基于航空公司间公平运行的航班计划分配方法及装置与流程

技术特征：

1.基于航空公司间公平运行的航班计划分配方法，其特征在于，所述方法包括：

获取待规划的空域集合、航空公司集合、航班集合、以及待分配的航班计划集合，其中，所述空域集合为s∈{1，...，S}，所述航空公司集合为所述航班集合为f∈{1，...，F}，所述航班计划集合为p∈{1，...，P_f}；

将获取的所述空域集合、所述航空公司集合、所述航班集合、以及所述航班计划集合输入至预先建立的航班计划管理模型，其中，所述航班计划管理模型包括：飞机相遇概率模型和公平运行规则模型；

利用所述航班计划管理模型分别为所述航空公司集合中的各个航空公司确定相应的航班计划子集；

依次输出确定出的多个所述航班计划子集，并将各个所述航班计划子集分配至相应的航空公司。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述航班计划管理模型分别为所述航空公司集合中的各个航空公司确定相应的航班计划子集包括：

根据获取的所述空域集合、航空公司集合、航班集合、待分配的航班计划集合、以及多个约束条件方程求解使目标函数最小化的解集；

根据求得的所述使目标函数最小化的解集确定所述航空公司集合中的各个航空公司的航班计划子集；

其中，所述目标函数公式为所述目标函数公式中的第一项表示为航班f选择航班计划p所需总消耗成本的总和，所述目标函数公式中的第二项表示对各个航空公司的加权平均协作低效率施加的惩罚，所述目标函数公式中的第三项表示对各个航空公司的加权平均协作不公平性施加的惩罚，所述目标函数公式中的第四项表示对各个航空公司的最大加权平均协作不公平性施加的惩罚，所述目标函数公式中的第五项表示对各个空域的工作负荷的总和，所述目标函数公式中的第六项表示对各个空域的工作负荷峰值大于预设工作负荷施加的惩罚，所述目标函数公式中的第七项表示交通管制员消除冲突航班计划(P，Q)冲突发生所需成本，c_fp表示执行航班f的航班计划p∈P_f0所需总消耗成本，x_fp表示航班f选择航班计划p二进制变量，如果为航班f选择航班计划p，则x_fp等于1，否则x_fp等于0，μ^D表示与获得的总加权协作低效率相关的惩罚成本系数，ω_a表示每个航空公司a的加权系数，E_a(x)表示航空公司a的协作效率，μ^e表示与获得的总加权协作不公平性等级相关的惩罚成本系数，x^e表示平均协作不公平性，表示与获得的最大加权协作不公平性相关的惩罚成本系数，表示最大加权不公平性，γ_s表示空域s的监控惩罚成本在每单位平均占有率的工作负荷，ω_s表示空域s的平均航班数量，ψ_sn表示空域s中的监测工作负荷峰值大于预设工作负荷n时的惩罚成本，y_sn表示附属于分段线性递增凸惩罚函数的凸组合权重，即空域s中的工作负荷峰值和平均值的差值所引起的惩罚，表示在最大可允许的监视工作负荷下同时占用空域s中的航班数量的最大值，表示消除冲突航班计划(P,Q)冲突发生所需的惩罚成本，z_PQ表示选择冲突航班计划(P，Q)的二进制变量，如果选择冲突航班计划(P，Q)，则z_PQ等于1。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据获取的所述空域集合、航空公司集合、航班集合、待分配的航班计划集合、以及多个约束条件方程求解使目标函数最小化的解集包括：

将获取的所述空域集合、航空公司集合、航班集合、待分配的航班计划集合代入初始目标函数，得到最终目标函数；

通过如下多个约束条件方程对所述最终目标函数中的参数进行约束，计算得到使所述最终目标函数最小化的解集；

其中，多个所述约束条件方程包括：基础约束条件方程、第一约束条件方程、第二约束条件方程、第三约束条件方程、第四约束条件方程、第五约束条件方程，

所述基础约束条件方程为

所述第一约束条件方程为所述第一约束条件方程对应的约束条件为每个航班均对应唯一的航班计划；

所述第二约束条件方程为所述第二约束条件方程对应的约束条件为空域s允许的航班数量小于所述空域s的最大航班数量；

所述第三约束条件方程为所述第三约束条件方程对应的约束条件为对附属于分段线性递增凸惩罚函数的凸组合权重进行归一化；

所述第四约束条件方程为x_P+x_Q≤1，所述第四约束条件方程对应的约束条件为排除所有存在致命性冲突的成对航班计划；

所述第五约束条件方程为

$\left\{\begin{array}{c}\underset{(P,Q)\∈M_{sk}}{\Σ}{z}_{PQ}\≤r_s,\∀k=1,\mathrm{...},K_s,\∀s=1,\mathrm{...},S\\ x_P+x_Q-z_{PQ}\≤1,\∀(P,Q)\∈A\\ \underset{Q\∈J_{sk}\left(P\right)}{\Σ}{z}_{PQ}\≤r_s{x}_P,\∀P\∈N_{sk}:\left|J_{sk}\left(P\right)\right|\≥r_s+1\end{array}\right.;$

