一種終端管制區(qū)的進離場航線動態(tài)管理方法和裝置與流程
本發(fā)明涉及航空運輸空域管理技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種終端管制區(qū)的進離場航線動態(tài)管理方法和裝置。
背景技術(shù)：
進離場航線管理的任務(wù)是依據(jù)既定的空域結(jié)構(gòu)條件，實現(xiàn)對空域的充分利用，盡可能滿足空域用戶使用空域的需求?？茖W(xué)、合理的進離場航線動態(tài)管理目的在于：最大化利用空域資源；優(yōu)化空中交通流量；減輕管制員工作負荷；提高飛行安全水平。進離場航線動態(tài)管理將是一個過程，能通過調(diào)整和應(yīng)用空域選擇權(quán)以滿足空中交通管理系統(tǒng)所有用戶的需要，它應(yīng)是動態(tài)的和靈活的。動態(tài)性和靈活性是空域管理的本質(zhì)屬性，國際空管業(yè)界仍然不斷致力于進離場航線動態(tài)管理的研發(fā)?，F(xiàn)階段各國(包括我國)所使用的這些技術(shù)與方法從本質(zhì)上說是適應(yīng)當前航行系統(tǒng)的空域管理，是相對于靜態(tài)的空域規(guī)劃而提出的概念。適應(yīng)下一代航行系統(tǒng)的進離場航線動態(tài)管理亟待從體制和技術(shù)兩方面入手，進行革新性的系統(tǒng)重構(gòu)。從2003年icao提出全球atm系統(tǒng)運行概念到近年來美國提出nextgen、歐盟提出sesar計劃，其中如何實現(xiàn)廣義上的進離場航線動態(tài)管理一直是世界各國重點研究方向。在這期間，各組織與研發(fā)機構(gòu)提出了大量的運行概念(navigationreferencesystem，highaltituderedesign，bigairspace等)，并進行了大量的先期試驗(動態(tài)密度、美國西海岸的q-routes，跨越美國大陸的non-restrictiverouting(nrr)，紐約/芝加哥地區(qū)的bigairspace等)。此外，以自動化工具、星基導(dǎo)航系統(tǒng)、安全信息管理系統(tǒng)等為代表的先進科技將為實現(xiàn)未來無縫化的atm基礎(chǔ)運行環(huán)境提供基礎(chǔ)保障，atm系統(tǒng)由覆蓋全球的高性能衛(wèi)星聯(lián)接起來，為飛行員、航班計劃員、空管人員以及空域管理者提供高質(zhì)量的實時通訊、導(dǎo)航數(shù)據(jù)及監(jiān)視信息的運行環(huán)境。
現(xiàn)階段，可以用于我國進離場航線動態(tài)管理的方法總體上可以歸類為軍民航協(xié)調(diào)手段和民航管制空域調(diào)整兩大類，具體手段包括：臨時空域劃設(shè)、空域運行評估技術(shù)、空域戰(zhàn)略管理協(xié)同決策支持技術(shù)、航路結(jié)構(gòu)的靈活劃分技術(shù)、航跡動態(tài)優(yōu)化技術(shù)、扇區(qū)靈活分離激活技術(shù)、扇區(qū)綜合優(yōu)化分配技術(shù)、基于管制負荷的扇區(qū)優(yōu)化技術(shù)、戰(zhàn)時空域管理機制等技術(shù)。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
有鑒于此，本發(fā)明實施例的目的在于提供一種終端管制區(qū)的進離場航線動態(tài)管理方法和裝置，以提高每個機場空中交通狀況變化的應(yīng)變能力。
第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種終端管制區(qū)的進離場航線動態(tài)管理方法，包括：
獲取航班所要經(jīng)過的終端管制區(qū)空域?qū)?yīng)的交通數(shù)據(jù)、天氣數(shù)據(jù)以及潛在航路網(wǎng)絡(luò)；
根據(jù)獲取到的所述交通數(shù)據(jù)和所述天氣數(shù)據(jù)，在所述航班所要經(jīng)過的所述終端管制區(qū)空域?qū)?yīng)的潛在航路網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生成航班的航線選項集；
從生成的航班在所要經(jīng)過的所述終端管制區(qū)空域內(nèi)的所述航線選項集中選擇出擁擠成本最低的航線選項；
根據(jù)所選擇的航線選項，生成航班在所要經(jīng)過的所述終端管制區(qū)空域內(nèi)的出航路線，使得航班根據(jù)生成的出航路線經(jīng)過所述終端管制區(qū)空域。
結(jié)合第一方面，本發(fā)明實施例提供了第一方面的第一種可能的實施方式，其中：根據(jù)獲取到的所述交通數(shù)據(jù)和所述天氣數(shù)據(jù)，在所述航班所要經(jīng)過的終端管制區(qū)空域?qū)?yīng)的潛在航路網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生成航班的航線選項集，包括：
根據(jù)獲取到的所述交通數(shù)據(jù)和所述天氣數(shù)據(jù)，通過最短路徑算法，在所述航班所要經(jīng)過的終端管制區(qū)空域?qū)?yīng)的所述潛在航路網(wǎng)絡(luò)內(nèi)計算所述航班成本最低時的多條航線；
根據(jù)計算得到的所述多條航線和多條航線中各條航線對應(yīng)的成本信息，生成航班的航線選項集。
結(jié)合第一方面，本發(fā)明實施例提供了第一方面的第二種可能的實施方式，其中：從生成的航班在所要經(jīng)過的所述終端管制區(qū)空域內(nèi)的所述航線選項集中選擇出擁擠成本最低的航線選項，包括：
通過得到的每架航班的航線選項、每個航線選項中用到的潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素、每個潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素對應(yīng)的容量數(shù)據(jù)以及在空域設(shè)計方案內(nèi)預(yù)設(shè)的選取潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素的規(guī)則，建立線性松弛規(guī)劃模型，所述線性松弛規(guī)劃模型是用于表示航班經(jīng)過所述終端管制區(qū)空域時飛行成本最小化的模型；
