一种基于四维航迹的货运航班调度方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于四维航迹的货运航班调度方法和装置，属于航空货运调度领域。装置包括延误判断模块、预到航班信息处理模块、航班调度优化模块和航班时刻表安排模块。针对某目标航班，首先计算该航班能接受的惩罚代价；延误判断模块判断惩罚代价大于最大惩罚阈值时，利用预到航班信息处理模块进行聚类匹配目的地一致的货运航班信息；并通过航班调度优化模块实现航空货运平衡调度：即最小化运输成本的同时最大化运量；最后，采用基于浮点型编码的特定遗传算法在约束条件下进行搜索求最优解，作为目标航班的航班信息，传达至空中交通管制员处，进行信息确认。本发明专利技术充分利用实时四维航迹，精确度高、时效性好，能准确判断飞机的运行状态。

A Freight Flight Scheduling Method and Device Based on Four-Dimensional Track

【技术实现步骤摘要】
一种基于四维航迹的货运航班调度方法和装置
本专利技术属于航空货运调度
，具体涉及一种基于四维航迹的货运航班调度方法和装置。
技术介绍
随着航空技术的发展和物流业务的剧增，促进了航空货运的业务迅速发展，需求量日益增多，但全货机运输能力的发展却相对滞后。因此，非常有必要高效使用全货机，即合理调度全货机是航空货运公司面临的关键问题。目前，国内的航空货运公司大多数面临着舱位虚耗问题，特别是在淡季或一些相对“不发达”的航线。再加上由于气象、管制或环境等原因引起飞机不能按时起飞、降落，导致货物中转、调度出现大量非计划作业，产生了高额的非计划成本，这也使得舱位虚耗更加严重，对航空货物的航班运营产生了不利影响。现有的研究主要是对静态的货运航班时刻进行优化设计，这些研究往往忽略了航班的实际飞行状况，如飞机因管制出现盘旋状态，或因雷雨天气晚点起飞或取消航班等问题，这些因素往往产生了大量的延误成本。还有部分研究利用“超配策略”调整舱位，超配量的预测往往带有较强的主观因素，若超配量过大，就会产生大面积拉货(由于飞机载量问题而无法满足实际货运需求)，这将会对航空货运公司产生大量的负面影响和信誉成本。
技术实现思路
由于气象、管制、环境以及飞行员的个人因素等原因，飞机的实际飞行时间不确定，经常会产生晚到等原因，导致现有的航班调度装置与实际问题产生严重脱节。本专利技术针对上述问题，提出一种基于四维航迹的货运航班调度方法和装置，相对于已有的调度模型中仅考虑航班地面等待延误，充分考虑航班在飞行过程中产生的延误及延误成本，优化全局货运航班，提高货运航班的运输效率和运输能力。所述的基于四维航迹的货运航班调度装置，包括延误判断模块、预到航班信息处理模块、航班调度优化模块和航班时刻表安排模块。延误判断模块通过设定惩罚代价函数T，并与目标航班可接受的最大惩罚阈值Tmax相比，判断该目标航班是按原计划进行航班调度还是重新调整；预到航班信息处理模块收集在原计划到达时间内的除去目标航班外的所有其他航班信息，根据各航班的实际到达时间，采用聚类分析方法，匹配货物目的地一致的航班并统计各航班上发往同一目的地的货物质量。航班调度优化模块采用基于节点流控制的货运航班调度求解方法，对航班调度安排进行重新调整，使得目标航班在中转匹配货物时,装载的货物运量最多的同时达到目标航班等待过程产生的成本和固定成本之和最小。时刻表安排模块根据航班调度优化模块的实时最优解，确定了目标航班的最新运力、运量、起飞时间、航程时间和落地时间等；并汇总整理形成最新的航班飞行方案。所述的基于四维航迹的货运航班调度方法，具体步骤如下：步骤一、针对某目标航班，计算非原计划条件下该航班可接受的惩罚代价T；罚数代价T计算公式为：其中，是指在航段i-j上航班n的预测到达时间，表示在航段i-j上航班n的原计划到达时间，表示在下一程航段j-k航班n的原计划起飞时间；s是指单位时间延误所需承担的惩罚代价。