一種基于軌跡譜聚類的終端區(qū)盛行交通流識別方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于軌跡譜聚類的終端區(qū)盛行交通流識別方法，包括步驟：1、解析出給定機場跑道的飛行軌跡數(shù)據(jù)，劃分特征軌跡點和普通軌跡點，2、建立空間直角坐標(biāo)系，3、根據(jù)航跡距空間網(wǎng)格中心的遠(yuǎn)近提出占據(jù)度概念，用來表示某一航跡對某空間網(wǎng)格的占據(jù)程度，4、在軌跡局部相似性模型基礎(chǔ)上建立跡間整體相似性模型，5、構(gòu)造Laplacian相似度矩陣，然后利用譜聚類算法進(jìn)行聚類分析，步驟6、采用核密度估計方法對步驟5得到的每一個聚類進(jìn)行盛行交通流識別，步驟7、識別結(jié)果在顯示與交互模塊中顯示出來，優(yōu)點是，利用譜聚類算法可同時得到盛行交通流軌跡和異常軌跡，從而輔助相關(guān)人員科學(xué)、合理的規(guī)劃終端區(qū)以及改善進(jìn)離場航線，進(jìn)而提高終端區(qū)容量。
【專利說明】一種基于軌跡譜聚類的終端區(qū)盛行交通流識別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及空域規(guī)劃領(lǐng)域，特別涉及一種基于軌跡譜聚類的終端區(qū)盛行交通流識別方法，應(yīng)用本方法可以為終端區(qū)空域的重新設(shè)計以及進(jìn)離場航線設(shè)計提供技術(shù)基礎(chǔ)。
【背景技術(shù)】
[0002]終端區(qū)空域是空中交通最密集、最復(fù)雜的空域，是整個空域容量提高的瓶頸。如何合理、高效利用有限的終端空域資源，已經(jīng)成為空域管理部門急需解決的緊迫問題，也是空域規(guī)劃領(lǐng)域?qū)W者研究的熱點問題。目前大部分國家的空域設(shè)計和進(jìn)離場航線設(shè)計的工作都是按照國際民航組織相關(guān)文件進(jìn)行的，但其有些結(jié)果缺乏科學(xué)性與合理性，導(dǎo)致終端空域資源不能有效的充分利用。利用大量歷史交通流軌跡數(shù)據(jù)，分析其少數(shù)幾個具有代表性的盛行交通流軌跡，是進(jìn)行空域規(guī)劃的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計的進(jìn)離場航線和空域扇區(qū)才能適應(yīng)交通流運行的需要。
[0003]雖然目前也存在一些針對終端區(qū)交通流的軌跡聚類的方法，但都主要圍繞水平剖面展開，沒有考慮航空器軌跡的空間特性，而且歷史雷達(dá)軌跡中通常包含一些異常軌跡，由于異常航跡對于生成代表性航跡具有較大影響，所構(gòu)造的中心航跡是在人工剔除異常航跡的基礎(chǔ)上完成的，不僅自動化程度不高，且異常軌跡的識別對結(jié)果均有較大影響。此外，現(xiàn)有研究多是以航跡點或分段軌跡為研究對象，無法體現(xiàn)完整軌跡的特征。因此，不能完全滿足終端區(qū)規(guī)劃設(shè)計中對代表性交通流識別的需要。
[0004]考慮到現(xiàn)有終端區(qū)交通流軌跡聚類的現(xiàn)狀，尚缺少一種能夠快速、有效、實用的盛行交通流識別方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于現(xiàn)有【技術(shù)領(lǐng)域】的不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種新的終端區(qū)盛行交通流識別方法，該方法基于軌跡譜聚類和軌跡核密度估計來實現(xiàn)終端區(qū)盛行交通流的識別，以求準(zhǔn)確、有效的識別出終端區(qū)的盛行交通流，給終端區(qū)空域的重新設(shè)計以及進(jìn)離場航線設(shè)計提供技術(shù)基礎(chǔ)。
[0006]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種基于軌跡譜聚類的終端區(qū)盛行交通流識別方法，通過計算機系統(tǒng)輔助實現(xiàn)，所述計算機系統(tǒng)主要由客戶端/服務(wù)器(C/S)模式構(gòu)成，其特征在于，計算機系統(tǒng)包括雷達(dá)軌跡數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理模塊、軌跡聚類模塊、盛行交通流識別模塊和顯示與交互模塊，用作終端區(qū)盛行交通流識別方法的實現(xiàn)平臺；
