一种基于延误的管型航路网络动态设计及动态使用方法技术

本发明专利技术公开了一种基于延误的管型航路网络动态设计及动态使用方法，根据历史航班运行数据，筛选起降延误情况严重的机场作为管型航路布设目标机场，并基于聚类算法以及网络优化算法中Delaunay剖分、最短路径算法和最小生成树算法构建管型航路网络。随后以管型航路网络最高使用效能为目标，构建管型航路网络动态使用模型，并采用带有精英保留策略的遗传算法进行求解，得到管型航路网络内各航段动态使用方案。本发明专利技术可有效提高管型航路使用效能，节省使用成本。使用成本。使用成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于延误的管型航路网络动态设计及动态使用方法


[0001]本专利技术涉及一种基于延误的管型航路网络动态设计及动态使用方法，属于管型航路设计和激活


技术介绍

[0002]随着我国航空运输量持续高速增长，民航空域紧张、航班延误等问题不断突显，造成大量时间和资源的浪费，因此，亟需采取措施缓解航班大面积延误和空域紧张局面。
[0003]为适应航班运行量的持续增长，欧美航空发达国家已开始探索空中交通管理升级和变革的新概念、新思路和新方法。管型航路则是近些年被提出的一种面向未来的新型空域结构，它可以容纳多层，多股单向高速交通流，在具有高交通流密度的同时，又占据较少的空域，因此，可用于缓解高交通流密度地区的空域紧张、航班延误问题。管型航路的布局优劣决定着其能否充分发挥效用，而管型航路在使用时，需要大量的设备支持，运营维护成本较高，因此还需要考虑动态使用问题，以保持其高效运行。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种基于延误的管型航路网络动态设计及动态使用方法，可有效提高管型航路对延误航班的覆盖，缓解目前的航班拥堵情况，缩短管型航路的布设长度，提升管型航路使用率，节约使用成本。
[0005]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0006]一种基于延误的管型航路网络动态设计方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1，统计全国各机场在某段历史时间的航班运行数据，找出其中总的起飞和降落延误航班量较多的N个机场，并对这N个机场进行聚类，得到M个聚类结果区域，将聚类结果区域作为管型航路节点；
[0008]步骤2，采用Delaunay三角剖分的方法构建基础管型航路网络，根据最短路径算法确定基础管型航路网络上各航段权重；
[0009]步骤3，根据最大权最小生成树算法形成初步管型航路网络，并对其进行连通性优化，形成最终管型航路网络。
[0010]作为本专利技术动态设计方法的一种优选方案，所述步骤1的具体内容如下：
[0011]步骤1.1，对全国各机场在某段历史时间的航班运行数据进行统计，包括各机场的起飞延误航班量和降落延误航班量，计算各机场总的起飞和降落延误航班量并由大到小进行排序，选择排序第1至第N的N个机场作为构建管型航路网络的目标机场；
[0012]步骤1.2，采用DBSCAN聚类方法对N个目标机场进行聚类，得到M个聚类结果区域，M<N，将聚类结果区域作为管型航路节点，各管型航路节点的出入口经、纬度根据加权平均法得到。
[0013]作为本专利技术动态设计方法的一种优选方案，步骤1.2所述各管型航路节点的出入口经纬度根据加权平均法得到，计算公式为：
[0014][0015][0016]其中，lng表示管型航路节点的出入口经度，lng
j
表示该管型航路节点内机场j的经度，flight
j
表示该管型航路节点内机场j总的起飞和降落延误航班量，lat表示管型航路节点的出入口纬度，lat
j
表示该管型航路节点内机场j的纬度。
[0017]作为本专利技术动态设计方法的一种优选方案，所述步骤2的具体内容如下：
[0018]步骤2.1，采用Delaunay三角剖分的方法，对步骤1得到的管型航路节点进行剖分，形成基础管型航路网络；
[0019]步骤2.2，采用最短路径算法，寻找基础管型航路网络内任意两个管型航路节点间的最短路径；对于基础管型航路网络的某航段，若两个管型航路节点间的最短路径经过该航段，则将这两个管型航路节点各自对应的起飞延误航班量加到该航段上，对该航段上的所有起飞延误航班量求和，作为该航段的权重。
[0020]作为本专利技术动态设计方法的一种优选方案，所述步骤3的具体内容如下：
[0021]步骤3.1，采用最大权最小生成树的方法，找到管型航路权重网络中权重最大的全连通子图，作为初步管型航路网络；
[0022]步骤3.2，在初步管型航路网络中，考虑东西方向和南北方向航路通道的连通性，对东西方向和南北方向航路通道中缺少的航段进行添加，对步骤2确定的各航段的权重由大到小进行排序，将权重排在最后n位且位于初步管型航路网络支线的航段去除，形成最终管型航路网络。
[0023]一种基于延误的管型航路网络动态使用方法，基于如上所述基于延误的管型航路网络动态设计方法所设计的管型航路网络实现，包括如下步骤：
