CN114550505A - 一种基于立体剖分网格的动态低空空域网格流量管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明的基于立体剖分网格的动态低空空域网格流量管理方法，通过基于立体剖分网格，根据飞行器的飞行时间规划将所述动态低空空域网格态势流量进行流量网格化，得到所述动态低空空域的网格流量；根据所述动态低空空域的网格流量计算飞行器在飞行时间规划内的各个管制区流量；根据飞行器的飞行时间和所述飞行时间规划内的各个管制区流量对所述动态低空空域进行流量调配。能够解决低空空域流量一体化组织程度低，自动化管理能力差、低空空域流量管理计算方法复杂、空域多尺度灵活性差的问题。

Description

一种基于立体剖分网格的动态低空空域网格流量管理方法

技术领域

本发明属于基于地球空间信息剖分组织的空域管理技术领域，特别涉及一种基于立体剖分网格的动态低空空域网格流量管理方法。

背景技术

随着我国经济高度发展，军用和民用的飞行任务迅速增多，出现空中交通流量分布不均匀的问题。空域交通流量管理(Air Traffic Flow Management，简称ATFM)是空域交通管理(Air Traffic Management，简称ATM)的重要构成部分之一，其目的是解决空域供给和飞行需求之间的平衡问题。空域管理与ATFM两者相结合协同管理低空空域将成为未来研究发展的重要内容之一。通过对空域态势流量管理方法的相关调研，当前动态低空空域态势流量管理主要存在以下不足：低空空域流量一体化组织程度低，自动化管理能力差、低空空域流量管理计算方法复杂、空域多尺度灵活性差。

低空空域流量一体化组织程度低，自动化管理能力差。其一，低空空域在国际民航组织的空域类别较低，管理要求水平低，但在开放低空空域后可能存在大量的飞行器涌入市场，且飞行器的任务类型、活动区域等纷繁不一，需要在保证安全的前提下最大化、高效合理的使用空域，其发展需求与当前的流量管理形式存在矛盾。其二，轻型固定翼飞机或直升机执行的任务一部分为不定航路，存在频繁使用临时空域的情况，如直升机救援、无人机航拍、农业灌溉等，与传统的民航相比，灵活度较高，突发性事件及特殊情况较多，其任务特点与当前的空域态势流量管理形式存在矛盾，传统的流量调配需要人为参与，一定程度上也同时增加了管制员的工作负担和总体延误时间。

低空空域流量管理计算方法复杂。低空空域的流量管理涉及的目标繁多，不论是判断某区域流量还是调整到的区域的流量重新计算以备下一次调整，都需要耗费一定时间，而流量管理是持续不间断的过程，随着任务的增多以及途径点的冲突增加，则需要流量管理持续的规划调配最合理使用且安全间距较大的空域飞行状况，对计算效率的要求极高，而现有的模型在多维地图空间中对多个高速运动的动目标的协同流量管理存在计算模型复杂，计算效率低下等问题，难以支持低空空域的发展现状以及应对未来的通用航空和无人机产业高速发展需求。

空域多尺度灵活性差。多尺度信息展示渗透了人类生活的方方面面。目前传统方法的单一尺度流量管理方法会造成信息的杂乱堆积，降低用户的使用体验友好度。在动态低空空域态势的流量管理中，多尺度的流量管理方法根据用户可能关注信息的分析推断，筛选出有效的信息级别或统计信息呈现给用户，使得上述问题得以解决。针对海量的空域和飞行器任务信息，多尺度的流量管理在保证数据完整性的原则上，能对数据进行统计分析、层级划分，数据表达清晰、有条理。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足之一，提供了一种基于立体剖分网格的动态低空空域网格流量管理方法，能够解决低空空域流量一体化组织程度低，自动化管理能力差、低空空域流量管理计算方法复杂、空域多尺度灵活性差的问题。

根据本公开的一方面，本发明提供一种基于立体剖分网格的动态低空空域网格流量管理方法，所述方法包括：

基于立体剖分网格，根据飞行器的飞行时间规划将所述动态低空空域网格态势流量进行流量网格化，得到所述动态低空空域的网格流量；

根据所述动态低空空域的网格流量计算飞行器在飞行时间规划内的各个管制区流量；

根据飞行器的飞行时间和所述飞行时间规划内的各个管制区流量对所述动态低空空域进行流量调配。

在一种可能的实现方式中，所述流量网格化包括瞬时流量网格化和时段流量网格化；其中，所述瞬时流量网格化为动态低空空域网格的网格当前容量；所述时段流量网格化为时段流量统计时间内单一飞行器流量总和。