通過建立的所述線性松弛規(guī)劃模型，從所述航線選項集中選擇出擁擠成本最低的航線選項。
結(jié)合第一方面，本發(fā)明實施例提供了第一方面的第三種可能的實施方式，其中：所述線性松弛規(guī)劃模型由公式
在所述約束條件中，公式(1)用于在每一個預(yù)設(shè)時間段內(nèi)對每一個潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素施加約束；公式(2)用于阻止航線選項被分配至某個航班；公式(3)用于表示航班與航線選項之間是一一對應(yīng)關(guān)系；公式(4)用于防止相互矛盾的潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素同時出現(xiàn)在空域設(shè)計中；
其中，f表示所有航班；f表示一個航班；r表示所有航線的航線選項集的集合；r表示一條航線；t表示空域設(shè)計方案規(guī)劃時間；t表示所有空域設(shè)計方案規(guī)劃時間；k表示所有航班分類集的集合；k表示一個航班分類集；f(k)表示航班分類集k中所有航班的集合；i表示潛在航路網(wǎng)絡(luò)；cfr表示f航班使用r航線的成本；xfr表示當且僅當r航線被分配給f航班；zikt表示當且僅當潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素i被包含在空域設(shè)計方案中的t時刻并對k類航班分類開放；urit＝1表示當航線r在圖時刻使用潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素i；sijk＝1表示當潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素i和j在時刻t不能一起出現(xiàn)在k類航班分類的空域設(shè)計方案中；φit表示潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素i在t時刻處理任務(wù)的數(shù)量。
結(jié)合第一方面，本發(fā)明實施例提供了第一方面的第四種可能的實施方式，其中：根據(jù)所選擇的航線選項，生成航班在所要經(jīng)過的所述終端管制區(qū)空域內(nèi)的出航路線，使得航班根據(jù)生成的出航路線經(jīng)過所述終端管制區(qū)空域，包括：
通過預(yù)設(shè)的混合整數(shù)規(guī)劃方式和所選擇的航線選項，生成航班在所要經(jīng)過的所述終端管制區(qū)空域內(nèi)的出航路線，使得航班根據(jù)生成的出航路線經(jīng)過所述終端管制區(qū)空域。
第二方面，本發(fā)明實施例還提供一種終端管制區(qū)的進離場航線動態(tài)管理裝置，包括：
獲取模塊，用于獲取航班所要經(jīng)過的終端管制區(qū)空域?qū)?yīng)的交通數(shù)據(jù)、天氣數(shù)據(jù)以及潛在航路網(wǎng)絡(luò)；
航線選項集生成模塊，用于根據(jù)獲取到的所述交通數(shù)據(jù)和所述天氣數(shù)據(jù)，在所述航班所要經(jīng)過的所述終端管制區(qū)空域?qū)?yīng)的潛在航路網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生成航班的航線選項集；
處理模塊，用于從生成的航班在所要經(jīng)過的所述終端管制區(qū)空域內(nèi)的所述航線選項集中選擇出擁擠成本最低的航線選項；
出航路線生成模塊，用于根據(jù)所選擇的航線選項，生成航班在所要經(jīng)過的所述終端管制區(qū)空域內(nèi)的出航路線，使得航班根據(jù)生成的出航路線經(jīng)過所述終端管制區(qū)空域。
結(jié)合第二方面，本發(fā)明實施例提供了第二方面的第一種可能的實施方式，其中：所述航線選項集生成模塊，包括：
計算單元，用于根據(jù)獲取到的所述交通數(shù)據(jù)和所述天氣數(shù)據(jù)，通過最短路徑算法，在所述航班所要經(jīng)過的終端管制區(qū)空域?qū)?yīng)的所述潛在航路網(wǎng)絡(luò)內(nèi)計算所述航班成本最低時的多條航線；
航線選項集生成單元，用于根據(jù)計算得到的所述多條航線和多條航線中各條航線對應(yīng)的成本信息，生成航班的航線選項集。
結(jié)合第二方面，本發(fā)明實施例提供了第二方面的第二種可能的實施方式，其中：所述處理模塊，包括：
建立單元，用于通過得到的每架航班的航線選項、每個航線選項中用到的潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素、每個潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素對應(yīng)的容量數(shù)據(jù)以及在空域設(shè)計方案內(nèi)預(yù)設(shè)的選取潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素的規(guī)則，建立線性松弛規(guī)劃模型，所述線性松弛規(guī)劃模型是用于表示航班經(jīng)過所述終端管制區(qū)空域時飛行成本最小化的模型；
處理單元，用于通過建立的所述線性松弛規(guī)劃模型，從所述航線選項集中選擇出擁擠成本最低的航線選項。
結(jié)合第二方面，本發(fā)明實施例提供了第二方面的第三種可能的實施方式，其中：所述線性松弛規(guī)劃模型由公式
