一种量子计算驱动的飞行航班规划方法与流程

本发明属于飞行任务规划领域，涉及一种量子计算驱动的飞行航班规划方法。

背景技术：

1、近年来，无人机的出现极大改变了我们的工作与生活，在物流运输等民用任务中大放异彩。在管理大量飞机的同时，必须要解决一个关键性问题，即无人机的避碰问题。我们需要实时的根据不同飞机航线存在的潜在冲突情况，判定飞机需要实施的规避动作，包括起飞延迟以及局部机动等等，并且在避免冲突的同时，也要使规避代价最小。通常来说，优化问题对应的解决方案可以是完全已知的，也可以通过对约束进行放松从而得到近似解。随着问题规模的扩大和约束条件的增多，所需的计算资源也指数级上升，导致优化问题的解决难度不断加大。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种量子计算驱动的飞行航班规划方法，利用量子变分算法来实现多个飞机航班的避碰问题。其中，本方法通过适当延迟飞机的起飞时间，使得飞机在飞行过程中不需要进行机动就可以实现航班冲突的消解。首先对问题进行离散化处理，将问题映射为二元二次无约束优化问题，使得该规划问题能够在量子计算机上实现，从而使得该规划问题具备在量子计算机上实现的可行性。

2、本发明解决技术的方案是：

3、一种量子计算驱动的飞行航班规划方法，包括：

4、设定飞机数量、飞机起飞和降落时间、飞机需要飞行航线、飞机抵达目的地时间的最大延迟；

5、设计构型空间，对飞机飞行航线的冲突问题进行数学建模；

6、构建飞机间飞行航线发生冲突的条件集合；

7、将飞机的起飞延迟分解为调度延迟和起飞准备时间；

8、将飞机冲突消解问题映射为二元二次无约束优化问题；

9、利用变分量子特征值求解算法进行问题求解，获得二元二次无约束优化问题的最优解；

10、针对最优解，利用量子近似优化算法对规划问题的结果进行校验，验证每架飞机的起飞延迟时间，完成飞行航班规划任务。

11、在上述的一种量子计算驱动的飞行航班规划方法，所述飞行航线设定为经度，纬度和高度组成的三维坐标。

12、在上述的一种量子计算驱动的飞行航班规划方法，对飞机飞行航线的冲突问题进行数学建模的具体方法为：

13、通过设定飞机之间在空间和时间上的分离最低标准，建立不等式描述飞机之间避免碰撞的条件。

14、在上述的一种量子计算驱动的飞行航班规划方法，飞机间飞行航线发生冲突的条件集合为将飞机之间在空间和时间上不满足分离最低标准的所有条件。

15、在上述的一种量子计算驱动的飞行航班规划方法，所述调度延迟为通过对不同的飞机进行航班调度，所产生的满足飞行需要的时间延迟，该延迟由整个调度系统决定。

16、在上述的一种量子计算驱动的飞行航班规划方法，所述起飞准备时间为飞机起飞前需要做的各项准备工作所花费的时间的总和，该时间是由飞机的特性决定的，不同飞机的起飞准备时间是不同的。

17、在上述的一种量子计算驱动的飞行航班规划方法，引入一个决策变量，将构型空间编码为二进制变量；设计一个面向避碰问题的约束条件。

18、在上述的一种量子计算驱动的飞行航班规划方法，利用变分量子特征值求解算法进行求解的具体方法为：

19、s1、制备初始态；

20、s2、构造参数化量子电路并给定初始参数；

21、s3、测量出期望值；

22、s4、利用经典计算机更新参数直至达到收敛。

23、在上述的一种量子计算驱动的飞行航班规划方法，所述s4中，收敛后的数值即为二元二次无约束优化问题的最优解。

24、在上述的一种量子计算驱动的飞行航班规划方法，利用量子近似优化算法对规划问题的结果进行校验的具体方法为：

25、利用量子绝热算法原理，通过将经典二值变量转化为自旋算子，把最小化经典目标函数映射为哈密顿量，求解规划问题的哈密顿量的基态。

26、本发明与现有技术相比的有益效果是：

27、(1)本发明将潜在的冲突表述为互不相交的冲突集，为了将问题编码为二元二次无约束优化问题我们对问题的构型空间进行了离散化，将问题编码为哈密顿量，使得该规划问题能够在量子计算机上实现，从而使得该规划问题具备在量子计算机上实现的可行性；

