同理，采用不同的进离场航线组合可以得到该机场对的所有城市对航路，起飞机场
Figure 801380DEST_PATH_IMAGE056
到目的机场
Figure 230087DEST_PATH_IMAGE045
的城市对网络
Figure 478054DEST_PATH_IMAGE057
描述为：
Figure 992212DEST_PATH_IMAGE058
其中，s为该机场对之间的城市对航路数量，
Figure 980896DEST_PATH_IMAGE059
为第s条城市对航路高空航路点集合，同理确定所有起降机场对之间的城市对网络，从而构建其整个城市对航路网络模型；
步骤1-1-3，基于城市对航路网络模型，以航班计划为驱动，赋予城市对航路网络模型时间信息，构建航班运行航路网络模型，航班运行航路网络
Figure 326427DEST_PATH_IMAGE060
描述为：
Figure 883310DEST_PATH_IMAGE061
其中，t为航班起飞时间。
4.根据权利要求3所述的一种基于剩余空域的航路网络重构方法，其特征在于，步骤2包括：
步骤2-1，定义变量，包括：
AirportInfList：受影响的机场列表；
WayPtInfList：受影响的航路点列表；
SegInfList：受影响的航段列表；
RouteInfList：受影响的高空航线列表；
AdlInfList：受影响的进离场航线列表；
CprInfList：受影响的城市对航路列表；
FprInfList：受影响的航班运行航路列表；
BaseRouteNetLeft：剩余基础航路网络；
CityRouteNetLeft：剩余城市对航路网络；
FlightNetLeft：剩余航班运行航路网络；
步骤2-2，将外界扰动抽象为多边形区域，与航路网络要素位置关系进行比对，评估外界扰动对航路网络的影响；
步骤2-3，根据外界扰动对航路网络的影响，更新基础航路网络、城市对航路网络和航班运行航路网络，形成航路网络受扰后的剩余空域。
5.根据权利要求4所述的一种基于剩余空域的航路网络重构方法，其特征在于，步骤2-2包括：
步骤2-2-1，遍历基础航路网中的机场、航路点、航段、高空航线和进离场航线数据，通过点、线与面的几何关系进行判断，得到相应受影响的要素列表：AirportInfList、WayPtInfList、SegInfList、RouteInfList和AdlInfList；
步骤2-2-2，遍历城市对航路网络中的每一条城市对航路，判断城市对航路网络模型中的
Figure 9398DEST_PATH_IMAGE062
、
Figure 5036DEST_PATH_IMAGE059
和
Figure 142756DEST_PATH_IMAGE063
的关联信息是否存在于步骤2-2-1中的受影响的要素列表中，若存在则将该城市对航路加入到受影响的城市对航路列表，全部遍历完成后形成受影响的城市对航路列表CprInfList；
步骤2-2-3，遍历航班运行航路网络中的每一条航班运行航路，判断该航班运行航路所关联的城市对航路
Figure 995175DEST_PATH_IMAGE057
是否存在于受影响的城市对航路列表CprInfList，若存在则将其加入到受影响的航班航路列表，全部遍历完成后形成受影响的航班运行航路列表FprInfList。
6.根据权利要求5所述的一种基于剩余空域的航路网络重构方法，其特征在于，步骤2-3包括：
步骤2-3-1，遍历基础航路网中每一个机场要素数据
Figure 546242DEST_PATH_IMAGE064
，如果该机场存在于受影响的机场列表AirportInfList，则从基础航路网中移除该机场，否则进一步判断该机场连接关系中的每一个关联的进离场航线
Figure 752095DEST_PATH_IMAGE065
及关联的进离场航路点
Figure 868956DEST_PATH_IMAGE066
是否存在于相应的受影响列表AdlInfList或WayPtInfList，若存在则从连接关系中移除该关联；采用同样的处理方法对航路点、航段、高空航线以及进离场航线进行处理，处理完成后形成剩余基础航路网络BaseRouteNetLeft；
步骤2-3-2，遍历城市对航路网络和航班运行航路网络中的每一条航路数据，与受影响的列表CprInfList和FprInfList进行比对，移除受影响的航路，形成剩余城市对航路网络CityRouteNetLeft和剩余航班运行航路网络FlightNetLeft。
7.根据权利要求6所述的一种基于剩余空域的航路网络重构方法，其特征在于，步骤3包括：
步骤3-1，定义变量，包括：
FlightRtAddList：新增加的航班运行航路列表；
FlightRtDisList：不可选用的航班运行航路列表，经评估后新增的航班运行航路达不到航路网运输能力要求的加入到该列表，在下一轮迭代重构过程中不再选用该航路；
SWptSearchList：重构的网络起点航路点搜索列表，存放网络重构过程中搜索过的起点航路点；
EWptSearchList：重构的网络终点航路点搜索列表，存放网络重构过程中搜索过的终点航路点；
步骤3-2，从剩余航班运行航路网络FlightNetLeft中移除不可选用的航班运行航路列表FlightRtDisList中的航路，遍历FlightNetLeft，判断每个航班是否关联了城市对航路，如果未关联则执行步骤3-3，否则不进行调整，最终形成重构后的航班运行航路网络
Figure 33221DEST_PATH_IMAGE067
；
步骤3-3，为未关联城市对航路的航班重新分配和关联航路。
8.根据权利要求7所述的一种基于剩余空域的航路网络重构方法，其特征在于，步骤3-3包括：
