專利名稱：降落航班調(diào)度優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種航班流量優(yōu)化概念下的進(jìn)場航班調(diào)度算法，屬于航班 流 量優(yōu)化領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著空中交通運(yùn)輸?shù)难杆侔l(fā)展，現(xiàn)在的空中交通管理系統(tǒng)已經(jīng)難以滿 足曰益增長的空中交通流量的需要，解決這一問題的最簡單的方法是加強(qiáng) 基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。但是這些方法需要資金多，改進(jìn)周期長，而通過各種空 中交通的調(diào)度算法合理分配空中交通流量，達(dá)到好的容量資源和流量需求 就可以和改善硬件設(shè)施互補(bǔ)，以給空中交通的發(fā)展提供更多的空間。而對 單個機(jī)場，通過對航班降落序列的優(yōu)化調(diào)度可以提升單個機(jī)場的航班流量、 減少航班降落的代價(如降低耗油量，提高乘客的滿意度)。航班降落的 優(yōu)化調(diào)度就成了空中流量優(yōu)化的一個重要的組成部分。航班調(diào)度可以描述為 一 個使航班總體降落代價最小化的多限制問題。 由于航班有一個最經(jīng)濟(jì)(油量耗費(fèi)少，乘客滿意度高等)的飛行速度，過 快降落會導(dǎo)致飛機(jī)加速，使油量耗費(fèi)增多。而航班如果延后降落，勢必在 空中滯留過多的時間，不但會造成飛行耗油的增多，而且會導(dǎo)致乘客的不 滿，無形中又會增加航班的耗費(fèi)。另外，航班之間必須要保持一個安全的間隔。飛機(jī)在受調(diào)度時，它到 機(jī)場的距離、飛行的速度等都是已知的，受其最快速度的影響，它只能在 距離/最快速度之后降落。而受其載油量影響，它必須在油量耗光之前降落。 調(diào)度的方案必須要考慮到這些限制(飛機(jī)間最小間隔，降落的時間窗)。由于雷達(dá)掃描終端空域需要的時間很短，為了應(yīng)對這種不斷發(fā)生的變 化，控制臺時必須能夠及時地提出一個調(diào)度方案，滿足降落航班調(diào)度的實(shí) 時性要求。航班優(yōu)化調(diào)度的目的就是在滿足上述限制的基礎(chǔ)上盡可能減少航班的 總體耗費(fèi)。目前針對這個問題提出了線性規(guī)劃算法，種群進(jìn)化算法，先來 先服務(wù)算法。由于線性規(guī)劃和種群進(jìn)化的算法復(fù)雜性和不可控性(進(jìn)化算 法是一種隨機(jī)搜索算法，其得到好的解的時間是不可控的)，它們得到一 個很好的調(diào)度方案的時間可能會很長，這就不能滿足降落航班調(diào)度的實(shí)時性要求。而先來先服務(wù)(FCFS)算法由于它的簡單快捷成為在實(shí)際中可用 的算法，但是由于其不包含尋優(yōu)的品質(zhì)，所以這種方法只能給出一個可行 解，并不能保證會減少耗費(fèi)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題之一。 為此，本發(fā)明的實(shí)施例提出一種簡單、有效的降落航班調(diào)度優(yōu)化方法 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的降落航班調(diào)度優(yōu)化方法，所述方法包括以下步驟 將空域中的各個待降落航班對應(yīng)轉(zhuǎn)化為元胞自動機(jī)CA中的元胞，其中元 胞的格子序號表示待降落航班到機(jī)場的距離，元胞的速度表示待降落航班 的飛行速度；根據(jù)元胞的當(dāng)前速度對應(yīng)的降落代價以及對應(yīng)航班間最小降 落間隔設(shè)置的相鄰元胞間最小距離，更新各個元胞的當(dāng)前速度和格子序號， 直至所有元胞的格子序號為零；以及按照元胞格子序號更新為零的先后順 序進(jìn)行排序，得到所述各個待降落航班的優(yōu)化降落順序。