[發明專利]一種基于時空分布特征的多機場終端區航班流生成方法

有效

• 申請號: 202110538613.0
• 申請日: 2021-05-18
• 公開（公告）號: CN113257042B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 施書成;董斌;丁輝;鄧科;張婧婷;嚴勇杰;張陽;童明;王凱
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第二十八研究所
• 主分類號: G08G5/00
• 分類號: G08G5/00;G08G5/06
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 于瀚文;胡建華

1.一種基于時空分布特征的多機場終端區航班流生成方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1，構建關鍵節點及航班特征模型；

步驟2，生成終端區內各機場離場航班流；

步驟3，生成終端區最大進場航班流；

步驟4，生成終端區混合航班流；

步驟1包括：

將終端區內的機場以及空域內存在資源競爭的航路點抽象為關鍵節點，各關鍵節點PT_i的要素包括：過點航班序列和航班過點時間序列；關鍵節點PT_i包含的航班流要素集合設為各要素的信息說明如下：

關鍵節點PT_i的過點航班序列；

關鍵節點PT_i的航班過點時間序列，與中元素一一對應；

離場航班流Ftk包含起飛機場、起飛時間、機型、離場航線、航班過點序列、航班過點時間序列；則離場航班Ftk_i表示為各要素的信息說明如下：

離場航班Ftk_i起飛機場；

離場航班Ftk_i起飛時間；

離場航班Ftk_i機型；

離場航班Ftk_i離場航線；

離場航班Ftk_i過點序列；

離場航班Ftk_i過點時間序列；

進場航班流Fld包含進場點、降落機場、進場時間、著陸時間、機型、進場航線、航班過點序列、航班過點時間序列；則進場航班Fld_i表示為各要素信息說明如下：

進場航班Fld_i進場點；

進場航班Fld_i降落機場；

進場航班Fld_i過進場點時間；

進場航班Fld_i著陸時間；

進場航班Fld_i機型；

進場航班Fld_i進場航線；

進場航班Fld_i進場過點序列；

進場航班Fld_i進場過點時間序列；

步驟2包括：設航班流生成時段總時間長度為tLen，將其分為tCnt個時段；設終端區機場集合AP＝{AP₁,AP₂...AP_n}，AP_i表示第i個機場，i＝1,2,...,n，機場索引為i，并初始化為1，設時段索引為tIndex，初始化為0；然后執行如下步驟：

步驟2-1，確定離場航班數量；

步驟2-2，生成離場航班要素；

步驟2-3，單機場離場航班時刻錯峰；

步驟2-1包括：

步驟2-1-1，針對索引為i的機場AP_i，設該機場AP_i在時間段tIndex內的離場航班均值為λ；初始化L＝e^-λ，F＝L，航班數num＝0，L表示泊松分布的概率函數，F表示泊松分布的累積分布函數，泊松分布的概率函數為其中X表示離場航班架次，取值為k，P(X＝k)表示離場航班架次為k時的概率；

步驟2-1-2，采用均勻分布生成(0,1)之間的隨機數u；

步驟2-1-3，判斷u與F的大小關系：如果u≥F，則執行步驟2-1-4；如果uF，將當前num作為離場航班數量，結束機場AP_i在時段tIndex的離場航班數生成，令機場索引i＝i+1，執行步驟2-1-1，直到對所有終端區機場完成時段tIndex內的離場航班數生成，執行步驟2-1-5；

步驟2-1-4，令num＝num+1，令L＝L*λ/num，F＝F+L，執行步驟2-1-3；

步驟2-1-5，令tIndex＝tIndex+1，重新將機場索引i賦值為1，執行步驟2-1-1，直到tIndex≥tCnt，多機場終端區內各機場在各個時段起飛航班數生成結束；