在所述約束條件中，公式(1)用于在每一個預(yù)設(shè)時間段內(nèi)對每一個潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素施加約束；公式(2)用于阻止航線選項被分配至某個航班；公式(3)用于表示航班與航線選項之間是一一對應(yīng)關(guān)系；公式(4)用于防止相互矛盾的潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素同時出現(xiàn)在空域設(shè)計中；
其中，f表示所有航班；f表示一個航班；r表示所有航線的航線選項集的集合；r表示一條航線；t表示空域設(shè)計方案規(guī)劃時間；t表示所有空域設(shè)計方案規(guī)劃時間；k表示所有航班分類集的集合；k表示一個航班分類集；f(k)表示航班分類集k中所有航班的集合；i表示潛在航路網(wǎng)絡(luò)；cfr表示f航班使用r航線的成本；xfr表示當且僅當r航線被分配給f航班；zikt表示當且僅當潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素i被包含在空域設(shè)計方案中的t時刻并對k類航班分類開放；urit＝1表示當航線r在圖時刻使用潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素i；sijk＝1表示當潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素i和j在時刻t不能一起出現(xiàn)在k類航班分類的空域設(shè)計方案中；φit表示潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素i在t時刻處理任務(wù)的數(shù)量。
結(jié)合第二方面，本發(fā)明實施例提供了第二方面的第四種可能的實施方式，其中：所述出航路線生成模塊，包括：
出航路線生成單元，用于通過預(yù)設(shè)的混合整數(shù)規(guī)劃方式和所選擇的航線選項，生成航班在所要經(jīng)過的所述終端管制區(qū)空域內(nèi)的出航路線，使得航班根據(jù)生成的出航路線經(jīng)過所述終端管制區(qū)空域。
本發(fā)明實施例提供的終端管制區(qū)進離場航線動態(tài)管理方法和裝置，通過根據(jù)獲取到的交通數(shù)據(jù)和天氣數(shù)據(jù)，在潛在航路網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生成航班的航線選項集；從航線選項集中選擇出擁擠成本最低的航線選項，并根據(jù)選擇的航線選項生成航班對應(yīng)的出航路線，從而根據(jù)各個機場空中交通狀況的不斷變化隨時調(diào)整空域分配模式，提高空域的使用效率；而且使機場的空中交通吞吐量能夠滿足更大需求，使得熱門航線獲得更加高效的線路規(guī)劃；還可以提高每個機場空中交通狀況變化的應(yīng)變能力，響應(yīng)迅速，從而能夠根據(jù)瞬息萬變的空域交通狀況調(diào)整空域資源。
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合所附附圖，作詳細說明如下。
附圖說明
為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應(yīng)當理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實施例，因此不應(yīng)被看作是對范圍的限定，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關(guān)的附圖。
圖1示出了本發(fā)明實施例1所提供的一種終端管制區(qū)的進離場航線動態(tài)管理方法中dma算法的概括流程圖；
圖2示出了本發(fā)明實施例1所提供的終端管制區(qū)的進離場航線動態(tài)管理方法中dma算法的詳細流程圖；
圖3示出了本發(fā)明實施例1所提供的終端管制區(qū)的進離場航線動態(tài)管理方法的流程圖；
圖4示出了本發(fā)明實施例1所提供的終端管制區(qū)的進離場航線動態(tài)管理方法的具體示例中dma算法性能概覽；
圖5示出了本發(fā)明實施例1所提供的終端管制區(qū)的進離場航線動態(tài)管理方法的具體示例中基線空域設(shè)計性能模擬結(jié)果；
圖6示出了本發(fā)明實施例1所提供的終端管制區(qū)的進離場航線動態(tài)管理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發(fā)明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設(shè)計。因此，以下對在附圖中提供的本發(fā)明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
相關(guān)技術(shù)中，采用解耦分離的方法對終端管制區(qū)的空域進行分配(即后面所提到的空域設(shè)計)，而這種分配方法對每個機場空中交通狀況變化的應(yīng)變能力差，響應(yīng)遲鈍，基于此，本申請?zhí)峁┑囊环N終端管制區(qū)的進離場航線動態(tài)管理方法和裝置。
本發(fā)明實施例提出的種終端管制區(qū)的進離場航線動態(tài)管理方法，解決了空域設(shè)計自由度問題，完善了前期工作。自由度的確定可以緩解終端管制區(qū)中各機場之間的相互依賴性。之所以采用機場空域動態(tài)設(shè)計，其中一個原因是經(jīng)常談到的一個問題：根據(jù)天氣調(diào)整航線，即在強對流天氣的影響下保證機場的吞吐量。當前的空域設(shè)計對很多空域交通特性的響應(yīng)都很遲鈍。第二個重要原因就是能夠根據(jù)瞬息萬變的空域交通狀況調(diào)整空域資源。例如，在東面方向的降落高峰期期間，通過動態(tài)空域設(shè)計可以增加額外的從東面方向來的降落航線，然后該片空域在起飛高峰期期間也可以被用來增加額外的起飛線路。在終端管制區(qū)大環(huán)境下，這種效益機制十分重要，因為空域資源還可以根據(jù)各個機場的空中交通狀況來進行調(diào)整。在終端管制區(qū)環(huán)境下，空域中的航線非常密集，為了躲避從其他機場來或到其他機場去的航線，往往每個線路的利用率都不能發(fā)揮到極致。通常跑道布局是根據(jù)航線的需求來進行設(shè)計的，以達到簡化終端管制區(qū)上空線路模式的目的。在惡劣的天氣條件下，根據(jù)跑道布局來實施航線的這一能力可以保證每個機場的吞吐量。以性能為依據(jù)的空中交通管理理念引入了基于導(dǎo)航性能的新增航班類別，通常需要具備根據(jù)裝備新算法的需求量與不裝備相對照調(diào)整空域的能力。終端管制區(qū)空域的復(fù)雜性和密集性使得動態(tài)空域設(shè)計必須具備提供視情服務(wù)的能力。
