CN115796391A - 一种基于多源时变特征融合的机场容量预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多源时变特征融合的机场容量预测方法,包括:通过空间注意力机制和区域注意力机制实现机场上空雷达回波图信息的矩阵表示,提取矩阵特征;对机场气象报文进行解码,统计机场运行数据、容量历史数据,结合提取出的雷达回波图特征构建特征向量;根据特征向量的特点设计多通道预测模型框架;设计通道内的特征时序依赖性提取模块;设计通道间的信息传递模块;通过模型输出输入的循环滚动得到未来给定时间内的机场容量预测值。该方法针对机场容量相关特征多源异构的特点,建立了多通道预测模型,解决了不同源特征对容量的影响不同、特征间存在相互耦合的问题,有效提升了预测准确度,为空中交通管理提供了有效的数据基础。
Description
技术领域
本发明属于机场容量预测技术领域,具体涉及一种基于多源时变特征融合的机场容量预测方法。
背景技术
民航业的快速发展显著提升了航空运输在综合交通中的地位。然而,持续增长的航班数量加剧了空中交通流量和系统容量间的矛盾,导致了近些年大规模航班延误事件频繁发生。相关研究表明,若不加以干预,未来航班延误情况会进一步恶化,到2030年航班平均延误时长将会翻倍。由于持续增长的严重经济损失和恶劣社会影响,“容量-流量”不匹配问题已成为阻碍民航业安全稳定发展的桎梏。
解决“容量-流量”不匹配问题的主要手段就是预测机场容量并据此临时调整航班运行计划。然而,这种方法的有效性很大程度上取决于容量预测的准确性,过高的估计容量会导致航班面临空中等待或改变航线等临时调整,促使延误恶化;而过低的估计容量会导致机场资源的浪费以及航班计划难以按时完成。因此,对机场容量预测的研究是重要而又具有挑战性的。
国内外研究学者对于机场容量预测问题进行过系统的研究,可以分为两类:聚类方法和回归方法。
聚类方法首先对历史条件进行聚类并生成容量场景的条件概率分布,然后通过将当前特征情况匹配到适当的聚类来获得新的预测。机场的历史容量是聚类的重要因素之一。Liu等人对机场的历史容量进行了聚类,并通过决策树的方法来预测未来容量(P.B.Liu, M. Hansen, and A. Mukherjee, “Scenario-based air traffic flowmanagement:From theory to practice,” Transportation Research Part B:Methodological, vol.42, no. 7–8, pp. 685–702, Aug. 2008.)。Buxi等人在上述研究的基础上引入了天气要素,通过主成分分析法从大量天气数据中提取出有用的特征,并将其与历史容量结合进行聚类(G.Buxi and M. Hansen, “Generating day-of-operation probabilisticcapacityscenarios from weather forecasts,” Transportation Research Part C:EmergingTechnologies, vol. 33, pp. 153–166, Aug. 2013.)。Larsen等人重点关注容量和需求严重不平衡时的容量预测问题,对容量数据在时序上进行了更精细的划分(D.Larsen and M. Robinson, “A non-parametric discrete choice model forairportacceptance rate prediction,” presented at the AIAA Aviation 2019Forum, Dallas,Texas, Jun. 2019.)。
通常情况下,回归方法在容量预测问题中更受关注。这类方法通过采用回归模型拟合机场特征和容量间的复杂关系,从而实现机场容量的预测。与聚类方法相比,回归方法的预测结果更为精确,而对应的代价是模型更高的复杂度和难以解释的参数。Wang等人提出采用线性回归和二次响应面回归来进行机场容量预测,并采用芝加哥奥黑尔国际机场的实际数据进行了实验,得到了比聚类方法更精准的结果(Y.Wang, “Prediction ofweather impacted airport capacity using RUC-2 forecast,”in 2012 IEEE/AIAA31st Digital Avionics Systems Conference (DASC), Oct. 2012,pp. 3C3-1-3C3-12.)。