一种空中航路交通流网络级联失效链式传播建模方法技术

本发明专利技术公开了一种空中航路交通流网络级联失效链式传播建模方法，包括：构建航路

【技术实现步骤摘要】
一种空中航路交通流网络级联失效链式传播建模方法


[0001]本专利技术属于航空运输网络
，具体涉及一种空中航路交通流网络级联失效链式传播建模方法。

技术介绍

[0002]空中航路作为国家空域系统的主体，容易受到军航活动、恶劣天气、技术设备等外界不确定性因素影响，在外界不确定性因素作用下可能造成空域系统小范围航路失效。航路网络作为传播媒介，可以将初始失效传播给与其相连的上/下游航路从而诱导后续失效，这种局部航路失效的链式传播行为可能触发航路网络的大面积瘫痪，即航路网络级联失效，造成严重的经济社会影响。如何预判航路失效链式效应、主动预防航路级联失效，进而确保航空持续安全、保障民航服务品质、提升航路网络运行效率，已成为民航运输业未来发展所亟需解决的重要课题。
[0003]航空运输网络的链式传播效应是当前新兴热点研究问题，目前取得的研究成果主要集中于航空运输网络中的航班延误传播，解决的是延误在机场之间的传播问题，而针对拥堵多发的空中航路，特别是局部航路失效诱发大面积航路网络崩溃的链式传播问题，目前研究尚处于空白。
[0004]复杂网络传播动力学的发展，特别是级联失效问题研究的不断深入，为航路失效及其链式效应的建模提供了参考。可借鉴复杂网络理论中的级联失效建模思路来描述航路失效在航路网络中的链式传播行为。但由于航路交通流网络的特殊性，无法直接应用现有的级联失效理论模型，建模过程需考虑空中交通运行实际。特别的，航路交通流网络负载是动态演化的时空变量，失效传播过程不仅要考虑网络结构的复杂性，还应体现交通流演化过程与动态航路网络结构的相互作用对航路网络级联失效链式传播的影响。
[0005]因此，亟需研究一种空中航路交通流网络级联失效链式传播建模方法，提升航路网络级联失效的感知与应对能力。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种空中航路交通流网络级联失效链式传播建模方法，构建航路
‑
交通流协同运行双层动态网络，提出交通流量重新分配模型，建立航路网络交通流演化动力学模型，进而建立空中航路网络级联失效传播模型，分析航路失效沿航路网络传播蔓延的微观机理。本专利技术通过空中航路交通流网络级联失效链式传播及动态演化建模，可显著提升航路失效链式传播效应预判能力，为主动预防航路级联失效、确保航空持续安全、提升航路网络运行效率提供重要支持。
[0007]为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0008]一种空中航路交通流网络级联失效链式传播建模方法，包括：
[0009]步骤1，分析静态航路物理结构、动态航路交通流与航路级联失效之间的耦合关系，构建航路
‑
交通流协同运行双层动态网络，包括下层网络和上层网络，分别为航路交通
流动态拓扑网络和航路级联失效动态网络；
[0010]步骤2，更新航路
‑
交通流协同运行双层动态网络，针对失效航段，建立交通流量重新分配模型，将失效航段中的交通流量分配给正常运行的相邻航段；
[0011]步骤3，建立面向失效传播的航路网络交通流演化动力学模型，描述航路网络级联失效与空中交通流推演的动态耦合过程，更新航路交通流动态拓扑网络；
[0012]步骤4，根据步骤3更新的航路交通流动态拓扑网络，建立空中航路网络级联失效链式传播模型，描述局部航段失效沿航路交通流网络的动力学传播过程，并将其量化表示为航段综合状态指数；
[0013]步骤5，根据航段综合状态指数和预设的条件进行航路级联失效动态网络更新判断与步骤2或步骤3的选择性迭代执行。
[0014]为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
[0015]上述的步骤1包括：
[0016]步骤1.1，分析静态航路物理结构与动态航路交通流特征，构建航路
‑
交通流协同运行双层动态网络的下层网络，即航路交通流动态拓扑网络，表征静态航路物理结构与动态航路交通流时空分布之间的耦合关系；
