基于高度层与飞机类型的航路利用率评估方法与流程

本发明涉及航路利用率的
技术领域：
。
背景技术：
：航路利用率是飞机对空域环境的利用能力，是空域利用程度的指标。获得精确的航路利用率是了解航路资源利用程度的基础。而航路利用率在不同时段、不同航路上存在差异，且随飞机类型、飞行高度的不同不断发生变化，通过常规统计难以得到准确结果。近年来，现有技术对航路利用率的研究多集中于研究短时利用率，且是以确定的时间、空间条件为基础，研究航路容量利用率，并未实现时间、空间及容流三个角度的综合研究。如部分现有技术提出了基于流量需求的航路短时利用率计算模型，部分现有技术建立了基于高度层的航路短时利用率模型，部分现有技术建立了综合区域管制空域利用率计算模型。以上模型均只能计算短时利用率，且未考虑高度层对不同类型飞机的适用性不同对航路利用率的影响，未实现多维影响因素的综合评估。技术实现要素：本发明的目的在于提出一种新的航路利用率评估方法，其可获得高精度的航路利用率结果，并对不同高度层的不同类型飞机均适用。为实现上述目的，本发明首先提出了如下的技术方案：基于高度层与飞机类型的航路利用率评估方法，其通过评估模型对航路利用率进行评估，所述评估模型包括以下构建条件：在航路上飞行时，飞机间保持一定间隔以满足安全运行的需要；飞机在航路上飞行时，按照标准的飞行高度层飞行；在环境条件确定的情况下，不同类型的飞机具有不同的一个或两个最佳巡航高度层；相同类型的飞机在不同高度层上飞行时，平均巡航速度存在差异，飞机对航路的利用率不同；不同类型的飞机在相同高度层上飞行时，对航路的利用率不同；不同类型飞机在各高度层上飞行的频率不同，对各高度层的航路资源的利用率不同；其中，航路的高度层分为：最佳高度层fl，适用高度层[fl1,fl]与[fl,fl2]，较适用高度层[fl3,fl1]与[fl2,fl4]，较不适用高度层[fl5,fl3]与[fl4,fl6]，及不适用高度层fl5以下与fl6；飞机的类型分为：大型机、中型机和小型机。在一些优选实施方式中，通过如下的评估模型对航路利用率进行评估：航路利用率＝δ1×航路时间利用率+δ2×航路空间利用率+δ3×航路容量利用率，其中，δ1、δ2、δ3分别表示航路时间利用率、航路空间利用率、航路容量利用率在航路利用中的权重值。在一些优选实施方式中，所述航路时间利用率通过如下的航路时间利用率模型获得：其中，t表示飞机的实际运行时间，其通过统计在固定航路段的某一高度层上、有飞机飞行的时间片获得，t表示飞机的可用总飞行时间。在一些优选实施方式中，所述航路空间利用率通过如下的航路空间利用率模型获得：其中，l表示飞机的实际占用空间，其通过统计在给定时间片内某一高度层上、有飞机飞行的航路段获得，l表示飞机的可用总空间。在一些优选实施方式中，所述航路容量利用率通过如下的航路容量利用率模型获得：其中，f表示飞机的实际流量，其通过统计在给定时间片内某一高度层给定航路段上、飞行的飞机数量获得，f表示飞机的最大容量。在一些优选实施方式中，所述飞机的实际流量f通过如下的模型获得：其中，fij表示不同类型飞机在不同高度层的实际流量；且所述飞机的最大容量f通过如下的模型获得：其中，fij表示不同类型飞机在不同高度层的最大容量。在一些优选实施方式中，所述时间片的划分过程为：将给定的时段[0,tt]划分为若干时间片[0,t1]，[t1,t2]，…，[tt-1,tt]，其中每个时间片的长度为飞机飞越最小标准间隔所需的时间。在一些优选实施方式中，所述航路段的划分过程为：将给定的航路[0,ll]划分为若干航路段[0,l1]，[l1,l2]，…，[ll-1,ll]，其中每个航路段的长度为飞机间的最小标准间隔。在一些优选实施方式中，所述权重值通过critic权重法确定。在一些优选实施方式中，所述评估模型如下：其中，fl表示全部高度层，nl表示全部航路段，nt表示全部时间片。本发明具有以下有益效果：本发明针对各高度层对不同类型飞机的适用性不同的现状，提出了一种新的基于高度层与飞机类型的航路利用率评估方法。