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的降落航班調(diào)度優(yōu)化方法，還具有如下附加技術(shù)特征所述元胞的當(dāng)前速度對應(yīng)的降落代價包括提前降落的代價和/或延后 降落的代價，所述提前降落代價/,Omax(0,(, + ^-7;)xg,)，所述延后降落代價/力'卜max(0,(7;-爭-,)xW ,其中",表示元胞,'的格子序號，^表示元胞/的當(dāng)前速度，7;表示元胞,'對應(yīng)的待降落航班的最佳降落時間，,表示元胞的當(dāng) 前時間，g,表示元胞/對應(yīng)的待降落航班每提前單位時間降落的額外代價， /7,表示元胞/對應(yīng)的待降落航班每延后單位時間降落的額外代價，/為正整 數(shù)。進(jìn)一步地，所述更新元胞的當(dāng)前速度包括在對應(yīng)元胞的 子序號大于所述最小距離時，若判斷力(0 > ,(卜1)，則K更新為K = min化+ a x ^隨,K隨}; 若判斷/力')〉X("l)，貝'J ^更新為^=max{^-/ xf;max,0},其中a和/ 表示加 速率，K，表示元胞/的最快速度。進(jìn)一步地，所述更新元胞的當(dāng)前速度包括在對應(yīng)元胞的格子序號不大于所述最小距離時，若判斷"'—"(/ —D〈《、,且元胞,'不是第一個元胞,則p;「/ '更新為^=max^_/ ><K,,0};否則，^更新為K-min化+axK隨,K顯〉，其中a 和〃表示加速率，「,_表示元胞/的最快速度。所述格子序號更新表示為￡>,= max{0,D,-其中"表示元胞的更新 時間周期。優(yōu)選地，本發(fā)明還包括根據(jù)待降落航班的提前或延后降落代價，調(diào)整 所述優(yōu)化降落順序?qū)?yīng)的待降落航班的降落時間。所述調(diào)整步驟包括a)按照所述優(yōu)化降落順序，利用先來先服務(wù)FCFS 預(yù)先得到調(diào)度序列；b)將所述調(diào)度序列對應(yīng)的航班分成多個段，其中每段 對應(yīng)的待降落航班降落間隔符合所述最小降落間隔要求；c)檢測每段對應(yīng) 的待降落航班能否通過同時提前或同時延后降落來減少降落代價；以及d) 對于能夠通過同時提前降落或同時延后降落的段，相應(yīng)前移或后移所述段。進(jìn)一步地，對于不能夠通過同時提前降落或同時延后降落的段，包括 以下步驟檢測所述段能否分成兩段，其中所述段的前半段能通過同時提 前降落或者所述段的后半段能通過同時延后降落來減少降落代價；以及對 于能夠分成兩段的所述段，相應(yīng)前移所述前半段或后移所述后半段。并且，對于能夠提前降落的段，對應(yīng)最大移動時間為min{A,B,C}，其 中A表示保證所述段與其之前段之間符合所述最小降落間隔要求的最大前 移時間，B表示所述段對應(yīng)的待降落航班符合降落時間窗限制的最大前移 時間，C表示所述段對應(yīng)的待降落航班的調(diào)度降落時間與最優(yōu)降落時間的 關(guān)系在移動前后保持一致的最大前移時間。對于能夠延后降落的段，對應(yīng) 最大移動時間為min{A,B,C}，其中A表示保證所述段與其之后段之間符合 所述最小降落間隔要求的最大后移時間，B表示所述段對應(yīng)的待降落航班 符合降落時間窗限制的最大后移時間，C表示所述段對應(yīng)的待降落航班的 調(diào)度降落時間與最優(yōu)降落時間的關(guān)系在移動前后保持 一 致的最大前移時間。在所述最大移動時間為零時，包括以下步驟檢測所述段與其之前段是否符合所述最小降落間隔要求；在符合時將所述段與其之前段合并為一 段；檢測所述合并段能否通過同時提前降落或者同時延后降落來減少降落 代價；以及對于能夠通過同時提前或同時延后降落的合并段，相應(yīng)前移或 后移所述段。