步驟2-2包括：令時段索引tIndex＝0，機場索引i＝1，針對機場AP_i在時段tIndex的離場航班，定義航班索引fi；在時段tIndex內，如果機場索引i≤n，并且機場AP_i的航班索引finum，則執行步驟2-2-1～步驟2-2-3，確定各航班的起飛機場、起飛時間、機型、離場航線及航班過點序列及過點時間序列，如果fi≥num，則機場AP_i在該時段航班起飛流要素生成結束，令機場索引i＝i+1；如果機場索引in，則終端區內各機場在時段tIndex內的離場航班要素生成結束，令tIndex＝tIndex+1，將航班索引fi重新賦值為0，執行步驟2-2-1～步驟2-2-3，直到tIndex≥tCnt，多機場終端區內各時段起飛航班要素生成結束；n為多機場終端區內機場個數，num為步驟2-1中多機場終端區內各機場在各個時段生成的起飛航班數；

步驟2-2-1，生成離場航班機型、離場航線及起飛機場，具體包括如下步驟：

步驟2-2-1-1，設重、中、輕型航空器機型依次為Xt_i(i＝0,1,2)，在機場AP_i歷史航班流中所占百分比依次為XPe_i,(i＝0,1,2)，并且

步驟2-2-1-2，采用均勻分布生成(0,1)之間的隨機數typeu；

步驟2-2-1-3，根據typeu的值判斷航班fi所屬機型，具體方法為：如果typeu的值滿足條件則航班fi機型為k對應的機型Xt_k；式中，XPe_k表示起飛機型為Xt_k的航空器在歷史航班流中所占百分比；

步驟2-2-1-4，設機場AP_i的離場航線集合為rt_i表示第i個離場航線，i＝0,1,...,n，各離場航線所占的航班流比例依次為Xrt_i，并且

步驟2-2-1-5，采用均勻分布生成(0,1)之間的隨機數routeu；

步驟2-2-1-6，根據routeu的值判斷航班fi離場航線，具體方法為：如果routeu的值滿足條件則航班fi離場航線為k對應的離場航線rt_k；式中，Xrt_k表示離場航線為rt_k的航空器在歷史航班流中所占百分比；航班fi的起飛機場為當前機場索引i所代表的機場AP_i；

步驟2-2-2，生成起飛時間，具體包括如下步驟：

步驟2-2-2-1，采用均勻分布生成(0,1)之間的隨機數timeu，初始化航班fi與前機的起飛時間間隔為t_fi＝(-1/λ)·log(1-timeu)，執行步驟2-2-2-2；

步驟2-2-2-2，設定起飛尾流間隔時間T_rule＝2min，如果t_fiT_rule，則隨機生成起飛時間間隔不滿足管制要求，令t_fi＝T_rule；如果t_fi≥T_rule，則保持t_fi值不變；確定起飛時間間隔t_fi之后，執行步驟2-2-2-3；

步驟2-2-2-3，航班fi的起飛時刻T_fi為其前序所有起飛航班時間間隔的累加，即航班fi的起飛時刻生成完成，

步驟2-2-3，生成過點序列及過點時間序列：

由步驟2-2-1中航班fi的離場航線rt_k及機場AP_i的空域結構得出離場航線過點序列為pt_i表示航線rt_k中各航路點代碼，i＝0,1,...,x；

由步驟2-2-2中航班fi起飛時間及中各點之間的標準飛行時間得到過點時間序列t_i表示航班fi經過對應航路點pt_i的時間，i＝0,1,...,x；過點時間表示航點pt_i與pt_j之間的標準飛行時間；

步驟2-3，單機場離場航班時刻錯峰：設終端區關鍵節點集合為PT＝{PT₀,PT₁,...,PT_m}，PT_i表示終端區內第i個關鍵節點，i＝0,1,...,m，由步驟2-2得出的各機場航班過點序列Ftk^PtList及過點時間序列Ftk^TList進一步得到各關鍵節點的過點航班序列F^PT及航班過點時間序列T^PT，具體包括如下步驟：

