公开/公告号CN104700662A
专利类型发明专利
公开/公告日2015-06-10
原文格式PDF
申请/专利权人 中国电子科技集团公司第二十八研究所;
申请/专利号CN201510111312.4
申请日2015-03-13
分类号G08G5/00(20060101);
代理机构32237 江苏圣典律师事务所;
代理人胡建华
地址 210007 江苏省南京市苜蓿园东街1号1406信箱07分箱
入库时间 2023-12-18 09:18:47
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2016-08-24
授权
授权
2015-07-08
实质审查的生效 IPC(主分类):G08G5/00 申请日:20150313
实质审查的生效
2015-06-10
公开
公开
技术领域
本发明属于空中交通管理领域，特别涉及一种可应用于空中交通流量管理、有效 应对航路容量变化、灵活使用可用空域资源的协同航路时隙分配实现方法。
背景技术
协同航路技术将协同决策机制引入空域管理，并与地面等待、改航等流量管理技 术相结合，通过条件航路、动态航路等方式，协调分配航路时隙资源，实现空域灵活 使用与优化分配，有效缓解空域拥挤。美国麦特公司开发了协同航路资源分配工具， 根据可用航路和飞行用户偏好等信息分配最佳航路，从而有效减轻天气等因素导致的 航路拥挤影响。美国联邦航空局采用了空域流量管理程序，优化分配流量限制区域的 可用航路时隙资源。欧洲航行安全组织提出了空中交通流量和容量管理概念，协同分 配空域容量，调配飞行流量。还有国外文献提出了航路资源分配效能的评估方法。国 内相关研究成果较少，以理论研究为主，可见少量文献研究了空域和流量协同管理、 协同航路资源分配等模型或算法。
现有研究一般以延误损失最小为航路资源分配的优化目标，尽管延误损失评估标 准不尽相同，但航路资源分配的目标总体上较为单一；多目标优化分配模型固然可以 全面反映协同航路资源分配的不同方面，提供多种分配策略供决策者选择，但模型较 为复杂，精确求解难度较大，难以直接应用于系统工具的开发中。目前尚缺少一种全 面、简便解决协同航路资源分配问题的实现方法。
发明内容
发明目的：本发明要解决的技术问题是：充分考虑协同航路时隙分配的效率性、 公平性、有效性原则，提出一种针对复杂空域、繁忙航路的协同航路时隙便捷分配方 法，使之易于应用于空中交通流量管理、空域管理或管制指挥自动化系统，合理分配 空域资源，有效缓解空域拥挤。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于模糊综合评价的协同航路时隙分 配方法，包括如下步骤：
步骤1：在地理信息系统平台上构建空域仿真平台，仿真包含有限空域内的空域结 构、航路网、定位点、航班运行、天气状况在内的空域信息；
步骤2：利用步骤1构建的空域仿真平台，根据包括危险天气在内的空域容量影响 因素信息，确定流量受限空域单元、计划航路及临时航路，获取计划航路和临时航路 的尾随间隔，获取计划航路下游空域单元的可用时隙；
步骤3：利用步骤1构建的空域仿真平台，分析协同航路时隙分配关键评价要素， 确定评价因素集U＝{t，c，n}，其中t表示准备获得当前时隙的两个航班的延误时间之 和，c表示该两航班延误损失之和，n表示所选航路转弯点数量，确定指标权重向量W；
步骤4：根据步骤3建立的评价因素集，分析协同航路时隙分配建模需要和问题特 征，确定评语集V＝{航班1使用计划航路，航班1使用临时航路1，…，航班1使用临 时航路z，航班2使用计划航路，航班2使用临时航路1，…，航班2使用临时航路z}， 其中z表示临时航路的数量；
步骤5：根据步骤3建立的评价因素集和步骤4建立的评语集，建立各指标隶属度 函数，确定各指标分别对每种评语的可能程度，形成评价矩阵R；
步骤6：利用步骤2和步骤5获得的数据，按照航班计划顺序提取未分配航班，进 行模糊综合评价，计算出航班所选航路及实际到达时刻；