步骤二、延误判断模块判断惩罚代价T是否小于该目标航班可接受的最大惩罚阈值Tmax，如果是，则按原计划航班时刻表进行航班调度；否则，进入步骤三；步骤三、针对航段i-j，利用预到航班信息处理模块，对原计划到达时间内的除去目标航班外的所有航班进行重新聚类，匹配目的地一致的货运航班信息，形成信息树。首先，收集在原计划到达时间内的除去目标航班外的所有航班信息；航班信息包括：原计划到达时间，货物目的地，货物质量以及根据实时航迹计算出在航段i-j上每个航班的预测到达时间；每个航班的原计划到达时间的集合为：货物目的地的集合为：为在航段i-j上航班n是否存在发往目的地m的货物；如果存在，取值为1，否则，取值为0；货物质量集合为：与货物目的地的集合一一对应；表示在航段i-j上航班n中发往目的地m的货物的质量；每个航班的预测到达时间集合为：然后，采用聚类分析法剖析货物目的地的分布状况，匹配与目标航班一致的航班与货物质量；具体工作为：以目标航班的预测到达时间为原点绘制同心圆，每个同心圆间隔固定时间；每一条从原点出发的线段，对应一个货物到达该货物对应目的地的预测到达时间；统计同一时间段内货物目的地相同的航班信息，整理生成面向目的地的货运航班信息树。步骤四、基于货运航班信息树，通过航班调度优化模块实现航空货运平衡调度的目标函数和约束条件。航空货运平衡调度的目标函数为：最小化运输成本的同时最大化运量；(1)目标航班运量达到最大，即式中：L是指单架次目标航班的运输能力；是指在航段i-j上航班n中发往目的地r的货物质量；δ是0-1变量。(2)目标航班运输成本最小，即式中：C是单次目标航班飞行的总运输成本；是指在航段i-j上航班n的实际起飞时间，是指在航段i-j上航班n的实际飞行时间。模型中的约束条件包括：(1)单架次目标航班的实际运量：是指在航段i-j上所有航班中，发往目的地r的航班上的实际货物质量之和。(2)单架次目标航班的容量限制：是指目标航班的最大运输能力。(3)目标航班的总成本由各航段产生的固定成本和可变成本组成，即：是指目标航班在航段i-j上产生的固定成本，是指目标航班在航段i-j上产生的可变成本。(4)目标航班在每一航段上的产生固定成本，如下：f是指在飞行过程中单位距离产生的固定成本，(xo,yo)指目标航班每个航段中起点的坐标，(xd,yd)是指目标航班每个航段中终点的坐标，σ是指在经验数据范围内的随机波动系数,服从N(1,0)。(5)目标航班在每一航段上产生的可变成本，如下：式中：θ是指单位时间延误成本，tallow是指允许忽略的延误时间。步骤五、采用基于浮点型编码的特定遗传算法，在满足约束条件的范围内对航班的目标函数进行搜索求最优解。具体包括以下步骤：步骤501、针对航段i-j，根据聚类分析得到的航班信息树，选出与目标航班目的地相同的各航班；设计编码方案将各航班的实际起飞时间以及装载货物的运量分别编码成浮点型表示。相同目的地的各航班的实际起飞时间和货物运量的组合设为解向量，如下：步骤502、将不同实际起飞时间和装载货物的运量组合按适应度排列后，根据排名顺序，采用“非线性归一函数”计算各个组合的选择概率。首先，对m个航班的实际起飞时间和装载货物的运量组合分别计算各自的适应度；然后，将所有适应度进行从大到小排名，采用“非线性归一函数”计算各个组合的选择概率。每个组合的选择概率Pin为：其中，q表示适应度排名第一的航班，对应的实际起飞时间和装载货物的运量组合被选中的概率；r'表示适应度从大到小的排名值；排名第一的r'值取1；排名最后的r'值取0；pop表示航班调度组合情况的规模。步骤503、根据各个组合的选择概率，进行轮盘选择；步骤504、将轮盘选择到的组合根据浮点型编码方案，采用改进的启发式交叉操作产生新的组合；Y′＝XX、Y为上一轮轮盘选择的起飞时间和运量组合；X′、Y′为产生的新的组合，其中表示0-1之间的随机数。步骤505、判断新的组合的可行性access是否为1，如果是，则新的组合中的起飞时间X′不在给定的范围之内，停止生成新的起飞时间和装载货物的运量组合，将上一次的组合作为满足可行性的组合；否则生成新的起飞时间和装载货物的运量组合作为满足可行性的组合。xi是指满足可行性的新的起飞时间和运量组合。步骤506、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于四维航迹的货运航班调度装置，其特征在于，包括延误判断模块、预到航班信息处理模块、航班调度优化模块和航班时刻表安排模块；延误判断模块通过设定惩罚代价函数T，并与目标航班可接受的最大惩罚阈值Tmax相比，判断该目标航班是按原计划进行航班调度还是重新调整；预到航班信息处理模块收集在原计划到达时间