Cox 和Kochenderfer提出了一种基于贝叶斯回归的预测模型,并对各特征的重要性进行了分析(J.Cox and M. J. Kochenderfer, “Probabilistic airport acceptancerate prediction,”presented at the AIAA Modeling and Simulation TechnologiesConference, SanDiego, California, USA, Jan. 2016.)。近些年,容量预测模型所使用的特征越来越全面。Tien等人考虑到了机场跑道情况和来源于ShortRange EnsembleForecast (SREF)中更全面的天气特征,并将其运用于预测模型。他们运用了美国35个主要机场的数据进行了验证,发现新引入的特征能有效地提升模型的预测准确率(S.-L.(Alex)Tien, C. Taylor, E. Vargo, and C. Wanke, “Using ensemble weatherforecasts forpredicting airport arrival capacity,” Journal of AirTransportation, vol. 26,no. 3, pp. 123–132, Jul. 2018.)。Murca和Hansman等人在特征中引入了终端区的航迹数据,并采用高斯回归模型进行容量预测,发现在相同数据集上优于Tien等人提出的方法(M.C. R. Murça, R. J. Hansman, L. Li, and P. Ren, “Flight trajectorydataanalytics for characterization of air traffic flows: A comparativeanalysis ofterminal area operations between New York, Hong Kong and SaoPaulo,”Transportation Research Part C: Emerging Technologies, vol. 97, pp.324–347,Dec. 2018.)。后续,他们进一步改进了方法,将复杂的航迹数据先进行聚类,然后再和原始特征结合,并采用分位数回归模型预测,得到了更准确的预测结果(M.C. R. Murça and R. J. Hansman, “Identification, characterization, andprediction oftraffic flow patterns in multi-airport systems,” IEEETransactions onIntelligent Transportation Systems, vol. 20, no. 5, pp.1683–1696, 2019.)。
尽管目前针对机场容量预测的研究已取得了一定进展,但仍存在不足。现有方法都是通过统计性或机器学习模型拟合特征和容量间的关系来预测容量,但忽视了所使用的特征来源不同,因此物理含义不同、对容量的影响方式不同、分布差异性大,这会使得预测模型在训练时出现梯度偏移问题,预测结果出现下降。另外,特征之间还存在相互干扰,例如能见度等气象特征不仅能直接影响机场容量,还能通过影响跑道特征间接影响机场容量,这一问题也未被考虑过。在特征和容量时序依赖性的提取方面,现有方法基于的LSTM(Longshort-term memory)模块效果也相对有限,有较大的改进空间。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提供了一种基于多源时变特征融合的机场容量预测方法,通过多通道融合的时序预测模型,解决了多源特征训练及特征间相互耦合的问题,并采用多头注意力机制改善时序依赖性的提取效果,大幅提升了机场容量预测的准确率。在该方法当中,首先通过空间注意力机制和区域注意力机制实现机场上空雷达回波图信息的矩阵表示,并采用卷积神经网络提取矩阵特征;其次,对机场气象报文进行解码,结合机场运行数据、容量历史数据、提取出的雷达回波图特征构建特征向量;接着,根据特征向量的特点设计多通道预测模型框架;然后,设计通道内的特征时序依赖性提取模块,提取特征和容量的动态变化规律;下一步,设计通道间的信息传递模块,模拟真实情况中存在的特征间相互耦合;最后,通过模型输出输入的循环滚动得到未来给定时间的机场容量预测值。本发明具体采用如下技术方案:
一种基于多源时变特征融合的机场容量预测方法,包括以下步骤:
S6,使用历史样本训练多通道预测模型,将t时刻三个通道的最终输出作为t+1时刻的多通道预测模型的输入,通过输出、输入的循环滚动得到未来给定时间内的机场容量预测值。
进一步,所述步骤S1具体为:
首先对输入的特征进行位置编码,记录输入特征的时间先后顺序:
然后将位置编码得到的向量分别输入h个不同的注意力模块,计算如下:
进一步,所述步骤S4,气象通道和历史通道中两个时序依赖性提取模块的Q,K,V均为输入特征。