本发明融合了时间、空间、容流三个因素，考虑了各高度层对不同类型飞机的适用性的差异，获得的评估模型其计算精度高于一般的航路利用率模型。本发明创新性的研究了各高度层对不同类型飞机的适用性，得到了更高效准确的评估模型。附图说明图1为具体实施方式所述航路利用率获取流程示意图。图2为具体实施方式所述航路时间利用率获取流程示意图。图3为具体实施方式所述航路空间利用率获取流程示意图。图4为具体实施方式所述航路容量利用率获取流程示意图。具体实施方式以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。在下述具体实施方式及实施例中，模型符合以下实际情况：a.飞机安全飞行标准：飞机在航路上飞行时，飞机间需保持一定间隔以满足安全运行的需要。如：(1)同航迹，同高度目视飞行的航空器之间纵向间隔为：指示空速250公里/小时(含)以上的航空器之间为5公里；指示空速250公里/小时以下的航空器之间为2公里。(2)仪表飞行规则中，同航迹、同高度、不同速度飞行的航空器，纵向间隔为10分钟。即，下述飞机在航路上飞行的实际运行时间、可用总飞行时间、实际占用空间、可用总空间、实际流量及最大容量受飞行间隔要求的影响，与飞机的运行类型、飞行高度及速度等因素有关。具体的，其中：飞机实际运行时间是指在满足纵向时间间隔的条件下，航路上有飞机飞行的实际时间。飞机实际运行时间可通过统计给定航路上实际有飞机飞行的时间片确定。飞机可用总飞行时间是指在满足纵向时间间隔的条件下，可供飞机在航路上正常飞行的总时间。飞机可用总飞行时间可通过统计可供飞机在给定航路上正常飞行的总时间获得。飞机实际占用空间是指在满足纵向距离间隔的条件下，航路上有飞机飞行的实际空间。飞机实际占用空间可通过统计给定时段内实际有飞机飞行的航路段，汇总各航路段的空间范围确定。飞机可用总空间是指在满足纵向距离间隔的条件下，可供飞机在航路上正常运行的总空间。飞机可用总空间可通过统计给定时段内可供飞机在航路上正常运行的空间范围确定。飞机实际流量是指在满足飞行间隔的条件下，航路上实际飞行的飞机总架次。飞机实际流量可通过统计给定时段内固定航路上实际飞行的飞机架次数确定。最大容量是指在满足飞行间隔的条件下，航路上能服务的飞机架次总数。最大容量可通过统计考虑管制员工作负荷的条件下，航路上能正常运行的飞机架次总数获得。b.飞机高度层配备标准：根据《中华人民共和国飞行基本规则》中的规定：航路、航线飞行或转场飞行的垂直间隔，按照飞行高度层配备。其中，600米至8400米，每隔300米为一个高度层；8400米至8900米，隔500米为一个高度层；8900米至12500米，每隔300米为一个高度层；12500米以上，每隔600米为一个高度层。c.高度层与飞机类型适配标准：包括：在飞行限制高度层：为保障飞行安全，飞机的飞行高度层存在一定的限制。飞行高度层根据飞行任务的性质、飞机性能、飞行区域以及航线的结构、天气和飞行情况等配备。在实际运行中，不同类型飞机受使用环境包线限制，飞行限制高度层不同。飞机的飞行高度上限主要决定于动力装置，下限主要决定于能安全平飞的最小速度和飞机的机动性。在最佳巡航高度层：由飞机性能可知，在飞机类型确定的情况下，由飞机的巡航重量或松刹车重量、巡航方式(如远程巡航、等马赫数巡航)，可得飞机的最佳巡航高度；当飞机的航程为短航程时，依据巡航距离、环境大气温度及松刹车重量，可得飞机的最佳巡航高度。不同类型的飞机，在巡航重量、巡航方式确定的条件下，最佳巡航高度层存在差异。如：在巡航重量为70000千克，远程巡航方式时，b737-800型号的飞机，最佳巡航高度为34400英尺，依据“东单西双”的飞行规则，最佳飞行高度层为：34100英尺、36100英尺；或33100英尺、35100英尺。而在相同的环境条件下，b757-200型号飞机的最佳巡航高度为42000英尺，最佳飞行高度层为：40100英尺、43100英尺；或39100英尺、41100英尺。飞机类型要求：飞机常被划分为大型机、中型机、小型机三类。