一种基于区块链的多机场时隙交换系统和方法

摘要

本发明公开一种基于区块链的多机场时隙交换系统和方法，属于机场时隙分配技术领域。针对现有技术中存在的机场时隙管理无法去中心化管理，需要人工协调，管理效率低，无法面对复杂情况等问题，本发明提供了一种时隙交换系统，包括底层基础模块、交换容器和Web应用层，底层基础模块进行物理层与信息层的耦合，交换容器基于区块链实现时隙交换，Web应用层用于不同用户间协同交互；时隙交换时先判断是否符合交换规则，基于区块链技术进行时隙交换，实现多方实时共享信息和业务协同，高效利用时隙资源，提升各利益相关方的协同能力，提高时隙资源的利用率，减少航班延误，提高管理效率。

说明书

技术领域

本发明涉及机场时隙分配技术领域，更具体地说，涉及一种基于区块链的多机场时隙交换系统和方法。

背景技术

长三角正处产业转型升级、城镇结构化关键时期，地区航空需求持续高速增长。华东地区空域面积占全国十分之一，却管理着全国近三分之一的航班量，空中交通异常繁忙。华东地区机场密度又是全国最大的，分布有上海浦东和虹桥、杭州萧山、南京禄口、青岛流亭、厦门高崎等多座大型机场，而且中小机场航班增量迅猛，其他空域用户在华东地区的活动也是最频繁的。空域资源的短缺，直接影响着长三角民航运输业的发展。而对有限的时隙资源进行合理的利用可以大量减少航班延误，提高经济与社会效益。随着长三角民航运输业持续高速增长，空中交通异常繁忙。而对有限的时隙资源进行科学管理显得尤为必要。

区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式，其本质上是一个去中心化的分布式账本数据库。去中心化的分布式存储带来公平与透明，让数据直接产生价值；信息的不可篡改、可追溯性带来安全与诚信，也让人与人之间变得更加互信。我国明确将区块链技术列为战略性前沿技术，积极鼓励发展区块链技术。目前区块链技术应用场景广泛，如跨境支付、保险理赔、供应链管理、商品溯源、征信等，达到了提升效率和降低成本的目的，同时实现数据确权，促进信息共享。

随着长三角航空运输业的快速发展，空中交通日益拥挤，航班延误现象时有发生，给航空公司和旅客造成了一定的经济损失。地面等待策略(GHP)是在空域容量受限时，将空中等待转化为更经济、更安全的地面等待，其核心是在协同决策(CDM)机制下的时隙分配。

时隙交换是指航空公司通过有条件的出让一部分CDM系统初始分配的时隙资源，以向其他航空公司换取有利于自己的时隙资源。出于航空公司利益的考虑，航空公司会尽量减少延误成本高的航班的延误，这是航空公司时隙交换的主要动力。对于执行地面等待程序的航班来说，不同的航班的延误成本不一，且分配给航班的时隙直接影响到延误时间。对于航空公司来讲，同一个时隙对不同的航空公司的价值也不相同，因此航空公司就有了时隙交换的可能。另外航空公司也可能由于自身或机场保障等原因，无法满足初始分配的时隙，需要进行时隙交换。

然而，现有技术中，存在以下问题：

1、时隙交换高度依赖流量管理单位作为协调中心，单点依赖性高，无法去中心化管理，时隙交换也是集权式管理；

2、时隙交换虽然有一定的规则，但是全程需要流量管理单位点对点进行人工协调，缺少电子协同工具，效率低下；

3、受人工协调限制，时隙存在浪费的可能，也直接影响空管整体运行效率；

4、无法应对复杂场景，特别是面对复杂天气或多航班发起时隙交换时。

如中国专利申请一种多跑道进离场航班时隙协同分配的多目标优化方法，申请号ZL201210331000.0，又如中国专利申请一种基于缓冲机制的航班时隙资源利用方法及对应系统，申请号ZL201811547373.5，从不同角度提出时隙分配方法，但目前为止并没有有效的对多机场时隙资源进行科学管理的方法。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的机场时隙管理无法去中心化管理，需要人工协调，管理效率低，无法面对复杂情况等问题，本发明提供了一种基于区块链的多机场时隙交换系统和方法，它可以实现多方实时共享信息和业务协同，高效利用时隙资源，提升各利益相关方的协同能力，提高时隙资源的利用率，减少航班延误，提高管理效率。

