航空保障设备的扩展规划方法技术

本发明专利技术公布了一种航空保障系统中通信，导航，监视等设备的扩展规划方法。考虑到三类设备网络之间存在一定业务关联，首先利用加权超网络模型将各子网络组合起来对航空保障系统进行综合性建模。并在此基础上提出基于三类重要度的导航台重要度评估模型。最后，基于导航台重要度评估结果提出导航台扩展规划方案。在对雷达和甚高频设备的扩展规划中，以最大化保障能力为优化目标建立目标函数，并通过改进的遗传算法求解。所提方法可以对航空保障设施的建设与空中交通的安全运行提供一定的参考与借鉴。

Expansion Planning Method of Aviation Support Equipment

【技术实现步骤摘要】
航空保障设备的扩展规划方法
本专利技术属于航空工程领域，具体涉及到通信、导航及监视等航空保障设备的扩展规划方法。
技术介绍
航空保障设备是支持空中交通管理实现安全有序运行的基础设施，涵盖了导航，通信，监视等多种设备，用于航空器的飞行引导，管制-飞行通信，监视定位，并提供方向距离等信息。由于各设备之间关联较为紧密，系统在运行过程中面临的风险也在逐步增加。当自然灾害等突发情况出现导致某个设备发生故障后，往往会将单一问题复杂化，有时甚至会引起级联失效现象，影响附近空域空中交通运行的业务连续性，造成不可弥补的严重后果。当前急需解决的问题是针对现有航空保障设备覆盖存在的缺陷，对航空保障系统进行合理有效的扩展规划，在现有设备的基础上，基于实际情况选取合适的位置新增导航台以及雷达，通信等设备，优化航空保障系统的布局，从而提升整个航空保障系统的可靠性，进一步保障民航飞行的安全。由于航空保障系统复杂程度高，信息化程度高，各类设备类内和类间都有一定的业务关联，系统网络化程度逐渐增强。表现出随机，小世界，无标度等复杂网络的一般特征。因此可以利用复杂网络相关理论进行分析。复杂网络理论在电网等领域的工程中已经得到了广泛的应用，在分析网络结构，识别关键节点等问题上取得了不错的效果，对航空保障设备的研究均提供了一定的借鉴。相比之下，复杂网络在航空领域的应用起步较晚，主要集中在对机场网络和航线网络的研究上，对于航空保障设备的研究较少。但是航空领域已有部分学者利用超网络等多层网络模型分析航空网络中机场网络及航线网络等各类子网络之间的关系，而航空保障系统也可视为由通信子网络、导航子网络及监视子网络构成的多层网络，因而这些研究具有重要的参考意义。在设备保障及扩展规划方面的研究主要集中在以作用范围等作为优化目标的设备新增选址等方面，对整个航空保障体系各类设备的综合性研究较少，缺乏整体性的可靠方案。
技术实现思路
基于上述分析，本专利技术依托复杂网络框架，建立了包含雷达子网络、导航子网络和通信子网络的航空保障系统加权超网络模型，并在此基础上提出了一种基于三类重要度的导航台重要度评估模型对关键导航台进行识别。为了提升网络的可靠性，降低网络对关键节点的依赖，在导航台重要度评估结果的基础上针对关键导航台进行扩展规划，并在考虑飞行流量的基础上以最大化保障能力为目标对雷达和甚高频设备进行扩展规划，利用改进的遗传算法优化求解。附图说明图1为航空保障设备扩展规划方法整体结构示意图。图2为航空保障系统加权超网络模型示意图。图3为导航台节点重要度评估模型示意图。图4为本专利技术实例中昆明管制区导航台网络扩展规划前后对比图，(a)为扩展前，(b)为扩展后。图5为本专利技术实例中雷达设备扩展规划前后对比图，(a)为扩展前，(b)为扩展后。具体实施方式通信、导航及监视等航空保障设备的扩展规划方法具体实现如下：(一)以各导航台为节点，导航台之间的航路为边，飞行流量作为边权，建立导航子网络，以雷达和甚高频设备为节点，设备之间覆盖范围存在重合则连边，建立监视和通信子网络。考虑到雷达设备和VHF设备都对航路具有保障能力，以网络之间的连边表征导航网络与另外两种设备网络之间的业务关联，建立包含通信、导航及监视子网络的航空保障系统加权超网络模型：G＝{V,E,A,F}其中，V为超网络中的导航台，雷达及VHF设备节点集合；E为超网络中连边的集合，包含航路集合，雷达节点之间边的集合，VHF节点之间边的集合，雷达网络和导航网络之间的连边及通信网络和导航网络之间的连边；A为超网络中各子网络的邻接矩阵的集合。F为超网络中所有权重的集合，包含每条航路上的流量权重，监视保障权重及通信保障权重。(二)提出一种基于三类重要度的关键导航台评估模型，以航空保障系统超网络模型为基础，综合考虑了各导航台的局部重要性，全局重要性以及对其他导航台重要度贡献等三类因素，对导航台在网络中的重要程度进行评估。