所述第五约束条件方程对应的约束条件为在任意时间点空域s内的冲突数量小于允许存在的同时冲突解决的最大冲突数量；

其中，v^e表示施加于平均协作不公平性x^e上的最大值，即加权平均协作不公平性，n_s表示空域s的最大航班数量，v_a表示航空公司a的协作公平性的变量，r_s表示空域s中允许存在的同时冲突解决的最大冲突数量，C_si表示空域s占用航班计划的最大交迭集，M_sk表示空域s中存在冲突的航班计划组的最大交迭集，J_sk(P)表示冲突曲线图G_sk中与航班计划P相邻的航班计划Q子集，N_sk表示包含入边集M_sk的各航班计划，FC表示不可避免的相互冲突的航班计划(P，Q)的子集，A表示可解决的相互冲突的航班计划(P，Q)的子集，x_P表示相互冲突的航班计划(P，Q)中航班计划P二进制变量，x_Q表示相互冲突的航班计划(P，Q)中航班计划Q二进制变量。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据公式计算平均协作低效率，其中，x^D表示平均协作低效率，ω_a表示每个航空公司a的加权系数，E_a(x)表示航空公司a的协作效率；

根据公式计算平均协作不公平性，其中，x^e表示平均协作不公平性，ω_a表示每个航空公司a的加权系数，v_a表示航空公司a的协作公平性的变量；

根据公式计算对各个航空公司的最大加权平均协作不公平性，其中，表示最大加权不公平性，ω_a表示每个航空公司a的加权系数，表示航空公司a的协作公平性；

其中，空域s的平均航班数量H表示考虑中的时间范围长度，单位为分钟，Ω_s表示在某一时间范围子集内占用空域s的航班计划子集，表示航班f的航班计划p占用空域s的时间长度，单位为分钟，x_fp表示航班f选择航班计划p二进制变量，如果为航班f选择航班计划p，则x_fp等于1，否则x_fp等于0；

空域s的最大航班数量与平均航班数量的差值n_s表示空域s的最大航班数量，ω_s表示空域s的平均航班数量，表示在最大可允许的监视工作负荷下同时占用空域s中的航班数量的最大值，n表示在最大可允许的监视工作负荷下同时占用空域s中的航班数量，y_sn表示附属于分段线性递增凸惩罚函数的凸组合权重，即空域s中的工作负荷峰值和平均值的差值所引起的惩罚；

航空公司a的协作效率D_max表示各个航空公司分配的航班计划的成本与各个航空公司单独优化的航班计划的成本之间的最大允许比例，A_a表示属于航空公司a的航班子集，W_f表示航空公司a附加于航班f∈A_a的相对优先权系数，表示每个航班f执行航班计划p所需总消耗成本的最小值，c_fp表示执行航班f的航班计划p∈P_f0所需总消耗成本，x_fp表示航班f选择航班计划p二进制变量，如果为航班f选择航班计划p，则x_fp等于1，否则x_fp等于0；

航空公司a的协作公平性E_a(x)表示航空公司a的协作效率，ω_a表示每个航空公司a的加权系数。

5.根据权利要求2-4任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据公式c_fp＝F_fp+D_fp+c_f0，f∈{1，...，F}，p∈{1，...，P_f}计算执行航班f的航班计划p所需总消耗成本，其中，F_fp表示燃料消耗成本，D_fp表示航班抵达延误成本，c_f0表示航班计划取消成本；

通过如下公式计算执行航班f的航班计划p所需总消耗成本中的燃料消耗成本；

其中，函数F_fuel-cost(·)是根据欧洲控制实验中心开发和维护的飞机性能数据库确定的；

通过如下公式计算执行航班f的航班计划p所需总消耗成本中的航班抵达延误成本；

其中，表示航班抵达延误时间，表示航班延误因子，l_f表示航班f的乘客载荷估值，δ表示所有航空公司和航空公司各自的航班的每个乘客的平均延误成本；

通过如下公式计算执行航班f的航班计划p所需总消耗成本中的航班计划取消成本；

其中，F_fp表示执行航班f的航班计划p所需的燃料消耗成本，表示取消航班的预计延误价值，表示航班延误因子，l_f表示航班f的乘客载荷估值，δ表示所有航空公司和航空公司各自的航班的每个乘客的平均延误成本。