2.技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种基于区块链的多机场时隙交换系统，包括底层基础模块、交换容器和Web应用层，底层基础模块与交换容器连接，交换容器还连接Web应用层，底层基础模块进行物理层与信息层的耦合，交换容器基于区块链实现时隙交换，Web应用层用于不同用户间协同交互；底层基础模块包括控制模块、信息采集与监控系统和时隙交换模块；交易容器包括智能合约、认证模块和交换模块；Web应用层包括Web交易平台、数据库和管理模块。

优选的，所述时隙交换模块包括时隙交换平台空管终端、时隙交换平台航司终端和时隙交换平台机场终端，所述交换模块包括区块链账本和区块链节点，时隙交换模块中各终端均与区块链账本和区块链节点连接。

优选的，所述智能合约包括时隙通证化、多方原子交换、时隙信息上链和数字签名授权。

优选的，所述上链主体包括航空公司、机场和流量管理单位。时隙交换信息通过共识机制打包，称为不可篡改的数据，链接到航空公司、机场和流量管理单位。系统中，每一个区块都会收到与航班时刻有关的信息，其中包括航空公司的名称，起降机场和COBT/CTOT等，只有授权人员才能在块中读取或写入数据。作为交易，输入的数据需要通过网络验证(网络共识)，所以区块链中的每一方输入网络的信息内容都需要经过信息提供者的审核同意。

优选的，所述时隙交换系统与民航决策系统连接。时隙交换系统与民航决策系统(CDM)连接，通过民航决策系统获取信息流，无需单独建设系统，应用十分方便。

一种基于区块链的多机场时隙交换方法，使用所述的一种基于区块链的多机场时隙交换系统，具体包括以下步骤：航空公司发出时隙交换请求，民航决策系统判断该请求是否合理，判断合理的时隙信息进入民航决策系统中可交换时隙航班列表；航空公司根据可交换时隙航班列表中时隙信息发送二次交换请求，民航决策系统判断二次请求是否符合时隙交换规则，符合交换规则即进入区块链时隙交换平台，由民航决策系统确认交换方案可行性，方案可行则交换成功，时隙交换成功后更新民航决策系统。若交换请求不合理，或CDM系统判断请求不符合交换规则，则时隙交换失败，流程结束。其中区块链技术应用在时隙交换管理过程中，保证各方共享信息，以及数据不可篡改。

优选的，航空公司、机场和流量管理单位均可以发送时隙交换请求。每一个数据上链主体都可以发送时隙交换请求，一般来说，机场和航空公司的请求次数有限，一个航班只允许交换两次，流量管理单位可进行多次交换。

优选的，多机场时隙交换时，机场间共享时隙排序列表和排班优先列表，时隙排序列表为航空公司发送时隙交换请求时共享数据，排班优先列表为航空公司完成时隙交换后更新排班优先列表。

优选的，航空公司在时隙交换完成后的延误成本E(A

约束条件：

E(A

上式中，A表示执行地面等待程序的航空公司集合，F表示执行地面等待程序的航班集合，f∈F；S表示执行地面等待程序的可用时隙集合，s∈S；n表示可用时隙的数量，k∈[1,n]；s

E(A

优选的，所述时隙交换原则根据航班受控状态、计算起飞时刻(CTOT)和计算撤轮档时刻(COBT)制定。一般来说，待交换的航班是受控航班未起飞状态，非受控航班无计算起飞时刻，不能进行时隙交换，两个航班必须是受控于所有流控措施相同，可交换的两个航班时隙状态必须都满足CTOT发布状态，航班处于未推出状态，且时隙交换之后，需保证双方航班新获得的COBT计算撤轮档时刻相对于各自的EOBT/TOBT是可执行的，其中EOBT表示预计撤轮档时刻，TOBT表示目标撤轮档时刻。

