一種基于主成分分析的空中交通管制扇區(qū)通行能力檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種空中交通流量管理方法，具體涉及一種基于主成分分析的空中交 通管制扇區(qū)通行能力檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 空中交通管制扇區(qū)（簡稱"扇區(qū)"）是空中交通管制（簡稱"管制"）的基本空間 單元。一般情況下，為航空器提供空中交通管制服務(wù)的空域被劃設(shè)為若干扇區(qū)，每個扇區(qū)對 應(yīng)一個空中交通管制員（簡稱"管制員"）工作席位。扇區(qū)通行能力是反映空域性能的重要 指標(biāo)，通常以扇區(qū)內(nèi)單位時(shí)間所能夠通過的航空器最大數(shù)量來測計(jì)，科學(xué)檢測扇區(qū)通行能 力是實(shí)施空中交通流量管理的前提和依據(jù)。
[0003] 以國際民航組織推薦的D0RATASK法、MBB法，以及歐洲空管實(shí)驗(yàn)中心提出的RAMS 法為典型代表，目前的扇區(qū)通行能力檢測主要采取將管制員工作負(fù)荷約束轉(zhuǎn)化為扇區(qū)交通 流量約束予以解決。如陳薇宇、胡明華發(fā)表的"基于管制員工作負(fù)荷的航路扇區(qū)容量評估技 術(shù)"（哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，第26卷第6期，2010年12月），通過分析航路扇區(qū) 中雷達(dá)管制模式下管制員工作負(fù)荷，提出了管制員工作負(fù)荷模型對管制員工作負(fù)荷進(jìn)行量 化，在此基礎(chǔ)上，采用回歸分析法和有效時(shí)間段法兩種方法，分析了管制員工作負(fù)荷與航路 扇區(qū)容量的關(guān)系，從而得出航路扇區(qū)容量值。以及吳開明發(fā)表的"空中交通流量管理中的扇 區(qū)容量評估研究"（華南理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文，2013年）和CN102842075A (申請公布 日2012年12月26日）均是將扇區(qū)管制員工作負(fù)荷按照能否直接觀察進(jìn)行分類，并以時(shí)間 度量方式對管制員工作負(fù)荷進(jìn)行定量評估，當(dāng)管制員工作負(fù)荷達(dá)到規(guī)定閾值時(shí)所對應(yīng)的扇 區(qū)交通流量即為扇區(qū)通行能力。
[0004] 實(shí)際上，影響扇區(qū)通行能力的因素眾多，扇區(qū)通行能力是扇區(qū)內(nèi)諸多運(yùn)行性能要 素綜合優(yōu)化下的反映，屬于多屬性決策問題，而目前的扇區(qū)通行能力檢測方法存在片面性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種基于主成分分析的空中交通管制扇區(qū)通 行能力檢測方法，提高了空中交通管制扇區(qū)通行能力檢測的全面性和準(zhǔn)確性。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于主成分分析的空中交通管制扇區(qū)通行能力檢測方 法，具體步驟如下：
[0007] 步驟1 :采集各時(shí)間片段的扇區(qū)流量數(shù)據(jù)及扇區(qū)運(yùn)行性能數(shù)據(jù)，扇區(qū)運(yùn)行性能數(shù) 據(jù)包括扇區(qū)通行性指標(biāo)、扇區(qū)復(fù)雜性指標(biāo)、扇區(qū)安全性指標(biāo)、扇區(qū)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和管制員工作 負(fù)荷指標(biāo)；
[0008] 步驟2 :通過主成分分析，計(jì)算得出各時(shí)間片段的扇區(qū)運(yùn)行性能綜合指數(shù)；
[0009] 步驟3 :基于扇區(qū)流量數(shù)據(jù)和扇區(qū)運(yùn)行性能綜合指數(shù)，得到傅里葉函數(shù)擬合式；
[0010] 步驟4:根據(jù)傅里葉函數(shù)擬合式，獲得扇區(qū)運(yùn)行性能綜合指數(shù)高位區(qū)間所對應(yīng)的 扇區(qū)流量作為扇區(qū)通行能力檢測結(jié)果。
[0011] 其中，扇區(qū)通行性指標(biāo)分別為扇區(qū)航行里程、扇區(qū)航行時(shí)間。扇區(qū)復(fù)雜性指標(biāo)分 別為扇區(qū)航空器爬升次數(shù)、扇區(qū)航空器下降次數(shù)、扇區(qū)航空器改速次數(shù)、扇區(qū)航空器改航次 數(shù)。扇區(qū)安全性指標(biāo)分別為扇區(qū)短期沖突告警頻率和扇區(qū)最低安全高度告警頻率。扇區(qū)經(jīng) 濟(jì)性指標(biāo)分別為扇區(qū)排隊(duì)長度、扇區(qū)航空器延誤架次率、扇區(qū)航空器延誤時(shí)間、扇區(qū)航空器 平均延誤時(shí)間。管制員工作負(fù)荷指標(biāo)分別為陸空通話信道占用率、陸空通話次數(shù)。
[0012] 優(yōu)選的，步驟2包括如下步驟：
[0013] 步驟2.1:選取變量
[0014] 以扇區(qū)運(yùn)行性能綜合指數(shù)為因變量，扇區(qū)運(yùn)行性能指標(biāo)共計(jì)14項(xiàng)，記自變量x 為：
[0015] x = {x.j，j= 1，2... 14} (1)