優(yōu)選地，本發(fā)明還包括利用遺傳算法進(jìn)一步調(diào)整所述優(yōu)化降落順序的 步驟，所述調(diào)整步驟包括初始化預(yù)定數(shù)量的個體組成一個迭代的種群， 其中每個個體代表一個航班降落序列；每一次迭代將每個個體中的隨機(jī)兩 架航班調(diào)換次序，并根據(jù)所述降落時間調(diào)整步驟確定的優(yōu)化降落時間，選 取預(yù)定數(shù)量的個體進(jìn)入下一次迭代；以及在迭代預(yù)定次數(shù)后，選取一個最 優(yōu)個體對應(yīng)的航班降落時間及航班降落序列。本發(fā)明將在地面交通模擬中得到廣泛應(yīng)用的CA模型創(chuàng)造性地應(yīng)用到 航空流量優(yōu)化領(lǐng)域，從全新的角度尋找航班降落最優(yōu)的調(diào)度方案。由于CA 的模擬現(xiàn)實(shí)能力特別突出，使得本方法可以更貼近現(xiàn)實(shí)。本發(fā)明針對航班降落調(diào)度問題結(jié)合CA模型設(shè)計了一個快速、高效的 算法，在滿足實(shí)時性要求的基礎(chǔ)上能給出空域中的航班的可行且耗費(fèi)相對 很少的降落調(diào)度方案。本發(fā)明不僅克服了現(xiàn)有尋優(yōu)算法不能滿足實(shí)時性要 求的缺點(diǎn)，還解決了現(xiàn)有實(shí)時性算法無法有效優(yōu)化降落調(diào)度方案的問題。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面 的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對實(shí)施例的描 述中將變得明顯和容易理解，其中圖1為本發(fā)明降落航班調(diào)度優(yōu)化方法的步驟流程圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的降落航班調(diào)度優(yōu)化方法步驟流程圖；圖3(a)和圖3(b)為本發(fā)明降落航班在CA模型中的模擬示意圖；以及圖4為本發(fā)明實(shí)施例的航班降落時間優(yōu)化方法流程圖。
具體實(shí)施方式
下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。首先參考圖1,該圖為本發(fā)明降落航班調(diào)度優(yōu)化方法的步驟流程圖。 如圖所示，首先將空域中的各個待降落航班對應(yīng)轉(zhuǎn)化為元胞自動機(jī)(Cellular Automata, CA )中的元胞(步驟102)，其中元胞的格子序號用 來表示待降落航班到機(jī)場的距離，元胞的速度表示待降落航班的飛行速度。然后，根據(jù)元胞的當(dāng)前速度對應(yīng)的降落代價以及對應(yīng)航班間最小降落 間隔設(shè)置的相鄰元胞間最小距離，更新各個元胞的當(dāng)前速度和格子序號， 直至所有元胞的格子序號為零(步驟104)。這里，降落代價是指航班的 調(diào)度降落時間在最早降落時間和最晚降落時間之間時，因提前或延后降落 所造成的額外開銷。航班間最小降落間隔是相鄰兩航班在降落時，因安全 性需要而滿足的最小降落間隔。通過不斷更新，當(dāng)所有元胞的格子序號為零時則表示所有的航班均已 降落，即航班距離機(jī)場的距離為零。因此，最后按照元胞格子序號更新為 零的先后順序進(jìn)行排序，則得到各個待降落航班的優(yōu)化降落順序(步驟 106)。下面，結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明的降落航班調(diào)度優(yōu)化方法給出詳細(xì)說明。參考圖2，圖2為本發(fā)明實(shí)施例的降落航班調(diào)度優(yōu)化方法步驟流程圖。 首先初始化CA (步驟202)，即將空域中待降落航班的參數(shù)轉(zhuǎn)化為CA中 元胞的參數(shù)。在本發(fā)明中，CA模型需要真實(shí)的空域中航班數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬降 落。這里一個元胞代表一架飛機(jī)，其狀態(tài)為航班到機(jī)場的距離、航班的速 度、航班的最早降落時間、航班的最佳降落時間、航班的最晚降落時間。