本发明基于区块链设置多机场时隙交换系统，有效解决当前流量管理中时隙交换的问题，具有普遍适用性和优越性，大大提高时隙资源的利用率。同时在保证航空公司经济利益的同时,也可以增强航空公司参与时隙分配的主动性，统筹兼顾航班公平和机场公平性，实现民航业协同发展。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明基于区块链的多机场时隙交换方法，能有效解决当前流量管理中时隙交换的问题，具有以下优点：

(1)去中心化：区块链支持节点去中心化交易，防止“双花”和信息不同步；大大降低流量管理单位中心化介入，解放人力资源，提升运行效率；

(2)流程自动化：智能合约实现航空公司间协同以及时隙交换的信息化和流程化；一对一的线性转化为多对多的网状流程，也实现时隙资源最优配置；

(3)可追溯性：时隙交换信息可复盘可追溯，为航空公司和机场提供可信任的存储；同时建立良性的时隙交换考核机制和互信保障；

(4)兼容性：通过中间件设计，与现在的CDM系统集成，不需要单独建设新的系统；同时易进一步拓展相关业务，增加节点成本低。

在流量管理中利用区块链进行多机场时隙交换，流量管理单位优化人员资源配置，大大减少协调工作，提升运行效率；航空公司可以获取有利的时隙资源，减少航班延误，降低成本，提升客户满意度；机场也可以减少航班延误，提高整体资源的利用率，增强内外部协同能力。

附图说明

图1为本发明基于区块链的时隙交换流程图；

图2为本发明区块链时隙交换平台结构示意图；

图3为本发明的区块链时隙交换应用平台；

图4为本发明基于区块链的多机场时隙交换示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

实施例1

空管行业是系统性强，参与协同主体多，信息来源广，数据量大，业务链条长，实现跨区域、多主体、全流程的立体化多维共享协作。区块链的分布式数据记录所具有的存证、可溯、共享、信任、协作等特点正好契合了空管行业的需求。根据空管行业流量管理协同决策机制的特点，本实施例选择联盟链来研究时隙交换的问题。

时隙交换的前提是按照最初的航班时刻表来分配时隙资源，可以简单理解为“先到先服务”，即计划时刻较早的航班拥有较高的时隙分配优先权，这也是时隙分配常用的RBS算法。考虑到各个航班的差异性，对时隙资源的需求也各有不同，因此考虑在RBS算法基础上利用协同决策机制进行多机场航班的时隙交换。时隙交换可以在同一机场同一航空公司、同一机场不同航空公司、不同机场同一航空公司和不同机场不同航空公司之间进行。

如图1所示，为本实施例基于区块链的多机场时隙交换流程框架图，在需要时序交换时，航司A发出时隙交换请求，该交换请求通过民航决策系统(CDM)判断请求是否合理。若请求合理，则进入CDM系统的“可交换时隙航班列表”，航空公司请求与该时隙进行交换，CDM系统判断请求是否符合交换规则，当符合规则，进入区块链时隙交换平台，CDM系统确认交换方案可行性，当方案可行，交换成功，并自动更新CDM系统，时隙交换完成。若交换请求不合理，或CDM系统判断请求不符合交换规则，则时隙交换失败，流程结束。其中区块链技术主要应用在时隙交换管理过程中，保证各方共享信息，以及数据不可篡改。

时隙资源是不可再生、不可存储的资源，一旦拖延、过时，就只能被浪费。时隙交换过程中主要涉及到航空公司、流量管理单位和机场(运管委)等。由于通过交换将明显提高时隙资源的利用率，且航班正常率也是航空公司和机场的主要考核指标，因而二者有迫切的上链需求。实现基于区块链的时隙交换，不需要单独建设一个独立的系统，只需要在现有CDM系统和数学模型基础上增加“时隙交换”这个功能模块。目前CDM系统已经基本实现时隙初始分配，而且各个机场以及主要航空公司均连接有终端。未来只需要在现有CDM系统的基础上新增时隙交换这个功能模块。