考虑到飞机的性能、经济性等，中型以上飞机常在海拔7000米至12000米的高空飞行，小型机常在海拔7000米以下飞行。在相同的环境条件下，相同类型的飞机在不同高度层上飞行时，对航路资源的利用率存在差异；而不同类型的飞机在相同的高度层上飞行时，其巡航效果也不同。如：当巡航距离为3500海里，以远程巡航速度在fl351巡航，航路风为静风，温度为isa，巡航结束时重量为70000千克时，b737-800型号飞机的飞行时间为：8小时6分钟，平均巡航速度为695千米/小时；在同样的环境条件下，b757-200型号飞机的飞行时间为：8小时，平均巡航速度为704千米/小时；而b737-800型号的飞机在fl331巡航，其他条件不变的情况下，飞行时间为：8小时18分钟，平均巡航速度为679千米/小时。根据以上各标准，本发明的模型做出如下设定：飞机在航路上飞行时，飞机间保持一定间隔以满足安全运行的需要。飞机在航路上飞行时，必须按照标准的飞行高度层飞行。在环境条件确定的情况下，不同类型的飞机具有不同的一个或两个最佳巡航高度层。相同类型的飞机在不同高度层上飞行时，平均巡航速度存在差异，飞机对航路的利用率不同。不同类型的飞机在相同高度层上飞行时，对航路的利用率不同。不同类型飞机在各高度层上飞行的频率不同，对各高度层的航路资源的利用率不同。在上述设定下，本发明首先做出飞行高度层的划分，并为不同类型飞机在各高度层设置不同的航路利用权重，其中权重值由高度层对飞机的适用性及飞机在高度层上运行的频率确定。具体如下：高度层划分：将航路的高度层按飞行高度层配备标准及其对飞机的适用性划分为最佳高度层fl、适用高度层[fl1,fl]与[fl,fl2]、较适用高度层[fl3,fl1]与[fl2,fl4]、较不适用高度层[fl5,fl3]与[fl4,fl6]及不适用高度层fl5以下与fl6，共5类。权重设置：当飞机在最佳高度层fl上飞行时，飞机对航路的利用率达到最高，权重值为1；在飞机在适用高度层、较适用高度层、较不适用高度层及不适用高度层上飞行时，因其在不同高度层上运行的频率不同，对各高度层资源的利用程度也不同，因此对权重进行分别设置，如下表1所示。表1不同类型飞机在各类型高度层的航路利用权重设置表大型机中型机小型机flγ11γ12γ13[fl1,fl]、[fl,fl2]γ21γ22γ23[fl3,fl1]、[fl2,fl4]γ31γ32γ33[fl5,fl3]、[fl4,fl6]γ41γ42γ43fl5以下、fl6以上γ51γ52γ53即，不同类型飞机在各类型高度层上飞行时，航路利用的权重值为γij(i＝1,2,3,4,5；j＝1,2,3)，其中i表示高度层类型，j表示飞机类型。在此基础上，通过如附图1所示的流程获取本发明的航路利用率评估模型。其中，设定其可通过航路时间、空间、容流三个因素获得，即本发明的基础航路利用率评估模型如下：航路利用率＝δ1×航路时间利用率+δ2×航路空间利用率+δ3×航路容量利用率，其中，δ1、δ2、δ3分别表示航路时间利用率、航路空间利用率、航路容量利用率在航路利用中的权重值。上述模型特别适用于如下的应用条件：(1)飞机飞行过程中，在固定时段内，航路的容量不受恶劣天气等环境因素的影响，是固定不变的。(2)飞机在固定时段内，以平均巡航速度飞行，未发生穿越高度层现象，不出现超越，不考虑在航路交叉点附近的运行。进一步的，其中航路时间利用率可通过如附图2所示的获取流程得到。其中，其具体获取过程如下：首先对时间段进行划分。在划分时间片时，优选：(1)为保障航路利用率结果的精确性，时间片的选取不能过大或过小；(2)时间片的划分需与航路段长短的选取相适应。具体划分方法可如：将给定的时段[0,tt]划分为若干时间片[0,t1]，[t1,t2]，…，[tt-1,tt]。本发明设定时间片为飞机飞越最小标准间隔所需的时间，取最小时间为时间片。