數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)雷達(dá)存儲數(shù)據(jù)的特征來解析出終端空域中不同機場、不同跑道的軌跡數(shù)據(jù)；
軌跡聚類模塊應(yīng)用軌跡譜聚類算法將相同跑道的雷達(dá)軌跡進(jìn)行聚類分類；
盛行交通流識別模塊應(yīng)用軌跡核密度方法對雷達(dá)軌跡聚類模塊聚類的每一類結(jié)果進(jìn)行盛行交通流的識別；
顯示與交互模塊主要是用來顯示原始軌跡、分類結(jié)果以及盛行交通流；計算機系統(tǒng)中包括飛行軌跡的相似性模型的建立、利用軌跡譜聚類對飛行軌跡進(jìn)行聚類和利用軌跡核密度估計進(jìn)行盛行交通流識別的步驟；
所述終端扇區(qū)盛行交通流識別方法，包括如下步驟:
步驟1:在數(shù)據(jù)處理模塊中輸入雷達(dá)記錄終端區(qū)的飛行軌跡數(shù)據(jù)，解析出有關(guān)給定機場跑道的飛行軌跡數(shù)據(jù)，并根據(jù)轉(zhuǎn)彎角度將軌跡數(shù)據(jù)點劃分為特征航跡點(是指在軌跡中能描述該軌跡的關(guān)鍵特征的軌跡點)和普通航跡點；
關(guān)鍵特征的軌跡點指的是一條軌跡的起始航跡點以及其他的航跡點航向變化大于一定轉(zhuǎn)彎角度的航跡點，這個轉(zhuǎn)彎角度在空管領(lǐng)域內(nèi)的專家可以很容易給出。
步驟2:以機場基準(zhǔn)點所在位置為坐標(biāo)原點O建立空間直角坐標(biāo)系，以長為1、寬為b、高為h的網(wǎng)格為基本單元，以原點O為空間網(wǎng)格Gc-tl的中心，將終端區(qū)的三維空間劃分為若干個基本網(wǎng)格單元，對于空間網(wǎng)格&P，得到其中心坐標(biāo)ifc,ync,za:) = {ial,xib，iiti)；
步驟3:根據(jù)航跡點距空間網(wǎng)格中心的遠(yuǎn)近提出占據(jù)度的概念表示某一航跡對某空間網(wǎng)格的占據(jù)程度；將起始航跡點及轉(zhuǎn)彎點稱為特征航跡點，其他航跡點稱為普通航跡點；設(shè)Nx, Δ_7和Δζ分別表示航跡/7(i<i)與空間網(wǎng)格中心在橫向、縱向和垂直方向上的偏離程度，計算普通航跡點的占據(jù)度O’ u,k) irn, n, a)；以特征航跡點距空間網(wǎng)格Gm,n,a中心的橢球距離ε (ik) ipi, n, a),計算特征航跡點的占據(jù)度o’ {i,k) ijn, n, a)占據(jù)度；其具體步驟如下:
a、對于普通航跡點，當(dāng)Nx<l/2, &y<b/2,時，o’(i, “ O,a) =1,,否則 o’(i, “ipi, n, a) =0 ；
b、對于特征航跡點，當(dāng)On, n，a)不大于 I 時，o”u,k) ijn, n, a) =1,否則ipi, n，a) =1/(s Uk.) ijn, n, a)p), p ≥ I ;
c、令％表示普通航跡占據(jù)度權(quán)重，W2表示特征航跡占據(jù)度權(quán)重條軌跡所有航跡點對于網(wǎng)格的占據(jù)度Oi O,a)就等于o’(i, O,/?, a)取o’(i,k)ijn，n, a、的加權(quán)求和；
d、軌跡i和J在空間網(wǎng)格&p的航跡相似性就為各自的占據(jù)度的乘積，即Oi ijn, n, a) X Oj ipi, n, a),也就是軌跡之間的局部相似度a n ijn, n, a)；
步驟4:考慮到軌跡的航向因素影響，將步驟3建立的軌跡局部相似性模型基礎(chǔ)上建立跡間整體相似性模型，其具體步驟如下:
a、定義軌跡i的走向為:以磁北為基準(zhǔn),順時針旋轉(zhuǎn)到軌跡起始點(Λ7)與軌跡終止的矢量"的夾角；
b、按照步驟a計算軌跡J'的走向為