步骤7：判断所有航班是否已经分配航路时隙，如是则方法结束，如否则重复步骤 6直至所有航班均分配航路时隙。
本发明所述步骤5中评价矩阵R通过逐行分别除以初始评价矩阵Rp该行各元素之 和得到，Rp＝{rij}，元素rij表示评价因素i在评语j所述情况下的值，其中：
准备获得当前时隙的两个航班的延误时间之和t，tk表示航班k的延误时 间，未分配到时隙的航班按自动参与下一个时隙的分配来对待，其延误损失按计划航 路的延误成本计算；
准备获得当前时隙的两个航班的延误损失之和c，dk为航班k单位时 间延误成本；
航路转弯点数量n由评语集中的具体航路确定。
本发明步骤6中，
基于以下三个假设条件：
条件1、航班实际到达时刻不能早于计划到达时刻；
条件2、每个航班有且仅有一个航路与时隙；
条件3、选择同一航路的前后两航班间隔应不小于该航路尾随间隔；
按航班计划将全部航班形成航班集，模糊综合评价模型为：
(a)从可用时隙集S中顺序选取第一个时隙作为当前时隙，并将其从S中删除；
(b)从航班集F中顺序提取两个航班，进行综合评价，根据权向量W和步骤5 建立的评价矩阵R，计算综合评价向量A＝W·R；对于不满足约束条件1的航班，评价 矩阵中该航班评语所对应的各元素的取值为大于等于1000小于等于3000中的任意一 个整数，另一航班评语所对应的各元素中涉及该航班的指标均计为0，表示无法分配航 路时隙的航班不影响其它航班；约束条件3不满足时，相应指标的取值为大于等于1000 小于等于3000中的任意一个整数，表示此时该航路不可用；在最后一个航班后附加虚 拟航班，按不满足约束条件1的航班对待，用于保证分配的完整性；
(c)按最小隶属度确定占用当前时隙的航班及所选航路，并将其从航班集F中删 除；当出现两个以上相同的最小隶属度时，如果在针对两航班的评语中均有分布，则 首选延误时间较大的航班，若延误时间相同，则选取延误损失较大的航班；如果分布 在针对某一航班的评语中，则选择航路转弯点数量最小的航班。
本发明具有如下技术效果：
1、为天气等因素导致的空域流量受限情况下协同分配航路时隙资源提供了一种快 速实现方法；
2、为空域管理、协同流量管理、管制指挥自动化系统工具研发提供了技术支持；
3、为条件航路、动态航路等空域灵活使用手段的运用提供了技术依据。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/ 或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为本发明的方法流程图。
图2为可用航路划设与容量评估流程图。
图3为评价指标权重确定流程图。
图4为协同航路时隙分配的模糊综合评价流程图。
具体实施方式
如图1和图4所示，本发明公开了一种基于模糊综合评价的协同航路时隙分配方 法，属于空中交通管理领域。该方法首先构建针对待研究空域的空域仿真平台，获取 可用航路尾随间隔及可用时隙，确定协同航路时隙分配评价因素集及指标权重，然后 确定评语集，形成评价矩阵，进而按照航班计划顺序提取未分配航班，进行模糊综合 评价，计算出航班所选航路及实际到达时刻，接着判断所有航班是否已经分配航路时 隙，如是则输出协同航路时隙分配方案，如否则继续进行模糊综合评价直至所有航班 均分配航路时隙。本发明为协同分配航路时隙资源提供了一种快速实现方法，为空管 自动化系统工具研发提供了技术支持，也为条件航路、动态航路等空域灵活使用手段 的运用提供了技术依据。
本发明主要针对复杂空域单元中繁忙航路容量下降、流量受限时，灵活使用空域， 协同分配航路时隙，有效缓解空域拥挤，具体步骤如下：
步骤1：构建针对待研究空域的空域仿真平台。
查阅《国内航空资料汇编》，收集该空域单元所在管制单位资料，在地理信息系统 平台上开发空域仿真系统，建立航路航线、导航台、定位点、特殊空域等，能够仿真 空域内的航班运行、天气状况等动态要素，形成一个实时空域仿真工具。
步骤2：获取可用航路尾随间隔及可用时隙集。
确定该空域单元内计划航路、临时航路等可用航路，获取计划航路和临时航路的 尾随间隔，获取计划航路下游空域单元的可用时隙集，获取途径有以下两种：
