一种面向全国枢纽的高空航路网络规划方法技术

本发明专利技术提供了一种面向全国枢纽的高空航路网络规划方法，本方法根据人民航空出行需求以及现有高空航路网规划的实际状况，基于有向图对航空网络进行数字化建模；根据数学模型描述，建立数字化约束和优化指标函数；将每段航路中点的坐标作为优化参数，设计航路网络迭代优化算法，优化当前状态下的航路网中点参数；最后将中点固定为顶点，生成新的中点进行优化，反复迭代直到航路网结构稳定。本发明专利技术提供了一种面向全国枢纽的高空航路网络规划模型与算法，实现了全国枢纽网络的自动化生成与优化，降低总体飞行成本，提高飞行安全系数，满足未来空域日趋增长的容量要求。未来空域日趋增长的容量要求。未来空域日趋增长的容量要求。

【技术实现步骤摘要】
一种面向全国枢纽的高空航路网络规划方法


[0001]本专利技术属于航路网络规划与优化领域，尤其涉及一种面向全国枢纽的高空航路网络规划方法。

技术介绍

[0002]航路网络规划技术是保障我国空域安全运行、空域资源高效利用的关键组成部分，随着我国民航运输产业需求的不断增长，我国民众出行需求不断提升，如何保障航空飞行安全，兼顾各项经济性和地理性指标，精确规划我国高空航路网络，实现空域时空资源的高效利用，是未来大规模、高密度民航运输的一个关键问题。对于高空航空网络规划的研究贯穿了我国民航发展的始末，是其不可避免的关键问题之一，国内外很多学者都在该领域提出了独特的模型和算法，当前行业内使用的算法仍是依靠人工计算，通过不断对比增加或删减航路后的航班运行情况，对高空航路网络进行迭代优化，该方法虽然能够结合实际运行情况持续对高空航路网进行规划和优化，但是其迭代周期过长，且优化能力完全依靠规划人员的经验，当前需要一个能够自动迭代优化的模型与算法来支撑未来不同航空运输需求。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种面向全国枢纽的高空航路网络规划方法，步骤如下：
[0004]步骤1、将全国枢纽高空航路网络表述为一个有向图，将每条航路设置为一个对象，由其2个端点(端点可以是机场节点，也可以是空中的临时节点)，和节点之间的航路以及航路上的中点四个部分组成，定义每个部分的参数信息，所有航路关联建立完毕后，组成全国枢纽高空航路网络数字模型；
[0005]步骤2、依据全国枢纽高空航路网络运行条件约束和期望，建立全国枢纽高空航路网络的性能指标；
[0006]步骤3、设计全国枢纽高空航路网络规划方法，通过网络分层和节点合并，从经济、交通、位置等多个指标，选择出全国范围内最合适的枢纽节点，对各节点进行航路连接和合并筛选，对全国枢纽高空航路网络进行初步规划；
[0007]步骤4、根据步骤3得到的全国枢纽高空航路网络，以航路中点坐标为优化参数，通过航路上的流量需求和容量约束进行对比判定，对航路进行并线、删除和中点移动操作，选择最优的参数指标，降低航路总长度和交叉风险，对全国枢纽高空航路网络进行反馈迭代优化。
[0008]步骤1包括：
[0009]步骤1
‑
1、对所有影响全国枢纽高空航路网络布局性能的因素进行数学描述，将原问题抽象成一个数学模型；
[0010]全国枢纽高空航路网络包括各个机场节点和连接机场之间的飞行通道，将全国枢
纽高空航路网络表述为一个有向图D，D＝<V,E>，其中，V是一个非空集合，记作V(D)，其元素被称为有向图的顶点，物理意义为各个机场节点，V
·
V是集合的笛卡尔积，是集合V内的元素两两搭配形成的有序数对的集合，物理意义为机场节点对(或称城市对，OD对)；E是V
·
V的子集，记作E(D)，其元素被称为有向图的弧，物理意义为两个机场节点之间的飞行航路；
[0011]步骤1
‑
2、定义顶点v∈V(D)是某一个机场节点，其具备以下属性参数：
[0012]机场名称N；
[0013]机场经纬度坐标
[0014]平均吞吐量，其中平均每天进入该进场的航班数为m
i
，离场的航班数为m
o
；
[0015]可连接机场w与距离dw，w∈V(D)且w≠v；机场w和机场v需要满足一定的距离要求，一般定为3000km；
[0016]步骤1
‑
3、定义弧e∈E(D)是某两个机场节点之间的连线，其具备以下属性参数：
[0017]连接矢量编号(v,w)；
[0018]通道长度l；
[0019]通道宽度d；
[0020]通道前向性e
p
和反向性e
b
，e
p
＝1表示v到w是可通行的，e
p
＝0表示v到w是不可通行的；e
b
＝1表示w到v是可通行的，e
b
＝0表示w到v是不可通行的。
[0021]步骤2包括：
[0022]步骤2
‑
1、针对实际航空运输过程中需求，建立全国枢纽高空航路网络指标：参数<GV,GE>是全国枢纽高空航路网络D<V,E>的子集，GV为国家枢纽节点，变量为vg
i
,i＝1，2，...，n
g
，i为节点编号，共有n
g
个节点。GE为国家枢纽航路，变量为eg
j
，j＝1，2，...，m
g
，j为航路编号，共有m
g
条航路。全国枢纽高空航路网络的性能指标J(GV，GE)为：
[0023][0024]式中，EP(eg
j
)为航路eg
j
的性能指标；VP(vg
i
)为机场节点vg
i
的重要性指标；c
e
为航路指标占总体性能指标的权重，c
v
为节点性能指标的权重，min表示函数取最小值为最优；
[0025]步骤2
‑
2、根据步骤2
‑
1中建立的性能指标，定义每条航路eg
j
的性能指标EP(eg
j
)，包括飞行容量、航路造价、运行成本、交叉点冲突4部分指标，如下所示：
