一种适用于机场道面长期养护规划的决策方法及电子设备

1.本发明属于机场道面养护决策优化领域，具体涉及一种适用于机场道面长期养护规划的决策方法及电子设备。


背景技术：

2.经济社会的高速发展使得航空运输需求日益增长，同时航空运输中大、中型飞机的数目也在逐年攀升，高负荷地运营使得机场道面承受着前所未有的压力，早期建设的机场道面病害与安全隐患随之增多，养护需求不断升高。然而，与公路不同，机场道面的养护作业往往受到道面运营任务的限制，因此，不停航施工一直是机场道面养护工作中关注的焦点。基于此，结合机场道面不停航施工的运营需求，进行道面养护决策优化，是当前机场道面养护管理的首要任务。
3.目前，机场道面养护工作主要依赖专家决策，这种决策方式受限于决策者的技术水平，决策主观性较强，同时，针对道面既有病害所进行的事后养护不仅会因耽误最佳养护时机导致养护费用的增加，还会使得飞机运行存在难以预知的风险。因此，结合机场道面性能的衰变规律，进行适时的预防性养护是保持机场道面长期高质量运营的关键。
4.当下机场道面管养研究中虽然已经有一些学者尝试探究机场道面性能衰变规律，并提出一些预防性养护指标，但主要还是给出养护时机，在养护决策优化上总是浅尝辄止，少有综合效益费用分析进行道面长期养护决策的案例。在公路养护管理中，中国专利申请号cn 201911280981.9提出利用规划方法进行路面养护决策，但该方法未将路面长期性能衰变纳入考量，且在决策中忽略了具体养护措施带来的影响，难以实现精细化的路面长期养护规划；中国专利申请号cn202111330804.4提出考虑微观单元性能预测的公路养护决策方法，但在决策中仅对路面性能进行优化，并未考虑费用这一养护决策中的重要制约因素。
5.综上所述，目前机场道面养护管理中缺乏系统的决策优化方法，公路路面养护中虽然已有一些决策方法，但考虑因素比较单一，受限于公路和机场道面管养工作中不同的侧重点，也难以应用于机场道面养护决策。


技术实现要素：

6.为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种适用于机场道面长期养护规划的决策方法及电子设备。
7.为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
8.一种适用于机场道面长期养护规划的决策方法，包括以下步骤：
9.s1、建立机场道面养护决策模型：输入机场道面性能指标，输出该指标情况下适用的养护措施；所述机场道面养护决策模型包括建立机场道面养护对策库和建立机场道面养护决策逻辑；
10.s2、收集机场道面周期检测及养护历史数据，建立机场道面性能指标预测模型：包括每种指标在不同养护措施下的不同预测模型；将道面性能指标及养护措施输入机场道面
性能指标预测模型，输出下一季度的道面性能指标预测值；
11.s3、进行机场道面单次养护决策，以季度作为机场道面的最短决策期，设置决策规划期t，在决策规划期内的每一季度内重复s1和s2的步骤生成机场道面各单元的养护规划；
12.s4、建立不停航施工下的机场道面长期养护决策多目标优化模型，包括目标函数和约束条件；
13.s5、以步骤s3中生成的各单元养护规划作为其多目标优化可行域，采用步骤s4所建立的多目标优化模型进行优化求解，得到机场道面长期养护规划的最优解集。
14.优选地，步骤s1中机场道面性能指标包括：道面状况指数pci、道面等级号pcn、道面板脱空系数t、国际平整度指数iri和道面摩擦系数μ。
15.优选地，步骤s1建立机场道面养护对策库具体指：结合中国民航局《民用机场道面飞行区场地维护技术指南》和实际机场道面养护历史数据所确定的机场道面养护措施种类及各类养护措施的适用条件、单价估算、施工时间，其中养护措施分为3类共计10项：预防性养护、针对性养护和结构性养护，所述预防性养护包括日常养护和刻槽；所述针对性养护包括裂缝灌填、板块研磨、基础注浆、浅层修补、部分厚度修补和全厚度修补；所述结构性养护包括整板换板和加铺。