關(guān)于明降落航班在CA模型中的模擬示意圖如圖3(a)和圖3(b)所示，如 圖3(a)所示，CA模型包含M個格子，第i個格子代表實(shí)際空域中到機(jī)場距 離為r，寬為1的圓環(huán)，在這個環(huán)上的飛機(jī)在CA中就在格子i上。其中第M個格子對應(yīng)的距離在雷達(dá)的掃描范圍內(nèi)。另外，在CA中的元胞的速度是相應(yīng)航班飛行速度中半徑方向的分量。由于一個格子并非代表一個空域中位置，所以如圖3(b)所示，多架航 班(圖示^t班i和j)可包含在同一個格子DrDj中，其分別距離^L場的距 離相同。另外，如圖所示，航班k對應(yīng)的格子序號為Dk。這時由于調(diào)度的 航班并沒有降落，假設(shè)降落隊列為LQ，并使LQ為空。初始化的時間為需 要調(diào)度的時刻。另外，CA模型中各個變量說明如下D一 CA模型下為了保持元胞間最小降落時間間隔而設(shè)的一段距離。 在這段靠近機(jī)場的格子中，元胞之間不能相互超越。 K:元胞/的速度。 K，max:元胞/的最快速度。 D,:元胞/的格子序號。由于航班調(diào)度問題的降落時間窗(最早到達(dá)時間，最晚到達(dá)時間)是 由飛機(jī)的最高速度限制得來的，本發(fā)明在CA模擬階段可以直接限制元胞 的最快速度，從而得到的降落序列符合最早到達(dá)時間限制。而飛機(jī)一般油 量都是很充足的，因此CA中得到的降落序列也基本能滿足最晚到達(dá)時間 的限制。然后，按照規(guī)則循環(huán)更新CA中航班的速度(步驟204)。在速度更新 中，若元胞按照當(dāng)前狀態(tài)，即未更新之前的速度和位置繼續(xù)飛行，則能夠 得到以下代價,(0和X(/)，這兩個值將作為其加減速規(guī)則的驅(qū)動變量。<formula>formula see original document page 10</formula>其中Vi表示元胞i的當(dāng)前速度，Tj表示元胞i對應(yīng)的待降落#<班的最 佳降落時間，t表示元胞的當(dāng)前時間，gj表示元胞i對應(yīng)的待降落航班每提 前單位時間降落的額外代價，hi表示元胞i對應(yīng)的待降落航班每延后單位時間降落的額外代價，i為正整數(shù)。其中&和h:是由實(shí)踐分析得到的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，油耗、機(jī)場容量等都會考慮在內(nèi)。并且在航班降落的調(diào)度方案中，下面這些約束必須要得到滿足 (/ = 1,...，尸) (3) (/ = 1，.."尸,_/ = 1,...尸,/"') (4)其中個變量含義如下 尸4元班的數(shù)目 g:航班i的最早降落時間 航班i的最晚降落時間. 7;:航班i的最佳降落時間 g,:航班i每提前單位時間降落的額外代價 航班i每延后單位時間降落的額外代價 x,:航班i的調(diào)度降落時間 當(dāng)航班j在航班i之后，航班j和航班i的最小降落間隔。不等式(3)表示航班i的調(diào)度降落時間要在最早降落時間和最晚降落 時間之間，不等式(4)表示航班i, j的降落間隔要滿足最小降落間隔的限 制。因此，第i架航班降落的額外開銷是'一/z,x(義,_7;) i, >7; J 總開銷是z'。',乙.pZ' (6) 以下是為元胞每步更新速度的具體規(guī)則如果d, > d一 ，即元胞i的格子序號大于最小距離時，若判斷力(0"(卜1)，則K更新為^^min^+"x^ax,隱〉；若判斷義(/)>/￡(/ + 1),則^ 更新為p; =max^—〃x^max,0},其中a和/ 表示力口速率，^卿表示元胞i的最快速度。如果d,〉z)一，即元胞i的格子序號不大于最小距離時，若判斷 d'-z)(/-1) <s ',且元胞i不是第一個元胞,則^更新為否則更新為K = min化+ " x K,應(yīng),K,隨}。根據(jù)元胞i的速度更新，可相應(yīng)地更新元胞的位置(格子序號)，即 各航班到機(jī)場的距離(步驟206)。