C、當(dāng)I β - β( π/j?時，軌跡i和J相似度為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于軌跡譜聚類的終端區(qū)盛行交通流識別方法，通過計算機系統(tǒng)輔助實現(xiàn)，所述計算機系統(tǒng)主要由客戶端/服務(wù)器(C/S)模式構(gòu)成，其特征在于，計算機系統(tǒng)包括雷達(dá)軌跡數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理模塊、軌跡聚類模塊、盛行交通流識別模塊和顯示與交互模塊，用作終端區(qū)盛行交通流識別方法的實現(xiàn)平臺； 數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)雷達(dá)存儲數(shù)據(jù)的特征來解析出終端空域中不同機場、不同跑道的軌跡數(shù)據(jù)； 軌跡聚類模塊應(yīng)用軌跡譜聚類算法將相同跑道的雷達(dá)軌跡進(jìn)行聚類分類； 盛行交通流識別模塊應(yīng)用軌跡核密度方法對雷達(dá)軌跡聚類模塊聚類的每一類結(jié)果進(jìn)行盛行交通流的識別； 顯示與交互模塊主要是用來顯示原始軌跡、分類結(jié)果以及盛行交通流； 計算機系統(tǒng)中包括飛行軌跡的相似性模型的建立、利用軌跡譜聚類對飛行軌跡進(jìn)行聚類和利用軌跡核密度估計進(jìn)行盛行交通流識別的步驟； 所述終端扇區(qū)盛行交通流識別方法，包括如下步驟: 步驟1:在數(shù)據(jù)處理模塊中輸入雷達(dá)記錄終端區(qū)的飛行軌跡數(shù)據(jù)，解析出有關(guān)給定機場跑道的飛行軌跡數(shù)據(jù)，并根據(jù)轉(zhuǎn)彎角度將軌跡數(shù)據(jù)點劃分為特征航跡點和普通航跡點；特征航跡點是指在軌跡中能描述該軌跡的關(guān)鍵特征的軌跡點； 關(guān)鍵特征的軌跡點指的是一條軌跡的起始航跡點以及其他的航跡點航向變化大于一定轉(zhuǎn)彎角度的航跡點，這個轉(zhuǎn)彎角度在空管領(lǐng)域內(nèi)的專家可以很容易給出； 步驟2:以機場基準(zhǔn)點所在位置為坐標(biāo)原點O建立空間直角坐標(biāo)系，以長為1、寬為b、高為h的網(wǎng)格為基本單元，以原點O為空間網(wǎng)格G0,0,0的中心，將終端區(qū)的三維空間劃分為若干個基本網(wǎng)格單元，對于空間網(wǎng)格&P，得到其中心坐標(biāo)ifc,ync,za:) = {ial,xib，iiti)；步驟3:根據(jù)航跡點距空間網(wǎng)格中心的遠(yuǎn)近提出占據(jù)度的概念表示某一航跡對某空間網(wǎng)格的占據(jù)程度；將起始航跡點及轉(zhuǎn)彎點稱為特征航跡點，其他航跡點稱為普通航跡點；設(shè)Nx, Δ_7和Δζ分別表示航跡/7(i<i)與空間網(wǎng)格中心在橫向、縱向和垂直方向上的偏離程度，計算普通航跡點的占據(jù)度O’ u,k) irn, n, a)；以特征航跡點距空間網(wǎng)格Gm,n,a中心的橢球距離ε (ik) ipi, n, a),計算特征航跡點的占據(jù)度o’ {i,k) ijn, n, a)占據(jù)度；其具體步驟如下: a、對于普通航跡點，當(dāng)Nx<l/2, &y<b/2,時，o’(i, “ O,a) =1,,否則 o’(i, “(jn, n, a) =0 ； b、對于特征航跡點，當(dāng)ε(ik) (m, n, a)不大于I時，o” (i, k) ipi, n, a)=l,否則ο” υ, k)(in, n, a) =1/(ε (m ipi, n, a)p), p ≥ I ; c、令％表示普通航跡占據(jù)度權(quán)重，W2表示特征航跡占據(jù)度權(quán)重條軌跡所有航跡點對于網(wǎng)格的占據(jù)度Oi（m,n,a)就等于o’(i,k)(m,n,a)取o’(i,k)ijn，n, a、的加權(quán)求和； d、軌跡i和J在空間網(wǎng)格&p的航跡相似性就為各自的占據(jù)度的乘積，即Oi ijn, n, a) X Oj ipi, n, a),也就是軌跡之間的局部相似度a n ijn, n, a)； 步驟4:考慮到軌跡的航向因素影響，將步驟3建立的軌跡局部相似性模型基礎(chǔ)上建立跡間整體相似性模型，其具體步驟如下: a、定義軌跡i的走向為:以磁北為基準(zhǔn),順時針旋轉(zhuǎn)到軌跡起始點(Λ7)與軌跡終止的矢量"的夾角； b、按照步驟a計算軌跡J'的走向為Sj'C、當(dāng)|θ i- θ j| < n/2時，軌跡i和J.相似度為:
【文檔編號】G06K9/62GK103456192SQ201310388103
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月1日
【發(fā)明者】王超, 王飛, 劉宏志, 張召悅, 徐肖豪, 張春鳳, 趙嶷飛, 王潔寧, 高偉, 趙宏偉, 李楠, 黃寶軍, 岳仁田, 王興隆, 王紅勇, 趙元棣, 姜高揚, 王濤波, 韓邦村 申請人:中國民航大學(xué)