6.基于航空公司间公平运行的航班计划分配装置，其特征在于，所述装置包括：

获取模块，用于获取待规划的空域集合、航空公司集合、航班集合、以及待分配的航班计划集合，其中，所述空域集合为s∈{1，...，S}，所述航空公司集合为所述航班集合为f∈{1，...，F}，所述航班计划集合为p∈{1，...，P_f}；

输入模块，用于将获取的所述空域集合、所述航空公司集合、所述航班集合、以及所述航班计划集合输入至预先建立的航班计划管理模型，其中，所述航班计划管理模型包括：飞机相遇概率模型和公平运行规则模型；

确定模块，用于利用所述航班计划管理模型分别为所述航空公司集合中的各个航空公司确定相应的航班计划子集；

输出模块，用于依次输出确定出的多个所述航班计划子集，并将各个所述航班计划子集分配至相应的航空公司。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述确定模块包括：

最小化解集确定单元，用于根据获取的所述空域集合、航空公司集合、航班集合、待分配的航班计划集合、以及多个约束条件方程求解使目标函数最小化的解集；

航班计划子集确定单元，用于根据求得的所述使目标函数最小化的解集确定所述航空公司集合中的各个航空公司的航班计划子集；

其中，所述目标函数公式为所述目标函数公式中的第一项表示为航班f选择航班计划p所需总消耗成本的总和，所述目标函数公式中的第二项表示对各个航空公司的加权平均协作低效率施加的惩罚，所述目标函数公式中的第三项表示对各个航空公司的加权平均协作不公平性施加的惩罚，所述目标函数公式中的第四项表示对各个航空公司的最大加权平均协作不公平性施加的惩罚，所述目标函数公式中的第五项表示对各个空域的工作负荷的总和，所述目标函数公式中的第六项表示对各个空域的工作负荷峰值大于预设工作负荷施加的惩罚，所述目标函数公式中的第七项表示交通管制员消除冲突航班计划(P，Q)冲突发生所需成本，c_fp表示执行航班f的航班计划p∈P_f0所需总消耗成本，x_fp表示航班f选择航班计划p二进制变量，如果为航班f选择航班计划p，则x_fp等于1，否则x_fp等于0，μ^D表示与获得的总加权协作低效率相关的惩罚成本系数，ω_a表示每个航空公司a的加权系数，E_a(x)表示航空公司a的协作效率，μ^e表示与获得的总加权协作不公平性等级相关的惩罚成本系数，x^e表示平均协作不公平性，表示与获得的最大加权协作不公平性相关的惩罚成本系数，表示最大加权不公平性，γ_s表示空域s的监控惩罚成本在每单位平均占有率的工作负荷，ω_s表示空域s的平均航班数量，ψ_sn表示空域s中的监测工作负荷峰值大于预设工作负荷n时的惩罚成本，y_sn表示附属于分段线性递增凸惩罚函数的凸组合权重，即空域s中的工作负荷峰值和平均值的差值所引起的惩罚，表示在最大可允许的监视工作负荷下同时占用空域s中的航班数量的最大值，表示消除冲突航班计划(P,Q)冲突发生所需的惩罚成本，z_PQ表示选择冲突航班计划(P，Q)的二进制变量，如果选择冲突航班计划(P，Q)，则z_PQ等于1。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述最小化解集确定单元包括：

最终目标函数确定子单元，用于将获取的所述空域集合、航空公司集合、航班集合、待分配的航班计划集合代入初始目标函数，得到最终目标函数；

最小化解集求解子单元，用于通过如下多个约束条件方程对所述最终目标函数中的参数进行约束，计算得到使所述最终目标函数最小化的解集；

其中，多个所述约束条件方程包括：基础约束条件方程、第一约束条件方程、第二约束条件方程、第三约束条件方程、第四约束条件方程、第五约束条件方程，

所述基础约束条件方程为

所述第一约束条件方程为所述第一约束条件方程对应的约束条件为每个航班均对应唯一的航班计划；

所述第二约束条件方程为所述第二约束条件方程对应的约束条件为空域s允许的航班数量小于所述空域s的最大航班数量；

所述第三约束条件方程为所述第三约束条件方程对应的约束条件为对附属于分段线性递增凸惩罚函数的凸组合权重进行归一化；

所述第四约束条件方程为x_P+x_Q≤1，所述第四约束条件方程对应的约束条件为排除所有存在致命性冲突的成对航班计划；

所述第五约束条件方程为

$\left\{\begin{array}{c}\underset{(P,Q)\∈M_{sk}}{\Σ}{z}_{PQ}\≤r_s,\∀k=1,\mathrm{...},K_s,\∀s=1,\mathrm{...},S\\ x_P+x_Q-z_{PQ}\≤1,\∀(P,Q)\∈A\\ \underset{Q\∈J_{sk}\left(P\right)}{\Σ}{z}_{PQ}\≤r_s{x}_P,\∀P\∈N_{sk}:\left|J_{sk}\left(P\right)\right|\≥r_s+1\end{array}\right.;$