上述格子序號更新表示為￡>, ~>maX{0,D, -^ 其中"表示元胞的更新時間周期，也就是執(zhí)行元胞i的 一個速度更新循環(huán)所需的時間，并且"/ +A/ 。在更新元胞的格子序號之后，若有元胞i的D:為0,將其從CA的元胞 隊列中剔除，加入LQ，即降落隊列中。并接著判斷是否仍有航班未降落(步 驟208 )，即存在D!不為0的元胞。若存在，則返回步驟204，繼續(xù)執(zhí)行相應(yīng)元胞的速度和格子序號更新 循環(huán)，不斷更新航班速度和位置，直至所有元胞的格子序號為零，也就是 說所有航班都降落到機(jī)場上。在所有元胞的狀態(tài)更新完畢之后，根據(jù)其格子的序號排序，從而得到 根據(jù)CA模擬的優(yōu)化航班降落序列(步驟210 )。這樣i-l航班就是緊鄰航 班i的在其之前的航班。本發(fā)明利用一種自組織的模型，即CA模擬航班進(jìn)場過程，在這個過 程中，每架航班的飛行都有將局部代價減少的趨勢，最后會產(chǎn)生一個降落 的序列，即需要的優(yōu)化調(diào)度降落次序。在本實(shí)施例中，本發(fā)明可以在CA結(jié)果給定的降落順序基礎(chǔ)上，利用 步驟212進(jìn)一步調(diào)整各個航班的降落時間，從而得到各航班的優(yōu)化降落時 間。在一個實(shí)施例中，步驟212根據(jù)待降落航班的提前或延后降落代價， 調(diào)整上述優(yōu)化降落順序?qū)?yīng)的待降落航班的降落時間。關(guān)于航班降落時間優(yōu)化步驟可以參考圖4，圖4為本發(fā)明實(shí)施例的方 法流程圖。首先，按照CA模型得到的降落順序，使用先來先服務(wù)(FCFS)的方 法預(yù)先得到一個可行的調(diào)度序列(步驟302 )。這里，先來先服務(wù)方法可 以表述為1. 降落序列中第一架航班(i=l)，取最早降落時間E,降落；2. 之后每架航班i (i〉l)的降落時間取min(x,—,+S—\,,￡,}。然后，將FCFS預(yù)調(diào)度得到的序列對應(yīng)的航班分成若干段，其中每段的待降落航班的降落時間都是緊密關(guān)聯(lián)的，即在每段中航班降落的間隔岡'J好能滿足最小間隔的要求(步驟304)。對于步驟304劃分的多個段，分別測試每段中對應(yīng)的航班能否同時提 前或同時延后降落來減少降落的耗費(fèi)(步驟306)。一種情況是，如果對某段中的航班為Z^r,則提前單位時間降落會有 g的代價；如果存在航班為義>7，則提前單位時間會有-h的代價(即會減 少延后降落的代價)。假如該段中這樣的代價之和g + (-W為正，則表示這 個段不能通過前移降落來減少降落耗費(fèi)而得利；如果這個代價之和g + (-W 為負(fù)，則該段可以通過整體前移得利。另一種情況是，如果對某段中的航班為X〈r,則提前單位時間降落會 有-g的代價，如果存在航班為x^r,則提前單位時間會有h的代價。假如 該段中這樣的代價之和(-g) + A為正，則表示這個段不能通過前移降落來減 少降落耗費(fèi)而得利；如果這個代價之和(-g) + ^為負(fù)，這么該段可以通過整 體后移得利。因此，通過以上方法可以判斷能否得到能夠移動的段，若能夠得到， 則前進(jìn)至步驟310，計算該段對應(yīng)的最大前移或后移時間，即相應(yīng)段能改 變降落的最多時間。在一個實(shí)施例中，對于能夠提前降落得利的段，可以如下計算其最大 前移時間設(shè)A為其向前最大移動的時間數(shù)，并保證其和之前段的最小間 隔不被破壞，即保證所述段與其之前段之間符合最小降落間隔要求的最大 前移時間；設(shè)B為其最大向前移動的時間數(shù)，使其中的飛機(jī)不破壞降落時 間窗限制；設(shè)C為其最大向前移動的時間數(shù)，并使其中的飛機(jī)降落時間和 最優(yōu)降落時間的關(guān)系不改變(比如，移動前x〈T，移動后x〈T依然成立)， 即所述段對應(yīng)的待降落航班的調(diào)度降落時間與最優(yōu)降落時間的關(guān)系在移動 前后保持一致的最大前移時間。則對應(yīng)段的最大移動時間為min{A,B,C}。