步驟2-3-1，設關鍵節點索引為i＝0，令時段索引tIndex＝0，取關鍵節點PT_i的航班要素

步驟2-3-2，將時段tIndex按時間粒度ΔT劃分為k個時間片，初始化時間片索引為sIndex＝1，設時間片為設關鍵節點PT_i在長度為ΔT的時間片內可管制的離場航班數量為C^ΔT；

步驟2-3-3，在時間片內，統計過關鍵節點PT_i離場航班數num_i，如果過PT_i點航班數量超出管制能力，即num_iC^ΔT，執行步驟2-3-4；否則，令sIndex＝sIndex+1，再次執行步驟2-3-3，直到sIndexk，完成關鍵節點PT_i在時段tIndex所有時間片內過航班的錯峰處理，執行步驟2-3-6；

步驟2-3-4，針對時間片內各過點離場航班用均勻分布依次生成(0,1)之間的隨機數randu，如果則保留該航班；如果則對該架次航班fde通過延誤的方式進行錯峰處理，執行步驟2-3-5；

步驟2-3-5，獲取航班fde對應機場AP_i中起飛時間大于航班fde起飛時間的離場航班集合然后執行如下步驟：

步驟2-3-5-1，遍歷離場航班集合設航班索引為a；如果存在連續兩架離場航班f_a、f_a+1滿足要求：起飛時間則令航班fde的起飛時間重新設置為

步驟2-3-5-2，按步驟2-2-3所述方法，根據航點間標準飛行時間及航班起飛時間重新構建航班fde過點時間序列

步驟2-3-5-3，驗證航班fde在時間片內是否仍經過關鍵節點PT_i；如果經過，則令航班索引為a＝a+1，執行步驟2-3-5-1，重新尋找可用時隙；如果不經過，則航班fde起飛時間錯峰調整完成；

步驟2-3-6，在完成關鍵節點PT_i在時段tIndex所有時間片內過航班的錯峰處理后，令關鍵節點索引為i＝i+1，針對關鍵節點集合中下一個關鍵節點進行離場航班時刻協同錯峰處理，執行步驟2-3-2；如果關鍵節點索引im，則令i＝0，tIndex＝tIndex+1，執行2-3-2；如果tIndex≥tCnt，則終端區關鍵節點PT＝{PT₀,PT₁,...,PT_m}在tCnt個計劃時段內離場航班錯峰完成；

步驟3包括：設多機場終端區進場點集合為PA＝{PA₁,PA₂,...,PA_n}，PA_i表示第i個進場點，i＝1,2,...,n，進場點索引為j，并初始化為1，令時段索引tIndex＝0，如果tIndex≥tCnt，則進場航班等待隊列生成完成；否則令tIndex＝tIndex+1，進場點索引j＝1，針對進場點PA_j，設其進場航班等待隊列為在時段tIndex內，設進場航班索引為fi，執行步驟3-1～步驟3-2：

步驟3-1生成進場航班要素：

以管制間隔為約束條件，首先根據進場航班流要素的概率分布特征生成各進場航班，采用離散分布生成進場航班的目的機場、進場航班機型及進場航線，具體步驟包括：

步驟3-1-1，設終端區機場集合AP＝{AP₁,AP₂...AP_n}，各目的機場占進場點PA_j航班流比例依次為Xap_i,(i＝0,1,...,n)，并且

步驟3-1-2，采用均勻分布生成(0,1)之間的隨機數desu；

步驟3-1-3，根據desu的值判斷航班fi目的機場，具體方法為：如果desu的值滿足條件則航班fi目的機場為k對應的機場AP_k，式中，Xap_k表示目的機場為AP_k的航班在進場點PA_j歷史航班流中所占百分比；

步驟3-1-4，生成進場航班機型及進場航線航班fi進場點為當前進場點索引j所代表的進場點PA_j；

步驟3-2，計算機場航班過點時間序列：

在步驟3-1的基礎上，根據尾流間隔設定進場航班通過進場移交點的時間，初步生成航班過點時間序列；結合由步驟2所得的終端區離場航班流，以跑道占用為約束條件，修正進場航班的過點時間序列，消除進離場航班跑道資源占用沖突，具體步驟包括：