[0026][0027]式中，c1，c2，c3，c4分别为飞行容量、航路造价、运行成本、交叉点冲突占航路指标的权重比值；f
j
为每天发生在航路eg
j
上的航班数；d
j
为航路j的宽度；l
j
为航路eg
j
的长度；my
j
为每单位体积航路的造价；dl
j
为每单位长度航路的运行成本；f
j2
为与第j个航路交叉的航路流量；V为航班平均飞行速度；X为两个航班冲突的最小安全距离；α为两个航班交叉的夹角；
[0028]步骤2
‑
3、根据步骤2
‑
1中建立的性能指标，定义机场节点的性能指标VP(vg
i
)，包括经济重要性、交通重要性、位置重要性3部分指标，如下所示：
[0029]VP(vg
i
)＝b1·
DP
i
+b2·
DY
i
+b3·
DT
i
[0030]式中，b1、b2、b3分别为经济重要性、交通重要性、位置重要性占节点性能指标的权
重比值；DP
i
为节点i的经济重要性，其为各项经济指标占平均经济指标的权重和。DY
i
为节点i的交通重要性；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向全国枢纽的高空航路网络规划方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、将全国枢纽高空航路网络表述为一个有向图，建立全国枢纽高空航路网络数字模型；步骤2、依据全国枢纽高空航路网络运行条件约束和期望，建立全国枢纽高空航路网络的性能指标；步骤3、设计全国枢纽高空航路网络规划方法，通过网络分层和节点合并，对全国枢纽高空航路网络进行初步规划；步骤4、根据步骤3得到的全国枢纽高空航路网络，以航路中点坐标为优化参数，对全国枢纽高空航路网络进行反馈迭代优化。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1包括：步骤1
‑
1、全国枢纽高空航路网络包括各个机场节点和连接机场之间的飞行通道，将全国枢纽高空航路网络表述为一个有向图D，D＝<V，E>，其中，V是一个非空集合，记作V(D)，其元素被称为有向图的顶点，物理意义为各个机场节点，V
·
V是集合的笛卡尔积，是集合V内的元素两两搭配形成的有序数对的集合，物理意义为机场节点对；E是V
·
V的子集，记作E(D)，其元素被称为有向图的弧，物理意义为两个机场节点之间的飞行航路；步骤1
‑
2、定义顶点v∈V(D)是一个机场节点，其具备以下属性参数：机场名称N；机场经纬度坐标平均吞吐量，其中平均每天进入该进场的航班数为m
i
，离场的航班数为m
o
；可连接机场w与距离dw，w∈V(D)且w≠v；步骤1
‑
3、定义弧e∈E(D)是两个机场节点之间的连线，其具备以下属性参数：连接矢量编号(v，w)；通道长度l；通道宽度d；通道前向性e
p
和反向性e
b
，e
p
＝1表示v到w是可通行的，e
p
＝0表示v到w是不可通行的；e
b
＝1表示w到v是可通行的，e
b
＝0表示w到v是不可通行的。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2包括：步骤2
‑
1、针对实际航空运输过程中需求，建立全国枢纽高空航路网络指标：参数<GV，GE>是全国枢纽高空航路网络D<V，E>的子集，GV为国家枢纽节点，变量为vg
i
，i＝1，2，...，n
g
，i为节点编号，共有n
g
个节点；GE为国家枢纽航路，变量为eg
j
，j＝1，2，...，m
g
，j为航路编号，共有m
g
条航路；全国枢纽高空航路网络的性能指标J(GV，GE)为：式中，EP(eg
j
)为航路eg
j
的性能指标；VP(vg
i
)为机场节点vg
i
的重要性指标；c
e
为航路指标占总体性能指标的权重，c
v
为节点性能指标的权重，min表示函数取最小值为最优；步骤2
‑
2、根据步骤2
‑
1中建立的性能指标，定义每条航路eg
j
的性能指标EP(eg
j
)，包括飞行容量、航路造价、运行成本、交叉点冲突4部分指标，如下所示：
式中，c1，c2，c3，c4分别为飞行容量、航路造价、运行成本、交叉点冲突占航路指标的权重比值；f
j
为每天发生在航路eg
j
上的航班数；d
j
为航路j的宽度；l
j
为航路eg
j
的长度；my
j
为每单位体积航路的造价；dl
j
为每单位长度航路的运行成本；f
j2
为与第j个航路交叉的航路流量；V为航班平均飞行速度；X为两个航班冲突的最小安全距离；α为两个航班交叉的夹角；步骤2
‑
3、根据步骤2
‑
1中建立的性能指标，定义机场节点的性能指标VP(vg
i
)，包括经济重要性、交通重要性、位置重要性3部分指标，如下所示：VP(vg
i
)＝b1·
DP
i
+b2·
DY
i
+b3·
DT
i
式中，b1、b2、b3分别为经济重要性、交通重要性、位置重要性占节点性能指标的权重比值；DP
i
为节点i的经济重要性；DY
i
为节点i的交通重要性；DT
i
为节点i的位置重要性；步骤2
‑
4、根据航空运输实际运行过程中的安全和业务要求，在优化满足J(GV，GE)最小的同时，需要满足以下约束条件：节点流量约束：节点流量约束：节点流量约束：式中，X
ik
为流量产生点A
i
到达备选固定点D
k
的空中交通...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨毅，毛亿，盛寅，谢如恒，胡雨昕，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十八研究所，
类型：发明
国别省市：