實施例1
為便于對本實施例進行理解，首先對本發(fā)明實施例所公開的一種終端管制區(qū)的進離場航線動態(tài)管理方法進行詳細介紹。
本實施例提供一種進離場航線動態(tài)管理方法，通過根據(jù)獲取到的交通數(shù)據(jù)和天氣數(shù)據(jù)，在潛在航路網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生成航班的航線選項集；從航線選項集中選擇出擁擠成本最低的航線選項；根據(jù)選擇的航線選項，生成航班對應(yīng)的出航路線。
計算設(shè)備，可以采用現(xiàn)有的任何可以對航班對應(yīng)的出航路線進行計算的服務(wù)器和計算機，這里不再一一贅述。
本實施例提出的終端管制區(qū)的進離場航線動態(tài)管理方法旨在研究出一款或多款適用于一個時間段內(nèi)終端管制區(qū)空域空中交通運行的空域設(shè)計方案。圖1和2給出了解決這一問題的方法：dma算法。dma算法將一系列諸如交通數(shù)據(jù)和天氣數(shù)據(jù)之類的元素作為輸入，經(jīng)過計算后輸出一套空域設(shè)計方案?？沼蛟O(shè)計方案中的航線是航班可以使用的潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素的一個子集。由于不能直接評估空域設(shè)計方案的好壞，因此采用數(shù)學(xué)模擬的方法來觀察在新方案的指導(dǎo)下終端管制區(qū)上空的空中交通狀況。諸如延誤和油耗之類的單個航班指標，可以用來對比不同空域設(shè)計方案的優(yōu)劣。通過以下方法對dma算法做進一步描述。
參見圖3，本實施例提供一種終端管制區(qū)的進離場航線動態(tài)管理方法，包括：
步驟300、獲取航班所要經(jīng)過的終端管制區(qū)空域?qū)?yīng)的交通數(shù)據(jù)、天氣數(shù)據(jù)以及潛在航路網(wǎng)絡(luò)。
在上述步驟300中，獲取到的交通數(shù)據(jù)和天氣數(shù)據(jù)，是根據(jù)當前的空域情況，實時獲取到的。而潛在航路網(wǎng)絡(luò)可以是預(yù)先存儲在計算設(shè)備的存儲器中，當在需要確定航班的出航路線時，可以從存儲器中讀取該預(yù)先存儲的潛在航路網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，從而獲取到預(yù)先存儲的潛在航路網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。
潛在航路網(wǎng)絡(luò)，由多個潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素組成。潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素為空域范圍內(nèi)定義的點(如：節(jié)點)和連接這些節(jié)點的航線段(如：連線)，航班就是沿著這些連線進行飛行。整個一套潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素組成了所謂的潛在航路網(wǎng)絡(luò)。一個航班分類是指一些航班具備的而另一些航班不具備的一系列航班特征。潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素也會擁有某些特性，例如容量或限制，而這些特性只有固定的一些航班分類才會用到。例如：在某兩點之間的連線上，飛機和機組的所需航行性能值(rnp)被限定在0.1之內(nèi)。那么rnp值在0.3的航班就不能沿著上述連線飛行。潛在航路網(wǎng)絡(luò)提前生成并在全程進行應(yīng)用。而空域設(shè)計方案也要對全時段進行計算。
例如，空管員、飛行員、調(diào)度員以及自動駕駛系統(tǒng)接受空域計劃后，必須馬上解決線路和時間規(guī)劃問題，即：飛機進入終端管制區(qū)空域后航管計劃立即啟動并給出三維路徑，并且，有可能的話，在規(guī)劃路徑上的點設(shè)置時間限制以實現(xiàn)對時間的規(guī)劃。在研究中，模擬了空管員決策和飛機飛行航線，旨在搜集諸如飛行距離、油耗、噪聲和延誤等指標，以通過這些指標可以反映出空域設(shè)計計劃的優(yōu)劣。
步驟302、根據(jù)獲取到的交通數(shù)據(jù)和天氣數(shù)據(jù)，在航班所要經(jīng)過的終端管制區(qū)空域?qū)?yīng)的潛在航路網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生成航班的航線選項集。
