一种基于加权图模型的空域扇区划分方法技术

本发明专利技术属于空中交通管理领域，提出了一种基于加权图模型的空域扇区设计方法。本发明专利技术在建立一种能够准确表示航路和空中交通量的无向图模型后，将图顶点作为Voronoi图基点把空域离散化，然后依据每个Voronoi图单元的工作负荷和航路上的交通量构建加权图模型。进而，利用融合了一般加权图切算法、负荷平衡算法和启发式算法的图划分方法，将加权图模型划分为多个子图，再由各个子图所包含的顶点映射到对应的Voronoi图单元组合形成扇区。由本方法设计的扇区不仅满足负荷平衡和协作负荷最小化约束，而且满足扇区最小距离约束、凸性约束和连通性约束。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于空中交通管理
，涉及一种空中交通管理中的空域扇区设计方案，尤其是一种能够满足扇区负荷均衡和交接负荷最小化以及能够保证扇区凸性、最小距离和连通性等几何约束的扇区划分方法。
技术介绍
目前，世界上绝大多数国家的空域组织形式是固定航路和固定扇区，即飞机沿着固定航路飞行，扇区边界和扇区数目是固定不变的。这是一种结构化的静态空域。这种静态空域在恶劣天气和空中交通拥挤的情况下容易造成航班延误。为了解决上述交通难题，研究者提出了满足空域使用者需要的动态空域配置概念。在动态配置下，飞机可以按照适合自己的航线自由飞行，从而使得航路结构从静态转向动态。这种动态交通模式对现有的空中交通管理特别是现有的扇区结构是一种挑战，因为目前扇区结构是静态的，是在一定历史条件下依靠经验形成的，已经无法满足动态空域配置下交通管理的需要，因此需要按照动态变化的空中交通量来设计空域扇区。近年来，有关学者针对空域扇区设计做了一些有益的研究和探索。从现有文献可知绝大多数扇区划分方法是首先建 立空域模型，然后按照管制员负荷均衡原则利用优化算法将空域模型划分成扇区。所用空域模型分为:细胞元模型、航路模型、VOTonoi图模型和图模型。利用细胞元模型，给定空域被划分成一系列正六边形网格，然后利用优化算法将这些正六边形网格组合形成扇区。例如，Yousefi于2004年发表的《Temporal and SpatialDistribution of Airspace Complexity for New Methodologies in Airspace Design》，Klein于2005年发表的《An Efficient Method for Airspace Analysis and Partitioningbased on Equalized Traffic Mass》，Drew 于 2008 年发表的《Analysis of an OptimalSector Design Method》和 Tien 于 2009 年发表的《Optimizing Airspace Sectors forVarying Demand Patterns using Mult1-Controller Staffing》分别利用厂址选择算法，区域生长算法数规划算法将细胞元模型组合形成扇区。然而在上述文献中所设计的扇区边界是锯齿状，扇区在形状上并不尽人意。利用航路模型，Briton于2008年发表的《AirspacePartitioning Using Flight Clustering and computational Geometry〉〉将航路点利用k-means 算法聚类成扇区，而 Basu 于 2008 年发表的《Geometric Algorithms for OptimalAirspace Design and Air Traffic Controller Workload Balancing〉〉则发展了一种几何算法来解决扇区设计问题。使用Voronoi图模型,Delahaye于1998年发表的《AirspaceSectoring by Evolutionary Computation》建立了初始扇区,然后利用遗传算法通过移动扇区边界以达到负荷均衡。更进一步地,Xue于2009年发表的《Airspace Sector RedesignBased on Voronoi Diagrams》在Delahaye扇区划分方法基础上,应用迭代加深算法来改进遗传算法在实现上的不足。然而，基于上述三种模型的扇区划分方法没有考虑到空域结构因素，因而所设计的扇区并不能完全保证扇区的凸性、最小距离和连通性等几何约束。而图模型通过则充分考虑了空域结构信息，将机场、航路点和航路交叉点等关键点用图的顶点表示，航路用边来表示，建立空域的图模型，进而在图模型基础上方便地采取措施进行模型优化，从而获得扇区。例如，Trandac于2003年发表的《Optimized Sectorization ofAirspace with Constraints》在图模型基础上利用约束算法优化形成扇区。Li于2010年发表的《Graph-Based Algorithm for Dynamic Airspace Configuration》则首先建立一个边被赋予了交接负荷的图模型，然后利用谱聚类对图模型进行划分，但这样并不能保证子图的工作负荷均衡，因而又通过合并相邻子图的方式以获得负荷均衡且满足连通性约束的子图，最后通过确定边界形成扇区。而Martine于2007年发表的《A ffeighted-graphApproach for Dynamic Airspace Configuration》将顶点和边都没有赋予工作负荷的图模型，利用谱二分法将按照所包含的航路点和机场数目均衡以及连接两部分的航路条数最小化原则将网格模型迭代地进行二分成许多子图。然而，由于空域的交通量分布并不完全一致，所以扇区间航路最小化并不能扇区间交接负荷的最小化，航路点和机场数目的均衡并不能保证工作负荷的均衡，所以又将空域离散成众多正四方形网格，通过子图间网格调整获得负荷均衡的扇区。即便如此，也不能保证扇区间交接负荷的最小化。而且，利用正方形网格也不能完全保证扇区最小距离约束和凸性约束。综上所述，现有的方法绝大多数方法并不能完全保证扇区的几何约束，而且在扇区设计时未能兼顾扇区的负荷均衡和交接负荷最小化