1)通过咨询该空域单元所在管制单位或相邻管制单位，获取相关航路及其尾随间 隔、可用时隙经验值。
2)利用步骤1建立的空域仿真平台获取，具体过程如下，如图2所示：
(a)输入危险天气等空域容量影响因素信息，确定流量受限区域；
(b)根据该空域单元结构及运行信息，划设有限数量的临时航路，考虑到管制员 负荷，一般划设1-2条临时航路；
(c)在各可用航路上加载航班，模拟航班运行；
(d)统计各航路当前航班量对应的延误时间；
(e)判断航班量是否满足要求，如不满足则转(f)，如满足则转(g)；
(f)按一定比例增加模拟航班，转(c)；
(g)针对不同航路，绘制航班量-延误时间曲线；
(h)根据管制单位规定的可接受延误水平，确定各航路容量，进而确定各航路尾 随间隔，根据计划航路下游空域单元的容量确定可用时隙集。
步骤3：建立协同航路时隙分配评价因素集及指标权重。
利用步骤1建立的空域仿真平台，模拟不同天气条件下的空域运行，并咨询该空 域单元所在管制单位、航空公司运行人员、旅客、军方等相关方，分析协同航路时隙 分配的总体目标，提炼关键评价要素。航班延误损失是运行效率的主要表现，延误损 失的大小直接关系到航空公司运营效益；而且计划航路与临时航路的运行成本不同， 临时航路的开辟一般需要比计划航路多付出一些成本，空中飞行成本比地面等待成本 高，不同机型的运行成本也不尽相同；航班延误损失应作为评价指标之一。航班延误 时间是旅客及社会公众最关心的指标，直接反映了航空运输的效率；而且一定程度上 体现了航班任务类型的重要性，是航班任务优先级的重要表现形式和空管保障工作的 重要参考，应作为评价指标之一。航路转弯点数量是航路复杂性的重要因素，直接关 系到管制工作负荷，应作为评价指标之一。上述指标基本涵盖了协同航路时隙分配的 主要目标与关键要素，基于此建立评价因素集：
U＝{t,c,n} (1)
式(1)中，t表示准备获得当前时隙的两个航班的延误时间之和，c表示该两航班 延误损失之和，n表示所选航路的转弯点数量。
各指标权重的确定方法有以下两种：
1)通过咨询该空域单元所在管制单位或相关专家，获取指标权重经验值。
2)采用层次分析法确定指标权重，具体过程如下：
(a)判断各指标相对重要性，进行比较打分，构建判断矩阵；
(b)计算判断矩阵的特征值和特征向量，若对于判断矩阵B，按式(2)计算：
BW＝λmaxW (2)
式(2)中，λmax表示B的最大特征值，W表示对应于λmax的正规化特征向量，即 权向量W＝(ω1，ω2，ω3)；
(c)对矩阵B进行一致性检验，如满足要求则输出权向量，如不满足要求则返回
(a)修改判断矩阵。
步骤4：建立协同航路时隙分配评语集。
根据步骤3建立的评价因素集，建立协同航路时隙分配评语集：
V＝{航班1使用计划航路,航班1使用临时航路1，…，航班1使用临时航路z，航班2使用计划航路, 航班2使用临时航路1，…，航班2使用临时航路z}
(3)
式(3)中，z表示临时航路的数量。
步骤5：形成评价矩阵。
根据步骤3建立的评价因素集和步骤4建立的评语集，形成初始评价矩阵Rp＝{rij}， 元素rij表示评价因素i(1≤i≤3)在评语j(1≤j≤2z)所述情况下的值，然后逐行分别 除以该行各元素之和，进行归一化处理，最终形成评价矩阵R。其中：
准备获得当前时隙的两个航班的延误时间之和tk表示航班k的延误时间， 对于“航班k使用xx航路”的评语，即表示航班k分配到当前时隙并使用xx航路， 则未分配到时隙的航班按自动参与下一个时隙的分配来对待，其延误损失按计划航路 的延误成本计算。
准备获得当前时隙的两个航班的延误损失之和dk为航班k单位时间延 误成本，不同机型成本、不同航路运行成本、空中飞行与地面等待成本采用该空域单 元所在管制单位经验值，tk为航班k的延误时间。
航路转弯点数量n由评语集中的具体航路而定。
步骤6：建立协同航路时隙分配的模糊综合评价模型。
协同航路时隙分配的模糊综合评价模型基于三个假设条件：
条件1、航班实际到达时刻不能早于计划到达时刻；