步驟3-2-1，判斷航班fi是否存在前序降落航班，如果不存在，則航班fi為時段tIndex內第一架降落航班，設進場航班間隔時間tv₀＝0，航班fi的計劃進場時間執行步驟3-2-4；如果存在前序進場航班，則根據航班fi的機型獲取與前機的尾流間隔約束時間：如果航班fi的機型為輕型機，則航班fi與前機的尾流間隔約束tv_ft＝3min，否則tv_ft＝2min，min表示分鐘，執行步驟3-2-2；

步驟3-2-2，進場航班fi的計劃過進場點時間為前序進場航班過點時間與進場航班間隔時間tv_n的疊加，即執行步驟3-2-3；

步驟3-2-3，由步驟3-1得到航班fi進場航線根據空域結構及航點間的標準飛行時間得到進場航班過點序列及過點時間序列

步驟3-2-4，航班fi的著陸時間為步驟3-2-3中過點時間序列中的最后一項，設為即航班fi的著陸時間需要滿足起降航班跑道占用時間約束；

步驟3-2-5，遍歷航班fi目的機場AP_k的離場航班流，找到連續兩架離場航班Ftk_i、Ftk_i+1滿足條件：設離場航班Ftk_i的跑道占用時間為topt_i，進場航班fi的跑道占用時間為topc_fi，執行步驟3-2-6；

步驟3-2-6，如果離場航班Ftk_i、Ftk_i+1起飛時間與起降航班跑道占用時間滿足條件：則離場航班Ftk_i、Ftk_i+1之間的時間間隔過小，無法滿足起降航班跑道占用時間約束要求，執行步驟3-2-8；如果執行步驟3-2-7；

步驟3-2-7，如果進場航班降落時間滿足條件：并且則進場航班fi的著陸時間滿足跑道占用時間約束要求，航班fi的著陸時間即為當前值，執行步驟3-2-9；如果則令執行步驟3-2-7；如果執行步驟3-2-8；

步驟3-2-8，令重復執行步驟3-2-5～3-2-7，找到令進場航班fi滿足跑道占用時間約束的著陸時間

步驟3-2-9，對比當前與過點時間序列中值的大小：

如果則航班fi著陸時間存在調整，令航班fi過點時間序列各子項依次加上ΔT，即修正航班fi過點時間序列；式中，t_i表示航班fi經過航班過點序列中各航路點的時間，i＝0,1,...,m；

步驟3-2-10，比較航班fi過進場點時間是否超出時段tIndex：如果未超出時段tIndex，則單位時間段tIndex內的降落航班流尚未生成結束，令fi＝fi+1，重復步驟3-1；如果超出時段tIndex，則進場點PA_j時段tIndex內的降落航班等待隊列生成結束，令j＝j+1，進行下一個進場點航班等待隊列生成；

步驟4包括：

步驟4-1，關鍵節點進場航班流融合；

步驟4-2，基于運行約束條件的機場航班融合；

步驟4-1包括：

步驟4-1，關鍵節點進場航班流融合；

步驟4-1-1，設終端區關鍵節點集合為PT＝{PT₀,PT₁,...,PT_m}，PT_i表示第i個關鍵點，i＝0,1,...m，關鍵節點索引為i＝0，令時段索引tIndex＝0，取關鍵節點PT_i的航班要素表示關鍵節點PT_i過點航班序列，T^PT表示關鍵節點PT_i航班過點時間序列；

步驟4-1-2，將時段tIndex按時間粒度ΔT劃分為k個時間片，初始化時間片索引為sIndex＝1，時間片表示為設關鍵節點PT_i在長度為ΔT的時間片內可管制的進場航班數量為C^ΔT；

