一種終端空域空中交通動態(tài)容量預測系統(tǒng)及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種獲取終端空域基本運行容量的方法，該方法運用人類動力學模型及機器學習，對扇區(qū)容量進行修正，準確獲取終端空域的基本運行容量；本發(fā)明還公開了一種終端空域空中交通動態(tài)容量的預測方法，增加了對具體終端空域的交通流信息，歷史天氣及預報天氣的分析，使得獲取的終端空域容量預測信息更準確；本發(fā)明還公開了一種終端空域空中交通容量預測系統(tǒng)，包括數據采集模塊、數據處理模塊、控制模塊、顯示模塊；該系統(tǒng)用于實現獲取終端空域基本運行容量的方法及實現終端空域空中交通動態(tài)容量的預測方法；本發(fā)明提高航空公司航班計劃制定的有效性和準確性，并為空管單位根據動態(tài)容量分布確實預戰(zhàn)術階段的空中交通有效管制提供了依據。
【專利說明】一種終端空域空中交通動態(tài)容量預測系統(tǒng)及其方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種終端空域空中交通動態(tài)容量預測系統(tǒng)及其方法，主要是針對現有天氣影響下的終端空域容量變化的分析存在不足而設計，屬于民航空中交通管制領域。
【背景技術】
[0002]空域容量是度量空域系統(tǒng)為滿足空中交通需求所能提供服務能力的指標，進行科學、準確的空域容量預測是空域資源有效管理與合理配置的基礎。終端空域作為空中交通的密集區(qū)域，飛行流量大，空域復雜度高，是整個空域容量提升的瓶頸。復雜天氣下對終端空域容量的準確預測一直是空中交通管理的難題。該研究對高效使用空域資源、管制資源和科學實施終端空域的空中交通流量管理和減少航班延誤，最終實現終端空域空中交通安全有序具有重要意義。
[0003]目前，對于根據管制工作負荷和天氣信息預測終端空域容量的研究主要存在如下兩個方面問題:
[0004]第一，通過管制工作負荷確定終端空域扇區(qū)容量是行業(yè)公認的容量預測方法，管制工作負荷的測量主要是通過管制通訊時間的客觀度量實現，并采用DORATASK、MBB等方法確定空域容量，如張兆寧等研究了在進離港航線分離同時不考慮跑道影響條件下，提出了進離港分開考慮統(tǒng)計進近管制工作負荷；張明從人-機-環(huán)境三者關系提出了基于模糊綜合評判的管制人員工作負荷評價模型；趙嶷飛等從工作負荷分類的角度分析，建立了綜合考慮主客觀因素的工作負荷評估模型。這些研究大多考慮了管制行為的客觀通訊時間，由于各個地區(qū)管制行為習慣具有一定的差異性，同時這些研究沒能從管制通訊行為和空域復雜性結合的角度確定管制工作負荷，因此難以獲得規(guī)律性的管制通訊規(guī)律和較為準確的終端空域基本運行容量。
[0005]第二，目前對于天氣影響下的容量評估方法，主要采用根據不確定的天氣影響建立解析模型來獲取容量的變化，或通過概率計算獲取的概率容量預測結果，如余靜等提出了航路容量的新定義，并引入實時天氣狀況和空域活動等動態(tài)因素的影響系數建立航路動態(tài)容量模型；張靜等通過天氣類型決策樹將歷史天氣數據轉換為每種天氣類型的到達容量概率分布，根據天氣類型的容量概率分布，用全概公式將概率天氣預測轉換為概率容量預測。這些模型方法根據不確定的天氣影響建立解析模型來獲取容量的變化，雖能確定時序下的容量結果卻難以反映天氣空間占有的變化，同時通過概率計算獲取的概率容量預測結果，難以在實際中應用，因為運行單位最為關心的是不同時序下的基本運行容量準確預測結果和天氣空間占有情況。