一种基于概率分布特征的航班流生成方法与流程

[0001]
本发明涉及一种基于概率分布特征的航班流生成方法。


背景技术：

[0002]
航班流生成技术是空中交通管理领域内系统建设的重要组成部分，通过航班流生成技术生成目标对象的态势依据，为后续管制决策、运行推演等提供基础。灵活、多样的航班流生成对于验证空域与交通流的互适应性，识别空域运行瓶颈，提升空域运行效率具有重要意义。同时，航班流生成技术也是空管运行仿真领域的关键技术之一，通过航班流生成技术，模拟待仿真对象内的初始航班分布，为管制模拟训练、新技术验证提供数据支撑。
[0003]
如何根据运行特征生成航班流是当前的热点问题。目前，通常采用历史数据分析与航班计划结合的方式，通过分析航班计划中的城市对以及时刻分配，结合历史运行的时刻区间进行航班分配，最终生成目标对象的航班流。该航班流体现的是当下运行条件下的运行特征，对于航班流的规划和验证能力较弱，只能被动的评估当下运行效果，无法有效驱动规划与决策，因此导致该方法的应用领域较为狭隘。


技术实现要素：

[0004]
发明目的：本发明从实际应用需求着手，以概率分布特征为驱动，灵活、快速的生成单机场对象的起飞航班流、降落航班流以及混合航班流。并且在航班流生成过程中，充分考虑了管制运行条件，从而保障所生成的航班流满足客观运行规律，为后续仿真推演、规划验证提供可靠的数据支撑。
[0005]
技术方案：本发明是这样实现的，一种基于概率分布特征的航班流生成方法，包括以下步骤：
[0006]
步骤1，生成起飞航班流；
[0007]
步骤2，生成最大降落航班流；
[0008]
步骤3，生成混合航班流。
[0009]
步骤1包括：针对起飞航班，通过分析航班流属性信息，确定起飞航班流f
tk_i
包含起飞时间t
tk_i
、起飞机型x
tk_i
、目的机场d
tk_i
三个要素，起飞航班流航班要素集合为f
tk
＝{t
tk
,x
tk
,d
tk
}，其中，t
tk
、x
tk
、d
tk
依次代表起飞航班流航班要素中的起飞时间、起飞机型和目的机场；
[0010]
在进行起飞航班流生成之前，设计划时段总时间长度为tlen，将其分为tcnt个时段；初始化时段索引tindex＝0，如果tindex＜tcnt，重复执行步骤1-1～步骤1-2；否则，起飞航班计划制定完成：
[0011]
步骤1-1，确定起飞航班数量；
[0012]
步骤1-2，生成航班流要素。
[0013]
步骤1-1包括：
[0014]
步骤1-1-1，初始化l＝e-λ
，f＝l，航班数num＝0，l表示泊松分布的概率函数，f表示
泊松分布的累积分布函数，泊松分布的概率函数为k＝0,1,...，λ为索引为tindex的时间段内起飞航班数量均值，x表示起飞航班架次，取值为k，其中k＝0,1，...，p(x＝k)表示起飞航班架次为k时的概率；
[0015]
步骤1-1-2，采用均匀分布生成(0,1)之间的随机数u；
[0016]
步骤1-1-3，判断u与f的大小关系：如果u≥f，则执行步骤1-1-4；如果u＜f，将当前num作为起飞航班数量，结束泊松分布过程，执行步骤1-2；
[0017]
步骤1-1-4，令num＝num+1，令l＝l*λ/num，f＝f+l，执行步骤1-1-3。
[0018]
步骤1-2包括：针对时间段tindex内的num架起飞航班，定义航班索引fi。如果fi≥num，则时间段tindex航班起飞流要素生成结束，令tindex＝tindex+1，针对下一时段继续执行起飞航班流生成算法，直至tindex＞tcnt，完成所有时段的起飞航班流生成，起飞航班流生成算法结束；如果fi＜num，执行如下步骤：
[0019]
