[發明專利]一種綜合考慮空域擁堵和航班延誤的空中交通網絡流量優化方法

有效

• 申請號: 201310301325.9
• 申請日: 2013-07-18
• 公開（公告）號: CN103413462A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 張軍;朱衍波;肖明明;蔡開泉;張曉
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G08G5/00
• 分類號: G08G5/00
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 趙文穎

技術領域

本發明涉及一種綜合考慮空域擁堵和航班延誤的空中交通網絡流量優化方法，屬于空中交通流量管理領域。

背景技術

隨著民航事業的飛速發展，空中交通流量急劇增加，空域擁擠與大規模航班延誤現象也日趨頻繁。因此，空中交通流量管理（Air?Traffic?Flow?Management;以下簡稱：ATFM），即統一組織、全局優化空中交通流量的運行，最大限度地提高航路網絡的利用率和飛行流量的運行效率，緩解空域擁擠和航班延誤，已成為空中交通管理領域的一個熱點問題。

空中交通網絡流優化（Air?Traffic?Network?Flow?Optimization;以下簡稱：ATNFO）是ATFM領域中的典型的優化問題，具體通過合理調配航路網絡中每一航班的起飛降落時間和飛行路徑，以最大限度緩解空中交通擁堵程度和航班的總體飛行延誤。現有工作主要是將空中交通流量優化問題建模為單目標數學規劃模型，包括：0-1整數規劃模型，以機場容量和扇區容量為約束，通過優化航班的起降時間最小化航班延誤；混合0-1整數規劃模型，將航班延誤代價分為地面等待代價和空中延誤代價，在求解過程中均衡航班各類延誤代價。然而，緩解空中交通擁堵與減少航班延誤在實際中往往是相互沖突的，因此ATNFO問題實質上是一個多目標空中交通網絡流優化（Multi-objective?Air?Traffic?Network?Flow?Optimization；以下簡稱：MATNFO）問題。并且，在實際中空中交通擁擠很難用線性函數來表示，故整數規劃模型無法用來準確刻畫MATNFO問題。

現有MATNFO問題研究以最小化航班延誤和最小化交通擁擠度為目標建模，從隨機優化的角度使用多目標遺傳算法（Multi-Objective?Genetic?Algorithm;以下簡稱：MOGA）求解得出最優的起飛時間和航班路徑。該模型僅支持地面等待和改航兩種空中流量調控措施，以緩解交通擁擠和減少航班延誤，并沒有考慮空中調速和空中等待對緩解擁擠和延誤的作用。

發明內容

本發明的目的在于解決上述問題，建立一個更加實用的MATNFO模型，支持地面等待、改航、空中調速和空中等待等流量調控措施，并提供一種適用于求解MATNFO模型的路徑時間分配（Route?and?Time-slot?Assignment;以下簡稱：RTA）系統算法，獲取MATNFO問題最優解，同時滿足實時性要求。

本發明的一種綜合考慮空域擁堵和航班延誤的空中交通網絡流量優化方法，包括以下幾個步驟：

步驟1、建立一個通用的雙目標空中交通網絡流優化數學模型，同時優化空域擁擠和航班延誤；

步驟2、基于時空間分離的問題求解思想，提出一個路徑時間分配系統算法，通過分別對航班進行路徑搜索和時間優化操作，對雙目標空中交通流量優化問題求最優解；同時，設計預選算子提取有效路徑解，將預選算子嵌入路徑時間分配系統算法中，以減小搜索空間，提高問題求解效率。

本發明提供的空中交通網絡流優化方法，與現有技術相比，取得了如下技術效果：

（1）建立了更加符合實際的模型，支持地面等待、改航、空中調速和空中等待等空中流量調控措施，可以確保飛行的安全和高效；

（2）RTA是一種包括路徑搜索模塊、時間優化模塊和預選算子的系統算法，可以同時最小化空域擁擠和航班延誤，其中預選算子可以減小解的搜索空間，相比現有的MOGA、非支配排序遺傳算法—Ⅱ（Non-dominated?Sorting?Genetic?Algorithm?II；以下簡稱：NSGA-II）和基于分解的多目標遺傳算法（Multi-objective?Evolutionary?Algorithm?based?on?Decomposition；以下簡稱：MOEA/D）提高了解的質量的同時也提高了運行效率，符合MATNFO實時性要求。

附圖說明

圖1為本發明綜合考慮空域擁堵和航班延誤的空中交通網絡流量優化方法實施例中空域航路網絡和扇區劃分示意圖；

圖2為本發明綜合考慮空域擁堵和航班延誤的空中交通網絡流量優化方法實施例的流程圖；

圖3為本發明綜合考慮空域擁堵和航班延誤的空中交通網絡流量優化方法實施例中預選算子提取有效路徑解流程圖；

圖4為本發明綜合考慮空域擁堵和航班延誤的空中交通網絡流量優化方法實施例中時間優化模塊流程圖；

圖5為本發明綜合考慮空域擁堵和航班延誤的空中交通網絡流量優化方法實施例中時間優化模塊中時間優化示意圖；