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術問題是:提供一種獲取終端空域基本運行容量的方法及一種終端空域空中交通動態(tài)容量的預測方法，根據空中交通管制通訊動力學統(tǒng)計模型確定基本運行容量；根據長期歷史天氣報文和短期天氣雷達預報數據，確定終端空域空中交通動態(tài)容量。為了實現上述方法，本發(fā)明還提供了一種獲取終端空域基本運行容量的系統(tǒng)及一種終端空域空中交通動態(tài)容量的預測系統(tǒng)，本發(fā)明解決了管制安全工作負荷準確評估、準確獲取終端空域的基本運行容量的問題，并解決了天氣不確定下終端空域動態(tài)容量準確預測的問題。
[0007]本發(fā)明的系統(tǒng)降低了空中交通管制的工作負荷，提高了管制自動化水平。
[0008]本發(fā)明為解決上述技術問題，采用如下技術方案:
[0009]一種獲取終端空域基本運行容量的方法，包括如下步驟:
[0010]步驟1.將所述終端空域劃分為多個扇區(qū)，根據各扇區(qū)的管制通訊歷史數據，確定各扇區(qū)的容量，其中第k個扇區(qū)容量用下式計算:Cwsk=zlk+z2k+z3k,其中zlk, z2k, Z3k分別為所述終端空域第k個扇區(qū)中航班進港架次、離港架次、飛越航班架次，k=l，2，...，NsjNs為終端空域所劃分的扇區(qū)總數；
[0011]步驟2.構建各扇區(qū)基本空中交通要素矩陣U=Lu1, U2,...u14]t ;其中U1, U2,…U14分別為航空器數量、航空器速度、交通流量比率、巡航交通量、占用率、航路之間的交叉角、每小時的交通量、爬升/下降交通量、水平沖突量、上升沖突量、交叉點的數量、垂直間隔、水平縱向間隔、航空器側向間隔的最小距離；
[0012]步驟3.構建各扇區(qū)歷史管制工作負荷矩陣W=Iiwl1, wl2, "^wl5]T,其中，Wl1, wl2,… Wl5分別為飛行數據管理及雷達顯示操作的工作負荷、協調管制工作負荷、飛行沖突搜尋與解決工作負荷、例行工作的標準無線電通話的工作負荷、雷達監(jiān)視工作負荷；
[0013]步驟4.以基本空中交通要素矩陣U=[Ul，ii2，…u14]T、歷史管制工作負荷矩陣 W=Iiwl1, Wl2，…wl5]T作為輸入,理想的管制工作負荷矩陣W' =[wl/ , Wl2'，…Wl5' !^作為輸出，訓練BP神經網絡，其中Wl1' ,Wl2^，…Wl5'分別為理想的飛行數據管理及雷達顯示操作的工作負荷、協調管制工作負荷、飛行沖突搜尋與解決工作負荷、例行工作的標準無線電通話的工作負荷、雷達監(jiān)視工作負荷；
[0014]步驟5:利用訓練好的BP神經網絡，確定各扇區(qū)修正系數為
【權利要求】
1.一種獲取終端空域基本運行容量的方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟1.將所述終端空域劃分為多個扇區(qū)，根據各扇區(qū)的管制通訊歷史數據，確定各扇區(qū)的容量，其中第k個扇區(qū)容量用下式計算CWSK=z1k+z2k+z3k,其中Zlk, Z2k, Z3k分別為所述終端空域第k個扇區(qū)中航班進港架次、離港架次、飛越航班架次，k=l，2，...，Ns,Ns為終端空域所劃分的扇區(qū)總數； 步驟2.構建各扇區(qū)基本空中交通要素矩陣U=[U1，U2,…U14]T ;其中U1，U2,…U14分別為航空器數量、航空器速度、交通流量比率、巡航交通量、占用率、航路之間的交叉角、每小時的交通量、爬升/下降交通量、水平沖突量、上升沖突量、交叉點的數量、垂直間隔、水平縱向間隔、航空器側向間隔的最小距離； 步驟3.