区块链起源于中本聪的比特币，作为比特币的底层技术，本质上是一个去中心化的数据库，是指通过去中心化和去信任的方式集体维护一个可靠数据库的技术方案。区块链技术是一种不依赖第三方、通过自身分布式节点进行网络数据的存储、验证、传递和交流的一种技术方案。区块链技术被认为是互联网发明以来最具颠覆性的技术创新，它依靠密码学和数学巧妙的分布式算法，在无法建立信任关系的互联网上，无需借助任何第三方中心的介入就可以使参与者达成共识，以极低的成本解决了信任与价值的可靠传递难题。因此，区块链也被认为是一种多方共同维护、去中心化、可追溯、不可篡改的分布式数据库。

区块链技术作为计算机经典技术合成的技术，有不依靠中心化体系，参与方相互协作，共同完成信息记录；利用算法和程序保持信息记录的一致性；任何一方都无法篡改数据；数据全程可追溯等特点。为了适应不同的应用场景，区块链技术也呈现一种差异化的发展趋势。根据体系结构和应用场景的不同，通常分为共有链、联盟链和专有链三类。其中联盟链一般应用于达成同盟协议的机构之间，完成多机构间的协作。该系统严格控制节点的加入和退出，且只有通过授权的成员节点才能参与账本数据的共识维护，要求具备严格的节点身份审查和权限控制机制。

本实施例基于区块链技术的时隙交换的系统平台如图2所示，包括底层基础模块、交换容器和Web应用层，底层基础模块负责物理层与信息层的耦合，交换容器负责基于区块链时隙交换的实现，Web应用层负责不同用户间协同交互。底层基础模块包括控制模块、信息采集与监控系统和时隙交换模块，所述时隙交换模块包括时隙交换平台空管终端、时隙交换平台航司终端和时隙交换平台机场终端；交易容器包括智能合约、认证模块和交换模块，交换模块包括区块链账本和区块链节点；Web应用层包括Web交易平台、数据库和管理模块。

系统平台接入CDM系统中的航班时刻流和信息流，通过底层基础模块的信息采集与监控系统上传至交易容器的智能合约，在交易容器中先通过认证模块进行用户认证，然后在交换模块通过区块链共识算法进行计算，然后通过区块链账本和区块链节点对数据进行分布通信，同步共识后数据返回智能合约进行执行，执行交换操作时Web应用层调用区块链写模块将数据写入数据库，数据库数据交互至区块链Web交易平台。计算后数据还可以通过底层基础模块的控制模块发送至CDM系统。

如图3所示本实施例区块链应用平台，上链主体与节点部署连接，上链主体分为航空公司、机场和流量管理单位，每一个上链主体的内部系统对应一个节点部署，包括一个区块链中间件，该区块链中间件包含：REST API/EDI/XML等标准接口、联盟链管理、区块链智能合约、分布式消息通信机制和分布式P2P网络，联盟链管理包含节点接入、证书派发、共识管理和P2P网络等，智能合约包括时隙通证化、多方原子交换、时隙信息上链和数字签名授权等。

在时隙交换中考虑到每个航空公司都是独立的个体，理想条件下应以延误成本最小为争夺有限时隙资源的决策目标，所以以该决策目标建立的函数，航空公司在时隙交换完成后的延误成本E(A

约束条件：

E(A

其中，对函数所涉及的变量做如下定义：

F：执行地面等待程序的航班集合，f∈F；

S：执行地面等待程序的可用时隙集合，s∈S；

A：执行地面等待程序的航空公司集合，a∈A；

n：可用时隙的数量；

s

s

p

c

E(A

函数中c

为了提升航班服务品质，降低运行成本，使用本实施例所述的时隙交换方法，更合理的进行调度和安排，获得最小的延误成本，减少运输需求和交通容量之间的矛盾，在流量管理单位优化人员资源配置，减少协调工作，提升运行效率。航空公司可以获取有利的时隙资源，减少航班延误，降低成本，提升客户满意度；机场也可以减少航班延误，提高整体资源的利用率，增强内外部协同能力。

