专利名称：区域空中交通网络流量调度方法
技术领域：
本发明是一种针对空管领域中空中交通网络流调度的技术，即在充分考虑天气因 素下通过确定航段行程时间来进行航班的调度。
背景技术：
在现在的空管系统中，以往的空中流量调度主要集中在终端区，包括起飞流量控 制和降落流量控制，对于区域空中交通网络内的流量分配，调度研究工作和相关报道都比 较少。随着民航业的发展，各条新航线的建立，各机场间的航线图越来越网络化，尤其在枢 纽机场周围，这种航线网络较为普遍，也使得某条线路的拥堵会造成航线网络的拥堵，所 以，也使得基于区域空中交通网络中的空管研究成为新的研究热点。其次，天气造成的航班 延误具有传递和扩散效应，这在枢纽机场和其周边机场及空域组成的区域空中交通网络中 更加明显，也使得研究范围扩展至区域空中交通网络成为必然。此外，对于空中交通网络， 恶劣天气不仅会对航路的容量造成影响，而且对航班飞行计划也会造成影响，也就是对空 中交通网络的供需双方均产生影响，造成供需不平衡，这种不平衡体现在航班的延误增加 和航路拥堵加剧上。
发明内容
本发明的目的是在空中交通网络中寻找上述变量之间的联系，建立流量调度模 型，为空中交通管理提供决策支持。从空中交通网络的层次上研究空中交通管制方法则要 考虑各OD对之间航班飞行计划，天气变化对航路的影响，航班调度策略，航段行程时间，流 量分配之间联系，这些变量互相影响，反映空中交通网络运行过程。研究这些变量之间的数 学关系，为空中交通管制方法的设计提供理论依据。从交通网络供需角度而言，空中交通网络中的流量调度规则由两个因素决定，一 是需求，即由各OD对间的航班飞行计划产生的流量需求，另一个则是供应，各航段能够提 供的容量。此时，流量调度的目标是将由飞行计划产生的流量需求按照一定调度规则分配 到各航段，使得航班延误最小。对于每个航班而言，由于具有不同的风险认识和出行目的， 各航班有着不同的调度规则，每个的航班都力图使自己延误最小，每个航班均选择使其延 误最小的航路，空中交通网络达到供需平衡。本发明的优点在于(1)模型的自适应性。从控制论角度而言，空中交通流量调度模型(式31-式35) 建立系统输入(流量需求，即式33中的(T)，系统输出(即式34中的xa)，系统参数(D'p， 包括天气对对航段容量的影响，调度策略λ)，由于系统参数均为可变，可通过系统输出来 调整系统参数，所以该模型满足自适应控制的定义，可实现自适应流量调度。(2)模型求解的效率。模型求解的决策变量是航段容量xa，其数量等于航段数，即 模型要求解的未知量个数有限，系统参数巧也是针对三种不同的调度策略而言，故而模型 的解空间范围也较小，模型求解效率较高。
空中交通流量调度模型综合考虑了空中交通网络的拓扑结构，天气变化的影响， 以及航班飞行计划需求以及空中交通管理中调度管制规则等的影响，建立这些变量之间关 系，使之能反映各因素变化对于空中流量分布的影响，为空中交通流量管理提供决策依据。
图1空中交通网络流量调度流程图
具体实施例方式以下结合附图详细说明用有向图G( N，Α)表示一个多起点，多终点的空中交通网络。N为节点集，A为边 集合，R为起点集合，S为终点集合，(r, s)为以r(r e R)为起始节点，s(s e S)为目的节 点的O-D对。节点用来表示机场和航路点，边则表示航路段(两航路点之间的航线，以下简 称航段)，连接起始节点和目的节点的航线称为航路。PreSO-D对(r，s)间所有航路的集 合。为便于研究，模型应满足以下条件(1)每个航班均应在航路上运行；(2)在研究的时间段
内所有航班均能起飞；(3)为减少航班延误，可采用地面等待，减速，绕飞，改航等流量控制策略。定义1 航段的行程时间是飞机通过该航段所需的时间。Menon(2004)定义了空中交通流描述方法，将航路上的飞机流视为连续流体，飞机
流的流量、速度、密度等集聚变量为以时间和空间为自变量的连续函数，飞机流的运行满足
交通流运动方程，连续性方程以及速度_密度关系式。所以，可采用空中交通流描述方法来
描述在航路上运行的飞机流。在航段上，由速度_密度关系式可知 / , . \V(X) = Vr 1-^·(1)
V Po )在上式中，ν (t)为航段上在t时刻飞机流平均速度，P (t)为航段上在t时刻飞机 流的实际密度，P。为航段上飞机流的阻塞密度，Vf为自由流状态下航段上飞机流的平均速 度。当ρ = P。时，ν = 0，即交通流处于停止状态中，这一现象在空中交通流中是不存在 的，这是因为飞机流的平均速度任何时刻都不能为零，所以应重新定义P。，其应为航段上 航班间保持最小平均安全间距时获得航段空间占有率。当P = P。，此时飞机流的平均速 度ν最小，ν = Vm > 0。故(18)式可改写为v(0 二 Vm+(V/-Vm)(i-塑)(2)