步骤1-2-1，确定各航班的起飞时间、机型和目的机场；如果fi≥num，则时间段tindex航班起飞流要素生成结束，令tindex＝tindex+1，针对下一时段继续执行起飞航班流生成算法，直至tindex＞tcnt，完成所有时段的起飞航班流生成，起飞航班流生成算法结束；
[0020]
步骤1-2-1具体包括：
[0021]
步骤1-2-1-1，采用均匀分布生成(0,1)之间的随机数timeu，初始化航班fi与前机的起飞时间间隔为t
fi
＝(-1/λ)
·
log(1-timeu)，执行步骤1-2-1-2；
[0022]
步骤1-2-1-2，设定起飞尾流间隔时间t
rule
＝2min，如果t
fi
＜t
rule
，则随机生成起飞时间间隔不满足管制要求，令t
fi
＝t
rule
；如果t
fi
≥t
rule
，则保持t
fi
值不变；确定起飞时间间隔t
fi
之后，执行步骤1-2-1-3；
[0023]
步骤1-2-1-3，航班fi的起飞时刻t
fi
为其前序所有起飞航班时间间隔的累加，即航班fi的起飞时刻生成完成，执行步骤1-2-2；
[0024]
步骤1-2-2，生成目的机场及起飞航班机型。
[0025]
步骤1-2-2中，采用离散分布生成目的机场，具体包括：
[0026]
步骤1-2-2-a1，设目的机场dt
i
在历史航班流中所占百分比为dpet
i
，且n表示不同目的机场的索引；
[0027]
步骤1-2-2-a2，采用均匀分布生成(0,1)之间的随机数desu；
[0028]
步骤1-2-2-a3，根据desu的值判断航班fi的目的机场，具体方法为：如果desu值满足条件：则目的机场为k对应的目的机场dt
k
。其中，dpet
k
表示目的机场dt
k
在历史航班流中所占百分比。
[0029]
步骤1-2-2中，采用离散分布生成起飞航班机型，具体包括：
[0030]
步骤1-2-2-b1，设重、中、轻型航空器机型依次为xt
i
(i＝0,1,2)，其所占比例依次
为xpet
i
,(i＝0,1,2)，并且
[0031]
步骤1-2-2-b2，采用均匀分布生成(0,1)之间的随机数typeu；
[0032]
步骤1-2-2-b3，根据typeu的值判断航班fi所属机型，具体方法为：如果typeu的值满足条件则起飞机型为k对应的机型xt
k
；式中，xpet
k
表示表示起飞机型为k的航空器在历史航班流中所占百分比。
[0033]
步骤1-2-2-b4，在完成航班fi的起飞时刻、目的机场、起飞航班机型生成后，令fi＝fi+1，返回步骤1-2，直至完成num架起飞航班的生成。
[0034]
步骤2包括：
[0035]
步骤2-1，生成降落航班机型；
[0036]
步骤2-2，生成降落时间。
[0037]
步骤2-1包括：
[0038]
步骤2-1-1，生成降落航班索引fi＝0；
[0039]
步骤2-1-2，设降落航班流重、中、轻型航空器机型依次为xl
i
(i＝0,1,2)，其所占比例依次为xpel
i
,(i＝0,1,2)，并且
[0040]
步骤2-1-3，采用等概率密度函数生成(0,1)之间的随机数typeu；
[0041]
步骤2-1-4，根据typeu的值判断航班fi所属机型，具体方法为：如果typeu的值满足条件则降落机型为k对应的机型xl
k
。式中，xpel
k
表示表示降落机型为k的航空器在历史航班流中所占百分比。
[0042]
步骤2-2包括：
[0043]
步骤2-2-1，判断航班fi是否存在前序降落航班，如果不存在，则航班fi为时段t内第一架降落航班，设降落航班间隔时间tv
0
＝0，航班fi的计划降落时间etv
0
＝0，执行步骤2-2-3；如果存在前序降落航班，则根据航班fi的机型获取与前机的尾流间隔约束时间：如果航班fi的机型xl