本实施例中时隙交换需具备以下原则：

1)两个待交换的航班是受控航班未起飞，非受控航班无CTOT(CalculatedTakeoff Time计算起飞时刻)，不能时隙交换；

2)两个航班必须是受控于所有流控措施相同；

3)可交换的两个航班时隙状态必须都满足CTOT发布状态；

4)一个航班只允许交换两次(即在机场和航空公司，执行级流量单位)，总局流量管理席可多次交换；

5)航班处于未推出状态；

6)时隙交换之后，需保证双方航班新获得的COBT(Calculated off block time，计算撤轮档时刻)相对于各自的EOBT/TOBT是可执行的，其中EOBT表示Estimated Offblock Time,预计撤轮档时刻；TOBT表示目标撤轮档时刻，新COBT晚于各自的EOBT/TOBT时间且新COBT大于当前时间+30分钟。

由于数据域取决于区块链建模时的知识域，因此一方在数据域中进行修改时，其他域中的数据得以保留。在该平台中，每一个区块都会收到与航班时刻有关的信息，其中包括航空公司的名称，起降机场和COBT/CTOT等，只有授权人员才能在块中读取或写入数据。作为交易，输入的数据需要通过网络验证(网络共识)，所以区块链中的每一方输入网络的信息内容都需要经过信息提供者的审核同意。

实现基于区块链的时隙交换，每一个用户都需要注册所有必要的信息。在注册过程结束时，将生成一个对应的哈希签名。当访问该区块链时，每个区块链用户都需要用户名、密码和哈希签名以验证自己身份，获得读写权限。用户登录到网络后，可以在区块中发布时隙交换申请。数据将与用户的哈希签名一起存储在模块中，所以其他用户可以通过了解航班时刻的哈希值来执行直接查询，以保证读写时，只有该区块内的数据可用。一旦有身份不明的用户对链内的信息提出访问要求，发生的读写操作就会需要大量的计算处理，区块链的这一特质和哈希函数的使用可确保更高的数据安全性。

基于区块链的多机场时隙交换过程如图4所示，第一航司将时隙排序共享至机场的时隙排序列表，智能合约计算“可交换时隙”条件，第一航司请求与其他航司时隙交换，其他航司先对请求判断，若符合规则且交换方案可行，符合时隙交换原则，响应时隙交换请求并自动成交，第一航司推送并更新COBT、CTOT等数据，更新排班优先列表发送至各机场。

目前主要使用CDM系统来实现对各个航班时刻(起飞时刻及相关其他时刻)的分配和管理。CDM系统是一种基于资源共享和信息交互的多主体联合协作运行理念交互系统，其能够在民航运行的各利益相关方(空管、航司、机场等)之间建立一整套统一高效的工作流程。但实际运行中时隙交换场景缺少电子化工具，完全依赖于流量管理人员通过电话的方式咨询相关机场和航司，沟通效率低下且无法确保信息的正确性。而基于区块链的多机场时隙交换系统将完全克服以上缺点，弥补现有CDM系统的不足。

例如当空管局收到相邻管制单位发布的关于成都落地的流量限制时，区域内所有至成都落地的航班都将被延误。CDM系统会根据限制条件对受限制航班初始分配CTOT(计算起飞时刻)。这种时隙资源是宝贵的，不可再生的。当常州机场某一航空公司至成都落地的航班f

若三个航班时隙交换场景，可以是涉及一个机场、同一航司内进行，也可以最多涉及三个机场以及三家不同的航司之间进行：

经过两次时隙交换后，CDM系统中受限制的航班队列：

在多机场时隙交换时，当某一航空公司发出时隙交换的请求，区块链应用平台将根据时隙交换的规则对潜在的一个或多个交易对象进行判别。一旦达成交易，CDM系统上将自动更新相关航班的COBT/CTOT。这种交易方式并不局限于“1对1”的交换，可以是“n对n”高效地进行，实现时隙资源的优化配置。这种时隙交易方式也体现了分布式时隙分配思维，航空公司真正参与决策过程，对时隙具有一定的管理权，可根据本公司的决策目标，通过时隙交换获取本公司所期望的时隙。同时也可满足各航空公司减少延误成本的需求，激发航空公司参与的积极性，提高经济效益，而且还能从整体上减少机场总的延误成本。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。