一种航路时隙资源协同多目标优化分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于空中交通管理领域，特别涉及一种可应用于空中交通流量管理、优化 利用与配置空域资源的协同多目标分配实现方法。
【背景技术】
[0002] 航路时隙资源分配一般引入协同决策机制，针对计划航路容量受限情况及可用空 域，开辟数条临时航路以缓解计划航路的运行压力，根据航班延误成本、航路容量等条件， 协同分配航路时隙资源，充分利用空域，优化安排航班。美国麦特公司开发了协同航路资源 分配工具，飞行用户可提供多个可选航路，根据可用航路和飞行用户偏好等信息，以最高偏 好为目标分配最佳航路，从而有效减轻天气等因素导致的航路拥挤影响。空域流量管理程 序是美国联邦航空局采用的航路资源管理策略，根据流量限制区域的可用航路时隙资源和 飞行需求，按照各相关方协同决策目标优化分配航路时隙。欧洲航行安全组织提出了空中 交通流量和容量管理概念，通过结合地面等待和改航，协同分配空域容量，调配飞行流量。 国内研究成果以理论研究为主，有学者综合利用地面等待、动态航路、条件航路等多种管理 手段，引入动态航路、条件航路开放成本，建立了以最小运行成本为目标的数学模型;还有 学者考虑了航路耦合容量，建立了整合改航策略和等待策略的协同多航路资源分配的0-1 整数规划模型，充分利用了可用航路资源，降低了航班总延误成本。
[0003] 现有研究一般以不同度量形式的延误损失最小为优化分配目标，延误损失主要体 现了航路运行效率的高低，多相关方协同决策往往需要分配方法能够全面反映协同航路资 源分配的功效性、公平性、有效性等方面，建立多优化目标，提供多种分配策略供决策者选 择。目前尚缺少一种协同航路资源多目标分配的实现方法。
【发明内容】
[0004] 发明目的:本发明要解决的技术问题是:按照协同决策的算法，建立协同航路时隙 资源分配的多目标优化模型，根据空域容量和流量条件，合理分配计划航路或临时航路时 隙资源，提供分配策略集，兼顾空管、航空公司、旅客等多相关方偏好或利益，有效缓解空域 拥挤，保障空中交通顺畅。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明公开了一种航路时隙资源协同多目标优化分配方 法，包括如下步骤：
[0006] 步骤1:构建航路时隙资源协同决策信息平台，获取包括容量、延误成本、转弯点数 量在内的流量受限空域内的计划航路及临时航路信息，获取计划航路下游空域单元的可用 时隙信息，获取包括航班计划、机型、载客数在内的航班运行信息；
[0007] 步骤2:利用步骤1构建的协同决策信息平台，制定协同航路时隙分配的算法；
[0008] 步骤3:根据步骤2制定的协同航路时隙分配的算法，以全部航班总延误损失最小 为目标建立目标函数；
[0009] 步骤4:根据步骤2制定的协同航路时隙分配的算法，以全部航班总转弯点数量最 小为目标建立目标函数；
[0010] 步骤5:根据步骤2制定的协同航路时隙分配的算法，以平均旅客延误时间最小为 目标建立目标函数；
[0011] 步骤6:根据步骤2制定的协同航路时隙分配的算法，建立满足有效性的约束条件；
[0012] 步骤7:根据步骤3、步骤4、步骤5确定的目标函数及步骤6确定的约束条件，建立协 同航路时隙资源分配的多目标优化模型；
[0013] 步骤8:采用Lingo、Matlab等数学软件求解步骤7建立的多目标优化模型，得出非 劣解集，形成航路时隙资源分配策略集；
[0014] 步骤9:通过步骤1构建的航路时隙资源协同决策信息平台，发布航路时隙资源分 配策略，进行多目标优化分配。
[0015] 步骤3中以全部航班总延误损失最小为目标建立目标函数为：
[0016]
[0017] 共个，cs、Γ你 si'衣ΤΓ划 scneau丄ea，衣不计划航路scheduled air route)表示 航班使用计划航路的单位时间延误成本，ctk表示航班使用临时航路k的单位时间延误成本， 1 < k < K，K为临时航路的数量，tj为时隙j的起始时刻，1 < j < J，J为时隙总数，etai表示航班 i的预计到达时刻，1 < i < I，I为航班总数，X i j、y i jk为决策变量，表示为：
k ?.