構建各扇區(qū)歷史管制工作負荷矩陣W=[wl1, wl2, ……wl5]T,其中，Wl1, wl2, ---Wl5分別為飛行數據管理及雷達顯示操作的工作負荷、協調管制工作負荷、飛行沖突搜尋與解決工作負荷、例行工作的標準無線電通話的工作負荷、雷達監(jiān)視工作負荷； 步驟4.以基本空中交通要素矩陣U=[U1，U2，……U14]T歷史管制工作負荷矩陣W=Iiwl1, Wl2，…wl5]T作為輸入,理想的管制工作負荷矩陣W' =[wl/ , Wl2'，…Wl5' !^作為輸出，訓練BP神經網絡，其中Wl1' ,Wl2^，…Wl5'分別為理想的飛行數據管理及雷達顯示操作的工作負荷、協調管制工作負荷、飛行沖突搜尋與解決工作負荷、例行工作的標準無線電通話的工作負荷、雷達監(jiān)視工作負荷； 步驟5:利用訓練好的BP神經網絡，確定各扇區(qū)修正系數為
2.根據權利要求1所述獲取終端空域基本運行容量的方法，其特征在于:所述步驟I包括如下步驟: (1)將終端空域劃分為Ns個扇區(qū)，采集該終端空域各扇區(qū)的管制通訊歷史數據，構建空中交通管制通訊動力學統(tǒng)計模型:f(X)=CX_a，其中f(x)表示管制通訊時間樣本空間下管制事件的密度函數，C和a為待定系數，根據該模型繪制散點圖，確定a的值； (2)計算f(x)的數學期望E(X)，該期望即為各扇區(qū)管制事件發(fā)生的平均間隔時間，某時段T內各扇區(qū)管制事件發(fā)生的次數為
3.—種終端空域空中交通動態(tài)容量的預測方法，其特征在于:包括如下步驟:步驟1:應用權利要求1所述獲取終端空域基本運行容量的方法獲取終端空域基本運行容量，并在該終端空域基本運行容量的基礎上，根據該地區(qū)歷史天氣報文數據，確定該終端空域的季節(jié)性空域容量；步驟2:根據所述季節(jié)性空域容量計算所述終端空域的交通流數據，構建交通流四維航跡矩陣Qf(L，M，H，T);獲取所述終端空域的雷達天氣預報數據，構建四維天氣矩陣 QW(L' ,M/ ,H/，T)，其中，L，M，H分別為所述交通流空間范圍的長、寬、高，L' ,M/ ,H/ 分別為所述天氣空間范圍的長、寬、高，T為時間段，W和F分別表示天氣和交通流；根據交通 流四維航跡矩陣Qf(L，M，H，T)與四維天氣矩陣Qw(L'，W，H'，T)判斷是否存在交通流四維航跡與四維天氣重疊的區(qū)域，若存在，構建該空間范圍重疊區(qū)域的時空分布矩陣Q(L' , ,M/ ,，H' ,，10，其中17 , ,M/ ,，H',分別表示交通流與天氣空間范圍重疊區(qū)域的長、寬、高；根據空間范圍重疊區(qū)域的時空分布矩陣Q(L'，，M,，，H'，，T)及預先設定的改航路徑數據，確定所述終端空域的動態(tài)交通流數據；根據終端空域的動態(tài)交通流數據，確定終端空域的動態(tài)容量。
4.根據權利要求3所述終端空域空中交通動態(tài)容量的預測方法，其特征在于:所述根據終端空域的動態(tài)交通流數據，確定終端空域的動態(tài)容量包括如下步驟:步驟1.將所述終端空域劃分為多個扇區(qū)，根據各扇區(qū)的動態(tài)交通流數據，確定第k個扇區(qū)的動態(tài)容量Ck，其中k=l，2,...Ns, Ns為所劃分的扇區(qū)總數；步驟2.構建各扇區(qū)的基本空中交通要素矩陣U=Lu1, U2,...U1Jt ;其中U1, U2,…U14分另Ij 為航空器數量、航空器速度、交通流量比率、巡航交通量、占用率、航路之間的交叉角、每小時的交通量、爬升/下降交通量、水平沖突量、上升沖突量、交叉點的數量、垂直間隔、水平縱向間隔、航空器側向間隔的最小距離；步驟3.