步骤3-3-1，以航班的起降机场为搜索条件到CityRouteNetLeft中查找该起降机场对是否还有其他可用城市对航路，如果有则将该城市对航路关联到航班运行航路上，将该航班运行航路加入到FlightRtAddList，否则执行步骤3-3-2；
步骤3-3-2，以剩余基础航路网络BaseRouteNetLeft为网络基础，以该航班的起降机场对为输入，通过A*算法对该机场对重新进行路径规划，如果能够规划出可通行路径，则将该路径作为城市对航路关联到该航班运行航路上，并将该航班运行航路加入到FlightRtAddList，否则执行步骤3-3-3；
步骤3-3-3，通过增加临时航段，重构出起降机场之间的航路。
9.根据权利要求8所述的一种基于剩余空域的航路网络重构方法，其特征在于，步骤3-3-3包括：
步骤3-3-3-1，从受影响的航班运行航路列表FprInfList中找出该航班原始关联的城市对航路
Figure 593953DEST_PATH_IMAGE068
及其航路点序
Figure 931394DEST_PATH_IMAGE069
，其中从
Figure 43706DEST_PATH_IMAGE070
到
Figure 237927DEST_PATH_IMAGE071
是受影响的部分，u代表受影响部分前一个航路点的序号， v代表受影响部分后一个航路点的序号，h代表该航路所有的组成点数；
步骤3-3-3-2，从剩余基础航路网络BaseRouteNetLeft中查找与
Figure 763586DEST_PATH_IMAGE072
距离最近且不在SWptSearchList列表中的航路点记为
Figure 311242DEST_PATH_IMAGE073
，并将
Figure 402695DEST_PATH_IMAGE074
加入到SWptSearchList，并判断
Figure 643184DEST_PATH_IMAGE072
与
Figure 656139DEST_PATH_IMAGE075
连线与外界扰动区域是否相交，如果相交则重复执行步骤3-3-3-2；
步骤3-3-3-3，由航路点
Figure 132120DEST_PATH_IMAGE073
确定该航路点关联的航段序列，进一步确定所关联的高空航线集合，由关联的高空航线集合确定关联这些高空航线的航路点集合；
步骤3-3-3-4，从这些航路点集合中查找与
Figure 219024DEST_PATH_IMAGE076
距离最近且不在EWptSearchList列表中的航路点记为
Figure 755048DEST_PATH_IMAGE078
，并将
Figure 661824DEST_PATH_IMAGE078
加入到EWptSearchList，并判断
Figure 882108DEST_PATH_IMAGE076
与
Figure 213733DEST_PATH_IMAGE078
连线与外界扰动区域是否相交，如果相交则重复执行步骤3-3-3-4；
步骤3-3-3-5，连接航路点
Figure 858341DEST_PATH_IMAGE072
与
Figure 252413DEST_PATH_IMAGE073
以及
Figure 335775DEST_PATH_IMAGE076
与
Figure 131693DEST_PATH_IMAGE078
构建两条航段，在剩余基础航路网络基础上增加这两条航段，更新形成新的基础航路网，以航班起降机场为输入重新构建新的城市对航路，关联到该航班运行航路上，并将该航班运行航路加入到FlightRtAddList。
10.根据权利要求9所述的一种基于剩余空域的航路网络重构方法，其特征在于，步骤4包括以下步骤：
步骤4-1，设置航路网络中机场及航路点的容量值，形成航路网络容量对应表
Figure 212782DEST_PATH_IMAGE079
，表示为：
Figure 218784DEST_PATH_IMAGE080
其中，f代表航路网络中机场及航路点点要素的数量，
Figure 715624DEST_PATH_IMAGE081
代表第f个点要素的代号，
Figure 490682DEST_PATH_IMAGE082
代表该点要素的容量值；
步骤4-2，基于4D轨迹推算技术对重构前后的航班运行航路网络进行4D轨迹推算，计算出各航班在航路网上个航路点上的到点时刻，进而计算出各航路点航班流量密度，重构前流量密度表示为：
Figure 742672DEST_PATH_IMAGE083
其中，g代表重构前航班运行网络使用的点要素数量，
Figure 111336DEST_PATH_IMAGE084
代表第 g个点要素的代号，
Figure 539431DEST_PATH_IMAGE085
代表该点要素的流量密度值，同理重构后的流量密度表示为：
Figure 372258DEST_PATH_IMAGE086
其中， c代表重构后航班运行网络使用的点要素数量；
步骤4-3，以航路网容量满足航班流量的程度来表达航路网运输能力，并以航路网航班流量正负偏离容量的比例来描述航路网运输能力，重构前的航路网运输能力表示为：
Figure 467253DEST_PATH_IMAGE087
调整后的航路网运输能力表示为：
Figure 713426DEST_PATH_IMAGE088
调整前后的航路网运输能力变化情况表示为：
Figure 286490DEST_PATH_IMAGE089
步骤4-4，设定能力变化条件阈值
Figure 239403DEST_PATH_IMAGE090
，如果
Figure 895512DEST_PATH_IMAGE091
则重构完成，否则从FlightRtAddList提取出影响航路网运输能力较大的航班运行航路，加入到FlightRtDisList，并再次执行步骤3直至满足运输能力评估要求为止。
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