在一种可能的实现方式中，所述管制区包括航路航线区域、交汇点区域、管制扇区和终端区。

在一种可能的实现方式中，根据所述动态低空空域的网格流量计算飞行器在飞行时间规划内的各个管制区流量，包括：

针对航路航线区域，获取飞行器在飞行时间规划内的航路航线区域长度值；

根据对应网格层级的网格尺度得到所述航路航线区域的宽度；

获取由所述航路航线区域的宽度和所述航路航线区域长度值所组成的矩形区域的所有网格编码；

将所述网格编码对应的每个网格流量相加得到总网格流量，所述总网格流量为所述航路航线区域流量。

在一种可能的实现方式中，根据所述动态低空空域的网格流量计算飞行器在飞行时间规划内的各个管制区流量，包括：

针对交叉点区域，获取飞行器在飞行时间规划内的两条航路航线交集网格；

选取对应网格层级的网格尺度内的所有网格编码，将所述网格编码对应的每个网格流量相加得到总网格流量，所述总网格流量为所述交叉点区域流量。

在一种可能的实现方式中，根据所述动态低空空域的网格流量计算飞行器在飞行时间规划内的各个管制区流量，包括：

针对管制扇区或终端区，将所述管制扇区或终端区的边界网格中飞行器进入的次数总和作为所述管制扇区流量或终端区流量。

在一种可能的实现方式中，所述根据飞行器的飞行时间和所述飞行时间规划内的各个管制区流量对所述动态低空空域进行流量调配，包括：

P1：初始化飞行器的飞行时间规划内的时刻点和各个管制区统计流量对应表，预设流量上限t_h，超出流量上限t_h的对应点数量设为s，当前已处理i架飞行器；

P2：对超出流量上限t_h的对应点计算飞行器优先级，排序得到飞行编号p₁、p₂...p_n；

P3：判断超出流量上限t_h的对应点数量s是否等于当前已处理飞行器i，若是，算法结束，若否，执行步骤P4；

P4：查看下一时刻t_n中管制区an的流量f，判断所述管制区an的流量f是否小于预设流量上限t_h，若是，将飞行器p_th+i设为在下一时刻t_n到达管制区an，管制区an的流量f加1，执行步骤P5；否则，预设流量上限t_h加1，返回步骤P3；

P5：判断飞行器的飞行时间规划内的之后时刻是否出现飞行器p_th+i，若是，调整p_th+i到达其他管制区的时刻点，当前已处理飞行器i加1，返回步骤P3，若否，当前已处理飞行器i加1，返回步骤P3。

本发明的基于立体剖分网格的动态低空空域网格流量管理方法，通过基于立体剖分网格，根据飞行器的飞行时间规划将所述动态低空空域网格态势流量进行流量网格化，得到所述动态低空空域的网格流量；根据所述动态低空空域的网格流量计算飞行器在飞行时间规划内的各个管制区流量；根据飞行器的飞行时间和所述飞行时间规划内的各个管制区流量对所述动态低空空域进行流量调配。能够解决低空空域流量一体化组织程度低，自动化管理能力差、低空空域流量管理计算方法复杂、空域多尺度灵活性差的问题。

附图说明

附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1示出了根据本公开一实施例的基于立体剖分网格的动态低空空域网格流量管理方法流程图；

图2a、2b分别示出了根据本公开一实施例的瞬时流量网格化和时段流量网格化的示意图；

图3示出了根据本公开一实施例的基于立体剖分网格的动态低空空域网格流量调配算法流程图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1示出了根据本公开一实施例的基于立体剖分网格的动态低空空域网格流量管理方法流程图；该方法可以使用在动态低空空域空间环境下对周围空间进行态势流量管理等环节下。如图1所示，该方法可以包括：

步骤S1：基于立体剖分网格，根据飞行器的飞行时间规划将所述动态低空空域网格态势流量进行流量网格化，得到所述动态低空空域的网格流量。

其中，立体剖分网格选取一种将地球表面空间剖分为网格的剖分与编码方法GeoSOT-3D，全称为“2n及整型一维数组的全球经纬度剖分网格”，由二维网格编码部分和对应的高度维网格编码部分组成，其剖分思想是将经纬度均拓展为512°×512°的空间，通过等经纬度递归四叉树剖分方法对拓展后的空间进行多尺度的剖分。该剖分方式和编码设计可以通过不同尺度的编码表示地球表面的任意区域，具有全球唯一标识、整型存储计算、多尺度等特性。

