[發明專利]一種多目標優化的飛行沖突解脫方法

有效

• 申請號: 201310421297.4
• 申請日: 2013-09-16
• 公開（公告）號: CN103489335A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 張學軍;呂驥;管祥民
• 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;G08G5/04
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 官漢增

技術領域

本發明涉及一種適用于整個空域的飛機飛行時刻優化方法，是一種戰略層面的全局飛行沖突解脫方法，具體地說，是指一種多目標優化的飛行沖突解脫方法。

背景技術

近幾年來，我國航空運輸業發展迅猛，預計未來幾年我國民航市場也將繼續保持高速增長態勢。目前，我國已經發展成為全球僅次于美國的第二大航空運輸大國。然而隨著飛行流量的增加，空域中飛行器的密度也相應增加，飛行器之間的安全間隔難以保證，存在沖突的可能性增加，進而使得飛行安全受到嚴重威脅。作為保證飛行安全的關鍵技術之一，飛行沖突解脫方法的研究必要而迫切。

目前沖突解脫方法的研究主要集中在局部空域的戰術方法上，難以從全局考慮，缺乏戰略層面的全局解脫方法。隨著航空技術發展，四維航跡（4D-Trajectory,4DT）的提出使得戰略規劃成為可能。

飛行沖突解脫問題是一種多變量（包括連續、離散變量）、多目標、多約束、非線性、多極值、目標函數和約束條件非解析函數的復雜優化問題，用傳統優化算法（包括基于梯度的優化算法和Powell法等直接優化算法）解決將面臨嚴峻挑戰，主要表現在：（1）傳統優化算法不能直接用于處理帶連續/離散混合設計變量的優化問題；（2）傳統優化算法往往對初值較為敏感，且容易陷入局部最優點；（3）傳統優化算法的單點運算方式大大限制了計算效率提高；（4）傳統優化算法往往要求目標函數和約束條件是連續可微的解析函數。

發明內容

本發明針對現有技術存在問題，提供一種基于NSGA-II算法的4DT多目標優化的飛行沖突解脫方法，所述方法包括如下步驟：

第一步，建立飛行沖突探測模型；

第二步，建立優化的目標函數和約束條件；

第三步，使用NSGA-II算法優化實現沖突解脫。

本發明的優點在于：

1、本方法是一種4DT下多目標優化的飛行沖突解脫方法，運算效率高，能夠進行沖突解脫，并達到較低的平均延誤；

2、本方法滿足全局優化下沖突解脫的需求；

3、本方法采用多目標優化的機制，更符合實際問題，方案的可行性更強。

附圖說明

圖1是本發明中交叉航路模型示意圖；

圖2是本發明的個體編碼示意圖；

圖3為本發明采用NSGA-II算法進行多目標優化的飛行沖突解脫方法流程示意圖。

具體實施方式

下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。

首先介紹如下的概念與定義：

1、飛行沖突與飛行碰撞：當兩架飛行器之間的距離小于沖突閾值（碰撞閾值時），則認為這兩架飛行器存在沖突風險（碰撞風險）。

2、四維航跡4DT：四維航跡（4D-Trajectory,4DT）是美國聯邦航空管理局（Federal?Aviation?Administration,FAA）在2007年NextGen中提出的一個空管運行概念。它描述了航空器從起飛到降落的，包括空間路徑和飛行時刻的四維時空信息。

3、智能優化算法：智能優化算法（Intelligent?Optimization?Algorithm），又稱智能計算（Intelligent?Computation），是通過模擬或揭示某些自然現象或過程發展而來的優化算法,其思想和內容涉及數學、物理學、生物學和計算機科學等學科，它不依賴梯度信息，具有全局、并行、高效的優化性能，魯棒性和通用性強，為解決大規模非線性問題提供了新的思路和手段。

4、多目標優化算法：傳統的處理多目標優化問題的方法，如加權法、約束法、目標規劃法等等，是構建一個評價函數，將多目標優化問題轉化為單目標優化問題，然后利用成熟的求解單目標優化問題的方法獲得問題的一個解。由于多目標優化問題的各個目標之間大多相互聯系、制約，甚至相互矛盾，很難找到一個真正意義上的最優解使得各個目標同時達到最優，因此多目標優化問題的解通常是一個非劣解的集合，即Pareto最優解集。求解多目標優化問題的首要步驟和關鍵是求出所有的Pareto最優解。

本發明提供的多目標優化的飛行沖突解脫方法，具體步驟如下：

第一步，建立飛行沖突探測模型；

航路網由多條航路交錯形成，每條航路由若干條航路段組成，連接航路段的點為航路點，航路的起點和終點為機場。我國航路網分布范圍廣泛、規模龐大、結構復雜，約有5400余條航路、1700余條航路段、1100余個航路點，并且全國每日航班數量8000余架次。