16.优选地，步骤s1建立机场道面养护决策逻辑具体指：在建立机场道面养护对策库之后，结合机场道面周期检测及养护历史数据，所确定的各种指标等级情况下适用的养护措施。
17.优选地，步骤s2中机场道面性能指标预测模型表达式为：
[0018][0019]
式中，y(t)为性能指标预测曲线，t表示时间，y0为性能初始值，a,b为模型参数，计算公式如下：
[0020][0021][0022][0023]
式中，序列为连续n年的道面性能指标值，从道面性能历史数据中筛选而来，是加权移动平均序列，由序列的一次累加序列作加权移动平均后生成，α为加权系数，取值范围0～1。
[0024]
优选地，步骤s3进行机场道面单次养护决策具体包括以下步骤：
[0025]
s31、设置决策规划期t；
[0026]
s32、输入机场道面性能指标数据，利用步骤s1中建立的道面养护决策逻辑进行决策，生成适用的养护措施；
[0027]
s33、基于步骤s32的决策结果，分别针对每一种养护措施选择对应的性能预测模型计算输出机场道面下一季度的性能指标；
[0028]
s34、输入预测得到的下一季度性能指标，重复步骤s32～s33，直至完成决策规划期t内每一个季度的决策并输出决策规划期内的全部养护规划。
[0029]
优选地，步骤s4中机场道面养护决策多目标优化模型以决策规划期内道面平均pci最大化和养护费用最小化为模型目标函数，通过预设各季度的养护施工窗口期bj对养护方案进行约束保障机场道面不停航施工的运营需求，公式表达如下：
[0030][0031][0032][0033]
其中，maxf1表示决策规划期内道面平均pci最大化，m为机场道面决策单元总数，t为决策规划期，pci
it
为单元i第t季度的道面pci预测值，areai为单元i的面积，area为决策机场的道面总面积；minf2表示养护费用最小化，n为道面养护对策库中的养护措施总数，x
ijt
表示单元i第t季度是否使用第k种养护措施，为二值变量，取值1表示使用，取值0表示不使用，pk为第k种养护措施的单价；s.t.为模型的约束条件，ck为第k种养护措施的施工时间，bj为决策机场在第j季度的养护施工窗口期，d为决策规划期内道面pci下限。
[0034]
优选地，步骤s5具体包括以下步骤：
[0035]
s51、建立优化模型的目标函数方程，基于机场道面养护需求，选择决策规划期内道面平均pci最大化和养护费用最小化两个优化目标，并根据优化目标和养护方案之间的定量关系确定目标函数；
[0036]
s52、确定优化模型的约束条件，除了设定道面pci下限对优化方案进行约束以外，还针对机场道面不停航施工的运营需求，以道面养护施工窗口期作为约束条件，根据机场运营实际中每个季度的养护施工窗口期对决策优化过程进行约束；根据步骤s51～s52，最终建立不停航施工下的机场道面长期养护决策多目标优化模型；
[0037]
s53、求解步骤s52得到的多目标优化模型，得到决策规划期内的非支配最优解集；
[0038]
s54、根据步骤s53求解得到的决策优化问题的最优解集，结合机场当年运营和养护计划确定相应的道面养护方案。
[0039]
优选地，步骤s53具体指：采用带精英策略的非支配排序遗传算法对所构建的多目标优化模型进行求解，首先在决策空间内随机生成一定个体数的初代种群，其中每个个体都代表此优化问题的一组解，其次通过快速非支配排序和拥挤度计算对种群中的个体进行筛选，从而在保证种群适应度的同时使个体在决策空间内均匀分布，最后利用选择、交叉和变异的操作得到新一代种群，种群迭代时通过父代与子代种群的合并保留父代种群中的精英个体以提高优化效率。
[0040]