[0016]其中，扇區(qū)通行性指標(biāo)為{xdx2}，扇區(qū)復(fù)雜性指標(biāo)為{x3, x4, x5, x6}，扇區(qū)安全性指 標(biāo)為&7，18}，扇區(qū)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)為& 9，11。，111，112}，管制員工作負(fù)荷指標(biāo)為& 13，114};
[0017] 以1小時(shí)作為時(shí)間片段長度，采集扇區(qū)運(yùn)行性能指標(biāo)數(shù)據(jù)，組成指標(biāo)樣本集；
[0018] 該樣本集中，時(shí)間片段的數(shù)量為n，即樣本的數(shù)量為n，其中n>14,扇區(qū)運(yùn)行性能指 標(biāo)數(shù)量為14個，構(gòu)建nX 14的指標(biāo)矩陣X，即：
[0019]
[0020] 步驟2. 2 :數(shù)據(jù)處理
[0021] 令第i個時(shí)間片段的第j項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)際值為x^，5為第j項(xiàng)指標(biāo)Xj的均值：
[0022]
[0023] s』為第j項(xiàng)指標(biāo)x』的標(biāo)準(zhǔn)差：
[0024]
[0025]yii ]為第i個時(shí)間片段無量綱化處理后的第j項(xiàng)指標(biāo)值，扇區(qū)運(yùn)行性能指標(biāo)分為兩 類，第一類為正向指標(biāo)，即值越大越好的指標(biāo)，第二類為逆向指標(biāo)，即值越小越好的指標(biāo)；對 于正向指標(biāo)：
[0026]
[0027] 對于逆向指標(biāo)，先取其倒數(shù)或取負(fù)獲得正向化過渡指標(biāo)X/ = (Xl, /，x2, /，? ? ?，xn,/ )T及其均值g '、標(biāo)準(zhǔn)差S]'，再進(jìn)行無量綱化處理，即：
[0028]
[0029]
[0030]步驟2. 3:主成分的確定
[0031] 無量綱化處理后，14個指標(biāo)的協(xié)方差矩陣就是相關(guān)系數(shù)矩陣，計(jì)算相關(guān)系數(shù) 矩陣的特征值并按從小到大排序，根據(jù)第j大特征值A(chǔ),所對應(yīng)的特征向量e,= (eu，eji2,. . .，e U4)l可以確定指標(biāo)矩陣X的第j個主成分；對于樣本集中第i個時(shí)間 片段的樣本指標(biāo)數(shù)據(jù)，第j個主成分為：
[0032] YXi j= e e J,2y1,2+- ? ? + e3,uh,u^j = 1, 2, . . . , 14 (8)
[0033] 第j個主成分的貢獻(xiàn)率為：
[0034]
[0035] 取m個主成分，使累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到80 %以上：
[0036] .
j~^
[0037] 其中，m是指主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到80%以上時(shí)對應(yīng)的主成分個數(shù)；
[0038] 步驟2. 4:扇區(qū)運(yùn)行性能綜合指數(shù)的計(jì)算
[0039] 對于樣本集中第i個時(shí)間片段的樣本指標(biāo)數(shù)據(jù)，結(jié)合計(jì)算得到的主成分及其貢獻(xiàn) 率可計(jì)算出扇區(qū)運(yùn)行性能綜合指數(shù)為：
[0040] (11)
[0041] 在公式（3)_(11)中，i為樣本序號，取值為1到n，j為指標(biāo)序號，取值為1到14。
[0042] 進(jìn)一步地，步驟1中的時(shí)間片段長度可自定義為15分鐘、30分鐘或1個小時(shí)。
[0043] 進(jìn)一步地，步驟2. 2中的正向指標(biāo)包括扇區(qū)通行性指標(biāo)和管制員工作負(fù)荷指標(biāo)。
[0044] 進(jìn)一步地，步驟2. 2中的逆向指標(biāo)包括扇區(qū)復(fù)雜性指標(biāo)、扇區(qū)安全性指標(biāo)和扇區(qū) 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。
[0045] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0046] 本發(fā)明基于實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的可采集性，構(gòu)建了具有完備性、普適性的扇區(qū)運(yùn)行性 能定量指標(biāo)體系。對影響扇區(qū)運(yùn)行性能的各維度指標(biāo)，進(jìn)行全面、綜合考慮，提出了基于多 屬性決策的主成分分析的扇區(qū)通行能力檢測新方法，相比于傳統(tǒng)的扇區(qū)通行能力檢測方法 更加全面、科學(xué)、準(zhǔn)確。
【附圖說明】
[0047] 圖1為本發(fā)明扇區(qū)通行能力檢測的流程圖。
[0048] 圖2為本發(fā)明扇區(qū)運(yùn)行性能綜合指數(shù)示意圖。
[0049]圖3為本發(fā)明扇區(qū)流量與扇區(qū)運(yùn)行性能綜合指數(shù)擬合圖。
【具體實(shí)施方式】
[0050] 本發(fā)明從空管自動化系統(tǒng)、轉(zhuǎn)報(bào)系統(tǒng)、VHF通信系統(tǒng)中采集綜合航跡、飛行計(jì)劃、語 音通信等實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，以國際民