一种基于图论和谱聚类算法的终端扇区划分方法技术

本发明专利技术公开了一种基于图论和谱聚类算法的终端扇区划分方法，通过计算机系统辅助实现，系统中包括扇区划分子系统，首先根据管制空域的基本航线网络结构和空中交通流量，提出顶点间联系程度的计算模型；应用谱聚类算法实现空域图顶点的有效分割，解决了近距平行航路分割误差问题，实现了扇区凸壳的构造与划分；提出了基于MAKLINK图的扇区间边界优化路径选择算法；最后对扇区边界进行了一定消除锯齿形状的优化处理，使之更符合实际操作，完成扇区最终划分；本发明专利技术利用空中交通流量，在划分扇区时方便地进行逆向演绎，通过图论和谱聚类算法的扇区划分方法实现各扇区的流量较均衡、协调量较小，满足最小距离约束，降低了管制员指挥难度，保障终端区运行安全。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，通过计算机系统辅助实现，系统中包括扇区划分子系统，首先根据管制空域的基本航线网络结构和空中交通流量，提出顶点间联系程度的计算模型；应用谱聚类算法实现空域图顶点的有效分割，解决了近距平行航路分割误差问题，实现了扇区凸壳的构造与划分；提出了基于MAKLINK图的扇区间边界优化路径选择算法；最后对扇区边界进行了一定消除锯齿形状的优化处理，使之更符合实际操作，完成扇区最终划分；本专利技术利用空中交通流量，在划分扇区时方便地进行逆向演绎，通过图论和谱聚类算法的扇区划分方法实现各扇区的流量较均衡、协调量较小，满足最小距离约束，降低了管制员指挥难度，保障终端区运行安全。【专利说明】
本专利技术涉及空域规划领域，特别涉及，应用本方法实现终端空域规划、降低管制员工作负荷。
技术介绍
终端区空域复杂性高，飞行流量大，航空器完成机动飞行受实际地域限制较大，对空域系统安全及容量影响较大。扇区是国家空域系统的基本单元，我国的空域系统约由200个空域扇区组成。每个空域扇区均由一名管制员负责对航班飞行实施指挥。目前，随着航空运输的发展，终端区扇区边界的现存划设方法已表现出表现出两方面的不足:1)某些扇区内的空中交通流量经常出现超出其容量限值的情况；2)扇区间的空中交通流量的时空分布极不均衡。因此，根据空中交通流量的实际需求对终端区扇区边界重新进行优化，对保障空中交通安全、减少航班延误和提高整个空域容量均有重要意义。虽然目前也存在一些针对终端空域扇区划分方法，但本质上都是组合优化问题，计算效率不高，并且划分的扇区边界往往呈现锯齿状，并不能直接使用，必须在此基础上还需要进行边界调整，但尚未发现对扇区边界调整方法的报道。考虑到现有终端区扇区划分的现状，尚缺少一种能够快速、有效、实用的终端扇区划分方法。
技术实现思路
鉴于现有
的不足，本专利技术的目的在于，提供一种新的终端空域扇区划分方法，该方法基于图论和谱聚类算法来实现终端扇区划分，以求能够快速、有效的划分扇区，从而降低管制员指挥难度，保障飞行安全。本专利技术是这样实现的，，通过计算机系统辅助实现，所述计算机系统主要由客户端/服务器(C/S)模式构成，计算机系统包括空域导航数据库、仿真计算引擎、空域建模子系统、交通流生成子系统和显示与交互子系统，其特征在于，计算机系统中还包括运行在一个客户端的终端区扇区划分子系统，所述终端区扇区划分子系统用作终端扇区划分方法的实现平台； 终端区扇区划分子系统包括空域图模型构建模块、空域图分割模块、扇区边界划设模块和扇区边界调整模块； 空域图模型构建模块应用图论知识将管制空域抽象为拓扑网络结构，对满足一定距离的顶点进行合并，将航线离散成更短的航线，其顶点数目相应增加，构建空域图的关系矩阵； 空域图分割模块应用谱聚类算法对顶点聚类完成空域图的分割产生子图； 