在固定航路段的某一高度层上，若在部分时间片内有飞机飞行，则将这些时间片计入飞机的实际运行时间t，飞机的可用总飞行时间为可用的全部时间t，则该航线段上的时间利用率ηt为：对高度层的全部nl航路段的航路时间利用率加和求平均，可得该高度层的平均时间利用率η′t为：对全部fl高度层的航路时间利用率η′t加和求平均，可得航路时间利用率η″t为进一步的，其中航路空间利用率可通过如附图3所示的获取流程得到。其中，其具体获取过程如下：首先对航路段进行划分。在划分航路段时，优选：(1)为保障航路利用率计算结果的精确性，航路段的选取不能过大或过小；(2)航路段的划分需与时间片长短的选取相适应。具体划分方法可如：将给定的航路[0,ll]划分为若干航段[0,l1]，[l1,l2]，…，[ll-1,ll]。依据飞机运行特点及航路利用率计算方法给定航路段划分标准。本发明设定航路段为飞机间的最小标准间隔，取最小间隔为航路段。在给定时间片内某一高度层上，若在部分航路段有飞机飞行，则将这些航路段计入飞机实际占用空间l，飞机可用总空间为实际可用的全部空间l，则该时间片内的空间利用率ηl为：对高度层全部nt时间片内的航路空间利用率加和求平均，可得该高度层的平均空间利用率η′l为：对全部fl高度层的航路空间利用率η′l加和求平均，可得航路空间利用率η″l为：进一步的，其中航路容量利用率可通过如附图4所示的获取流程得到。其中，其具体获取过程如下：首先对时段、航路段进行划分。划分过程与获得前述时间利用率及空间利用率的过程相同。在某一高度层上，若在部分时间片内部分航路段上有飞机飞行，则将这些飞机计入实际流量f，最大容量为实际可服务的最多飞机架次f，则该高度层的容量利用率ηf为：其中，飞机实际流量f受各高度层对不同类型飞机的适用性不同的影响，可表示为：其中，fij表示不同类型飞机在不同高度层的实际流量。最大容量f也受各高度层对不同类型飞机的适用性不同的影响，可表示为：其中，fij表示不同类型飞机在不同高度层的最大容量。对全部fl高度层的航路容量利用率ηf加和求平均，可得航路容量利用率η'f为：基于所得航路时间利用率、航路空间利用率和航路容量利用率，并结合其各自的权重可获得航路利用率。其中各权重可通过critic权重法确定。所述critic权重法是一种客观赋权法，通过确定各指标间的对比强度及冲突性确定各指标的权重值。其中，指标间的对比强度体现了同一指标对不同样本取值的差异性大小；指标间的冲突性体现了各指标间相关性的强弱。为度量某一指标的冲突性强弱，可通过计算的值实现，其中，εmn表示第m个指标与第n个指标的相关系数。令指标m所含的信息量为y，则λm为指标间对比强度的大小。将ym进行归一化处理，即可得到第m个指标的客观权重δm。指标间的对比强度越大，说明其波动性越大，权重值会越高；指标间的冲突性越大，说明指标间的相关系数越大，权重值就越低。具体的，通过以下过程获得各自权重：首先计算各指标的航路利用率对不同样本取值的差异性大小，即选取多个航路计算各航路的时间利用率、空间利用率及容量利用率，确定各指标对不同航路的利用率取值的差异λm。其后计算三个指标间的冲突性，可通过计算来实现。继而得到各指标所包含的信息量并对其进行归一化处理，得到航路时间利用率、航路空间利用率、航路容量利用率的权重δ1、δ2、δ3，且δ1+δ2+δ3＝1。具体计算过程可设置如下：首先选取x个航路，计算各航路的时间利用率ω1x、空间利用率ω2x及容量利用率ω3x，用标准差确定时间利用率、空间利用率及容量利用率的对比强度λm，m＝1,2,3。接着，计算时间利用率、空间利用率及容量利用率两两间的相关系数εmn，m＝1,2,3，n＝1,2,3，确定时间利用率、空间利用率及容量利用率所含的信息量最后，将ym进行归一化处理，即可得到时间利用率、空间利用率及容量利用率指标的权重δm，综合可得到如下的航路利用率η模型：实施例1通过以下过程进行本发明的航路利用率评估：选取某航路，以某日1小时为研究时段，设定时间片为飞机飞越最小尾流间隔所需的时间：5分钟，则可将该时段划分为12个时间片，分别为[0,5]，[5,10]，……[55,60]。将给定的航路划分为若干航段，设定航路段为飞机间的最小标准间隔：10千米。