j
＝2，为轻型机，则航班fi与前机的尾流间隔约束tv
fi
＝3min，否则tv
fi
＝2min，执行步骤2-2-2；
[0044]
步骤2-2-2，获取前序航班的跑道占用时间topc
fi-1
，比较前机尾流间隔时间与跑道占用时间长度，取tv
fi
＝max(tv
fi
,topc
fii-1
)，执行步骤2-2-3；
[0045]
步骤2-2-3，降落航班fi的计划降落时间etv
fi
为降落航班间隔时间tv
n
的叠加，即执行步骤2-2-4，其中，n＝0,1,
…
fi；
[0046]
步骤2-2-4，比较etv
fi
与时段t的大小：如果etv
fi
＜t，则单位时间段t内的降落航班流尚未生成结束，令fi＝fi+1，重复步骤2-1中的步骤2-1-3；如果etv
fi
≥t，则时段t内的降落航班流生成结束，执行步骤2-2-5；
[0047]
步骤2-2-5，令tindex＝tindex+1，比较tindex与tcnt大小：如果tindex≤tcnt，则总时段tlen内降落航班流尚未生成完成，重复执行步骤2-1～步骤2-2；如果tindex＞tcnt，则降落航班流生成完成，生成最大降落航班流的过程结束。
[0048]
步骤3包括：
[0049]
步骤3-1，获取时段起飞航班流时段最大降落航班流时段内机场跑道容量cap
tindex
，初始化起飞航班索引i＝0，降落航班索引j＝0；其中，f
tki
表示一架起飞航班，f
ldi
表示一架降落航班。
[0050]
步骤3-2，如果起飞航班索引i的值大于时段内设定的起飞航班数量num或者起降航班总数大于跑道容量cap
tindex
，则第tindex时段的混合航班流生成结束，令tindex＝tindex+1，进行下一时段的混合航班流生成；如果tindex＞tcnt，则混合航班流生成过程结束；如果起飞航班索引i及降落航班索引j满足条件：i＜num并且i+j＜cap
tindex
，设定变量n，用于记录在起飞航班i与i+1之间的预插入的第一架降落航班索引，令n＝j，执行步骤3-3；
[0051]
步骤3-3，比较此时降落航班索引j值与n的大小，如果j＞n，则起飞航班i与i+1之间已经插入了一架降落航班，执行步骤3-5；否则，执行步骤3-4；
[0052]
步骤3-4，验证起降航班跑道占用时间约束：比较起飞航班i、i+1时间间隔与降落航班j的跑道占用时间topc
j
和起飞航班i的跑道占用时间topt
i
之和：如果t
i+1-t
i
≥topc
j
+topt
i
，则起飞航班之间的时间间隔满足跑道占用时间约束，初始化航班j降落时间etl
j
＝t
i
+topt
i
，执行步骤3-6；否则，判定起飞航班之间的时间间隔过小，无法插入一架降落航班，执行步骤3-9；
[0053]
步骤3-5，验证起降航班跑道占用时间约束：比较起飞航班i、i+1时间间隔与降落航班j的跑道占用时间topc
j
、起飞航班i的跑道占用时间topt
i
与降落航班尾流间隔之和：如果则起飞航班之间预计能够再次插入一架降落航班，初始化降落时间执行步骤3-6；否则判定起飞航班之间的时间间隔过小，无法插入一架降落航班，，执行步骤3-9；
[0054]
步骤3-6，验证降落航班之间的最小间隔约束：如果降落时间etl
j
小于计划降落时间etv
j
，即etl
j
＜etv
j
，则降落航班j与前序降落航班之间不满足最小间隔约束，令etl
j
＝etv
j
；否则降落时间etl
j
的值保持不变，执行步骤3-7；
[0055]
步骤3-7，验证降落航班j与后序起飞航班i+1之间的间隔约束：如果t
i+1-etl
j
≥topc
j