空域流量指的是单位时间内能提供的最大服务架次，当空域的飞行架次超过容量限制时会增加飞行器间碰撞的风险。流量管理的任务是经过地面延误计划的协作式决策后，调整使得任意空域区域内的飞行总量和该区域内的空域流量限制相适应，防止飞行器之间的碰撞，保证空域的有序性和安全性，并尽量让空域和着陆区域充分的利用。空域流量管理是在飞行器起飞前，根据飞行器的飞行计划中的时间规划的。

在一示例中，流量网格化主要可以包括瞬时流量网格化与时段流量网格化。其中，所述瞬时流量网格化为动态低空空域网格的网格当前容量；所述时段流量网格化为时段流量统计时间内单一飞行器流量总和。

图2a、2b分别示出了根据本公开一实施例的瞬时流量网格化和时段流量网格化的示意图。

当流量网格化为瞬时流量网格化时，主要用于查看当前时刻低空空域是否存在某区域流量严重超过限制或出现流量异常的现象，即使在系统中预警，便于管制员及时处理进行流量调配。瞬时流量在低空空域网格态势图模型可采用网格的动态属性网格当前容量计算，网格当前容量本身具有多尺度特性，可以实现多尺度流量统计。流量统计区的设置可为多尺度的，即有些区域流量较为密集，则需要在小尺度进行流量管理，而有些区域流量稀疏，小尺度统计存在浪费存储和计算空间的缺点，可采用大尺度范围统计流量，如图2a所示。对于不同尺度的流量限制与统计区域的体积、区域服务类型、飞行时间段有关。

如图2a所示，不同大小的网格体现的是不同尺度的流量统计区设置，其设定依据是取决于长年的飞行任务分布特点。网格中的数字指的是当前多尺度网格的流量。由图2a可知，在小尺度网格内，飞行器数量为9则超出流量限制，而在大尺度网格中，飞行器数量为16依旧在流量限制范围内。流量统计区域的实际划分结果大致为在某一片区域内网格为大尺度(如报告空域)，而在某一片区域内网格为小尺度(如管制空域)，为每一个流量统计区域设置流量上限，且时刻计算网格当前容量。

流量网格化为时段流量网格化时，指的是一个时间段内统计网格内的流量数据，时段流量主要同于在飞行器起飞之前的规划阶段，统筹规划多飞行器的飞行任务是否导致某区域流量超出限制，从而在起飞前进行流量调配。从空域流量管理的角度出发，需要考察多个飞行任务计划是否对所途径的空域造成负担，如果造成了空域使用拥挤，难以保证最小安全距离或侧向偏移距离的情况下，需要对飞行计划进行起飞时间上的调整；

时段流量是考虑时间段内的动态问题，当一个飞行器在流量统计区内的单次飞行过程(从进入该区域到离开该区域)只能算一架飞行器的流量。查询方法如图2b所示，图2b中有两架飞行器(Obj_ID1和Obj_ID2)，表格记录的单位为低空空域网格，在统计时，首先筛选出单一尺度(可选择飞行轨迹的尺度)且被占用的网格，在筛选出的网格中查看飞行器对象列表和任务ID，同一飞行器编号且任务相同的条目记为单一飞行器流量。查看低空空域网格编码，在时段流量统计区范围内的单一飞行器流量总和为该区域的时段流量。

步骤S2：根据动态低空空域的网格流量计算飞行器在飞行时间规划内的各个管制区流量。

其中，管制区可以包括航路航线区域、交汇点区域、管制扇区和终端区。

飞行器在飞行过程中所要经过的区域包括航路、交汇点、管制扇区、机场区域等，不同的区域具有不同的流量限制依据，需要做到具有全局视角的统筹规划，并且保证在各个区域都符合流量管理需求。

在一示例中，针对航路航线区域，获取飞行器在飞行时间规划内的航路航线区域长度值；

根据对应网格层级的网格尺度得到所述航路航线区域的宽度；

获取由所述航路航线区域的宽度和所述航路航线区域长度值所组成的矩形区域的所有网格编码；

将所述网格编码对应的每个网格流量相加得到总网格流量，所述总网格流量为所述航路航线区域流量。

举例来说，航路航线区域容量指的是给定时间内对于确定的高度层流量与机型的配置，该航路航线区域所能容纳的最大飞行器架次，在计算航路航线流量时，取给定时间内区域长度数值，选取对应层级的网格尺度，得到航路宽度L_w和给定时间内区域长度L_t组成的矩形范围内的所有网格编码gridsN_search。查找在流量考察时间段内飞行空域网格剖分表达数据结构表格中对应gridsN_search中每个网格的流量进行加合，得到的总网格流量即为该航路航线段的流量。