(1)航路容量利用率的计算：依据各类型飞机的性能及不同高度层对飞机的适用性，明确各类型飞机的适用高度层及权重，权重设置如表2所示。各权重值由高度层对飞机的适用性及飞机在高度层上运行的频率确定。表2不同类型飞机在各类型高度层的航路利用权重设置表大型机中型机小型机fl111[fl1,fl]、[fl,fl2]0.950.950.85[fl3,fl1]、[fl2,fl4]0.900.850.75[fl5,fl3]、[fl4,fl6]0.800.700.65fl5以下、fl6以上0.650.550.55再计算各时间片内各高度层的容量利用率。如：时间片[5,10]内，在fl331高度层共有两个航路段上有飞机运行，飞机类型为一个大型机、一个中型机，两架飞机在给定高度层上的权重值分别为0.95，0.85。计算可得：飞机实际流量为1.8。时间片内给定航路的fl331高度层可供2架大型机、1架中型机运行，计算可得：最大容量为2.75。则该时间片内的容量利用率为：0.65。其他时间片内fl331高度层的容量利用率计算方法与其类似。对fl331高度层全部时间片内的航路容量利用率加和求平均，可得该高度层的平均容量利用率为：0.69。对全部高度层的航路容量利用率加和求平均，可得航路容量利用率为：0.72。以上过程考虑了不同高度层对飞机的适用性，使给出的航路容量利用率计算方法评估效果好。(2)航路时间利用率的计算：统计各航路段的每一高度层上有飞机飞行的时间片，将这些时间片计入飞机的实际运行时间。可用总飞行时间为飞机能在航线上正常运行的总时间，则航线的时间利用率为：飞机实际占用的时间与可用总飞行时间的比值。如：航路段1的fl331高度层上有8个时间片上有飞机飞行，则飞机实际运行时间为8个时间片。飞机的可用总飞行时间为可用的全部时间，即飞机的可用总飞行时间为12个时间片。计算可得：该航路段的fl331高度层上的时间利用率为0.67。其他航路段的fl331高度层的时间利用率计算方法与其类似。对fl331高度层全部航路段的航路时间利用率加和求平均，可得该高度层的平均时间利用率为：0.70。对全部高度层的航路时间利用率加和求平均，可得航路时间利用率为：0.74。(3)航路空间利用率的计算：统计给定时间片内的每一高度层上有飞机飞行的航路段，将这些航路段计入飞机的实际占用空间。如：时间片[5,10]内，在fl331高度层飞机实际使用的空间为40km。飞机可用总空间为实际可用的全部空间，即飞机可用总空间为60km。计算可得：该时间片内fl331高度层上的空间利用率为0.67。其他航路段的fl331高度层的空间利用率计算方法与其类似。对fl331高度层全部航路段的航路空间利用率加和求平均，可得该高度层的平均空间利用率为：0.71。对全部高度层的航路空间利用率加和求平均，可得航路空间利用率为：0.74。(4)航路利用率的计算：首先选取四个航路，明确研究时段，依据上述方法分别计算各航路的时间利用率、空间利用率及容量利用率，得到航路利用率统计表如表3所示表3航路利用率统计表用标准差确定时间利用率、空间利用率及容量利用率的对比强度，可得：时间利用率、空间利用率、容量利用率的对比强度分别为0.056、0.060、0.072。接着，计算时间利用率、空间利用率及容量利用率两两间的相关系数，计算可得：时间利用率与空间利用率的相关系数为0.992，时间利用率与容量利用率的相关系数为0.984，空间利用率与容量利用率的相关系数为0.989。由表达式可得：各利用率所含的信息量分别为：时间利用率0.00129，空间利用率0.00112，容量利用率0.00191。最后，将信息量进行归一化处理，即可得到时间利用率、空间利用率及容量利用率指标的权重分别为：0.30，0.26，0.44。代入航路利用率模型，计算可得：航路利用率为：0.731。上述过程融合了时间利用率、空间利用率及容量利用率，考虑了航线的常用性，与实际情况相比，给出的航路利用率评估效果好。以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12