，即起飞航班i+1与降落航班j之间的时间间隔不小于航班j的跑道占用时间，则起飞航班之间满足插入一架降落航班的要求，执行步骤3-8；否则，航班j与航班i+1之间的时间间隔不满足约束条件，执行步骤3-9；
[0056]
步骤3-8，令航班j的降落时间为etl
j
，同时调整后续降落航班的计划降落时间etv
n
为etl
j
与尾流间隔时间累加之和：令j＝j+1，执行步骤3-3；
[0057]
步骤3-9，起飞航班i和i+1之间不满足插入降落航班要求，令ii＝i+1，执行步骤3-2。
[0058]
有益效果：本发明从实际应用需求着手，以概率分布特征为驱动，灵活、快速的生成单机场对象的起飞航班流、降落航班流以及混合航班流。并且在航班流生成过程中，充分考虑了管制运行条件，从而保障所生成的航班流满足客观运行规律，为后续仿真推演、规划验证提供可靠的数据支撑。
附图说明
[0059]
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。
[0060]
图1是本发明方法示意图。
[0061]
图2是起飞航班流生成算法流程图。
[0062]
图3是最大降落航班流生成算法流程图。
[0063]
图4是混合航班流生成算法流程图。
[0064]
图5是生成的分时段起降航班架次示意图。
[0065]
图6是某时段起降航班时隙示意图。
[0066]
图7是生成的航班各机型比例示意图。
具体实施方式
[0067]
如图1所示，本发明提供了一种基于概率分布特征的航班流生成方法，以某机场为例，具体包括以下步骤。
[0068]
步骤1，生成起飞航班流：
[0069]
针对起飞航班，通过分析航班流属性信息，确定起飞航班流f
tk_i
应包含起飞时间t
tk_i
、起飞机型x
tk_i
、目的机场d
tk_i
三个要素，起飞航班流航班要素集合为f
tk
＝{t
tk
,x
tk
,d
tk
}。起飞航班计划生成流程图如图2所示。
[0070]
在进行起飞航班流生成之前，设计划时段总时间长度为tlen＝15小时，将其分为tcnt＝15个时段。初始化时段索引tindex＝0，如果tindex＜tcnt，重复执行步骤1-1～步骤1-2；否则，起飞航班计划制定完成。
[0071]
步骤1-1，确定起飞航班数量：
[0072]
根据统计分析，起飞航班数量满足泊松分布规律。本发明以泊松分布为例进行起飞航班流生成。
[0073]
考虑到机场航班在一天中各时段的分布并不均匀，具备显著的时段差异，因此根据历史数据统计目标机场在相应时段的起飞航班数量均值，并作为该时段泊松分布参数λ。经过泊松分布生成目标时段的起飞航班数量num。
[0074]
泊松分布的概率函数为k＝0,1,...，λ为索引为tindex的时间段内起飞航班数量均值，x表示起飞航班架次，取值为k，其中k＝0,1，...，p(x＝k)表示起飞航班架次为k时的概率。采用泊松分布生成起飞航班数的步骤如下：
[0075]
步骤1-1-1，初始化l＝e-λ
，f＝l，航班数num＝0。l表示泊松分布的概率函数，f表示泊松分布的累积分布函数；
[0076]
步骤1-1-2，采用均匀分布生成(0,1)之间的随机数u；
[0077]
步骤1-1-3，判断u与f的大小关系：如果u≥f，则执行步骤4；如果u＜f，将当前num作为起飞航班数量，结束泊松分布过程，则执行步骤1-2；
[0078]
步骤1-1-4，令num＝num+1，令l＝l*λ/num，f＝f+l，执行步骤1-1-3。
[0079]
设机场常态运行下起飞航班架次为45架/h，经上述步骤生成的起飞航班架次如图5中“起飞架次”柱状图所示。
[0080]
在完成指定时段的起飞航班数量num后，需要对各个航班进行要素生成与赋值。定义航班索引为fi＝0，再依次确定各航班的起飞时间、机型和目的机场。