其中，航線是由一系列相關(guān)聯(lián)的潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素組成的存在于潛在航路網(wǎng)絡(luò)中的一條路徑。一架航班的航線選項是指從航班當前位置(或航班進入終端管制區(qū)空域進入點的位置)到航班飛離終端管制區(qū)空域飛出點的位置之間的線路。航班的航線選項集是為該航班確定的所有航線選項的集合。通過在潛在航路網(wǎng)絡(luò)中解決最短路徑問題，從而在航線生成步驟中針對每一架航班生成一個航線選項。這個包含了沿該航線飛行所需成本在內(nèi)的航線選項再與先前設(shè)定的航線選項進行疊加。通過利用每一個潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素所帶來的成本，最短路徑算法可以找到成本最低的線路，而非地理位置上最短的線路。每一個潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素帶入成本的初始值設(shè)為該航班橫貫所有潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素所耗費的燃油和時間。算法的每一個迭代都結(jié)束后，每一個潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素的成本通過擁擠成本進行放大。潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素的擁擠成本初始值設(shè)為0，并根據(jù)線性松弛中容量約束雙變量的最優(yōu)解決方案進行數(shù)值更新。
步驟304、從生成的航班在所要經(jīng)過的終端管制區(qū)空域內(nèi)的航線選項集中選擇出擁擠成本最低的航線選項。
步驟306、根據(jù)所選擇的航線選項，生成航班在所要經(jīng)過的終端管制區(qū)空域內(nèi)的出航路線，使得航班根據(jù)生成的出航路線經(jīng)過終端管制區(qū)空域。
綜上所述，本實施例提供的終端管制區(qū)的進離場航線動態(tài)管理方法，通過根據(jù)獲取到的交通數(shù)據(jù)和天氣數(shù)據(jù)，在潛在航路網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生成航班的航線選項集；從航線選項集中選擇出擁擠成本最低的航線選項，并根據(jù)選擇的航線選項生成航班對應(yīng)的出航路線，從而根據(jù)各個機場空中交通狀況的不斷變化隨時調(diào)整空域分配模式，提高空域的使用效率；而且使機場的空中交通吞吐量能夠滿足更大需求，使得熱門航線獲得更加高效的線路規(guī)劃；還可以提高每個機場空中交通狀況變化的應(yīng)變能力，響應(yīng)迅速，從而能夠根據(jù)瞬息萬變的空域交通狀況調(diào)整空域資源。
具體地，根據(jù)獲取到的交通數(shù)據(jù)和天氣數(shù)據(jù)，在航班所要經(jīng)過的終端管制區(qū)空域?qū)?yīng)的潛在航路網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生成航班的航線選項集，包括以下步驟一至步驟二：
步驟一：根據(jù)獲取到的交通數(shù)據(jù)和天氣數(shù)據(jù)，通過最短路徑算法，在航班所要經(jīng)過的終端管制區(qū)空域?qū)?yīng)的潛在航路網(wǎng)絡(luò)內(nèi)計算航班成本最低時的多條航線；
步驟二：根據(jù)計算得到的多條航線和多條航線中各條航線對應(yīng)的成本信息，生成航班的航線選項集。
其中，成本信息包括：航班的飛行距離和油耗。
具體地，從生成的航班在所要經(jīng)過的終端管制區(qū)空域內(nèi)的航線選項集中選擇出擁擠成本最低的航線選項，包括以下步驟一至步驟二：
步驟一：通過得到的每架航班的航線選項、每個航線選項中用到的潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素、每個潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素對應(yīng)的容量數(shù)據(jù)以及在空域設(shè)計方案內(nèi)預(yù)設(shè)的選取潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素的規(guī)則，建立線性松弛規(guī)劃模型；
步驟二：通過建立的線性松弛規(guī)劃模型，從航線選項集中選擇出擁擠成本最低的航線選項。
在上述步驟一中，每架航班的航線選項、每個航線選項中用到的潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素都是在以上步驟中計算航線時得到的，而每個潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素對應(yīng)的容量數(shù)據(jù)以及在空域設(shè)計方案內(nèi)預(yù)設(shè)的選取潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素的規(guī)則是預(yù)先存儲在計算設(shè)備的存儲器中，當在需要建立線性松弛規(guī)劃模型時，可以從存儲器中讀取該預(yù)先存儲的每個潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素對應(yīng)的容量數(shù)據(jù)以及在空域設(shè)計方案內(nèi)預(yù)設(shè)的選取潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素的規(guī)則，從而使計算設(shè)備根據(jù)獲取到的每個潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素對應(yīng)的容量數(shù)據(jù)以及在空域設(shè)計方案內(nèi)預(yù)設(shè)的選取潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素的規(guī)則建立線性松弛規(guī)劃模型。
具體地，線性松弛規(guī)劃模型是用于表示航班經(jīng)過終端管制區(qū)空域時飛行成本最小化的模型，線性松弛規(guī)劃模型由公式
在所述約束條件中，公式(1)用于在每一個預(yù)設(shè)時間段內(nèi)對每一個潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素施加約束；公式(2)用于阻止航線選項被分配至某個航班；公式(3)用于表示航班與航線選項之間是一一對應(yīng)關(guān)系；公式(4)用于防止相互矛盾的潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素同時出現(xiàn)在空域設(shè)計中；