對于能夠延后降落得利的段，可以如下計算其最大后移時間設(shè)A為 其向前最大后移的時間數(shù)，并保證其和之后段的最小間隔不被破壞；設(shè)B 為其最大向后移動的時間數(shù)，使其中的飛機(jī)不破壞降落時間窗限制；設(shè)C 為其最大向前移動的時間數(shù)，并使其中的飛機(jī)降落時間和最優(yōu)降落時間的關(guān)系不改變(比如，移動前x〈T，移動后x〈T依然成立)。則min{A，B，C} 為對應(yīng)段的最大后移時間數(shù)。在步驟312中進(jìn)一步判斷min(A，B,C)對應(yīng)的最大前移或后移時間是否 為零，若不為零，則按照最大移動時間相應(yīng)地前移或后移對應(yīng)段(步驟316)。 這樣，通過對各個段內(nèi)航班的相應(yīng)移動，從而得到CA模型優(yōu)化航班降落 序列的最優(yōu)降落時間。在步驟306的判斷中，若存在某段的對應(yīng)航班不能夠通過同時提前或 延后降落獲利，則進(jìn)一步檢測該段能否分成兩段(步驟308 )，其中所述 段的前半段能通過同時提前降落或者所述段的后半段能通過同時延后降落 來減少降落代價。若能分成兩段(步驟318)，則返回到步驟306，重復(fù)步 驟306至步驟316，計算相應(yīng)最大移動時間，并相應(yīng)前移所述前半段或后 移所述后半段。若不能分成兩段，則結(jié)束該段檢測。在步驟312的判斷中，若檢測到最大移動時間min(A,B，C)為零，則進(jìn) 一步檢測所述段與其之前段能否合成一段(步驟314)，即兩段是否符合 最小降落間隔要求。在符合時將所述段與其之前段合并為一段(步驟320), 并返回到步驟306，重復(fù)步驟306至步驟316，檢測合并段能否通過同時提 前降落或者同時延后降落來減少降落代價。對于能夠通過同時提前或同時 延后降落的合并段，計算合并段的最大移動時間，并相應(yīng)前移所述合并段。若通過步驟306、步驟308和步驟314等步驟均不能找到能夠優(yōu)化的 段，則結(jié)束，當(dāng)前得到的降落時間即為最優(yōu)降落時間。因此，結(jié)合上述步 驟，本發(fā)明可以根據(jù)給定的降落順序給出每架飛機(jī)最好的調(diào)度降落時間。返回參考圖2，在一個實(shí)施例中，本發(fā)明還可以在步驟210和步驟212 所得優(yōu)化航班降落調(diào)度方案的基礎(chǔ)上，利用遺傳算法(GA)進(jìn)一步調(diào)整航 班的優(yōu)化降落次序(步驟214)。從而得到更優(yōu)化的航班降落調(diào)度方案(步 驟216)。在一個實(shí)施例中，所述調(diào)整步驟214可具體包括初始化預(yù)定數(shù)量(例 如30個)的個體組成一個迭代的種群，其中每個個體代表一個航班降落序 列，這些序列即表示CA模型得到的降落順序。然后，在每一次迭代中， 將每個個體中的隨機(jī)兩架航班調(diào)換次序，并根據(jù)上述降落時間調(diào)整步驟212確定的優(yōu)化降落時間，結(jié)合公式(5)和(6)得到相應(yīng)序列中航班的優(yōu)化 降落時間，并從迭代所得種群中選取能夠更好地減少總開銷對應(yīng)的降落時間的上述數(shù)量(30個)的個體進(jìn)入下一次迭代。在迭代預(yù)定次數(shù)(例如100次)后，選取種群中一個最佳個體得到航 班的降落時間，即能夠最好減少降落開銷的最優(yōu)航班降落時間，并且相應(yīng) 地該最優(yōu)航班降落時間對應(yīng)的航班降落序列也唯一確定，從而得到最后的 航班調(diào)度方案。本發(fā)明針對航班降落調(diào)度問題設(shè)計了一個快速、高效的算法，在滿足 實(shí)時性要求的基礎(chǔ)上能給出空域中的航班的可行且耗費(fèi)相對很少的降落調(diào) 度方案。本發(fā)明不僅克服了現(xiàn)有尋優(yōu)算法不能滿足實(shí)時性要求的缺點(diǎn)，還 解決了現(xiàn)有實(shí)時性算法無法有效優(yōu)化降落調(diào)度方案的問題。本發(fā)明將在地面交通模擬中得到廣泛應(yīng)用的CA模型創(chuàng)造性地應(yīng)用到 航空流量優(yōu)化領(lǐng)域，從全新的角度尋找航班降落最優(yōu)的調(diào)度方案。由于CA 的模擬現(xiàn)實(shí)能力特別突出，使得本方法可以更貼近現(xiàn)實(shí)。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實(shí)施例 進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等 同限定。
