專利名稱:過渡航路網絡的建立方法
技術領域:
本發明涉及一種機場交通網絡的建立方法,特別是一種過渡航路網絡的建立方法。
工
背景技術:
隨著航空事業的發展,飛行流量的迅猛增長引起了越來越嚴重的終端區擁擠、航班延誤等問題。雖然建立機場多跑道、優化調度進離場飛行流等措施可以部分緩解這些問題,但并未從根本上解決終端區的擁堵問題。研究表明,終端區航路結構的優化設計是解決上述問題的關鍵,其中終端區與高
尤化設i-
目前,現有技術中終端區與高空航路之間過渡航路網絡的設計是基于專家經驗的人工設計。隨著流量的增長,這種人工設計的過渡航路網絡已經無法滿足航空運輸發展的要求,其主要缺陷體現在飛機流量的增長導致高空航路與終端區銜接不暢;人工設計的網絡結構無法保證飛行成本的最小化;未能均衡進出場流量,增加了管制員工作負荷;網絡結構復雜,過渡航路運行的安全性降低。
發明內容
本發明的目的是提供一種過渡航路網絡的建立方法,通過建立優化的過
渡航路網絡有效解決終端區的擁塞及航班延誤。
為了實現上述目的,本發明提供了一種過渡力i路網絡的建立方法,包括步驟1、獲取終端區與高空航路之間過渡航路區的航空數據信息,所述
航空數據信息包括節點信息和節點處飛機流量信息;步驟2、根據所述節點信息和節點處飛機流量信息獲取輸入參數;
步驟3、根據所述輸入參數對反映過渡航路網絡性能的過渡航路網絡規劃模型進行處理,獲得過渡航路網絡拓樸結構。
所述過渡航路網絡的節點信息包括節點類型信息、節點位置信息和節點間距信息。進一步地,所述節點類型信息包括航路節點信息、終端區入口節點信息和終端區出口節點信息。所述過渡航路網絡的節點處飛機流量信息指進出節點的飛機流量需求信息。
所述過渡航路網絡規劃模型包括反映網絡經濟性指標、網絡安全性指標和網絡結構簡單性指標的目標函數。所述過渡航路網絡規劃模型還包括反映過渡4it路網絡中邊的容量限制、過渡航路網絡邊連接關系和進出過渡航路網絡的飛機流量需求的約束條件。進一步地,所述網絡經濟性指標通過飛行總成本表征,所述網絡安全性指標通過網絡交叉點數目表征,所述網絡簡單性指標通過網絡進出飛機流量均衡程度表征。
所述目4示函l史為
<formula>formula see original document page 7</formula>
所述約束條件為:
<formula>formula see original document page 7</formula>式中,入為過渡4元路網絡的飛機流量矩陣fyw)中行y列的元,表示航路節點/與終端區節點_/之間過渡航路上的飛機流量;Cy為過渡航路網絡的容量矩陣c(ao中/行y列的元,表示航路節點/與終端區節點y之間過渡航路的容量; 為過渡航路網絡的鄰接矩陣^A^中/行/列的元,表示航路節點/與終端區節點y的連接關系;/y為過渡航路網絡的距離矩陣^w中行列的元,表示航路節點/與終端區節點y'之間過渡航路的距離;/f為過渡航路網絡在航路節點的輸入流量矩陣FY^中/行的元,表示從航路節點/處飛入過渡航路網絡的飛機流量;《為過渡航路網絡在終端區出口節點的輸入流量矩陣
F7WJ中y列的元,表示終端區出口節點/處飛入過渡航路網絡的飛機流量;iV表示構成過渡航路網絡的所有節點的數量,A^iV,y, 乂表示過渡航路網
絡中位于高空航路邊界上的節點的數量,表示過渡航路網絡中位于終端區
邊界上的節點數量,W, = W,, + iV,。, ^,,為終端區入口點數量,A^為終端區出口
點數量;
過渡4元路網絡的飛^f幾流量矩陣W7V」為
兒
wrw,
其中前列的元表示航路節點,'指向終端區入口節點j'的過渡航路上的飛機流量,矩陣后7V,。列的元表示終端區出口節點J指向航路節點/的過渡
航^各上的飛4幾流量;
過渡航路網絡的容量矩陣c(A0為
c,,其中前列的元^表示航路節點z'與終端區入口節點J之間過渡航路的容量,矩陣后iV,。列的元^表示航路節點,'與終端區出口節點/之間過渡航路的