扇区边界划设模块用于应用MAKLINK图、Dijkstra算法，通过执行扇区边界划设模块的过程来产生初始扇区边界，实现扇区连续且无交叉，执行扇区边界划设模块，又会产生锯齿状扇区边界；扇区边界调整模炔基于已划出的边界，对已经获得的扇区边界点进行处理，在保证不影响各扇区交通流量的情况下，尽量去除产生较大锯齿状的点，通过执行扇区边界调整模块的过程来消除扇区边界的锯齿状； 扇区划分子系统中包括利用构建空域图模型、谱聚类算法生成子图和利用MAKLINK图、Di jkstra算法进行计算的步骤。所述终端区扇区划分方法，包括如下步骤: 步骤1:在空域建模子系统中输入空域结构数据、进离场程序数据，将空域结构转换成拓扑网络结构，在交通流生成子系统中编制航班计划数据，确定待划分终端区的上下边界，统计每条航线上的交通流量； 步骤2:完成对小于某一特定距离的顶点的合并，由于顶点重要性不同合并结果不同，完成航线的离散，以及根据空中交通流量与地理位置关系建立空域图的关系矩阵Rij;Ifip 地理位置关系与欧氏距离的倒数Sij有关，地理接近程度a,7=l/sqrt ({X-Xj) 2_ iyry)2)，关系矩阵 R 的元素值为 r,7=sqrt {wxf Jj^wJ), Xi表示顶点1.的横坐标-'Xj表示顶点V/的横坐标IFj.表示顶点1.的纵坐标;J0.表示顶点t0.的纵坐标\fij表示在某时间段内顶点Vj和Fy之间飞行的航空器数量表示顶点Vj和顶点Vj的地理接近程度，与它们之间的欧式距离成反比A和分别为Aj和Hij的权重系数，可根据实际情况具体确定； 此步骤属于空域图模型构建模块；根据顶点合并规则，进行不同重要性顶点的合并；其具体步骤如下: a、如果Ik>7b Uk为顶点A的重要性、7b为顶点B的重要性，例如A是机场顶点、B是航路顶点)，将B连同与其相连的边融合到A ； b、如果八〈八，将A连同与其相连的边融合到B； C、如果7a = 7B,选择A、B的中间点作为新顶点来代替A和B,同时将相连的边也对应过来。步骤3:建立以各扇区内顶点联系度接近、各扇区间总体联系度最小为目标，以子图无交叉无遗漏、最小距离为约束条件的数学模型，根据扇区容量与空中交通流量确定聚类数目I应用谱聚类算法对上述空域图模型中的顶点进行聚类，完成图分割，其分割的子图为扇区的雏形，々即为扇区数目，分割时考虑地理位置因素同时满足扇区内流量较均衡、扇区间航班协调量较小，此步骤属于空域图分割模块； 步骤4:为每个机场点、航路点及航路上的离散顶点设置保护区，用保护区的边界点代替图模型中的顶点，在此基础上进行扇区边界的划设；扇区边界划设的结果能够满足扇区边界与顶点间最小距离的限制；其具体步骤如下: a、应用Graham算法(凸包算法或凸壳算法)求每一个子图内所有点组成的凸壳；判断凸壳之间是否交叉，若有交叉，转步骤b ;若不交叉，转步骤c ; b、假设两个凸壳有交叉部分，判断这个凸壳内交通流量的大小，将交叉部分的点归流量小的凸壳所有；再次判断两凸壳是否有交叉，若不交叉转步骤c，若交叉则将交叉部分的点交给流量大的凸壳，此时能够将交叉部分完全消除，得到独立的凸壳； C、在分离的凸壳基础上，构造MAKLINK图； d、将每个凸壳的顶点在空域边界的矩形外包围框上进行投影，这些点组成点集合兄；取每个MAKLINK线的中点，组成点集合S2 ； e、从兄中随机取出一点A1,在之的对边上随机取出兄中的点毛；这样扇区划分就转化成以之为起点，K为终点，经过MAKLINK线中点，寻找一条路，能够将凸壳划分在不同的扇区内，这样的路径可作为扇区边界；应用Dijkstra算法，获得最短路径； f、不断重复步骤e，直到遍历完所有可行的之、毛之后，得到一条最短路径，作为二次划分的扇区边界； 步骤5:以步骤4的扇区边界点为基础，将使边界产生锯齿状较大的点去掉，必须要满足扇区边界不穿越步骤4中构造的凸壳； 步骤6:调整后的扇区边界在显示与交互子系统中显示出来。