[0018] 步骤4中以全部航班总转弯点数暈最小为目标建立目标函数为：
[0019]
[0020] 其中，1^表示计划航路的转弯点数量，rf表示临时航路k的转弯点数量。
[0021 ]步骤5中以平均旅客延误时间最小为目标建立目标函数为：
[0022]
[0023] 其中，m表示航班i的载客数。
[0024] 步骤6中建立如下满足有效性的约束条件：
[0025]
，表示每个航班有且仅有一个时隙和一条航路；
[0026]
I示每个时隙最多只能分配给一个航班；
[0027] tj 2 etai，表示航班实际到达时刻不能早于计划到达时刻；
[0028] G 2 era,. + 表示当航班选择临时航路k时实际到达时刻不能早于预计到达时 刻与该航路增加的飞行时间之和，A k为选择临时航路k所增加的飞行时间；
[0029]
R计划航路流量不超过计划航路容量，〇83表示计划航路的容量； i=l
[0030]I;示临时航路流量不超过临时航路容量，表示临时航路k的容 1-1
量。
[0031] 有益效果:本发明具有如下有益效果：
[0032] 1、为航路时隙资源的协同优化分配提供了一种实现方法；
[0033] 2、为空管协同决策信息系统研发提供了技术基础；
[0034] 3、为航路流量管理、空域与流量协同管理提供了技术依据。
【附图说明】
[0035]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述 和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
[0036]图1为协同航路运行示意图。
[0037]图2为本发明的方法流程图。
[0038]图3为实施例的非劣解集。
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图对本发明作具体说明。应该指出，所描述的实施例仅是为了说明的 目的，而不是对本发明范围的限制。
[0040]本发明公开了一种航路时隙资源协同多目标优化分配方法，包括如下步骤：
[0041 ]步骤1:构建航路时隙资源协同决策信息平台，获取包括容量、延误成本、转弯点数 量在内的流量受限空域内的计划航路及临时航路信息，获取计划航路下游空域单元的可用 时隙信息，获取包括航班计划、机型、载客数在内的航班运行信息；
[0042] 步骤2:利用步骤1构建的协同决策信息平台，制定协同航路时隙分配的算法；
[0043] 步骤3:根据步骤2制定的协同航路时隙分配的算法，以全部航班总延误损失最小 为目标建立目标函数；
[0044] 步骤4:根据步骤2制定的协同航路时隙分配的算法，以全部航班总转弯点数量最 小为目标建立目标函数；
[0045] 步骤5:根据步骤2制定的协同航路时隙分配的算法，以平均旅客延误时间最小为 目标建立目标函数；
[0046]步骤6:根据步骤2制定的协同航路时隙分配的算法，建立满足有效性的约束条件； [0047]步骤7:根据步骤3、步骤4、步骤5确定的目标函数及步骤6确定的约束条件，建立协 同航路时隙资源分配的多目标优化模型；
[0048]步骤8:采用Lingo、Matlab等数学软件求解步骤7建立的多目标优化模型，得出非 劣解集，形成航路时隙资源分配策略集；
[0049]步骤9:通过步骤1构建的航路时隙资源协同决策信息平台，发布航路时隙资源分 配策略，进行多目标优化分配。
[0050] 步骤3中以全部航班总延误损失最小为目标建立目标函数为：
[0051]
[0052] 其中，cs(下标s代表计划"scheduled"，表示计划航路scheduled air route)表示 航班使用计划航路的单位时间延误成本，ctk表示航班使用临时航路k的单位时间延误成本， 1 < k < K，K为临时航路的数量，tj为时隙j的起始时刻，1 < j < J，J为时隙总数，etai表示航班 i的预计到达时刻，1 < i < I，I为航班总数，X i j、y i jk为决策变量，表示为：
ο.
[0053] 步骤4中以全部航班总转弯点数量最小为目标建立目标函数为：
[0054]
i-^1 J^i\ 左二-1 J
[0055] 其中，1^表示计划航路的转弯点数量，表示临时航路k的转弯点数量。
[0056] 步骤5中以平询旅客延误时间最小为目标津立目标函数为：
[0057]
[0058]其中，m表示航班i的载客数。
[0059] 步骤6中建立如下满足有效性的约束条件：
[0060] _ ν
，表示每个航班有且仅有一个时隙和一条航路； Μ V k 二 I J
[0061]
g示每个时隙最多只能分配给一个航班；
[0062] tj 2 etai，表示航班实际到达时刻不能早于计划到达时刻；
[0063] b 表示当航班选择临时航路k时实际到达时刻不能早于预计到达时 刻与该航路增加的飞行时间之和，A k为选择临时航路k所增加的飞行时间；
[0064]
表示计划航路流量不超过计划航路容量，〇83表示计划航路的容量； Μ
[0065]菱示临时航路流量不超过临时航路容量，Ο?/表示临时航路k的容量。 1-1
[0066] 实施例
[0067] 如图1所示，当计划航路受危险天气等因素影响导致容量下降时，空中交通流量可 能受限，航班延误可能发生;通过开辟临时航路，分流计划航路的部分航班，从而减少航班 延误；由于航路运行与下游空域单元(航路或扇区）的影响关系，航路时隙资源协同分配应 根据计划航路和临时航路容量以及下游空域单元的可用时隙，为每个航班合理分配航路和 时隙，达到相应的优化目标，形成多种分配策略，满足航路管理协同