其中，f表示所有航班；f表示一個航班；r表示所有航線的航線選項集的集合；r表示一條航線；t表示空域設(shè)計方案規(guī)劃時間；t表示所有空域設(shè)計方案規(guī)劃時間；k表示所有航班分類集的集合；k表示一個航班分類集；f(k)表示航班分類集k中所有航班的集合；i表示潛在航路網(wǎng)絡(luò)；cfr表示f航班使用r航線的成本；xfr表示當且僅當r航線被分配給f航班；zikt表示當且僅當潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素i被包含在空域設(shè)計方案中的t時刻并對k類航班分類開放；urit＝1表示當航線r在圖時刻使用潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素i；sijk＝1表示當潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素i和j在時刻t不能一起出現(xiàn)在k類航班分類的空域設(shè)計方案中；φit表示潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素i在t時刻處理任務(wù)的數(shù)量。
進一步地，航線選項選擇問題可轉(zhuǎn)化成混合整數(shù)規(guī)劃最優(yōu)化問題。航線選項選擇問題將每架航班的航線選項、每個航線選項中用到的潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素的繪制、定義每個潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素容量的數(shù)據(jù)以及在空域設(shè)計方案內(nèi)如何選取潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素的規(guī)則作為輸入。
確定了航班的航線選項，進而使航班的航線選項集能夠滿足所有約束條件和成本最小化目標方程，這樣問題就得以解決。使用高需求潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素的航班可能會遭遇長時間延誤，從而增加下一步迭代中潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素的擁擠成本。在現(xiàn)有航線選項集范圍內(nèi)，最后算出的解決方案是“最優(yōu)的”。但是，通過鑒定新航線選項可以進一步完善整體解決方案。而新航線選項對一些航班帶來的成本增加是微小的(例如增加飛行距離)，但對另一些航班來說，通過減少延誤和等待使用高使用率潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素所需時間等方法，卻能很明顯的降低它們的成本。
航線選項選擇這一步解決了航線選項選擇問題的線性松弛規(guī)劃。線性松弛規(guī)劃的解決速度比混合整數(shù)規(guī)劃的速度快得多。另外，任何線性松弛規(guī)劃的最優(yōu)解決方案都伴隨有一個針對雙線性程式的最佳解決方案，其所含變量與初始線性規(guī)劃的每個約束條件都相關(guān)聯(lián)，同時，這些約束條件與初始線性規(guī)劃的變量相關(guān)聯(lián)。那些雙變量具有很重要的含義。大體上說，雙變量的最優(yōu)值表示出了最優(yōu)目標方程值對相關(guān)約束條件的敏感程度。例如，與容量限制條件相關(guān)的最優(yōu)雙變量值可以顯示出通過放開相關(guān)網(wǎng)絡(luò)元素的容量所能獲得的容量附加值。在大環(huán)境下，可以通過利用其他地方的潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素重新規(guī)劃某些航班的航線來實現(xiàn)容量的提升。成本更新步驟利用最新?lián)頂D成本值更新每一個潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素。在下一步迭代過程中，這些新的成本被用在航線選項生成步驟。航線生成器生成航線選項。當將飛機驅(qū)離擁擠資源的成本低于空域計劃整體的收益時，航線選項將會執(zhí)行將航班驅(qū)離擁擠資源的命令。對每架航班的航線選項都進行保存，以確保在未來計算航線選項選擇問題時能夠隨時使用它們。
利用線性模型計算航線選項選擇問題得出的解決方案并不一定是合理或有實際意義的，因為線性模型并沒有要求變量一定為整數(shù)。線性模型得出的方案可能會為一架或多架航班在多條航線上算出小數(shù)結(jié)果，而非在一條航線上得出整數(shù)結(jié)果，類似的，潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素也可能會以小數(shù)形式存在于空域設(shè)計計劃中。出于這點考慮，通過混合整數(shù)規(guī)劃步驟最后將計算結(jié)果整數(shù)化，從而通過這一步解決整體航線選項選擇問題。通過這一步驟計算得出的結(jié)果就是合理的可以利用的空域設(shè)計方案以及一系列的航線分布。理論上講，得出的結(jié)果并不一定是最優(yōu)化的。但是，在實際當中通過這個方法得到的解決方案往往是最接近最優(yōu)化的。在有些實例中線性松弛規(guī)劃值和混合整數(shù)規(guī)劃值之間存在不可忽視的差值，因此強制進行額外的列生成迭代，在此過程中潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素權(quán)值的確定與他們在整數(shù)化過程中的兼容性相關(guān)聯(lián)。
所以，通過以上的描述，根據(jù)所選擇的航線選項，生成航班在所要經(jīng)過的終端管制區(qū)空域內(nèi)的出航路線，使得航班根據(jù)生成的出航路線經(jīng)過終端管制區(qū)空域，包括以下具體步驟：