容量;
過渡航路網絡的鄰接矩陣^iv)為
<formula>formula see original document page 9</formula>其中前^,列中取'T,的元表示過渡航路網絡具有航路節點/指向終端區入口節點y的過渡航路,取值為"0"的元表示無邊連接,矩陣后iV,。列中取'T,的元表示過渡航路網絡具有終端區出口節點_/指向航路節點/的過渡航路,取值為"0"的表示無邊連接;
過渡航路網絡的距離矩陣^為
<formula>formula see original document page 9</formula>過渡航路網絡在航路節點的輸入流量矩陣F^;vJ為
過渡航J各網絡在終端區出口節點的輸入流量矩陣F7W)為
其中尸Yiv」與尸7w j共同構成過渡航路的輸入流量需求。本發明提出了一種過渡航路網絡的建立方法,通過引入表征航路網絡性能的過渡航路網絡規劃模型,打破了原有過渡航路網絡基于專家經驗的人工設計方法,避免了人工設計網絡的主觀性和局限性。即使終端區結構和過渡航路網絡結構復雜、人工設計難以布局情況下,本發明也可根據量化的網絡性能指標建立包括多目標函數和約束條件的過渡航路網絡規劃模型,建立優化的過渡航路網絡拓樸結構。本發明有效克服了現有過渡航路網絡的不合理布局造成飛行成本高、管制員負荷高及終端區流量擁擠等問題,通過建立優化的過渡航路網絡有效降低了飛行成本及管制員負荷,并有效緩解了終端區飛機擁擠及航班延誤等問題。
圖1為本發明過渡航路網絡結構的示意圖2為本發明過渡^^路網絡的建立方法的流程圖。
具體實施例方式
下面通過附圖和實施例,對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。圖1為本發明過渡航路網絡結構的示意圖。本發明技術方案中,航路是指根據地面導航設施建立的供飛機作航線飛行用的具有一定寬度的空域,高空航路是指高度在6600米以上的航路。終端區是指在一個或幾個機場附近的航路匯合處劃設的便于飛機進場飛行和離場飛行的管制空域,其垂直范圍通常在6000米以下、最低高度層以上,水平范圍通常為機場塔臺管制范圍以外、半徑50千米或走廊進出口以內的空間。過渡航路區是指連接高空航路與終端區之間的空域。如圖1所示,過渡航路區2位于終端區1的外圍,過渡航路區2與終端區1的連接處設置有數個終端區入口節點ll和數個終端區出口節點12,過渡航路區2與高空航路3的連接處設置有數個航路節點14。沿著高空航路3飛行的飛機10經過航路節點14進入過渡航路區2,在終端區入口節點11附近設置的等待區等待后,再經過終端區入口節點11進入終端區1;終端區1內的飛機10經過終端區出口節點12進入過渡航路區2,并經過航路節點14沿著高空航路3飛行。整個過渡航路網絡的節點可以分為三種類型航路節點、終端區節點和交叉節點。其中,航路節點是與過渡航路區連接的
10高空航路的端點,航路節點是具有飛機流量進出的雙向節點,既可吸收飛機 流,也可釋放飛機流。終端區節點是與過渡航路區連接的終端區的端點,包
括兩種節點終端區入口節點和終端區出口節點,終端區入口節點只吸收飛 機流,終端區出口節點只釋放飛機流。終端區交叉節點13是過渡航路區內部 平面布局上的交叉點,該交叉點由過渡航路區內飛機過渡航路交錯形成。由 此可見,過渡航路網絡是指過渡航路區內由過渡航路組成的拓樸結構,屬于 有向圖,且其網絡的邊即過渡航路是單向的,過渡航路包括進場過渡航路和 離場過渡航路。
圖2為本發明過渡航路網絡的建立方法的流程圖,包括 步驟1、獲取終端區與高空航路之間過渡航路區的航空數據信息,所述 航空數據信息包括節點信息和節點處飛機流量信息;
步驟2、根據所述節點信息和節點處飛機流量信息獲取輸入參數; 步驟3、根據所述輸入參數對反映過渡航路網絡性能的過渡航路網絡規 劃模型進行處理,獲得過渡航路網絡拓樸結構。