[0081]
步骤1-2，生成航班流要素：
[0082]
如果fi＜num，执行步骤1-2-1，确定各航班的起飞时间、机型和目的机场；如果fi≥num，则该时段航班起飞流要素生成结束，令tindex＝tindex+1，针对下一时段继续执行起飞航班流生成算法，直至tindex＞tcnt，完成所有时段的起飞航班流生成，起飞航班流生成算法结束。
[0083]
步骤1-2-1，生成起飞时间：
[0084]
经统计分析，起飞时间间隔满足负指数分布规律。负指数分布用于描述泊松过程中的事件之间的时间的概率分布。本发明以负指数分布为例，生成num架起飞航班之间的时间间隔，以该机场其中一条跑道的某时段为例，生成的起飞航班时间间隔如图6中“起飞时隙”部分所示，实施步骤如下：
[0085]
步骤1-2-1-1，采用均匀分布生成(0,1)之间的随机数timeu，初始化航班fi与前机的起飞时间间隔为t
fi
＝(-1/λ)
·
log(1-timeu)，执行步骤1-2-1-2；
[0086]
步骤1-2-1-2，验证上述起飞时间间隔t
fi
是否满足尾流间隔规定。根据国家空管委颁布的《飞行间隔规定》第四十七条，使用同一跑道进行前、后起飞离场的航空器之间应至少保持2分钟的尾流间隔。因此，取起飞尾流间隔时间t
rule
＝2min。如果t
fi
＜t
rule
，则随机生成起飞时间间隔不满足管制要求，令t
fi
＝t
rule
；若t
fi
≥t
rule
，则保持t
fi
值不变。确定起飞时间间隔t
fi
之后，执行步骤1-2-1-3；
[0087]
步骤1-2-1-3，航班fi的起飞时刻t
fi
为其前序所有起飞航班时间间隔的累加，即航班fi的起飞时刻生成完成，执行步骤1-2-2。
[0088]
步骤1-2-2，生成目的机场及起飞航班机型
[0089]
航班目的机场及机型具有较大的随机性，本发明采用离散分布的方式生成对应要素。离散分布用于描述随机变量取不同值的概率。根据历史数据计算目标时段各目的机场、起飞航班机型所占百分比作为离散分布的概率值。
[0090]
采用离散分布生成目的机场的步骤如下：
[0091]
步骤1-2-2-a1，设目的机场dt
i
在历史航班流中所占百分比为dpet
i
，且式中，n表示不同目的机场的索引；
[0092]
步骤1-2-2-a2，采用均匀分布生成(0,1)之间的随机数desu；
[0093]
步骤1-2-2-a3，根据desu的值判断航班fi的目的机场，具体方法为：若desu值满足条件：则目的机场为k对应的目的机场dt
k
。采用离散分布生成起飞航班机型的步骤如下：
[0094]
步骤1-2-2-b1，设重、中、轻型航空器机型依次为xt
i
(i＝0,1,2)，其所占比例依次为xpet
i
,(i＝0,1,2)，并且
[0095]
步骤1-2-2-b2，采用均匀分布生成(0,1)之间的随机数typeu；
[0096]
步骤1-2-2-b3，根据typeu的值判断航班fi所属机型，具体方法为：若typeu的值满足条件则起飞机型为k对应的机型xt
k
。
[0097]
设该机场起飞航班流重、中、轻型航空器所占比例分别为30％，50％，20％，经上述步骤，生成各起飞航班的起飞机型，各比例如图7所示。该目的机场生成方法与机型生成类似，此处不再赘述。
[0098]
步骤1-2-2-b4，在完成航班fi的起飞时刻、目的机场、起飞航班机型生成后，令fi＝fi+1，返回步骤1-2，直至完成num架起飞航班的生成。
[0099]
步骤2，生成最大降落航班流：
[0100]