技术实现思路
为解决现有技术中存在的几何约束不能得到完全保证及未能兼顾负荷均衡和交接负荷最小化的问题，本专利技术提供一种基于加权图模型的扇区划分方法，由本方法设计的扇区不仅能够满足扇区之间负荷平衡和交接负荷最小化，而且能够满足扇区的凸性、最小距离和连通性约束等几何约束。本专利技术采用如下的技术方案。—种基于加权图模型的空域扇区划分方法，其特征在于包括以下步骤:步骤一，建立空域加权图模型，方法如下:(I)根据给定的空域结构信息，构建无向图模型G = G(V，E)，其中顶点集V = {1，2，...，n},代表机场、航路点和航路交叉点等关键点，边集合E = {eu =(i, j):1, j G V}，eiJ表示连接顶点i和j的航路段。(2)在无向图模型基础上，以顶点集合V中的顶点作为基点建立VOTonoi图D。利用D将空域划分为n个Voronoi图单元Di (i=l, 2，...，n)，其中Di表示第i个顶点所对应的Voronoi图单元。Voronoi图单元的边界在合并单元成为扇区时将部分地成为扇区边界。这种通过VOTonoi图离散空域模型形成单元的方式可以保证将单元组合形成扇区时满足扇区的凸性约束。对空域离散化后，有一些基点离单元边界很近，如果所设计的扇区边界恰好就落在这条边界上，那么扇区就不符合最小距离约束，所以将这条边界删除，将此条边界所连接的两个单元合并。合并后的单元数目为r(r < n),通过合并措施使得这些单元在组合成扇区时能够保证最小距离约束。(3)在空域离散化的基础上，根据交通数据计算一段时间内Di (i=l，2，...，r)的工作负荷Wi和每条航路上的交接负荷。(4)为了便于分析，本专利技术将Dji象成一个辅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于加权图模型的空域扇区划分方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一，建立空域加权图模型，方法如下：(1)根据给定的空域结构信息，构建无向图模型G＝G(V,E)，其中，顶点集V＝{1,2,...,n}代表机场、航路点和航路交叉点等关键点，边集合E＝{eij＝(i,j):i,j∈V}，eij表示连接顶点i和j的航路段；(2)在无向图模型基础上，以顶点集合V中的顶点作为基点建立Voronoi图D；利用D将空域划分为n个Voronoi图单元Di(i=1,2，...,n)，其中Di表示第i个顶点所对应的Voronoi图单元；Voronoi图单元的边界在合并单元成为扇区时将部分地成为扇区边界；这种通过Voronoi图离散空域模型形成单元的方式可以保证将单元组合形成扇区时满足扇区的凸性约束；对空域离散化后，有一些基点离单元边界很近，如果所划分的扇区边界恰好落在这条边界上，那么扇区不符合最小距离约束，将这条边界删除，将此条边界所连接的两个单元合并；合并后的单元数目为r(r≤n)，通过合并措施使得这些单元在组合成扇区时能够保证最小距离约束；(3)在空域离散化的基础上，根据交通数据计算一段时间内Di(i=1,2，...,r)的工作负荷wi和每条航路eij上的交接负荷；(4)将Di抽象成一个辅助的加权图模型，其中，Di抽象成一个顶点，顶点权重就是Di的工作负荷wi；若Di和Dj之间有航路连接，则所有航路就抽象成一条边，边的权重就是连接Di和Dj所有航路上交接负荷之和，记为wij；将所构造的加权图模型记为Gw，Gw=(w,W)，其中w为顶点权重向量，W为边的权重矩阵表示：w＝[w1,w2,...,wr]T??????????????????????????(1)W＝[wij]r×r，wij=wji????????????????????????(2)步骤二，确定扇区数目，方法如下：根据给定空域的总负荷Ac和每个扇区的最大负荷Sc确定扇区数k，也就是确定划分加权图子图数目，扇区数k按下式计算：其中，是向上取整运算；步骤三，采用由一般加权图切算法、负荷平衡算法和启发式算法融合成的图划分方法划分加权图模型；步骤四，将每个子图所包含的顶点对应的Voronoi图单元组合形成扇区。FDA00002944152300011.jpg,FDA00002944152300012.jpg,FDA00002944152300029.jpg...

【技术特征摘要】
1.一种基于加权图模型的空域扇区划分方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤一，建立空域加权图模型，方法如下: (1)根据给定的空域结构信息，构建无向图模型G= G(V，E)，其中，顶点集V ={1，2，...，n}代表机场、航路点和航路交叉点等关键点,边集合E = {eu = (i, j):1, j G V}，eu表示连接顶点i和j的航路段； (2)在无向图模型基础上，以顶点集合V中的顶点作为基点建立VOTonoi图D;利用D将空域划分为n个Voronoi图单元DiQ=I, 2， ..，n)，其中Di表示第i个顶点所对应的Voronoi图单元；Voronoi图单元的边界在合并单元成为扇区时将部分地成为扇区边界；这种通过VOTonoi图离散空域模型形成单元的方式可以保证将单元组合形成扇区时满足扇区的凸性约束；对空域离散化后，有一些基点离单元边界很近，如果所划分的扇区边界恰好落在这条边界上，那么扇区不符合最小距离约束，将这条边界删除，将此条边界所连接的两个单元合并；合并后的单元数目为r(r < n),通过合并措施使得这些...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈阳舟，张德夫，毕虹，宋卓希，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：