通常,在指定某個機場的鄰近空域內,其終端區及高空航路結構已確定, 即終端區入口節點、終端區出口節點和航路節點是已知的,因此本發明步驟 1可以通過多種搜集方法獲取過渡航路區的航空數據信息。航空數據信息包 括過渡航路網絡的節點信息和過渡航路網絡的節點處飛機流量信息。其中, 過渡航路網絡的節點信息包括節點類型信息、節點位置信息和節點間距信息, 過渡航路網絡的節點處飛機流量信息指進出節點的飛機流量需求信息,而節 點類型信息包括航路節點(航路雙向節點)信息、終端區入口節點信息和終 端區出口節點信息。本發明步驟2中根據節點信息和節點處飛機流量信息即 可獲取建立過渡航路網絡的輸入參數。
本發明步驟3中,反映過渡航路網絡性能的過渡航路網絡規劃模型包括 目標函數和約束條件,其中目標函數用于反映網絡經濟性指標、網絡安全性 指標和網絡結構簡單性指標,約束條件用于反映過渡4元路網絡中邊容量限制、過渡航路網絡邊連接關系條件和進出過渡航路網絡的飛機流量需求。本發明 中,網絡經濟性指標通過飛行總成本表征,網絡安全性指標通過網絡交叉點 數目表征,網絡簡單性指標通過網絡進出飛機流量均衡程度表征。這樣,本 發明通過過渡航路網絡規劃模型獲得的過渡航路網絡拓樸結構為優化的 過渡航路網絡。
本發明步驟3中,反映過渡航路網絡性能的目標函數為
'=i產i
1
1
w「 w,,
1=1產l
(1)
(2) (3)
=1戶l
產l
1
wr w, S Z ^ S 2] X/) (4)
=1產乂,+l
=1產W,'+1
而約束條件為
入<氣
=0或1
w,,
/ ,i: y X
戶
(5)
(6)
(7)
(8)
/ 1」=J]
式(5)表示過渡航路容量的約束條件。式中,入為過渡航路網絡的飛機 流量矩陣/^7V)中, 行/列的元,表示航路節點/與終端區節點_/之間過渡航路
上的飛機流量;、為過渡航路網絡的容量矩陣^7^)中/行7列的元,表示航路 節點/與終端區節點/之間過渡4元路的容量; 過渡航路網絡的飛機流量矩陣i^iV)為
12w,。
乂w,
該矩陣為乂XiV,階,W表示構成過渡航路網絡的所有節點的數量 W-乂 + iV,, A^表示過渡航路網絡中位于高空航路邊界上的節點的數量,W,表 示過渡航路網絡中位于終端區邊界上的節點數量,^ =氣+ ^。, A^,為終端區
入口點數量,M,為終端區出口點數量。其中前A^,列的元y;表示航路節點/指 向終端區入口節點/的過渡航路上的飛機流量,矩陣后iV,。列的元y;表示終端 區出口節點j'指向航路節點/的過渡航路上的飛機流量,取值為"0"的表示無 邊連接。飛機流量矩陣i^iV」的每行代表行號對應航路節點與終端區各節點 的航路上的飛機流量,例如第一行代表航路節點l與終端區各節點的航路 上的飛機流量。過渡航路網絡的飛機流量矩陣fyw)反映網絡每條邊的飛機 流量。
過渡航路網絡的容量矩陣C( A0為
乂 w。
該矩陣為X x iV,階,其中前列的元cy表示航路節點/與終端區入口節點
/之間過渡航路的容量,矩陣后iV,。列的元^表示航路節點/與終端區出口節點
/之間過渡航路的容量。
式(6)表示過渡航路網絡邊的約束條件。式中, 為過渡航路網絡的鄰
接矩陣AW中,'行/列的元,表示航路節點/與終端區節點/的連接關系,具
體為"y-l表示航路節點/與終端區節點/連接, =0表示航路節點/與終端 區節點j'無連接。過渡航路網絡的鄰接矩陣^iV」為 ._^__^ 、
1…
;o i o
該矩陣維數為乂xiV,,其中前A^,列中取'T,的元表示過渡航路網絡具有 航路節點/指向終端區入口節點y的過渡航路,取值為"0"的元表示無邊連接, 矩陣后《列中取'T,的元表示過渡航路網絡具有終端區出口節點)指向航路
節點/的過渡航路,取值為"0"的表示無邊連接。