[0017]步骤1.2，分析航路失效级联传播对航路交通流动态拓扑网络的影响，构建航路
‑
交通流协同运行双层动态网络的上层网络，即航路级联失效动态网络，描述航路级联失效导致的网络结构动态变化。
[0018]所述步骤1.1中，根据航图和航班雷达飞行轨迹实时追踪数据，分析航路结构与航路交通流特征，提取航路点、航段、航段通行时间、交通流量分布以及航段容量信息，构建航路
‑
交通流协同运行双层动态网络的下层网络，即航路交通流动态拓扑网络，记为N
l
＝{P,R,W
l
}，其中，P表示航路点集合，R表示航路段集合，W
l
表示下层网络权重集合，即航段通行时间、交通流量时空分布和航段容量；
[0019]所述步骤1.2中，在下层网络的基础上，分析航路失效及其链式传播引发的后续失效导致的航路结构动态性变化，建立上层网络，即航路级联失效动态网络，记为N
u
＝{P，R，W
u
}，W
u
表示上层网络权重集合，此处为0
‑
1指示参数，为0则表示该航段失效，为1则表示该航段可通行。
[0020]上述的步骤2包括：
[0021]步骤2.1，分别针对初始失效航段和后续失效航段，计算由于当前航段失效而需要被重新分配的交通流量值；
[0022]步骤2.2，建立空中交通流量重新分配模型，将失效航段中的交通流量分配给正常运行的相邻航段。
[0023]上述的步骤2.1中，若失效航段为初始航段，则当前航段失效而需要被重新分配的流量值为该航段内的流量值，如式(1)所示；
[0024]若为后续失效航段，则当前航段失效而需要被重新分配的流量值为航段流量与失效临界流量之间的差值，如公式(2)所示：
[0025]Δf
i
(t)＝f
i
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0026]Δf
i
(t)＝f
i
(t)
‑
θC
i
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0027]其中，Δf
i
(t)表示t时刻失效航段i需要被重新分配的流量值；
[0028]f
i
(r)表示t时刻失效航段i内的流量值；
[0029]C
i
(t)表示通行能力；
[0030]θ表示拥堵失效临界系数；
[0031]所述步骤2.2中，将失效航段中的交通流量分配给正常运行的相邻航段，重新分配后该航段及其上/下游航段中的交通流量如公式(3)所示：
[0032][0033]其中，f
i
‑1(t)、f
i+1
(t)分别表示t时刻失效航段i所在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空中航路交通流网络级联失效链式传播建模方法，其特征在于，包括：步骤1，分析静态航路物理结构、动态航路交通流与航路级联失效之间的耦合关系，构建航路
‑
交通流协同运行双层动态网络，包括下层网络和上层网络，分别为航路交通流动态拓扑网络和航路级联失效动态网络；步骤2，更新航路
‑
交通流协同运行双层动态网络，针对失效航段，建立交通流量重新分配模型，将失效航段中的交通流量分配给正常运行的相邻航段；步骤3，建立面向失效传播的航路网络交通流演化动力学模型，描述航路网络级联失效与空中交通流推演的动态耦合过程，更新航路交通流动态拓扑网络；步骤4，根据步骤3更新的航路交通流动态拓扑网络，建立空中航路网络级联失效链式传播模型，描述局部航段失效沿航路交通流网络的动力学传播过程，并将其量化表示为航段综合状态指数；步骤5，根据航段综合状态指数和预设的条件进行航路级联失效动态网络更新判断与步骤2或步骤3的选择性迭代执行。2.根据权利要求1所述的一种空中航路交通流网络级联失效链式传播建模方法，其特征在于，所述步骤1包括：步骤1.1，分析静态航路物理结构与动态航路交通流特征，构建航路
‑
交通流协同运行双层动态网络的下层网络，即航路交通流动态拓扑网络，表征静态航路物理结构与动态航路交通流时空分布之间的耦合关系；步骤1.2，分析航路失效级联传播对航路交通流动态拓扑网络的影响，构建航路