[0024]步骤4，以最大化管型航路网络使用效能为目标函数，构建管型航路网络动态使用模型，并采用带有精英保留策略的遗传算法对模型进行求解，获得管型航路网络各航段的动态使用方案。
[0025]作为本专利技术动态使用方法的一种优选方案，所述步骤4的具体内容如下：
[0026]步骤4.1，设定如下假设条件：假设条件1、所有航班均按照计划准时起飞，进入管型航路网络后按照规定的巡航速度进行飞行；假设条件2、管型航路网络能够容纳所有要进入的航班，所有航班在管型航路内自主保持间隔，且不考虑管型航路网络中的交叉引起的飞行冲突；假设条件3、在一个运行周期内，管型航路网络的所有航段均有且只有一次激活和关闭；假设条件4、若航班存在一个航段无法使用管型航路网络，则整个航班均不使用管型航路网络；
[0027]步骤4.2，在步骤4.1的假设条件的基础上，以最大化管型航路网络使用效能为目标函数，构建管型航路网络动态使用模型如下：
[0028][0029]其中，TE表示管型航路网络使用效能，q
n
表示航班n的总飞行里程；A
n
表示航班n是否使用管型航路网络，1代表使用，0代表不使用；l
i
表示i航段的长度；T
i1
表示i航段的激活时间；T
i2
表示i航段的关闭时间；η表示每公里每小时管型航路网络的使用成本；
[0030]步骤4.3，设定管型航路网络动态使用模型的约束条件如下：
[0031][0032]其中，β
ni
表示航班n能否使用i航段，1代表使用，0代表不使用；t
ni1
表示航班n预计进入i航段的时间；t
ni2
表示航班n预计离开i航段的时间；表示航班n实际经过的航段数；u
ni
表示航班n是否经过i航段，即n的最短路径是否经过i，1代表经过，0代表不经过；α
n
表示航班n预计使用管型航路网络经过的航段数；
[0033]步骤4.4，采用带有精英保留策略的遗传算法对管型航路网络动态使用模型进行求解，获得管型航路网络各航段的激活时间和关闭时间。
[0034]本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0035]1、本专利技术提出的基于延误的管型航路动态设计和动态使用方法，可有效针对航班延误情况较重的机场进行管型航路网络的布设，同时缩短管型航路的布设里程。
[0036]2、本专利技术管型航路的动态使用还将帮助提升管型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于延误的管型航路网络动态设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，统计全国各机场在某段历史时间的航班运行数据，找出其中总的起飞和降落延误航班量较多的N个机场，并对这N个机场进行聚类，得到M个聚类结果区域，将聚类结果区域作为管型航路节点；步骤2，采用Delaunay三角剖分的方法构建基础管型航路网络，根据最短路径算法确定基础管型航路网络上各航段权重；步骤3，根据最大权最小生成树算法形成初步管型航路网络，并对其进行连通性优化，形成最终管型航路网络。2.根据权利要求1所述基于延误的管型航路网络动态设计方法，其特征在于，所述步骤1的具体内容如下：步骤1.1，对全国各机场在某段历史时间的航班运行数据进行统计，包括各机场的起飞延误航班量和降落延误航班量，计算各机场总的起飞和降落延误航班量并由大到小进行排序，选择排序第1至第N的N个机场作为构建管型航路网络的目标机场；步骤1.2，采用DBSCAN聚类方法对N个目标机场进行聚类，得到M个聚类结果区域，M<N，将聚类结果区域作为管型航路节点，各管型航路节点的出入口经、纬度根据加权平均法得到。3.根据权利要求2所述基于延误的管型航路网络动态设计方法，其特征在于，步骤1.2所述各管型航路节点的出入口经纬度根据加权平均法得到，计算公式为：所述各管型航路节点的出入口经纬度根据加权平均法得到，计算公式为：其中，lng表示管型航路节点的出入口经度，lng
j
表示该管型航路节点内机场j的经度，flight
j
表示该管型航路节点内机场j总的起飞和降落延误航班量，lat表示管型航路节点的出入口纬度，lat
j
表示该管型航路节点内机场j的纬度。4.根据权利要求1所述基于延误的管型航路网络动态设计方法，其特征在于，所述步骤2的具体内容如下：步骤2.1，采用Delaunay三角剖分的方法，对步骤1得到的管型航路节点进行剖分，形成基础管型航路网络；步骤2.2，采用最短路径算法，寻找基础管型航路网络内任意两个管型航路节点间的最短路径；对于基础管型航路网络的某航段，若两个管型航路节点间的最短路径经过该航段，则将这两个管型航路节点各自对应的起飞延误航班量加到该航段上，对该航段上的所有起飞延误航班量求和，作为该航段的权重。5.根据权利要求1所述基于延误的管型航路网络动态设计方法，其特征在于，所述步骤3的具体内容如下：步骤3.1，采用最大权最小生成树的方法，找到管型航路权重网络中权重最大的全连通子图，作为初步管型航路网络；步骤3.2，在初步管型航路网络中，考虑东...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶博嘉，倪超，刘博，万莉莉，田勇，王湛，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：