式(7)為飛機總流量的約束條件,表示過渡航路網絡在航路節點/處的 輸入流等于由該航路節點/指向所有終端區入口節點的過渡航路上飛機總流 量。式中,/f為過渡航路網絡在航路節點的輸入流量矩陣FYW中/行的元。
過渡航路網絡在航J各節點的輸入流量矩陣〃fW J為
該矩陣為乂xl階(即列向量),矩陣的元/f表示從航路節點/處飛入過
渡航路網絡的飛機流量,換言之,是過渡航路網絡在航路節點/處的輸入流。
式(8)為飛機總流量的約束條件,表示過渡網絡在終端區出口節點y處 的輸入流等于由終端區出口節點J指向所有航路節點的過渡航路上飛機總流 量。式中,《為過渡航路網絡在終端區出口節點的輸入流量矩陣F7iV」中乂列 的元。
過渡航路網絡在終端區出口節點的輸入流量矩陣為
該矩陣為lxiV,。階(即行向量),矩陣的元《表示終端區出口節點j'處飛
入過渡航路網絡(飛出終端區)的飛機流量,換言之,是過渡航路網絡在終 端區出口節點y'處的輸入流。
FY;v)與共同構成過渡航路的輸入流量需求。式(l)中,^為過渡航路網絡的距離矩陣Z^V)中/行/列的元,表示航路 節點/與終端區節點y之間過渡航路的距離。
過渡航路網絡的距離矩陣i^A^為
該矩陣維數為乂xiV,,反映網絡每條邊的長度。
因此,式(1)表示過渡航路網絡總運行成本最小。y;表示航路節點/與 終端區節點/之間過渡航路上的飛機流量,/y表示航路節點, 與終端區節點y之
間過渡航路的距離,單條航路運行成本衡量指標為流量x長度。
式(2)表示過渡^t路網絡布局方案所產生的中間交叉節點數目最小。式 中,W表示構成過渡航路網絡的所有節點的數量,乂表示過渡航路網絡中位 于高空航路邊界上的節點的數量,W,表示過渡航路網絡中位于終端區邊界上 的節點的數量。
式(3)表示進場各過渡航路間飛機流量的均衡程度,式(4)表示出場 各過渡航路間飛機流量的均衡程度。本發明中,飛機流量的均衡程度用方差 表示,即方差D(JH表示一組變量X與其均值五(;o的偏離程度。對于變量X,
義-(義,,X廣.XJ,其均值£(1)=丄|]1 ,方差"(義)表示變量X與E(z)的偏離
程度,=丄隊_季))2 + (12 - £(Z))2 +... + (%"_ £(X))2])。
式(3 )和(4 )中的《表示過渡航路網絡各邊上的飛機流量, ^~_£堂《對應著進場各過渡航路間飛機流量的均值,
15——2 2 /,對應著出場各過渡航路間飛機流量的均值。 (2 2 )'"w
上述式中,有/,( /ei 廣A^, ye7Y7V」),( /ei 「7V」,7.eTT7V」),/e^A^), /s7YjV」), (v,e罪),v,7YA^ ) , /,, ( /e,), /erW )。其中,罪J 表示過渡航路網絡的航路節點集合(= ) , 7YA^表示過渡航路網絡的終 端區節點集合(lr卜n,),終端區節點包含兩類終端區入口節點77(iV)和終
端區出口節點ro(Ao ,其中j| =Irc^iv」| = iv,。。
過渡航路網絡為iv(r,五,A尸,z,c),其中,v表示過渡航路網絡節點集合
E表示過渡航路網絡的有向邊集合,A表示過渡航路網絡航路節點 與終端區節點的連接關系,F表示過渡航路網絡每條邊的飛機流量,L表示過 渡航路網絡每條邊的長度,C表示過渡航路網絡每條邊的容量,因此本發明 確定過渡航路網絡拓樸結構的決策變量是A和F。