‑
交通流协同运行双层动态网络的上层网络，即航路级联失效动态网络，描述航路级联失效导致的网络结构动态变化。3.根据权利要求2所述的一种空中航路交通流网络级联失效链式传播建模方法，其特征在于，所述步骤1.1中，根据航图和航班雷达飞行轨迹实时追踪数据，分析航路结构与航路交通流特征，提取航路点、航段、航段通行时间、交通流量分布以及航段容量信息，构建航路
‑
交通流协同运行双层动态网络的下层网络，即航路交通流动态拓扑网络，记为N
l
＝{P,R,W
l
}，其中，P表示航路点集合，R表示航路段集合，W
l
表示下层网络权重集合，即航段通行时间、交通流量时空分布和航段容量；所述步骤1.2中，在下层网络的基础上，分析航路失效及其链式传播引发的后续失效导致的航路结构动态性变化，建立上层网络，即航路级联失效动态网络，记为N
u
＝{P,R,W
u
}，W
u
表示上层网络权重集合，此处为0
‑
1指示参数，为0则表示该航段失效，为1则表示该航段可通行。4.根据权利要求1所述的一种空中航路交通流网络级联失效链式传播建模方法，其特征在于，所述步骤2包括：步骤2.1，分别针对初始失效航段和后续失效航段，计算由于当前航段失效而需要被重新分配的交通流量值；步骤2.2，建立空中交通流量重新分配模型，将失效航段中的交通流量分配给正常运行的相邻航段。5.根据权利要求4所述的一种空中航路交通流网络级联失效链式传播建模方法，其特征在于，所述步骤2.1中，若失效航段为初始航段，则当前航段失效而需要被重新分配的流
量值为该航段内的流量值，如式(1)所示；若为后续失效航段，则当前航段失效而需要被重新分配的流量值为航段流量与失效临界流量之间的差值，如公式(2)所示：Δf
i
(t)＝f
i
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)Δf
i
(t)＝f
i
(t)
‑
θC
i
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，Δf
i
(t)表示t时刻失效航段i需要被重新分配的流量值；f
i
(t)表示t时刻失效航段i内的流量值；C
i
(t)表示通行能力；θ表示拥堵失效临界系数；所述步骤2.2中，将失效航段中的交通流量分配给正常运行的相邻航段，重新分配后该航段及其上/下游航段中的交通流量如公式(3)所示：其中，f
i
‑1(t)、f
i+1
(t)分别表示t时刻失效航段i所在飞行路径上的上/下游航段内的交通流量；w
u,i
‑1(t)、w
u,i+1
(t)分别表示t时刻上层网络中上/下游航段的0
‑
1指示参数。6.根据权利要求1所述的一种空中航路交通流网络级联失效链式传播建模方法，其特征在于，所述步骤3包括：步骤3.1，借助流体力学理论方法，建立时空离散的航路交通流状态空间方程，描述航路网络中航段交通流的动态演化；步骤3.2，分别针对空域范围内飞行路径上的初始航段和非初始航段，制定失效航段的禁入规则；步骤3.3，基于步骤3.1和3.2，建立面向失效传播的航路网络交通流演化动力学模型，描述航路网络级联失效传播与空中交通流推演的动态耦合过程；步骤3.4，根据步骤3.1
‑
3.3进行航路网络交通流时空分布推演，更新航路
‑
交通流协同运行双层动态网络的下层网络，即航路交通流动态拓扑网络。7.根据权利要求6所述的一种空中航路交通流网络级联失效链式传播建模方法，其特征在于，所述步骤3.1建立的时空离散的航路交通流状态空间方程如公式(4)
‑
(5)所示：f1(t+1)＝f1(t)
‑
(1/FT1(t))f1(t)+oif1(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)f
i
(t+1)＝f
i
(t)
‑
(1/F...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈丹，钟玉刚，徐凤，汤程，贾萌，饶文明，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：