【技术特征摘要】
1.一种基于四维航迹的货运航班调度装置，其特征在于，包括延误判断模块、预到航班信息处理模块、航班调度优化模块和航班时刻表安排模块；延误判断模块通过设定惩罚代价函数T，并与目标航班可接受的最大惩罚阈值Tmax相比，判断该目标航班是按原计划进行航班调度还是重新调整；预到航班信息处理模块收集在原计划到达时间内的除去目标航班外的所有其他航班信息，根据各航班的实际到达时间，采用聚类分析方法，匹配货物目的地一致的航班并统计各航班上发往同一目的地的货物质量；航班调度优化模块采用基于节点流控制的货运航班调度求解方法，对航班调度安排进行重新调整，使得目标航班在中转匹配货物时,装载的货物运量最多的同时达到目标航班等待过程产生的成本和固定成本之和最小；航班时刻表安排模块根据航班调度优化模块的实时最优解，确定了目标航班的最新运力、运量、起飞时间、航程时间和落地时间，并汇总整理形成最新的航班飞行方案。2.应用权利要求1所述的一种基于四维航迹的货运航班调度装置的货运航班调度方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、针对某目标航班，计算非原计划条件下该航班能接受的惩罚代价T；罚数代价T计算公式为：其中，是指在航段i-j上航班n的预测到达时间，表示在航段i-j上航班n的原计划到达时间，表示在下一程航段j-k航班n的原计划起飞时间；s是指单位时间延误所需承担的惩罚代价；步骤二、延误判断模块判断惩罚代价T是否小于该目标航班可接受的最大惩罚阈值Tmax，如果是，则按原计划航班时刻表进行航班调度；否则，进入步骤三；步骤三、针对航段i-j，利用预到航班信息处理模块，对原计划到达时间内的除去目标航班外的所有航班进行重新聚类，匹配目的地一致的货运航班信息，形成信息树；步骤四、基于货运航班信息树，通过航班调度优化模块实现航空货运平衡调度的目标函数和约束条件；航空货运平衡调度的目标函数为：最小化运输成本的同时最大化运量；(1)目标航班运量达到最大，即式中：L是指单架次目标航班的运输能力；是指在航段i-j上航班n中发往目的地r的货物质量；δ是0-1变量；(2)目标航班运输成本最小，即式中：C是单次目标航班飞行的总运输成本；是指在航段i-j上航班n的实际起飞时间，是指在航段i-j上航班n的实际飞行时间；步骤五、采用基于浮点型编码的特定遗传算法，在满足约束条件的范围内对航班的目标函数进行搜索求最优解；步骤六、将最优解中的起飞时间和运量组合作为目标航班的航班信息，传达至空中交通管制员处，进行信息确认。3.如权利要求2所述的一种基于四维航迹的货运航班调度方法，其特征在于，所述的步骤三具体包括：首先，收集在原计划到达时间内的除去目标航班外的所有航班信息；航班信息包括：原计划到达时间，货物目的地，货物质量以及根据实时航迹计算出在航段i-j上每个航班的预测到达时间；每个航班的原计划到达时间的集合为：货物目的地的集合为：为在航段i-j上航班n是否存在发往目的地m的货物；如果存在，取值为1，否则，取值为0；货物质量集合为：与货物目的地的集合一一对应；表示在航段i-j上航班n中发往目的地m的货物的质量；每个航班的预测到达时间集合为：然后，采用聚类分析法剖析货物目的地的分布状况，匹配与目标航...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹先彬，杜文博，朱熙，朱少川，佟路，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11