所述第五约束条件方程对应的约束条件为在任意时间点空域s内的冲突数量小于允许存在的同时冲突解决的最大冲突数量；

其中，v^e表示施加于平均协作不公平性x^e上的最大值，即加权平均协作不公平性，n_s表示空域s的最大航班数量，v_a表示航空公司a的协作公平性的变量，r_s表示空域s中允许存在的同时冲突解决的最大冲突数量，C_si表示空域s占用航班计划的最大交迭集，M_sk表示空域s中存在冲突的航班计划组的最大交迭集，J_sk(P)表示冲突曲线图G_sk中与航班计划P相邻的航班计划Q子集，N_sk表示包含入边集M_sk的各航班计划，FC表示不可避免的相互冲突的航班计划(P，Q)的子集，A表示可解决的相互冲突的航班计划(P，Q)的子集，x_P表示相互冲突的航班计划(P，Q)中航班计划P二进制变量，x_Q表示相互冲突的航班计划(P，Q)中航班计划Q二进制变量。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

协作低效率计算模块，用于根据公式计算平均协作低效率，其中，x^D表示平均协作低效率，ω_a表示每个航空公司a的加权系数，E_a(x)表示航空公司a的协作效率；

协作不公平性计算模块，用于根据公式计算平均协作不公平性，其中，x^e表示平均协作不公平性，ω_a表示每个航空公司a的加权系数，v_a表示航空公司a的协作公平性的变量；

最大加权平均协作不公平性计算模块，用于根据公式

计算对各个航空公司的最大加权平均协作不公平性，其中，表示最大加权不公平性，ω_a表示每个航空公司a的加权系数，表示航空公司a的协作公平性；

其中，空域s的平均航班数量H表示考虑中的时间范围长度，单位为分钟，Ω_s表示在某一时间范围子集内占用空域s的航班计划子集，表示航班f的航班计划p占用空域s的时间长度，单位为分钟，x_fp表示航班f选择航班计划p二进制变量，如果为航班f选择航班计划p，则x_fp等于1，否则x_fp等于0；

空域s的最大航班数量与平均航班数量的差值n_s表示空域s的最大航班数量，ω_s表示空域s的平均航班数量，表示在最大可允许的监视工作负荷下同时占用空域s中的航班数量的最大值，n表示在最大可允许的监视工作负荷下同时占用空域s中的航班数量，y_sn表示附属于分段线性递增凸惩罚函数的凸组合权重，即空域s中的工作负荷峰值和平均值的差值所引起的惩罚；

航空公司a的协作效率D_max表示各个航空公司分配的航班计划的成本与各个航空公司单独优化的航班计划的成本之间的最大允许比例，A_a表示属于航空公司a的航班子集，W_f表示航空公司a附加于航班f∈A_a的相对优先权系数，表示每个航班f执行航班计划p所需总消耗成本的最小值，c_fp表示执行航班f的航班计划p∈P_f0所需总消耗成本，x_fp表示航班f选择航班计划p二进制变量，如果为航班f选择航班计划p，则x_fp等于1，否则x_fp等于0；

航空公司a的协作公平性E_a(x)表示航空公司a的协作效率，ω_a表示每个航空公司a的加权系数。

10.根据权利要求7-9任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

总消耗成本计算模块，用于根据公式

c_fp＝F_fp+D_fp+c_f0，f∈{1，...，F}，p∈{1，...，P_f}计算执行航班f的航班计划p所需总消耗成本，其中，F_fp表示燃料消耗成本，D_fp表示航班抵达延误成本，c_f0表示航班计划取消成本；

其中，通过如下公式计算执行航班f的航班计划p所需总消耗成本中的燃料消耗成本；

其中，函数F_fuel-cost(·)是根据欧洲控制实验中心开发和维护的飞机性能数据库确定的；

通过如下公式计算执行航班f的航班计划p所需总消耗成本中的航班抵达延误成本；

其中，表示航班抵达延误时间，表示航班延误因子，l_f表示航班f的乘客载荷估值，δ表示所有航空公司和航空公司各自的航班的每个乘客的平均延误成本；

通过如下公式计算执行航班f的航班计划p所需总消耗成本中的航班计划取消成本；

其中，F_fp表示执行航班f的航班计划p所需的燃料消耗成本，表示取消航班的预计延误价值，表示航班延误因子，l_f表示航班f的乘客载荷估值，δ表示所有航空公司和航空公司各自的航班的每个乘客的平均延误成本。