本发明相对于现有技术的有益效果:
本发明针对机场容量预测问题,设计了一种能从多源异构特征中高效提取信息的深度学习模型。该方法通过多通道并行训练克服了多源异构数据带来的梯度偏移问题,并通过通道间的信息传递模拟了特征间的耦合作用,然后采用多头注意力模块叠加的方式更准确地捕捉到了特征的时序依赖性,大幅提升了机场容量预测的准确度。
本发明重点关注机场容量和航班流量不匹配的问题,从影响机场容量变化的多源特征的特点出发,开展了机场容量预测的深度学习方法研究。该方法对于提升机场容量预测的准确率,为高效的航班调控方案奠定数据基础具有重要的现实意义。
附图说明
图1:雷达回波图信息提取示意图;
图2:多通道预测模型流程图;
图3:时序依赖性提取模块示意图;
图4:通道间信息传递模块示意图;
图5:本发明机场容量预测结果与现有方法对比图;图中,(a)、(b)、(c)分别是采用平均均方误差、平均绝对误差、平均绝对百分比误差计算获得的结果。
其中,图中各符号说明如下:
RELU:一种激活函数;
Q、K、V:查询向量(query),键向量(key)和值向量(value);
LR,BR,LSTM,SVM,RF,Transformer:已有的机场容量预测模型。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施实例中的附图,对本发明实施中的技术方案进行清楚、完整的描述。
本发明提供一种基于多源时变特征融合的机场容量预测方法,考虑的问题是:对于一个机场,以其容量的各影响因素为特征,并根据历史样本拟合特征和容量间的映射关系,以通过特征预测未来的机场容量。包括以下步骤:
步骤一,针对机场上空的雷达回波图,考虑到航班起飞降落的跑道有固定的朝向,不同方向的空域的气象条件对机场容量的影响程度不同,采用空间注意力机制结合区域注意力机制的方法来获取雷达回波图的信息,如图1所示。
步骤二,按照民航局给出的说明对气象报文METAR(MeteorologicalTerminalAviation Routine Weather Report)进行解码得到气象报文特征,具体包含风速、云层厚度、云层高度、能见度;然后对机场运行特征进行统计,具体包含每小时机场的实际起飞航班数量和降落航班数量;记录历史时刻的机场容量值,得到容量历史特征,再结合步骤一中提取到的雷达回波图特征共同构成特征向量。
步骤三,将特征向量按来源分为气象、运行、历史三类,构建多通道预测模型框架,如图2所示。
步骤四,为每个通道设计特征的时序依赖性提取模块,如图3所示。
首先对输入的特征进行位置编码(Positional Encoding),记录输入特征的时间先后顺序,如下
然后将位置编码得到的向量分别输入h个不同的注意力模块,计算如下:
其中,表示多头注意力模块,Q,K,V表示查询向量(query), 键向量(key)和值向量(value),是注意力机制里的三个组成要素,在本发明的步骤四中,Q,K,V一样,均为输入特征。和是通过训练确定的参数矩阵。表示向量拼接操作,表示表示第i个注意力模块,表示注意力矩阵计算。
对于运行通道,由于气象特征和运行特征存在耦合关系,需要进行额外的设计。
步骤五,设计通道间的信息传输模块,模拟气象特征和运行特征的耦合,如图4所示。
图4中左边为气象通道的第一个时序依赖性提取模块,将其输出作为运行通道的第二个时序依赖性提取模块的V和K,利用注意力机制的编码和解码实现信息传输,具体计算如下:
步骤六,使用历史样本训练模型拟合特征向量和机场容量值间的映射关系,通过将t时刻的输出容量作为t+1时刻的模型输入,并以此类推到t+2,t+3…,进行输出输入的循环滚动得到未来一段时间内的机场容量预测值,计算如下:
和现有容量预测算法线性回归(LR),贝叶斯回归(BR),支持向量机(SVM),随机森林(RF),LSTM,Transformer对比,本发明方法效果提升8.28%,如图5所示。
Claims (7)
1.一种基于多源时变特征融合的机场容量预测方法,其特征在于,包括以下步骤:
S6,使用历史样本训练多通道预测模型,将t时刻三个通道的最终输出作为t+1时刻的多通道预测模型的输入,通过输出、输入的循环滚动得到未来给定时间内的机场容量预测值。
2.根据权利要求1所述的基于多源时变特征融合的机场容量预测方法,其特征在于,所述步骤S1具体为:
首先对输入的特征进行位置编码,记录输入特征的时间先后顺序:
然后将位置编码得到的向量分别输入h个不同的注意力模块,计算如下:
5.根据权利要求4所述的基于多源时变特征融合的机场容量预测方法,其特征在于,所述步骤S4,气象通道和历史通道中两个时序依赖性提取模块的Q,K,V均为输入特征。
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