这里导航台的局部重要性用导航台的节点度值指标Di表征，度值定义为导航台设备节点vi与临近节点之间的连线数量，直接体现了节点在整个网络中的局部重要性，表示为：其中，δij为邻接矩阵中的值，n为网络中节点总数量。在考虑导航台的全局重要性时，本文引入节点介数和节点效率这两个指标。节点介数体现了导航台在网络信息流动的过程中作为中介的能力，定义为：其中，njk为vj到vk的最短路径数量，njk(i)为vj到达vk的最短路径经过节点vi的数量。节点效率Ii表征了导航台到达其他导航台的平均难易水平，表征了导航台的中心化程度。定义为：其中，dij为节点vi和vj之间的最短距离，当节点vi和vj之间无法连接时dij为无穷大。由上述定义可知，导航台vi的节点效率Ii表征了导航台vi到其他导航台的平均难易程度，体现了导航台在网络拓扑结构方面的全局重要性，而导航台介数Ni衡量了导航台节点在网络中为其他节点的连接作为中介的能力，体现了导航台节点在网络信息流动方面的全局重要性,综合这两个因素，导航台的全局重要性Qi定义为：Qi＝tIi+(1-t)Nit∈(0,1)其中Ii和Ni都以最大值为1进行了归一化，通过进行调参实验，本专利技术中确立t取0.5。航空保障系统导航台设备在发生失效或者破坏之后，与该导航台相连的边会被移除，经过该导航台的飞机路径中断，整个导航台网络的飞行流量会被重新分配，故障导航台的飞行流量可能被分配到其他导航台，如果其他导航台节点流量超过负载，则需要进一步重新分配。因此导航台的重要程度不仅与导航台本身有关，与对其他导航台的重要度贡献也息息相关。传统方法中考虑的重要度贡献矩阵是以网络的邻接矩阵为基础的，但是很容易发现该方法仅考虑了对邻接节点的重要度贡献，没有考虑到非邻接节点之间也存在业务上的彼此关联，因此，本专利技术考虑用传输效率矩阵替代邻接矩阵对重要度贡献进行描述。这里引入传输效率指标，定义导航台节点vi与vj之间的传输效率为：导航台之间的传输效率与导航台的距离成反比，导航台之间距离越短，越容易互相到达，传输效率越高。具有n个导航台的网络传输效率矩阵定义为：建立融合节点全局重要性的传输效率矩阵，来表达对其他导航台的重要度贡献，定义为：上式考虑了导航台节点自身的全局重要性，全局重要性越高则代表该导航台的连通性越好，距离别的导航台越短并且对整个网络信息流动的影响力越大。因此，乘以导航台节点自身的全局重要性可以更加确切的表达对其他节点的重要度贡献值。当导航站发生故障时，其贡献值更容易分配给具有更高全局重要性的节点，即贡献值分布的比例可以由其他节点的全局重要性确定。因此，乘以其他节点的全局重要性可以更准确地表达重要度贡献值。结合其他导航台的全局重要性修改上式，表示为：因此，导航台vi对其他导航台的重要度贡献为：综上，导航台vi的节点重要度评估模型定义如下：Mi＝aDi+bQi+cFia,b,c∈(0,1),a+b+c＝1由上式可知，导航台节点vi的重要性包括：导航台节点度值Di，导航台全局重要性Qi和对其他导航台的重要度贡献Fi。(三)基于导航台重要度评估结果，构建导航台扩展规划模型。需要保证在突发事件发生时，网络中各节点的重要程度分布相对均衡，以降低关键节点的重要度，增强整个网络的可靠性。而各节点的重要程度需要保持在较高的水平，以保证导航台本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航空保障设备的扩展规划方法，其特征在于以下步骤：(1) 以设备为节点，设备之间的业务关联为边，建立包含通信，导航，监视等多类设备的航空保障系统多层网络模型；(2) 提出一种基于多类重要度的关键节点评估模型，综合考虑了各节点的局部重要度，全局重要度以及对其他节点重要度贡献等几类因素；(3) 以降低关键节点重要度，平衡网络重要度分布为目标建立导航台的扩展规划模型；(4) 以最大化设备保障能力为目标建立雷达和甚高频设备扩展规划模型，并通过改进的遗传算法进行求解，给交叉和变异的过程设定一个自适应系数，并在每代的交叉和变异过程结束后最优个体替换最差个体，以增强算法寻优能力。

【技术特征摘要】
1.一种航空保障设备的扩展规划方法，其特征在于以下步骤：(1)以设备为节点，设备之间的业务关联为边，建立包含通信，导航，监视等多类设备的航空保障系统多层网络模型；(2)提出一种基于多类重要度的关键节点评估模型，综合考虑了各节点的局部重要度，全局重要度以及对其他节点重要度贡献等几类因素...

【专利技术属性】
技术研发人员：余丽莎，韩松臣，全嘉钰，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51