通過上述說明可以看出,本發明過渡航路網絡規劃模型是根據過渡航路 網絡性能要求建立的,過渡航路網絡規劃模型包括多目標函數和約束條件, 因此本發明過渡航路網絡規劃模型是一個多目標約束優化模型。根據網絡性 能指標,本發明目標函數包含三部分網絡經濟性指標、網絡安全性指標和 網絡簡單性指標,其中網絡經濟性指標通過飛行總成本表征,網絡安全性指 標通過網絡交叉點數目表征,網絡簡單性指標通過網絡進出飛機流量均衡程 度表征。具體地,網絡經濟性指標為過渡航路網絡運行成本最小,網絡安全 性指標為過渡航路網絡交叉點數目最少,網絡簡單性指標為進場各過渡航路 間飛機流量的均衡程度比較均衡和離場各過渡航J各間飛機流量的均衡程度比 較均衡。因此根據節點信息和約束條件進行多目標函數求解就是通過航路選 擇布局,連接合適的航路節點與終端區節點,確定優化的過渡航路網絡的拓 樸結構,使得航路到終端區的過渡航路網絡滿足過渡航路運行成本最低、保 證飛機沖突最少、且飛機流量在過渡航路的分配比較均衡。由于飛行成本包括燃油費,維修費等,這些飛行成本在平均條件下與飛行總里程成比例, 因此飛行總成本以整個網絡中單位時間內飛行總里程進行表征,而網絡進 出飛機流量均衡程度通過進出飛機流量的均方差之和來反映。
實際應用中,過渡航路網絡規劃模型的求解可以采用非支配排序遺傳算
法(Non-dominated Sorting GA, NSGAII ),首先求解一組解集,然后通過過 渡航路網絡安全性指標對解集進行篩選,最終獲得優化的過渡航路網絡拓樸。 由于非支配排序遺傳算法所獲得的多組網絡布局方案的可行解是非支配 關系,即無法比較各組解所對應的目標函數(網絡性能指標值)的優劣, 因此本發明在獲得網絡拓樸方案后,可以設置篩選準則,例如,篩選準則 可以是網絡布局的交叉點數目低于現行過渡航路網絡的交叉點數目。因 此,在獲得網絡拓樸方案后,可以通過篩選方法獲得過渡航5^網絡的優化
行過渡航路網絡性能的網絡拓樸方案。
本領域普通技術人員可以理解實現上述方法實施例的全部或部分步驟 可以通過程序指令相關的硬件來完成,前述的程序可以存儲于一計算機可讀 取存儲介質中,該程序在執行時,執行包括上述方法實施例的步驟;而前述 的存儲介質包括R0M、 RAM、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質。
最后應說明的是以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制, 盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明,本領域的普通技術人員應當 理解,可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換,而不脫離本發明技 術方案的精神和范圍。
權利要求
1. 一種過渡航路網絡的建立方法,其特征在于,包括步驟1、獲取終端區與高空航路之間過渡航路區的航空數據信息,所述航空數據信息包括節點信息和節點處飛機流量信息;步驟2、根據所述節點信息和節點處飛機流量信息獲取輸入參數;步驟3、根據所述輸入參數對反映過渡航路網絡性能的過渡航路網絡規劃模型進行處理,獲得過渡航路網絡拓撲結構。
2. 根據權利要求1所述的過渡航路網絡的建立方法,其特征在于,所述 過渡4元路網絡的節點信息包括節點類型信息、節點位置信息和節點間距信息。
3. 根據權利要求2所述的過渡航路網絡的建立方法,其特征在于,所述節點類型信息包括航路節點信息、終端區入口節點信息和終端區出口節點信 自
4. 根據權利要求1所述的過渡航路網絡的建立方法,其特征在于,所述 過渡航路網絡的節點處飛機流量信息是進出節點的飛機流量需求信息。
5. 根據權利要求1所述的過渡航路網絡的建立方法,其特征在于,所述 過渡航路網絡規劃模型包括反映網絡經濟性指標、網絡安全性指標和網絡結 構簡單性指標的目標函數。
6. 根據權利要求5所述的過渡航路網絡的建立方法,其特征在于,所述 過渡航路網絡規劃模型還包括反映過渡航路網絡中邊的容量限制、過渡航路 網絡邊連接關系和進出過渡航路網絡的飛機流量需求的約束條件。
7. 根據權利要求6所述的過渡航路網絡的建立方法,其特征在于,所述 網絡經濟性指標通過飛行總成本表征,所述網絡安全性指標通過網絡交叉點 數目表征,所述網絡簡單性指標通過網絡進出飛機流量均衡程度表征。