在一示例中，针对交叉点区域，获取飞行器在飞行时间规划内的两条航路航线交集网格；选取对应网格层级的网格尺度内的所有网格编码，将所述网格编码对应的每个网格流量相加得到总网格流量，所述总网格流量为所述交叉点区域流量。

例如，针对航路交叉点区域，空域交通流量管理中应保证航路交叉点尽量少，且避免在流量较大的空域出现多个交叉点，以及避免在交叉点处出现多航路交叉的情况。在计算航路航线交叉点流量时，在两个航路航线的网格中选取交集，选取对应层级的网格尺度，当前网格尺度内所有网格编码gridsN_search。查找在流量考察时间段内飞行空域网格剖分表达数据结构表格中对应gridsN_search中每个网格的流量进行加合，得到的总网格流量即为该航路航线段的流量。

在一示例中，针对管制扇区或终端区，将所述管制扇区或终端区的边界网格中飞行器进入的次数总和作为所述管制扇区流量或终端区流量。

其中，针对管制扇区与终端区域，为保持低空空域网格态势图系统对现有的空域管控系统的继承性，管制扇区可用网格表示为相应不规则的凸多边形，管制扇区的网格化流量计算为：飞行器在进入网格化的管制扇区后，在途径扇区内其他网格包括离开点的网格的过程中都记录了网格的飞行属性动态改变，但是其流量统计只应在进入扇区时被记录一次，所以只记录FlyIn_grid在给定时间内的飞行器数量集合，并最终将所有边界网格中飞行器进入的次数相累加得到最终的管制扇区流量统计总数。

终端区与管制扇区的网格化表达相似，但是管理复杂度上更为突出，主要有三大原因：一是进场、离场的飞行器之间容易存在穿越高度的飞行冲突，二是飞行需求的动态增加会导致飞行冲突量的急速增加；三是终端区的天气环境优劣会直接影响飞行器的安全保障能力。所以终端区的流量统计从计算方法上与管制扇区相似，但需要注意其三维结构中上外围面和下外围面的飞行器追踪和统计。

步骤S3：根据飞行器的飞行时间和所述飞行时间规划内的各个管制区流量对所述动态低空空域进行流量调配。

流量调配的基本思路是在可行范围内、就近“填坑”，并且为了简化计算复杂度，假设调配前后具有一定不变性：起终点不变、巡航速度不变、路径不变，即只将起飞时间做提前或延误调整，不更改飞行计划里已定的其他飞行变量。流量调配的前提是当前流量统计区的瞬时流量或时段流量超出上限，相减得到超出上限的数量，然后根据优先级安排调配，尽量减小大部分延误飞行器的等待时间和，同时保证调配后在调配算法执行时间范围和空域范围内不出现流量超出上限的情况。

动态低空空域流量调配算法依据飞行任务优先级决定，飞行任务优先级是飞行任务重要性、紧迫性的综合指标，通常需要综合考量飞行任务的来源(军事需求或民用需求)、远途近途、延误成本、对后续影响等等，通过线性加权求和得到飞行任务优先级P，算法对超过流量上限的网格区域里的飞行器均计算优先级，并根据优先级结果从高到低排序，将超出上限的飞行器根据优先级从高到低的顺序逐一进行流量调配，调整到其他时段起飞。

图3示出了根据本公开一实施例的基于立体剖分网格的动态低空空域网格流量调配算法流程图。如图3所示，具体的动态低空空域流量调配方法可以包括：

P1：初始化飞行器的飞行时间规划内的时刻点和各个管制区统计流量对应表，预设流量上限t_h，超出流量上限t_h的对应点数量设为s，当前已处理i架飞行器；

P2：对超出流量上限t_h的对应点计算飞行器优先级，排序得到飞行编号p₁、p₂...p_n；

P3：判断超出流量上限t_h的对应点数量s是否等于当前已处理飞行器i，若是，算法结束，若否，执行步骤P4；

P4：查看下一时刻t_n中管制区an的流量f，判断所述管制区an的流量f是否小于预设流量上限t_h，若是，将飞行器p_th+i设为在下一时刻t_n到达管制区an，管制区an的流量f加1，执行步骤P5；否则，预设流量上限t_h加1，返回步骤P3；