構建各扇區(qū)的歷史管制工作負荷矩陣W=Iiwl1, wl2, ".Wl5]1,其中,Wl1, wl2, ---Wl5 分別為飛行數據管理及雷達顯示操作的工作負荷、協調管制工作負荷、飛行沖突搜尋與解決工作負荷、例行工作的標準無線電通話的工作負荷、雷達監(jiān)視工作負荷；步驟4將基本空中交通要素矩陣U= [U1, U2,…u14]T、歷史管制工作負荷矩陣 W=Iiwl1, Wl2，…wl5]T作為輸入,理想的管制工作負荷矩陣W' =[wl/ , Wl2'，…Wl5' !^作為輸出訓練BP神經網絡，其中wl/ ,Wl2^，…Wl5'分別為理想的飛行數據管理及雷達顯示操作的工作負荷、協調管制工作負荷、飛行沖突搜尋與解決工作負荷、例行工作的標準無線電通話的工作負荷、雷達監(jiān)視工作負荷；步驟5:利用訓練好的BP神經網絡，確定各扇區(qū)修正系數為
5.根據權利要求3所述終端空域空中交通動態(tài)容量的預測方法，其特征在于:所述根據該地區(qū)歷史天氣報文數據，確定該終端空域的季節(jié)性空域容量包括如下步驟: (1)采集所述終端空域的歷史天氣數據，將歷史天氣數據分為標準天氣類型及未知天氣類型，所述標準天氣類型包括云底高、能見度、降水、霧、風速，對標準天氣類型構建情景樹； (2)將所述情景樹的信息構造成數據庫，結合終端空域的基本運行容量CT，確定該空域季節(jié)性空域容量，具體步驟如下: I、對于標準天氣類型，首先計算標準天氣類型航路間隔的放大系數 Rs=標準天氣類型影響下的歷史航路間隔+標準航路間隔，其中s=l，2，…，5，然后根據標準天氣類型航路間隔的放大系數Rs計算終端空域季節(jié)性空域容量
6.一種獲取終端空域基本運行容量的系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)用于實現權利要求1所述獲取終端空域基本運行容量的方法，具體包括數據采集模塊、數據處理模塊、控制模塊、顯示模塊；所述數據采集模塊采集所述終端空域的管制通訊數據及基本空中交通事件，并將采集到的數據發(fā)送至數據處理模塊進行存儲；所述數據處理模塊根據存儲的管制通訊數據計算所述終端空域的扇區(qū)容量，并對基本空中交通事件及預先設定的管制工作負荷通訊數據進行處理，獲取所述終端空域扇區(qū)容量的修正系數，對所述終端空域扇區(qū)容量進行修正，得到修正后的扇區(qū)基本運行容量，并根據終端空域劃分的扇區(qū)數量，計算終端空域的基本運行容量；所述控制模塊將管制工作負荷通訊數據輸入至所述數據處理模塊；所述顯示模塊顯示所述終端空域的基本運行容量數據。
7.—種終端空域空中交通動態(tài)容量的預測系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)用于實現權利要求3所述終端空域空中交通動態(tài)容量的預測方法，具體包括數據采集模塊、數據處理模塊、控制模塊、顯示模塊；所述數據采集模塊采集所述終端空域的管制通訊數據、基本空中交通事件、天氣數據及終端空域的交通流信息，并將采集到的數據發(fā)送至數據處理模塊進行存儲；所述控制模塊將管制工作負荷通訊數據存儲至數據處理模塊；所述數據處理模塊對存儲的數據進行處理，計算終端空域的交通流數據，并根據天氣預報數據，獲取對所述終端空域交通流改航數據；所述顯示模塊顯示所述終端空域的交通流改航數據、天氣對終端空域占有及其動態(tài)容量數據。
【文檔編號】G06Q10/04GK103530704SQ201310485738
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月16日 優(yōu)先權日:2013年10月16日
【發(fā)明者】張明, 韓松臣 申請人:南京航空航天大學