一种电子设备，包括：存储器和处理器，所述存储器存储由所述处理器可执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述适用于机场道面长期养护规划的决策方法。
[0041]
采用上述技术方案带来的有益效果：
[0042]
本发明提供了一种适用于机场道面长期养护规划的决策方法及电子设备，该方法将机场道面在不同养护措施下的性能衰变规律纳入决策过程，同时在决策中针对机场道面不停航施工的运营需求建立多目标优化模型，通过智能算法求解给出决策期内道面性能水平最大化和养护费用最小化的最优解集，对机场道面养护决策中是否养护、何时养护、以及采用什么养护措施的问题作出回答，对实现机场道面全寿命周期下的运维管理有着十分积极的意义。
附图说明
[0043]
图1为本发明一种适用于机场道面长期养护规划的决策方法的流程示意图；
[0044]
图2为道面养护决策逻辑示意图；
[0045]
图3为单次养护决策流程示意图；
[0046]
图4为本发明实施例中决策优化非支配解集示意图；
[0047]
图5为本发明实施例中优化结果中各方案的养护工作量示意图。
具体实施方式
[0048]
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0049]
参考图1，以机场水泥混凝土道面养护决策优化为例，本技术实施例的步骤如下：
[0050]
步骤s1、建立机场道面养护决策模型：
[0051]
步骤s1.1、建立机场道面养护对策库：结合中国民航局《民用机场道面飞行区场地维护技术指南》(ac-140-ca-2010-3)和机场道面养护历史数据，搭建道面养护对策库，确定机场道面养护措施种类及各类养护措施的适用条件、单价估算、施工时间，如表1所示。
[0052]
表1道面养护对策库
[0053]
[0054][0055]
步骤s1.2、建立机场道面养护决策逻辑：结合机场道面周期检测及养护历史数据，建立机场道面养护决策树。《民用机场道面评价管理技术规范》(mh/t5024-2019)分别对所述道面评价指标进行分级(本实施例中指标分级结果如表2所示)，其次结合机场道面周期检测及养护历史数据，对这些指标不同等级排列组合中的所有情况(共计5*3*4*4*3＝720种)分别确定适用的养护措施，以此作为机场道面养护决策逻辑。针对具体道面单元决策时，只需输入该单元的性能指标，通过判断其属于哪种情况即可得到适用于该单元的养护措施，如图2所示。
[0056]
表2道面评级指标分级结果
[0057]
指标等级1等级2等级3等级4等级5pcipci≥8570≤pci《8555≤pci《7040≤pci《55pci《40pcnpcn≥8050≤pcn《80pcn《50//tt≤1.51.5《t≤2.52.0《t≤3.0t》3.0/iriiri《2.52.5≤iri《3.53.5≤iri《4.5iri≥4.5/μμ≥0.600.50≤μ《0.60μ《0.50//
[0058]
步骤s2、建立机场道面性能预测模型：
[0059]
步骤s2.1、筛选机场道面性能及养护历史数据：从收集到的机场道面性能及养护历史数据中，按所使用过的养护措施进行分类，筛选出机场道面在使用各养护措施后道面各性能指标的时间序列
[0060]
步骤s2.2、建立机场道面性能预测体系：利用数据筛选的结果，分别建立性能预测模型，依次计算一次累加序列加权移动平均序列以及模型参数a,b：
[0061][0062]
[0063][0064][0065]
其中，序列为连续n年的道面性能指标值，为一次累加序列，为加权移动平均序列，α为加权系数，在本实施例中取值α＝0.5，y(t)为性能指标预测曲线，t表示时间(季度)，y0为性能初始值，a,b为模型参数。
[0066]
步骤s3：机场道面单次养护决策，流程如图3所示。
[0067]
步骤s3.1：设置决策规划期t：本实施例中以3年共12个季度为决策规划期；
[0068]