P5：判断飞行器的飞行时间规划内之后时刻是否出现飞行器p_th+i，若是，调整p_th+i到达其他管制区的时刻点，当前已处理飞行器i加1，返回步骤P3，若否，当前已处理飞行器i加1，返回步骤P3。

通过采用上述步骤，可以通过流量网格化、流量计算与表达与动态低空空域的流量调配等方法，便于流量高效重新计算，有利于流量调配的高效运作；输入基于网格中的当前流量和飞行器的网格化路线，输出为调整后的网格流量和飞行计划，在无人为运作的情况下也可实现流量管理和低空空域的安全合理使用。基于立体剖分网格的动态低空空域网格态势流量管理方法解决了低空空域流量一体化组织程度低，自动化管理能力差、低空空域流量管理计算方法复杂、空域多尺度灵活性差的问题。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种基于立体剖分网格的动态低空空域网格流量管理方法，其特征在于，所述方法包括：

基于立体剖分网格，根据飞行器的飞行时间规划将所述动态低空空域网格态势流量进行流量网格化，得到所述动态低空空域的网格流量；

根据所述动态低空空域的网格流量计算飞行器在飞行时间规划内的各个管制区流量；

根据飞行器的飞行时间和所述飞行时间规划内的各个管制区流量对所述动态低空空域进行流量调配。

2.根据权利要求1所述的动态低空空域网格流量管理方法，其特征在于，所述流量网格化包括瞬时流量网格化和时段流量网格化；其中，所述瞬时流量网格化为动态低空空域网格的网格当前容量；所述时段流量网格化为时段流量统计时间内单一飞行器流量总和。

3.根据权利要求2所述的动态低空空域网格流量管理方法，其特征在于，所述管制区包括航路航线区域、交汇点区域、管制扇区和终端区。

4.根据权利要求3所述的动态低空空域网格流量管理方法，其特征在于，根据所述动态低空空域的网格流量计算飞行器在飞行时间规划内的各个管制区流量，包括：

针对航路航线区域，获取飞行器在飞行时间规划内的航路航线区域长度值；

根据对应网格层级的网格尺度得到所述航路航线区域的宽度；

获取由所述航路航线区域的宽度和所述航路航线区域长度值所组成的矩形区域的所有网格编码；

将所述网格编码对应的每个网格流量相加得到总网格流量，所述总网格流量为所述航路航线区域流量。

5.根据权利要求3所述的动态低空空域网格流量管理方法，其特征在于，根据所述动态低空空域的网格流量计算飞行器在飞行时间规划内的各个管制区流量，包括：

针对交叉点区域，获取飞行器在飞行时间规划内的两条航路航线交集网格；

选取对应网格层级的网格尺度内的所有网格编码，将所述网格编码对应的每个网格流量相加得到总网格流量，所述总网格流量为所述交叉点区域流量。

6.根据权利要求3所述的动态低空空域网格流量管理方法，其特征在于，根据所述动态低空空域的网格流量计算飞行器在飞行时间规划内的各个管制区流量，包括：

针对管制扇区或终端区，将所述管制扇区或终端区的边界网格中飞行器进入的次数总和作为所述管制扇区流量或终端区流量。

7.根据权利要求1所述的动态低空空域网格流量管理方法，其特征在于，所述根据飞行器的飞行时间和所述飞行时间规划内的各个管制区流量对所述动态低空空域进行流量调配，包括：

P1：初始化飞行器的飞行时间规划内的时刻点和各个管制区统计流量对应表，预设流量上限t_h，超出流量上限t_h的对应点数量设为s，当前已处理i架飞行器；

P2：对超出流量上限t_h的对应点计算飞行器优先级，排序得到飞行编号p₁、p₂...p_n；

P3：判断超出流量上限t_h的对应点数量s是否等于当前已处理飞行器i，若是，算法结束，若否，执行步骤P4；

P4：查看下一时刻t_n中管制区an的流量f，判断所述管制区an的流量f是否小于预设流量上限t_h，若是，将飞行器p_th+i设为在下一时刻t_n到达管制区an，管制区an的流量f加1，执行步骤P5；否则，预设流量上限t_h加1，返回步骤P3；

P5：判断飞行器的飞行时间规划内的之后时刻是否出现飞行器p_th+i，若是，调整p_th+i到达其他管制区的时刻点，当前已处理飞行器i加1，返回步骤P3，若否，当前已处理飞行器i加1，返回步骤P3。

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