通過預(yù)設(shè)的混合整數(shù)規(guī)劃方式和所選擇的航線選項，生成航班在所要經(jīng)過的終端管制區(qū)空域內(nèi)的出航路線，使得航班根據(jù)生成的出航路線經(jīng)過終端管制區(qū)空域。
下面對dma算法相對性能與絕對性能進行驗證，為了更好的理解dma算法的潛在優(yōu)勢，進行了三組測試運行。對這三組運行定義如下：基線運行、進離場航線動態(tài)管理模式和空域靜態(tài)管理模式?；€運行和進離場航線動態(tài)管理模式在三個終端管制區(qū)進行。
在進離場航線動態(tài)管理模式中，完全使用動態(tài)終端管制區(qū)空域設(shè)計方法進行計算。潛在航路網(wǎng)絡(luò)包含一整套合理的潛在交叉點和航線區(qū)段，以供算法在進行空域航線設(shè)計時進行選擇。航線結(jié)構(gòu)可以隨著時間進行變化，此時結(jié)構(gòu)當然不是最完美的，但是提供了一種可以根據(jù)需求改變線路的能力。
恒定運行依賴于與進離場航線動態(tài)管理模式完全相同的潛在航路網(wǎng)絡(luò)，但是航線設(shè)計是固定不變的。從而，這些計算結(jié)果并沒有動態(tài)航線設(shè)計帶來的優(yōu)勢。但是，這些計算結(jié)果可以很好的和進離場航線動態(tài)管理模式計算結(jié)果進行對比，因為兩種運行模式在確定航線設(shè)計合理性上采用了相同的約束條件。
在基線運行模式中，航線采取由雷達跟蹤航線演變來的航線結(jié)構(gòu)，而非設(shè)計的線路結(jié)構(gòu)。與基線運行結(jié)果的對比意義重大，它可以幫助技術(shù)人員更好的理解應(yīng)該如何對比模擬結(jié)果和實際結(jié)果。然而，由于實際情況中的約束條件和模型中的約束條件不盡相同，因此計算結(jié)果中出現(xiàn)的差別并不能被認為是dma算法的潛在優(yōu)勢。
驗證所得的第一組結(jié)果顯示了除去以機場為中心的大圓距離以外的起降飛行距離(對于終端管制區(qū)這一距離會增大)，如圖4所示。x軸顯示的是每個機場或終端管制區(qū)降落額外飛行距離(除去大圓航線距離)，y軸顯示的是起飛的相應(yīng)額外飛行距離。例如，降落在終端管制區(qū)的航班的飛行距離普遍提高了0.9％，起飛距離普遍升高0.16％，因此，終端管制區(qū)在圖中的位置坐標為(0.9％，0.16％)。
正如預(yù)料，n90終端管制區(qū)航班的飛行距離無效性最大，而nct與sct的總體無效性相似，但進離場航班之間安排稍有不同。n90航班的總體活動水平大約是nct與sct終端管制區(qū)航班活動水平的兩倍。另外，中心的四個機場位置非?？拷?，對航線規(guī)劃相對于加州更好的幾何結(jié)構(gòu)，提出了更大的挑戰(zhàn)。
如圖5所示就會發(fā)現(xiàn)dma算法比基線算法還是公平很多。因為基線算法對任何航線都采用靜態(tài)分離的辦法，這些航線也許就包括當前所用的航線。因此計算出的繞開這些航線所產(chǎn)生的額外飛行距離可能遠大于躲避實際航線所需的飛行距離。這也就是采用dma算法最重要的意義所在。為什么呢？在衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)、電子通信技術(shù)、精確制導(dǎo)系統(tǒng)和強力計算機盛行的新時期，難道要對航線進行無謂的分離嗎？有能力發(fā)展新技術(shù)來克服這一弊端，并且正如研究結(jié)果所顯示的，新算法效益十分顯著。
圖5還展示出了終端管制區(qū)空域的相對低效性。盡管dma計算結(jié)果會使人認為n90終端管制區(qū)的低效率最為顯著，但是基線算法在終端管制區(qū)得到的計算結(jié)果更加糟糕。這種低效性很大程度上是由機場降落航線的低效性和折返范圍很大的起飛航線造成的。
實施例2
參見圖6，本實施例提供一種終端管制區(qū)進離場航線動態(tài)管理裝置，用于執(zhí)行上述的終端管制區(qū)的進離場航線動態(tài)管理方法，包括：
獲取模塊1300，用于獲取航班所要經(jīng)過的終端管制區(qū)空域?qū)?yīng)的交通數(shù)據(jù)、天氣數(shù)據(jù)以及潛在航路網(wǎng)絡(luò)；
航線選項集生成模塊1302，用于根據(jù)獲取到的交通數(shù)據(jù)和天氣數(shù)據(jù)，在航班所要經(jīng)過的終端管制區(qū)空域?qū)?yīng)的潛在航路網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生成航班的航線選項集；
處理模塊1304，用于從生成的航班在所要經(jīng)過的終端管制區(qū)空域內(nèi)的航線選項集中選擇出擁擠成本最低的航線選項；
出航路線生成模塊1306，用于根據(jù)所選擇的航線選項，生成航班在所要經(jīng)過的終端管制區(qū)空域內(nèi)的出航路線，使得航班根據(jù)生成的出航路線經(jīng)過終端管制區(qū)空域。
航線選項集生成模塊1302，包括：
計算單元，用于根據(jù)獲取到的交通數(shù)據(jù)和天氣數(shù)據(jù)，通過最短路徑算法，在航班所要經(jīng)過的終端管制區(qū)空域?qū)?yīng)的潛在航路網(wǎng)絡(luò)內(nèi)計算航班成本最低時的多條航線；
航線選項集生成單元，用于根據(jù)計算得到的多條航線和多條航線中各條航線對應(yīng)的成本信息，生成航班的航線選項集。
處理模塊1304，包括：建立單元，用于通過得到的每架航班的航線選項、每個航線選項中用到的潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素、每個潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素對應(yīng)的容量數(shù)據(jù)以及在空域設(shè)計方案內(nèi)預(yù)設(shè)的選取潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素的規(guī)則，建立線性松弛規(guī)劃模型，線性松弛規(guī)劃模型是用于表示航班經(jīng)過終端管制區(qū)空域時飛行成本最小化的模型；