8. 根據權利要求1 ~ 7中任一權利要求所述的過渡航路網絡的建立方法, 其特征在于,所述過渡航路網絡規劃模型包括目標函數和約束條件,所述目 標函l欠為<formula>formula see original document page 3</formula>式中,《為過渡航路網絡的飛機流量矩陣FfA^中/行y列的元,表示航路 節點/與終端區節點_/之間過渡航路上的飛機流量;s為過渡航路網絡的容量 矩陣C(A0中/行y列的元,表示航路節點與終端區節點j'之間過渡航路的容 量; 為過渡航路網絡的鄰接矩陣乂fiv)中/行)列的元,表示航路節點/與終 端區節點_/的連接關系;^為過渡航路網絡的距離矩陣j中, 行/列的元, 表示航路節點/與終端區節點/之間過渡航路的距離;為過渡航路網絡在航 路節點的輸入流量矩陣FYA^中/行的元,表示從航路節點/處飛入過渡航路 網絡的飛機流量;《為過渡航路網絡在終端區出口節點的輸入流量矩陣F7W」中7列的元,表示終端區出口節點/處飛入過渡航路網絡的飛機流量; 7V表示構成過渡航路網絡的所有節點的數量,iV-乂+AA,, 乂表示過渡航路網 絡中位于高空航路邊界上的節點的數量,]V,表示過渡航路網絡中位于終端區 邊界上的節點數量,iv, = w,, + iv,。, y,為終端區入口點數量, 為終端區出口 點數量;過渡航路網絡的飛機流量矩陣為:<formula>formula see original document page 4</formula>其中前列的元《表示航路節點/指向終端區入口節點y的過渡航路上的飛機流量,矩陣后《列的元《表示終端區出口節點y'指向航路節點/的過渡航路上的飛機流量;過渡航路網絡的容量矩陣c(AO為<formula>formula see original document page 2</formula>其中前y,列的元 表示航路節點/與終端區入口節點y之間過渡4元路的容量,矩陣后iV,。列的元c^表示航路節點/與終端區出口節點y'之間過渡航路的容量;過渡航路網絡的鄰接矩陣A iV卩為<formula>formula see original document page 2</formula>其中前乂列中取"1"的元表示過渡航路網絡具有航路節點/指向終端區入口節點y的過渡航路,取值為"o"的元表示無邊連接,矩陣后《列中取"r,的元表示過渡航路網絡具有終端區出口節點y指向航路節點/的過渡航路,取 值為"0"的表示無邊連接;過渡^t路網絡的距離矩陣V W為<formula>formula see original document page 5</formula>過渡航路網絡在航路節點的輸入流量矩陣F^A^為 過渡航路網絡在終端區出口節點的輸入流量矩陣F iV)為: 其中/^Vi^與F7A^)共同構成過渡航路的輸入流量需求。
全文摘要
本發明涉及一種過渡航路網絡的建立方法,包括獲取終端區與高空航路之間過渡航路區的航空數據信息,所述航空數據信息包括節點信息和節點處飛機流量信息;根據所述節點信息和節點處飛機流量信息獲取輸入參數;根據所述輸入參數對反映過渡航路網絡性能的過渡航路網絡規劃模型進行處理,獲得過渡航路網絡拓撲結構。本發明通過引入表征航路網絡性能的過渡航路網絡規劃模型建立優化的過渡航路網絡拓撲結構,打破了原有過渡航路網絡基于專家經驗的人工設計方法,避免了人工設計網絡的主觀性和局限性,并有效克服了現有過渡航路網絡的不合理布局造成飛行成本高、管制員負荷高及終端區流量擁擠等問題。
文檔編號G08G5/00GK101477749SQ200910076689
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月15日 優先權日2009年1月15日
發明者軍 張, 張學軍, 朱衍波, 蔡開泉, 爽 趙 申請人:北京航空航天大學