I ρ )由(2)式知，速度与密度仍保持近似单调线性关系，仍满足速度-密度公式，所以 上式可用来描述飞机流。又由速度、密度，流量之间的关系知，q = VP，其中q为航段上的 飞机流的流量，将其代入式(2)可建立流量和密度的关系式+(3)
Pn 令g = 0，可知式(5)的最大值为
权利要求
一种针对空管领域中空中交通网络流调度的方法，它包括根据运动方程、连续性方程以及速度 密度关系式确定航段行程时间；根据利用航路行程时间和航段行程时间的关系以及中心极限定理，确定随机天气下对行程时间的影响和行程时间的可靠性，即确定计划行程时间内航班从起始机场起飞到达目的机场的概率；根据航班平衡条件和等价的空中交通流量调度数学规划模型，确定空中交通流量调度方法，将由飞行计划产生的流量需求按照一定调度规则分配到各航段。
2.如权利要求1所述的方法，它包括建立一个空中交通网络系统，该系统特征在于每 个航班均应在航路上运行，在研究的时间段内所有航班均能起飞，同时为减少航班延误，可 采用地面等待、减速、绕飞、改航等流量控制策略。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于航段的行程时间是飞机通过该航段所需的 时间，将航路上的飞机流视为连续流体，飞机流的流量、速度、密度等集聚变量为以时间和 空间为自变量的连续函数，飞机流的运行满足交通流运动方程、连续性方程以及速度-密 度关系式，便可采用空中交通流描述方法来描述在航路上运行的飞机流。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于不确定天气下的航段容量为一随机变量，则 航段行程时间也为一随机变量，可采用一维连续随机变量进行处理。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于利用航路行程时间和航段行程时间的关系， 以及中心极限定理可知，航路行程时间应满足正态分布，可求得航路行程时间及其均值和 标准差。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于在不确定天气影响下，航段容量的波动导致 航路行程时间的波动，各航空公司在制定飞行计划时，无法得到确切行程时间的先验知识， 为规避恶劣天气产生的风险，除了考虑例行行程时间之外，还应增加边际行程时间。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于在空中交通流量管理中，增加边际行程时间 可以通过地面等待等流量控制策略实现。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于航路行程时间可靠性是指在计划行程时间 内航班从起始机场起飞到达目的机场的概率，确定航路行程时间的可靠性的计算方法。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于确定航班调度规则类别和平衡条件，航班在 调度规则下沿航路运行产生的延误时间，等于航班的计划行程时间与实际行程时间之间的 差值。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于构造等价的空中交通流量调度数学规划模 型，其目标就是将流量需求按调度规则进行分配，使得每个航班延误最小。
全文摘要
区域空中交通网络流量调度方法，是基于空中交通网络进行研究的，从空中交通流角度出发，研究了天气变化与航段容量变化之间的联系，在此基础上建立航段流量与行程时间之间的联系，讨论了不确定天气条件下航班行程时间可靠性与调度规则的联系，在区域空中交通网络中建立基于Wardrop平衡的流量调度模型，提供了平衡分配各航段流量，各航路调度策略的方法，为空中交通规划管理提供决策支持，达到航班的最优调度。
文档编号G08G5/00GK101950493SQ20101027813
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月10日 优先权日2010年9月10日
发明者王斯梁, 王明辉, 胡俊 申请人:四川大学