處理單元，用于通過建立的線性松弛規(guī)劃模型，從航線選項集中選擇出擁擠成本最低的航線選項。
具體地，線性松弛規(guī)劃模型由公式
在所述約束條件中，公式(1)用于在每一個預(yù)設(shè)時間段內(nèi)對每一個潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素施加約束；公式(2)用于阻止航線選項被分配至某個航班；公式(3)用于表示航班與航線選項之間是一一對應(yīng)關(guān)系；公式(4)用于防止相互矛盾的潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素同時出現(xiàn)在空域設(shè)計中；
其中，f表示所有航班；f表示一個航班；r表示所有航線的航線選項集的集合；r表示一條航線；t表示空域設(shè)計方案規(guī)劃時間；t表示所有空域設(shè)計方案規(guī)劃時間；k表示所有航班分類集的集合；k表示一個航班分類集；f(k)表示航班分類集k中所有航班的集合；i表示潛在航路網(wǎng)絡(luò)；cfr表示f航班使用r航線的成本；xfr表示當且僅當r航線被分配給f航班；zikt表示當且僅當潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素i被包含在空域設(shè)計方案中的t時刻并對k類航班分類開放；urit＝1表示當航線r在圖時刻使用潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素i；sijk＝1表示當潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素i和j在時刻t不能一起出現(xiàn)在k類航班分類的空域設(shè)計方案中；φit表示潛在航路網(wǎng)絡(luò)元素i在t時刻處理任務(wù)的數(shù)量。
具體地，上述出航路線生成模塊1306，包括：
出航路線生成單元，用于通過預(yù)設(shè)的混合整數(shù)規(guī)劃方式和所選擇的航線選項，生成航班在所要經(jīng)過的終端管制區(qū)空域內(nèi)的出航路線，使得航班根據(jù)生成的出航路線經(jīng)過終端管制區(qū)空域。
綜上所述，本實施例提供的終端管制區(qū)的進離場航線動態(tài)管理裝置，通過根據(jù)獲取到的交通數(shù)據(jù)和天氣數(shù)據(jù)，在潛在航路網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生成航班的航線選項集；從航線選項集中選擇出擁擠成本最低的航線選項，并根據(jù)選擇的航線選項生成航班對應(yīng)的出航路線，從而根據(jù)各個機場空中交通狀況的不斷變化隨時調(diào)整空域分配模式，提高空域的使用效率；而且使機場的空中交通吞吐量能夠滿足更大需求，使得熱門航線獲得更加高效的線路規(guī)劃；還可以提高每個機場空中交通狀況變化的應(yīng)變能力，響應(yīng)迅速，從而能夠根據(jù)瞬息萬變的空域交通狀況調(diào)整空域資源。
本發(fā)明實施例所提供的進行終端管制區(qū)的進離場航線動態(tài)管理方法的計算機程序產(chǎn)品，包括存儲了程序代碼的計算機可讀存儲介質(zhì)，所述程序代碼包括的指令可用于執(zhí)行前面方法實施例中所述的方法，具體實現(xiàn)可參見方法實施例，在此不再贅述。
所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，上述描述的系統(tǒng)、裝置和單元的具體工作過程，可以參考前述方法實施例中的對應(yīng)過程，在此不再贅述。
在本申請所提供的幾個實施例中，應(yīng)該理解到，所揭露的系統(tǒng)、裝置和方法，可以通過其它的方式實現(xiàn)。以上所描述的裝置實施例僅僅是示意性的，例如，所述單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實際實現(xiàn)時可以有另外的劃分方式，又例如，多個單元或組件可以結(jié)合或者可以集成到另一個系統(tǒng)，或一些特征可以忽略，或不執(zhí)行。另一點，所顯示或討論的相互之間的耦合或直接耦合或通信連接可以是通過一些通信接口，裝置或單元的間接耦合或通信連接，可以是電性，機械或其它的形式。
所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個地方，或者也可以分布到多個網(wǎng)絡(luò)單元上?？梢愿鶕?jù)實際的需要選擇其中的部分或者全部單元來實現(xiàn)本實施例方案的目的。
另外，在本發(fā)明各個實施例中的各功能單元可以集成在一個處理單元中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個單元中。
所述功能如果以軟件功能單元的形式實現(xiàn)并作為獨立的產(chǎn)品銷售或使用時，可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質(zhì)中?；谶@樣的理解，本發(fā)明的技術(shù)方案本質(zhì)上或者說對現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻的部分或者該技術(shù)方案的部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該計算機軟件產(chǎn)品存儲在一個存儲介質(zhì)中，包括若干指令用以使得一臺計算機設(shè)備(可以是個人計算機，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行本發(fā)明各個實施例所述方法的全部或部分步驟。
以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)所述以權(quán)利要求的保護范圍為準。
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