權(quán)利要求
1.一種降落航班調(diào)度優(yōu)化方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟將空域中的各個待降落航班對應(yīng)轉(zhuǎn)化為元胞自動機(jī)CA中的元胞，其中元胞的格子序號表示待降落航班到機(jī)場的距離，元胞的速度表示待降落航班的飛行速度；根據(jù)元胞的當(dāng)前速度對應(yīng)的降落代價以及對應(yīng)航班間最小降落間隔設(shè)置的相鄰元胞間最小距離，更新各個元胞的當(dāng)前速度和格子序號，直至所有元胞的格子序號為零；以及按照元胞格子序號更新為零的先后順序進(jìn)行排序，得到所述各個待降落航班的優(yōu)化降落順序。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述元胞的當(dāng)前速度對應(yīng) 的降落代價包括提前降落的代價和/或延后降落的代價，所述提前降落代價 ,(/)-max(0,("^-7;)xg,}，所述延后降落代價/力〕=max(0,(7;-爭-,)x/ ,}，其中z),表示元胞/的格子序號，7;表示元胞/的當(dāng)前速度，7;表示元胞/對應(yīng) 的待降落航班的最佳降落時間，f表示元胞的當(dāng)前時間，g,表示元胞z對應(yīng) 的待降落航班每提前單位時間降落的額外代價，/2,表示元胞/對應(yīng)的待降落航班每延后單位時間降落的額外代價，/為正整數(shù)。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述更新元胞的當(dāng)前速度 包括在對應(yīng)元胞的格子序號大于所述最小距離時，若判斷,(0>,(!'-1),則K更新為K, = min^ + a化,隱,,隨};若判斷/e (! ) > X (/ +1)，則K更新為K = max化—/ x K隨,0}, 其中a和/ 表示加速率，K,max表示元胞/的最快速度。
4. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述更新元胞的當(dāng)前速度 包括在對應(yīng)元胞的格子序號不大于所述最小距離時，若判斷。'—。('-')< S,—,,,且元胞/不是第一個元胞，貝'J K更新為^ =max{K-々xKmax,0}; 否則，K,更新為K =min^ +ax^max,^ax}, 其中a和/ 表示加速率，K,max表示元胞i的最快速度。
5. 如權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述格子序號更新表 示為Z), =max{0,D,-^xA/}，其中A/表示元月包的更新時間周期。
6. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，還包括根據(jù)待降落航班的 提前或延后降落代價，調(diào)整所述優(yōu)化降落順序?qū)?yīng)的待降落航班的降落時 間，以得到所述待降落航班的優(yōu)化降落時間。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述調(diào)整步驟包括a) 按照所述優(yōu)化降落順序，利用先來先服務(wù)FCFS預(yù)先得到調(diào)度序列；b) 將所述調(diào)度序列對應(yīng)的航班分成多個段，其中每段對應(yīng)的待降落航 班降落間隔符合所述最小降落間隔要求；c) 檢測每段對應(yīng)的待降落航班能否通過同時提前或同時延后降落來 減少降落代價；以及d) 對于能夠通過同時提前降落或同時延后降落的段，相應(yīng)前移或后移 所述段。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，對于不能夠通過同時提前 降落或同時延后降落的段，包括以下步驟檢測所述段能否分成兩段，其中所述段的前半段能通過同時提前降落 或者所述段的后半段能通過同時延后降落來減少降落代價；以及對于能夠分成兩段的所述段，相應(yīng)前移所述前半段或后移所述后半段。
