基于航路网络结构的城市空中交叉口设计方法、装置及系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于航路网络结构的城市空中交叉口设计方法、装置及系统，方法包括基于区域内航路网络结构的基本信息，生成航路网络结构的拓扑结构图；基于航路网络结构的拓扑结构图，获取航路网络中各航路点节点的预设指标，选取各指标排名满足预设条件的航路点节点作为拟构建交叉口的航路点；基于选取的航路点，在各航路点处按等比例构建初始交叉口，得到初始城市空中交叉口设计方案；构建以整体航路网络容量效益最大、运输成本最低为目标的城市空中交叉口多目标函数优化模型；基于初始城市空中交叉口设计方案和城市空中交叉口多目标函数优化模型，求解得到最优的城市空中交叉口设计方案。本发明专利技术为未来智慧城市空中交通的规划与管理提供了技术参考和依据。规划与管理提供了技术参考和依据。规划与管理提供了技术参考和依据。

【技术实现步骤摘要】
基于航路网络结构的城市空中交叉口设计方法、装置及系统


[0001]本专利技术属于城市低空空中交通
，具体涉及一种基于航路网络结构的城市空中交叉口设计方法、装置及系统。

技术介绍

[0002]随着垂直起降航空器的快速发展，城市空中交通作为一种新型交通运输模式，逐渐引发了人们的关注，由此促进了城市空中交通相关的新概念、新技术蓬勃发展。伴随着我国低空空域的进一步开放，城市“最后一公里”的物流配送方式出现变革，推动了城区物流无人机航路网络布局、城市空中交通规划管理等一系列问题发展。作为交通流的集散点，交叉口是航路网络的关键，具有极其复杂的交通特性，相对于一般航路航段而言，交叉口内由于不同流向无人机的转向而引发交织、分流以及合流等行为，形成若干冲突点，易造成交通持续混乱、交通堵塞和事故发生，降低航路网络通行能力，成为整个城市空中交通的瓶颈地带。而在已有的研究和分析中，由于城市空中交通的前沿性，目前关于城市空中交叉口设计的研究仍存在大量空白，亟需提出一种城市空中交叉口设计方法，以适应未来城市空中交通发展的需要。

