空域容量流量协同管理关键技术研究

摘要

随着我国空中交通复杂程度的迅速增加，民航飞行需求和空中交通管制服务能力的矛盾日益突出，如何高效管理空中交通流、充分利用空域容量是当前面临的紧迫问题。传统流量管理方法认为空域容量和交通流是两个相互独立的参数，但是在飞行密度大、航路航线复杂的机场终端管制空域，交通流流量流向的微小变化可能显著影响空中交通管制工作复杂性，进而改变空域可以保障的最大航班架次。随着交通密度的增加，终端空域容量和交通流的耦合关系越发凸显，需要一种新的空中交通容量流量协同管理方法。
　　因此本文在综合分析国内外相关研究成果的基础上，研究终端空域容量和交通流量的耦合机理，围绕最大化满足交通运行需要的目标，提出在空中交通管理的战略阶段、预战术阶段和战术阶段容量利用及流量分配的协同管理方法。主要研究内容和成果如下：
　　（1）研究了管制工作复杂性影响因素的分析方法。在研究管制员工作负荷发生机理的基础上，分析国内外空中交通复杂性模型，建立管制工作复杂性影响因素的分析方法。首先，归纳提取现有空中交通复杂性模型，从空中交通管制工作任务类型出发，分析导致管制工作负荷变化的复杂性因素；其次，采用德尔菲方法和主成分分析方法研究筛选管制工作复杂性因素；最后，基于终端空域实际数据分析验证，建立管制工作复杂性指标体系。
　　（2）研究了基于管制工作复杂性的空域容量和交通流耦合机理。在分析空中交通流特征的基础上，借鉴复杂网络和随机过程理论，研究空域容量流量耦合机理。首先，分析空域容量和流量的相互作用，研究交通流对管制工作复杂性的影响；其次，设计空中交通网络模型，提出将管制工作复杂性映射为基于边权和点权的网络复杂性的方法；再次，研究航空器冲突次数的产生机理，设计基于邻接边交通流的网络点复杂性函数，设计基于网络复杂性的交通流分析方法；最后，建立基于管制工作复杂性的空域容量流量耦合模型，依托昆明终端空域05扇区实际数据检验模型的可靠性。
　　（3）研究了容流协同管理战略阶段基于时间窗约束的航班时刻资源配置策略。基于战略阶段管理策略和空域容量流量耦合机理，提出基于时间窗约束的航班时刻资源配置策略。首先，依据管制工作复杂性指标，提出基于航班时刻的空域容量流量匹配模型；其次，结合航空公司运行计划配置、机场航班波编制需求，分析基于时间窗的航班调整成本，建立基于效用函数的航班时刻和航班架次调整成本模型；最后，设计基于时间窗约束的航班时刻资源优化算法，以昆明终端05扇区为例分析验证策略的可行性。
　　（4）研究了容流协同管理预战术阶段基于条件航路动态优化的终端空域路由指派方法。基于预战术阶段管理策略和空域容量流量耦合机理，建立终端空域路由指派方法。首先，分析空域灵活使用对航路网的影响，基于网络相似原理提出航路网络相似性评判方法；其次，基于复杂网络演化机理，结合管制工作任务需求研究航路网络的边权和点权演化规则；最后，以总延误时间为优化目标，建立基于条件航路的空域路由指派动态规划模型，以昆明终端05扇区为例分析验证方法的有效性。
　　（5）研究了容流协同管理战术阶段动态条件下空域管制移交间隔更新方法。基于战术阶段管理策略和空域容量流量耦合机理，提出空域管制移交间隔更新方法。首先，基于终端空域交通流分布的动态性特点，提出面向管制移交间隔策略的容流匹配模型；其次，针对战术阶段交通管理对策略及时性和可操作性的要求，研究空中交通管制指令特点，结合信息熵的概念建立刻画管制行为的策略稳定性模型；最后，以延误时间、策略稳定性为目标，建立动态条件下管制移交间隔多目标优化模型，并以昆明终端05扇区实际数据分析验证了方法的可行性。
　　论文将空域容量和流量构建为有机整体，面向空中交通管理的全过程提出了协同管理的模型和方法，研究并丰富了空中交通流量管理相关理论，为完善空域流量管理工作提供了有力的支撑。

目录

声明

注释表

缩略词

第一章 绪 论

1.1 研究课题的提出

1.2 国内外研究现状分析

1.3 论文研究内容和技术路线

第二章 影响空域容量的复杂性因素提取和分析

2.1 基于复杂性的管制工作负荷分析

2.2 面向工作负荷的管制工作复杂性因素定性分析

2.3 管制工作复杂性指标体系构建

2.5 本章小结

第三章 基于复杂性的空域容量流量耦合机理研究

3.1 空域容量流量的相互作用

3.2 基于复杂性的交通流分析方法

3.3 基于管制工作复杂性的空域容量流量耦合模型

3.4 算例分析

3.5 本章小结

第四章 战略阶段基于时间窗约束的航班时刻资源配置策略

4.1 问题描述

4.2 航班时刻资源配置策略

4.3 基于时间窗约束的航班时刻资源优化模型

4.4 遗传算法设计及求解

4.5 算例分析

4.6 本章小结

第五章 预战术阶段基于条件航路动态优化的终端空域路由指派

5.1 问题描述

5.2 基于空域灵活使用条件航路的网络的相似判定与演化

5.3 基于条件航路动态优化的终端空域路由指派模型

5.4 动态规划算法设计与求解

5.5 算例分析

5.6 本章小结

第六章 战术阶段动态条件下空域管制移交间隔更新方法

6.1 问题描述

6.2 基于容流耦合模型的流量管理方法

6.3 基于动态条件下空域管制移交间隔更新模型

6.4 基于改进粒子群算法的空域管制移交间隔更新

6.5 算例分析

6.6 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 论文创新点

7.2 研究工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录 数据表