28、(2)本发明分别使用了两种变分量子算法来求解问题哈密顿量的基态，对求解的最优结果又进一步验证，进一步实现了航班规划设计的准确性；

29、(3)本发明将飞机数量，获取飞机起飞和降落时间，获取飞机需要飞行的航线路径，获取飞机抵达目的地时间的最大延迟均作为飞机飞行航线发生冲突的条件集合，全面的考量了二元二次无约束优化问题的输入参数，使分析结果真实可靠。

技术特征：

1.一种量子计算驱动的飞行航班规划方法，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的一种量子计算驱动的飞行航班规划方法，其特征在于：所述飞行航线设定为经度，纬度和高度组成的三维坐标。

3.根据权利要求1所述的一种量子计算驱动的飞行航班规划方法，其特征在于：对飞机飞行航线的冲突问题进行数学建模的具体方法为：

4.根据权利要求3所述的一种量子计算驱动的飞行航班规划方法，其特征在于：飞机间飞行航线发生冲突的条件集合为将飞机之间在空间和时间上不满足分离最低标准的所有条件。

5.根据权利要求1所述的一种量子计算驱动的飞行航班规划方法，其特征在于：所述调度延迟为通过对不同的飞机进行航班调度，所产生的满足飞行需要的时间延迟，该延迟由整个调度系统决定。

6.根据权利要求1所述的一种量子计算驱动的飞行航班规划方法，其特征在于：所述起飞准备时间为飞机起飞前需要做的各项准备工作所花费的时间的总和，该时间是由飞机的特性决定的，不同飞机的起飞准备时间是不同的。

7.根据权利要求1所述的一种量子计算驱动的飞行航班规划方法，其特征在于：将飞机冲突消解问题映射为二元二次无约束优化问题的方法为：引入一个决策变量，将构型空间编码为二进制变量；设计一个面向避碰问题的约束条件。

8.根据权利要求7所述的一种量子计算驱动的飞行航班规划方法，其特征在于：利用变分量子特征值求解算法进行求解的具体方法为：

9.根据权利要求8所述的一种量子计算驱动的飞行航班规划方法，其特征在于：所述s4中，收敛后的数值即为二元二次无约束优化问题的最优解。

10.根据权利要求9所述的一种量子计算驱动的飞行航班规划方法，其特征在于：利用量子近似优化算法对规划问题的结果进行校验的具体方法为：

技术总结
本发明涉及一种量子计算驱动的飞行航班规划方法，属于飞行任务规划领域；设定飞机数量、飞机起飞和降落时间、飞机飞行航线、飞机抵达目的地时间的最大延迟；设计构型空间，对飞机飞行航线的冲突问题进行数学建模；构建飞机间飞行航线发生冲突的条件集合；将飞机的起飞延迟分解为调度延迟和起飞准备时间；将飞机冲突消解问题映射为二元二次无约束优化问题；利用变分量子特征值求解算法求解，获得最优解；利用量子近似优化算法对规划问题的结果进行校验，验证每架飞机的起飞延迟时间；本发明对问题进行离散化处理，将问题映射为二元二次无约束优化问题，使得该规划问题能够在量子计算机上实现，从而使得该规划问题具备在量子计算机上实现的可行性。

技术研发人员：李旗挺,李永远,阳佳,李晟嘉,刘焱飞,张宏江,杜立超,孙光,宋盛菊,金鹏,矫慧
受保护的技术使用者：中国运载火箭技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12