步骤s3.2：机场道面养护决策：输入机场道面性能指标数据(当前值或预测值)，利用步骤s1.2建立的道面养护决策逻辑进行决策，生成适用的养护措施；
[0069]
步骤s3.3：机场道面性能预测：针对步骤s3.2生成的每一种养护措施，选择对应的性能预测模型计算下一季度的性能指标；
[0070]
步骤s3.4：输入预测得到的下一季度性能指标，重复决策-预测的步骤(s3.2和s3.3)，直至完成决策规划期内每一个季度的决策并输出决策规划期内的全部养护规划。
[0071]
以单个道面单元为例，假设根据当前指标数据可生成2种可用的措施，根据这2种措施分别预测指标数据即可得出道面性能在下一季度可能出现的2种情况，然后分别对这2种情况进行决策，每种情况下又可以生成若干种可用的措施，再次进行预测可得到第3季度可能出现的情况若干种，重复此过程最后生成该道面单元在决策规划期内的若干种养护规划(每一个季度采用何种养护措施)，作为长期决策优化时该单元的备选方案。在本实施例中，通过上述步骤对机场道面100个单元生成了共计13730种养护规划，道面长期决策优化将从这些方案的排列组合中进行优选。
[0072]
步骤s4：机场道面长期决策优化：
[0073]
步骤s4.1：建立优化模型的目标函数方程：基于机场道面养护需求，本实施例中选择决策规划期内道面平均pci最大化和养护费用最小化两个优化目标，并根据优化目标和养护方案之间的定量关系确定目标函数；
[0074]
步骤s4.2：确定优化模型的约束条件：本发明中除了设定道面pci下限对优化方案进行约束以外，还针对机场道面不停航施工的运营需求，以道面养护施工窗口期作为约束条件，根据机场运营实际中每个季度的养护施工窗口期对决策优化过程进行约束。
[0075]
根据步骤s4.1～s4.2，最终建立不停航施工下的机场道面长期养护决策多目标优化模型：
[0076][0077][0078][0079]
其中，m为机场道面决策单元总数，t为决策规划期(季度)，pci
it
为单元i第t季度的
道面pci预测值，areai为单元i的面积，area为决策机场的道面总面积，n为道面养护对策库中的养护措施总数，x
ijt
表示单元i第t季度是否使用第k种养护措施，为二值变量，取值1表示使用，取值0表示不使用，pk为第k种养护措施的单价，ck为第k中养护措施的施工时间，bj为决策机场在第j季度的养护施工窗口期(天)，本实施例中取值情况如表3所示，d为决策规划期内的道面pci下限，本实施例中取d＝80；
[0080]
表3决策规划期内机场各季度施工窗口期
[0081][0082]
步骤s4.3：求解所述多目标优化模型，得到决策规划期内的非支配最优解集：本实施例中，采用带精英策略的非支配排序遗传算法(nsga
‑ⅱ
算法)对所构建的多目标优化模型进行求解。求解时，首先在决策空间内随机生成一定个体数的初代种群，其中每个个体都代表此优化问题的一组解，其次通过快速非支配排序和拥挤度计算对种群中的个体进行筛选，从而在保证种群适应度的同时使个体在决策空间内均匀分布，最后利用选择、交叉和变异的操作得到新一代种群，种群迭代时通过父代与子代种群的合并保留父代种群中的精英个体以提高优化效率；
[0083]
步骤s4.4：获取决策优化结果：步骤s4.3求解得到的是一系列非支配解，即所述决策优化问题的最优解集，包括各单元每一季度具体的养护方案、性能指标、费用估算、以及施工耗时，道面管理者可参考上述解，结合机场当年运营、养护计划确定相应的道面养护方案，本实施例中求得非支配解18个，如表4所示，各方案的养护费用和pci预测结果如图4所示，各方案的养护工程量如图5所示。
[0084]
表4备选方案施工时间、费用及性能预测统计
[0085][0086][0087]
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。