在飞行过程中，航班往往受到主观、客观因素的影响，无法保证完全按照计划时刻降落，因此对于单机场来说，降落航班流往往不能由本机场控制，通常关注是否有可用时隙供到达本场的航班降落，因此本发明从降落时隙分配的角度生成最大降落航班流。
[0101]
降落航班流f
ld_i
应包含着陆时间t
ld_i
和降落机型x
ld_i
两个要素，降落航班流要素集合为f
ld
＝{t
ld
,x
ld
}。《飞行间隔规定》第四十八条规定：在起落航线上飞行的航空器，当前、后进近着陆的航空器为重型和中型航空器时，尾流间隔为2分钟；当前、后进近着陆的航空器为重型和轻型航空器，中型和轻型航空器时，其尾流间隔为3分钟。因此，某一时段最大降落航班数量与该时段航班机型构成相关。于是，为了确定降落航班数量及着陆时间，应首先确定航班机型。算法流程图如图3所示。
[0102]
步骤2-1，生成降落航班机型：
[0103]
与起飞航班流生成算法类似，在明确总时段长度tlen和时段个数tcnt的基础上，本发明采用离散分布生成降落航班机型。针对某一索引编号为tindex的时间段t，降落航班机型具体生成步骤如下：
[0104]
步骤2-1-1，生成降落航班索引fi＝0；
[0105]
步骤2-1-2，设降落航班流重、中、轻型航空器机型依次为xl
i
(i＝0,1,2)，其所占
3；
[0120]
步骤3-3，比较此时降落航班索引j值与n的大小。若j＞n，则起飞航班i与i+1之间已经插入了一架降落航班，执行步骤3-5；否则，执行步骤3-4；
[0121]
步骤3-4，验证起降航班跑道占用时间约束。比较起飞航班i、i+1时间间隔与降落航班j的跑道占用时间topc
j
和起飞航班i的跑道占用时间topt
i
之和：若t
i+1-t
i
≥topc
j
+topt
i
，则起飞航班之间的时间间隔满足跑道占用时间约束，初始化航班j降落时间etl
j
＝t
i
+topt
i
，执行步骤3-6；否则，判定起飞航班之间的时间间隔过小，无法插入一架降落航班，执行步骤3-9；
[0122]
步骤3-5，验证起降航班跑道占用时间约束。比较起飞航班i、i+1时间间隔与降落航班j的跑道占用时间topc
j
、起飞航班i的跑道占用时间topt
i
与降落航班尾流间隔之和：若则起飞航班之间预计可以再次插入一架降落航班，初始化降落时间执行步骤3-6；否则起飞航班之间的时间间隔过小，无法插入一架降落航班，执行步骤3-9；
[0123]
步骤3-6，验证降落航班之间的最小间隔约束。由于航班的计划降落时间是根据最小间隔约束生成的，因此，若降落时间etl
j
小于计划降落时间etv
j
，即etl
j
＜etv
j
，则降落航班j与前序降落航班之间不满足最小间隔约束，令etl
j
＝etv
j
；否则降落时间etl
j
的值保持不变。执行步骤3-7；
[0124]
步骤3-7，验证降落航班j与后序起飞航班i+1之间的间隔约束。若t
i+1-etl
j
≥topc
j
，即起飞航班i+1与降落航班j之间的时间间隔不小于航班j的跑道占用时间，那么起飞航班之间满足插入一架降落航班的要求，执行步骤3-8；否则，航班j与航班i+1之间的时间间隔不满足约束条件，执行步骤3-9；
[0125]
步骤3-8，令航班j的降落时间为etl
j
，同时调整后续降落航班的计划降落时间为etl
j
与尾流间隔时间累加之和：令j＝j+1，执行步骤3-3；
[0126]
步骤3-9，起飞航班i和i+1之间不满足插入降落航班要求，令i＝i+1，执行步骤3-2。
[0127]
经步骤3，以该机场其中一条跑道的某时段为例，最终生成的混合起降航班流各航班时隙如图6所示。
[0128]
本发明提供了一种基于概率分布特征的航班流生成方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。