步驟4-1-3，在時間片內，統計過關鍵節點PT_i進場航班數num_i，如果過點航班數量超出管制能力，即num_iC^ΔT，執行步驟4-1-4；否則，令sIndex＝sIndex+1，再次執行步驟4-1-3，直到sIndexk，完成關鍵節點PT_i在時段tIndex所有時間片內過點進場航班的消減處理，執行步驟4-1-5；

步驟4-1-4，針對時間片內各過點進場航班用均勻分布依次生成(0,1)之間的隨機數randu，如果則保留該航班；如果則在對應進場航班序列中取消該航班；

步驟4-1-5，如果關鍵節點索引i+1的值不大于終端區關鍵節點個數，即i+1≤m，令i＝i+1，執行步驟4-1-2；否則，令i＝0，tIndex＝tIndex+1，執行步驟4-1-2，直到tIndex≥tCnt，完成所有時段內各關鍵節點進場航班序列的修正；

步驟4-2包括：終端區內機場集合為AP＝{AP₁,AP₂...AP_n}，設機場索引為i，并初始化為1，初始化時段索引tIndex＝0，然后執行如下步驟：

步驟4-2-1，設機場AP_i在經步驟3及步驟4-1所得的進場航班隊列為表示機場AP_i降落航班序列，表示機場AP_i進場航班降落時間序列，令按時間順序遞增排列，中的子項與一一對應；設中航班索引為fi，初始化為0，設置變量值j＝1；

步驟4-2-2，遍歷隊列驗證進場航班fi與進場航班fi+j之間的時間間隔是否滿足尾流間隔約束；如果航班fi為輕型機，且或航班fi不為輕型機，且則航班fi與fi+j之間存在尾流間隔沖突，將沖突航班加入集合令j＝j+1，執行步驟4-2-2；如果進場航班fi與進場航班fi+j之間的時間間隔滿足間隔要求，執行步驟4-2-3；

步驟4-2-3，設沖突航班集合內航班架次為num，航班索引fk＝0，設置變量k＝1，對沖突航班集合進行驗證修改，執行步驟4-2-3-1，確保各航班之間存在尾流間隔沖突：

步驟4-2-3-1，判斷進場航班fk與進場航班fk+k之間的尾流間隔是否滿足尾流間隔約束：如果航班fk與航班fk+k之間尾流間隔不滿足要求，令k＝k+1，執行步驟4-2-3-1，否則在航班集合內刪除航班fk+k，num＝num-1；如果fk+knum，則令fk＝fk+1，k＝1，繼續執行步驟4-2-3-1，直到fk≥num，完成對沖突航班集合的構建，執行步驟4-2-4；

步驟4-2-4，由航班集合中各航班之間尾流間隔兩兩沖突推斷出：航班集合中各航班來自不同的進場點，設內各航班的進場點集合為PT＝{PT₁,PT₂,...,PT_num}，經過進場點PT_i,(i＝1,2,...,num)的航班占機場AP_i進場航班流比例依次為Pe＝{Pe₁,Pe₂,...,Pe_num}，設

步驟4-2-4-1，采用均勻分布生成(0,P^sum)之間的隨機數checku；

步驟4-2-4-2，根據checku的值判斷集合中應選取的進場航班，具體方法為：如果checku的值滿足條件則集合保留經過k對應進場點PT_k的進場航班，集合內其余進場航班從等待隊列中取消；式中，Pe_k表示進場點為PT_k的航空器在機場AP_i歷史航班流中所占百分比；

步驟4-2-5，令航班索引為fi＝fi+j，再重新將j賦值為1，執行步驟4-2-2，直到完成機場AP_i進場航班等待隊列的遍歷，消除進場航班間的尾流間隔沖突，機場AP_i進場航班流生成結束，執行步驟4-2-6；

步驟4-2-6，令機場索引i＝i+1，執行步驟4-2-1,；若in，即各機場進場航班流生成結束。