9. 如權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于，對于能夠提前降落的 段，對應(yīng)最大移動時間為min{A,B，C}，其中A表示保證所述段與其之前段 之間符合所述最小降落間隔要求的最大前移時間，B表示所述段對應(yīng)的待 降落航班符合降落時間窗限制的最大前移時間，C表示所述段對應(yīng)的待降 落航班的調(diào)度降落時間與 最優(yōu)降落時間的關(guān)系在移動前后保持一致的最大 前移時間。
10. 如權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于，對于能夠延后降落 的段，對應(yīng)最大移動時間為min{A,B,C}，其中A表示保證所述段與其之后段之間符合所述最小降落間隔要求的最大后移時間，B表示所述段對應(yīng)的 待降落航班符合降落時間窗限制的最大后移時間，C表示所述段對應(yīng)的待 降落航班的調(diào)度降落時間與最優(yōu)降落時間的關(guān)系在移動前后保持 一 致的最 大前移時間。
11. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，在所述最大移動時間為 零時，包括以下步驟檢測所述段與其之前段是否符合所述最小降落間隔要求； 在符合時將所述段與其之前段合并為一段；檢測所述合并段能否通過同時提前降落或者同時延后降落來減少降落 代價；以及對于能夠通過同時提前或同時延后降落的合并段，相應(yīng)前移或后移所 述段。
12. 如權(quán)利要求6、 7或8所述的方法，其特征在于，還包括利用遺傳 算法進(jìn)一步調(diào)整所述優(yōu)化降落順序的步驟，所述調(diào)整步驟包括初始化預(yù)定數(shù)量的個體組成一個迭代的種群，其中每個個體代表一個 航班降落序列；每一次迭代將每個個體中的隨機(jī)兩架航班調(diào)換次序，并根據(jù)所述降落 時間調(diào)整步驟確定的優(yōu)化降落時間，選取預(yù)定數(shù)量的個體進(jìn)入下一次迭代； 以及在迭代預(yù)定次數(shù)后，選取一個最優(yōu)個體對應(yīng)的航班降落時間及航班降 落序列。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種降落航班調(diào)度優(yōu)化方法，包括以下步驟將空域中的各個待降落航班對應(yīng)轉(zhuǎn)化為元胞自動機(jī)CA中的元胞，其中元胞的格子序號表示待降落航班到機(jī)場的距離，元胞的速度表示待降落航班的飛行速度；根據(jù)元胞的當(dāng)前速度對應(yīng)的降落代價以及對應(yīng)航班間最小降落間隔設(shè)置的相鄰元胞間最小距離，更新各個元胞的當(dāng)前速度和格子序號，直至所有元胞的格子序號為零；以及按照元胞格子序號更新為零的先后順序進(jìn)行排序，得到所述各個待降落航班的優(yōu)化降落順序。本發(fā)明可以簡單、有效地得到降落航班調(diào)度的優(yōu)化方案。
文檔編號G08G5/00GK101582204SQ20091020373
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月10日
發(fā)明者俞盛朋, 曹先彬, 杜文博, 許言午 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)