本专利技术的优点是，在统计终端空域内各个顶点间交通流量与顶点间地理位置关系的基础上，能够快速、有效的生成终端空域扇区边界，达到扇区内交通流量较均衡、扇区间协调量较小的目标，同时近距平行航路被分到不同扇区的问题也得以解决，满足扇区边界与航路及航路点的最小距离限制，且扇区本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于图论和谱聚类算法的终端扇区划分方法，通过计算机系统辅助实现，所述计算机系统主要由客户端/服务器（C/S）模式构成，计算机系统包括空域导航数据库、仿真计算引擎、空域建模子系统、交通流生成子系统和显示与交互子系统，其特征在于，计算机系统中还包括运行在一个客户端的终端区扇区划分子系统，所述终端区扇区划分子系统用作终端扇区划分方法的实现平台；终端区扇区划分子系统包括空域图模型构建模块、空域图分割模块、扇区边界划设模块和扇区边界调整模块；?空域图模型构建模块应用图论知识将管制空域抽象为拓扑网络结构，对满足一定距离的顶点进行合并，将航线离散成更短的航线，其顶点数目相应增加，构建空域图的关系矩阵；空域图分割模块应用谱聚类算法对顶点聚类完成空域图的分割产生子图；扇区边界划设模块用于应用MAKLINK图、Dijkstra算法，通过执行扇区边界划设模块的过程来产生初始扇区边界，实现扇区连续且无交叉，执行扇区边界划设模块，又会产生锯齿状扇区边界；扇区边界调整模块基于已划出的边界，对已经获得的扇区边界点进行处理，在保证不影响各扇区交通流量的情况下，尽量去除产生较大锯齿状的点，通过执行扇区边界调整模块的过程来消除扇区边界的锯齿状；扇区划分子系统中包括利用构建空域图模型、谱聚类算法生成子图和利用MAKLINK图、Dijkstra算法进行计算的步骤；所述终端区扇区划分方法，包括如下步骤：步骤1：在空域建模子系统中输入空域结构数据、进离场程序数据，将空域结构转换成拓扑网络结构，在交通流生成子系统中编制航班计划数据，确定待划分终端区的上下边界，统计每条航线上的交通流量；步骤2：完成对小于某一特定距离的顶点的合并，由于顶点重要性不同合并结果不同，完成航线的离散，以及根据空中交通流量与地理位置关系建立空域图的关系矩阵Rij=[fij,aij]T，地理位置关系与欧氏距离的倒数aij有关aij=1/sqrt((xi?xj)2?(yi?yj)2)，关系矩阵R的元素值为rij=sqrt(w1fij2+w2aij2)，?xi表示顶点vi的横坐标；xj表示顶点vj的横坐标；yi表示顶点vi的纵坐标；yj表示顶点vj的纵坐标；fij表示在某时间段内顶点vi和vj之间飞行的航空器数量；aij表示顶点vi和顶点vj的地理接近程度，与它们之间的欧式距离成反比；w1和w2分别为fij和aij的权重系数，可根据实际情况具体确定；此步骤属于空域图模型构建模块；根据顶点合并规则，进行不同重要性顶点的合并；其具体步骤如下：a、如果lA?>lB（lA?为顶点A的重要性、lB为顶点B的重要性，例如A是机场顶点、B是航路顶点），将B连同与其相连的边融合到A；b、如果lA...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王超，王飞，刘宏志，张召悦，王晓英，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：