条件2、每个航班有且仅有一个航路与时隙；
条件3、选择同一航路的前后两航班间隔应不小于该航路尾随间隔。
按航班计划将全部航班形成航班集，协同航路时隙分配的模糊综合评价模型具体 过程如下：
(a)从可用时隙集S中顺序选取第一个时隙作为当前时隙，并将其从S中删除；
(b)从航班集F中顺序提取两个航班，进行综合评价，根据权向量W和步骤5 建立的评价矩阵R，计算综合评价向量A＝W·R；对于不满足约束条件1的航班，评价 矩阵中该航班评语所对应的各元素均设为大于等于1000小于等于3000的某个整数(例 如2000)，另一航班评语所对应的各元素中涉及该航班的指标均计为0，表示无法分配 航路时隙的航班不影响其它航班；约束条件3不满足时，相应指标设为大于等于1000 小于等于3000的某个整数(例如2000)，表示此时该航路不可用；在最后一个航班后 附加虚拟航班，按不满足约束条件1的航班对待，用于保证分配的完整性；
(c)根据协同航路时隙分配问题特点，按最小隶属度确定占用当前时隙的航班及 所选航路，并将其从F中删除；当出现两个以上相同的最小隶属度时，如果在针对两 航班的评语中均有分布，则首选延误时间较大的航班，若延误时间相同，则选取延误 损失较大的航班；如果分布在针对某一航班的评语中，则选择航路转弯点数量最小的 航班。
步骤7：形成协同航路时隙分配方案。
判断航班集F是否为空，如存在未分配航班，则重复运行步骤6建立的模糊综合 评价模型；如F为空，则形成协同航路时隙分配方案，方法结束。
实施例
下面结合民航某航路仿真运行数据对本发明作进一步详细描述。假设该航路一定 时间内受危险天气影响，容量从15架次/小时下降到5架次/小时，航路容量的大幅下 降将导致航班延误，根据周围空域使用情况和管制经验划设两条临时航路，各航路相 关参数如表1所示；其中航班延误成本指轻型机在相应航路的延误成本，中型机和重 型机延误成本分别为轻型机延误成本的2倍和4倍，临时航路的开辟一般会较计划航 路增加延误成本；计划航路下游空域单元的容量为10架次/小时。
表1 航路运行参数
通过咨询该航路所属管制单位，判断各指标相对重要性，进行比较打分，建立判 断矩阵
根据计划航路下游空域单元的容量，可用时隙集S＝{10:00，10:06，10:12，…}， 其中每个元素为时隙开始时刻，表示该时隙，时隙长度为6分钟。航班时刻列于表2， 采用Matlab仿真运行本方法，结果如表2所示。
表2 仿真结果
详细过程说明如下：
1、航班1的结果易于得出，可用时隙集S的第一个时隙10:00分配给航班1，将 其从S中删除，将航班1从航班集F中删除。
2、从可用时隙集S中顺序选取第一个时隙10:06作为当前时隙，并将其从S中删 除，顺序提取航班2和航班3，航班3的预计到达时刻晚于该时隙，即不满足约束条件 1，评价矩阵中航班3评语所对应的延误时间、航路转弯点项设为1000，延误损失按航 班3相应航路的延误成本与延误时间1000计算，航班2评语所对应的各元素中涉及航 班3的延误时间、延误损失均计为0，表示无法分配航路时隙的航班3不影响航班2； 航班2使用计划航路时，不满足约束条件3，则此时航班延误时间与航路转弯点数量设 为1000，表示此时计划航路不可用。构建初始评价矩阵：
经归一化处理得评价矩阵：
计算综合评价向量：
A＝(0.3209 7.1044×10-4 7.4415×10-4 0.2179 0.2350 0.2247)
按最小隶属度确定航班2使用当前时隙，选择临时航路1，并将其从航班集F中删 除。
3、从可用时隙集S中顺序选取第一个时隙10:12作为当前时隙，并将其从S中删 除，顺序提取航班3和航班4。构建初始评价矩阵：
经归一化处理得评价矩阵：
计算综合评价向量：
A＝(0.1611 0.1907 0.2130 0.1201 0.1451 0.1701)
按最小隶属度确定航班4使用当前时隙，选择计划航路，并将其从航班集F中删 除。
4、从可用时隙集S中顺序选取第一个时隙10:18作为当前时隙，并将其从S中删 除，顺序提取航班3和航班5。构建初始评价矩阵：