技术实现思路

[0003]针对上述问题，本专利技术提出一种基于航路网络结构的城市空中交叉口设计方法、装置及系统，能够获得最优的城市空中交叉口设计方案，为未来智慧城市空中交通的规划与管理提供了技术参考和依据。
[0004]为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本专利技术通过以下技术方案实现：
[0005]第一方面，本专利技术提供了一种基于航路网络结构的城市空中交叉口设计方法，包括：<br/>[0006]基于区域内航路网络结构的基本信息，生成航路网络结构的拓扑结构图；
[0007]基于所述航路网络结构的拓扑结构图，获取航路网络中各航路点节点的预设指标，选取各指标排名满足预设条件的航路点节点作为拟构建交叉口的航路点；
[0008]基于选取的作为拟构建交叉口的航路点，在各航路点处按等比例构建初始交叉口，得到初始城市空中交叉口设计方案；
[0009]基于所述初始城市空中交叉口设计方案，以整体航路网络容量效益最大和整体航路网络运输成本最低为目标函数，以飞行高度约束、最小路径段长度约束、最大转弯角约束、最大爬升角约束、最大航程约束、最大起飞质量约束为约束条件，构建城市空中交叉口多目标函数优化模型；
[0010]基于所述初始城市空中交叉口设计方案和城市空中交叉口多目标函数优化模型，求解得到最优的城市空中交叉口设计方案。
[0011]可选地，所述预设指标包括度中心性、介数中心性、接近中心性；其中，
[0012]所述度中心性表达式为：
[0013][0014]所述介数中心性表达式为：
[0015][0016]所述接近中心性表达式为：
[0017][0018]式中，DC
u
表示第u个航路点节点的度中心性，BC
u
表示第u个航路点节点的介数中心性，CC
u
表示第u个航路点节点的接近中心性，u、v表示航路网络中各航路点节点，u＝1,2,
…
,l，v＝1,2,
…
,l，l为航路网络中航路点节点总个数；k
u
表示航路网络中与航路点节点u相连的边的数量；g
st
表示连接航路点节点s和t的最短路径的数量；表示连接航路点节点s和t的路径中经过航路点节点u且为最短路径的路径数量；d
u
表示航路点节点u到其余各航路点节点的平均距离；d
uv
表示航路点节点u到v的距离。
[0019]可选地，所述初始城市空中交叉口设计方案通过以下步骤获得：
[0020]在所述构建初始交叉口过程中，基于所述选取的航路点，截取并去除各航路点处交叉航线长度的预设百分比，将各交叉航线截取后的末端作为交叉口处的新航路点；
[0021]连接各新航路点，得到所述初始城市空中交叉口设计方案。
[0022]可选地，所述区域内航路网络结构的基本信息包括供应点坐标、需求点坐标、航线构成和航路长度。
[0023]可选地，所述城市空中交叉口多目标函数优化模型的目标函数的表达式包括：
[0024][0025][0026][0027]其中，R
c
表示整体航路网络容量效益；x
u
,y
u
,z
u
分别表示航路网络中第u个航路点节点的坐标，x
v
,y
v
,z
v
分别表示航路网络中第v个航路点节点的坐标；λ
uv
为决策变量，当第u和第v个航路点节点直接相连时λ
uv
为1，反之为0；D
min
表示物流无人机之间最小安全间隔；
[0028]R
e
表示整体航路网络运输成本；x
i,j
,y
i,j
,z
i,j
表示各条配送航迹途经航路点节点坐标；i表示航路网络中的第i条配送航迹，i＝1,2,
…
,m，m为配送航迹总条数；j表示该条航迹途经的航路点节点序号，j＝1,2,
…
,n，n为该条航迹途经航路点节点总个数；e
h
表示物流无人机单位水平距离能耗；e
v
表示物流无人机单位垂直距离能耗；τ(m
cargo
)表示载货质量为m
cargo
时的货物质量惩罚系数；τ
max
表示货物质量惩罚系数最大值；m
max
表示物流无人机可承载的最大货物质量；f
e
表示单位能耗充电费用。
[0029]可选地，所述飞行高度约束的表达式为：
[0030]z
u
≤H
max
[0031]其中，z
u
表示航路网络中第u个航路点节点的高度；H
max
表示物流无人机飞行高度上限；
[0032]所述最小路径段长度约束的表达式为：
[0033][0034]其中，L
min
表示航路网络中任意两相邻航路点节点u和v间的最小路径段长度，x
u
,y
u
,z
u
分别表示航路网络中第u个航路点节点的坐标，x
v
,y
v
,z
v
分别表示航路网络中第v个航路点节点的坐标；
[0035]所述最大转弯角约束的表达式为：
[0036][0037]其中，β
max
表示航路网络中依次相邻的三个航路点节点w、u、v间的最大转弯角，x
w
,y
w
,z
w
分别表示航路网络中第w个航路点节点的坐标；x
u
,y
u
,z
u
分别表示航路网络中第u个航路点节点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于航路网络结构的城市空中交叉口设计方法，其特征在于，包括：基于区域内航路网络结构的基本信息，生成航路网络结构的拓扑结构图；基于所述航路网络结构的拓扑结构图，获取航路网络中各航路点节点的预设指标，选取各指标排名满足预设条件的航路点节点作为拟构建交叉口的航路点；基于选取的作为拟构建交叉口的航路点，在各航路点处按等比例构建初始交叉口，得到初始城市空中交叉口设计方案；基于所述初始城市空中交叉口设计方案，以整体航路网络容量效益最大和整体航路网络运输成本最低为目标函数，以飞行高度约束、最小路径段长度约束、最大转弯角约束、最大爬升角约束、最大航程约束、最大起飞质量约束为约束条件，构建城市空中交叉口多目标函数优化模型；基于所述初始城市空中交叉口设计方案和城市空中交叉口多目标函数优化模型，求解得到最优的城市空中交叉口设计方案。2.根据权利要求1所述的一种基于航路网络结构的城市空中交叉口设计方法，其特征在于：所述预设指标包括度中心性、介数中心性、接近中心性；其中，所述度中心性表达式为：所述介数中心性表达式为：所述接近中心性表达式为：式中，DC
u
表示第u个航路点节点的度中心性，BC
u
表示第u个航路点节点的介数中心性，CC
u
表示第u个航路点节点的接近中心性，u、v表示航路网络中各航路点节点，u＝1,2,
…
,l，v＝1,2,
…
,l，l为航路网络中航路点节点总个数；k
u
表示航路网络中与航路点节点u相连的边的数量；g
st
表示连接航路点节点s和t的最短路径的数量；表示连接航路点节点s和t的路径中经过航路点节点u且为最短路径的路径数量；d
u
表示航路点节点u到其余各航路点节点的平均距离；d
uv
表示航路点节点u到v的距离。3.根据权利要求1所述的一种基于航路网络结构的城市空中交叉口设计方法，其特征在于：所述初始城市空中交叉口设计方案通过以下步骤获得：在所述构建初始交叉口过程中，基于所述选取的航路点，截取并去除各航路点处交叉航线长度的预设百分比，将各交叉航线截取后的末端作为交叉口处的新航路点；连接各新航路点，得到所述初始城市空中交叉口设计方案。4.根据权利要求1所述的一种基于航路网络结构的城市空中交叉口设计方法，其特征在于：所述区域内航路网络结构的基本信息包括供应点坐标、需求点坐标、航线构成和航路长度。5.根据权利要求1所述的一种基于航路网络结构的城市空中交叉口设计方法，其特征
在于：所述城市空中交叉口多目标函数优化模型的目标函数的表达式包括：在于：所述城市空中交叉口多目标函数优化模型的目标函数的表达式包括：在于：所述城市空中交叉口多目标函数优化模型的目标函数的表达式包括：其中，R
c
表示整体航路网络容量效益；x
u
,y
u
,z
u
分别表示航路网络中第u个航路点节点的坐标，x
v
,y
v
,z
v
分别表示航路网络中第v个航路点节点的坐标；λ
uv
为决策变量，当第u和第v个航路点节点直接相连时λ
uv
为1，反之为0；D
min
表示物流无人机之间最小安全间隔；R
e
表示整体航路网络运输成本；x
i,j
,y
i,j
,z
i,j
表示各条配送航迹途经航路点节点坐标；i表示航路网络中的第i条配送航迹，i＝1,2,
…
,m，m为配送航迹总条数；j表示该条航迹途经的航路点节点序号，j＝1,2,
…
,n，n为该条航迹途经航路点节点总个数；e
h
表示物流无人机单位水平距离能耗；e
v
表示物流无人机单位垂直距离能耗；τ(m
cargo
)表示载货质量为m
cargo
时的货物质量惩罚系数；τ
max
表示货物质量惩罚系数最大值；m
max

【专利技术属性】
技术研发人员：张洪海，黄雨婷，李靖宇，钟罡，刘皞，
申请(专利权)人：南京天城交通研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：