经归一化处理得评价矩阵：
计算综合评价向量：
A＝(0.4009 0.0065 0.0065 0.5754 0.0053 0.0054)
按最小隶属度确定航班5使用当前时隙，选择临时航路1，并将其从航班集F中删 除。
5、从可用时隙集S中顺序选取第一个时隙10:24作为当前时隙，并将其从S中删 除，顺序提取航班3和航班6。构建初始评价矩阵：
经归一化处理得评价矩阵：
计算综合评价向量：
A＝(0.1391 0.1730 0.1926 0.1391 0.1663 0.1899)
航班3延误时间较长，确定航班3使用当前时隙，选择计划航路，并将其从航班 集F中删除。
6、从可用时隙集S中顺序选取第一个时隙10:30作为当前时隙，并将其从S中删 除，顺序提取航班6和航班7。构建初始评价矩阵：
经归一化处理得评价矩阵：
计算综合评价向量：
A＝(0.3985 0.0081 0.0081 0.5710 0.0072 0.0071)
按最小隶属度确定航班7使用当前时隙，选择临时航路2，并将其从航班集F中删 除。
7、从可用时隙集S中顺序选取第一个时隙10:36作为当前时隙，并将其从S中删 除，顺序提取航班6和航班8。构建初始评价矩阵：
经归一化处理得评价矩阵：
计算综合评价向量：
A＝(0.0095 0.0100 0.3960 0.0085 0.0091 0.5669)
按最小隶属度确定航班8使用当前时隙，选择计划航路，并将其从航班集F中删 除。
8、从可用时隙集S中顺序选取第一个时隙10:42作为当前时隙，并将其从S中删 除，顺序提取航班6和航班9。构建初始评价矩阵：
经归一化处理得评价矩阵：
计算综合评价向量：
A＝(0.5544 0.0143 0.0137 0.3890 0.0143 0.0143)
按最小隶属度确定航班6使用当前时隙，选择临时航路2，并将其从航班集F中删 除。
9、从可用时隙集S中顺序选取第一个时隙10:48作为当前时隙，并将其从S中删 除，顺序提取航班9和航班10。构建初始评价矩阵：
经归一化处理得评价矩阵：
计算综合评价向量：
A＝(0.0109 0.0115 0.3937 0.0100 0.0108 0.5630)
按最小隶属度确定航班10使用当前时隙，选择计划航路，并将其从航班集F中删 除。
10、从可用时隙集S中顺序选取第一个时隙10:54作为当前时隙，并将其从S中 删除，顺序提取航班9和虚拟航班，虚拟航班的机型可任意设置，此处设为轻型机。 构建初始评价矩阵：
经归一化处理得评价矩阵：
计算综合评价向量：
A＝(0.2406 0.0043 0.0041 0.2406 0.2616 0.2490)
按最小隶属度确定航班9使用当前时隙，选择临时航路2，并将其从航班集F中删 除。
此时航班集F已为空集，形成协同航路时隙分配方案，方法结束。
从实验结果可以看出，本发明构建针对效率和公平的评价指标体系，在保证有效 性的基础上，协同分配航路时隙资源，通过权重设置反映决策偏好，兼顾了效率与公 平，可形成针对不同决策模式的多种协同航路时隙分配方案，避免了单一分配目标的 局限性，为空域管理、空中交通流量管理提供了决策依据；本发明简便易行，易于实 现，操作性和稳定性较好，适合应用于系统工具的开发。
本发明提供了一种基于模糊综合评价的协同航路时隙分配方法，具体实现该技术 方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技 术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和 润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分 均可用现有技术加以实现。
机译： 在多用户中使用单时隙环境的时隙分配方法和一种能够停止与通信设备有关的呼叫的系统
机译： 基于时隙的通信的时隙分配方法和装置
机译： 移动通信中的时隙分配方法，信号传输方法，基于移动站的控制装置，基于移动站的站和移动站
