一种基于不确定到达时刻的空域时隙资源优化分配方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于不确定到达时刻的空域时隙资源优化分配方法，属于空中交通管理领域。该方法首先构建空域资源信息平台，获取流量受限空域内的航路运行信息、下游空域单元可用时隙信息、航班运行信息等，制定空域时隙资源分配的风险决策原则，以一定置信水平下全部航班总延误损失最小为目标之一，以一定置信水平下平均旅客延误时间最小为另一目标，建立满足风险决策原则的约束条件，将其中的随机性约束条件转化为相应的确定性等价形式，进而建立空域时隙资源分配的随机优化模型，采用数学软件求解模型，得出非劣解集，形成不确定到达时刻条件下的空域时隙资源优化分配策略集，通过空域资源信息平台，发布空域时隙资源优化分配策略。
【专利说明】
-种基于不确定到达时刻的空域时隙资源优化分配方法
技术领域
[0001] 本发明属于空中交通信息数据处理技术领域，特别设及一种可应用于空域运行调 配、空域与流量协同管理的利用计算机进行数据处理的空域资源优化分配方法。
【背景技术】
[0002] 空域时隙资源分配一般根据飞行计划、容量受限空域及可用空域情况，开辟有限 数量的临时航路航线，协同配置空域时隙资源，充分利用空域，实现空中交通分流，缓解空 域拥挤，减少飞行任务延误。国外学者和研究机构提出了协同航路和空域流量程序等技术。 协同航路根据空域拥挤情况，设置多条改航航线，W尽可能满足飞行用户偏好为目标，优化 调度航班改航，美国麦特公司开发了协同航路资源分配工具；空域流量程序通过引入协同 决策，W空中或地面等各类延误损失最小为目标建立空域资源优化分配模型。欧洲航行安 全组织提出的空中交通流量和容量管理概念，是对设及空域管理的地面等待、改航等流量 管理策略的集成，通过调配空域资源，实现空中交通运行效率的最大化。国内研究可见少量 理论研究报道，有学者通过设计动态航路、条件航路等临时航路，引入相应的运行成本，建 立了最小化航班运行成本的数学规划模型;还有学者基于航路相关空域单元禪合容量，建 立了最小化航班延误成本和改航成本的协同多航路资源分配0-1整数规划模型。
[0003] 现有研究一般基于确定的航班到达时刻，即认为航班到达时刻是确定值;然而飞 行过程中往往存在一定的不确定性，尤其是空域拥挤、改航等情况将增加飞行时间的不确 定性，给空域流量管理、飞行调度造成一定难度。在航班到达时刻不确定的条件下，合理的 空域时隙资源分配策略既是保证空中交通运行稳定性的需要，又是充分利用空域时隙资源 的重要手段。目前尚缺少一种基于不确定到达时刻的空域时隙资源优化分配实现方法。
【发明内容】
[0004] 发明目的:本发明要解决的技术问题是:根据航班到达时刻的概率分布，W-定置 信水平下的全部航班总延误损失最小、平均旅客延误时间最小为目标，建立空域时隙资源 分配的随机优化模型，合理分配空域时隙资源，优化调配容量受限空域的飞行流分布，有效 应对航班飞行的不确定性，保障空中交通运行稳定性。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于不确定到达时刻的空域时隙资源 优化分配方法，包括如下步骤：
[0006] 步骤1，采集数据:构建空域资源信息平台，获取流量受限空域内的计划航路及临 时航路容量信息，获取计划航路下游空域单元的可用时隙信息，获取航班运行信息，包括航 班计划、机型、航班到达时刻的概率分布等；
[0007] 步骤2,利用步骤1构建的信息平台和采集的数据，收集空域与流量管理者决策偏 好，建立空域时隙资源分配的风险决策原则，即允许分配策略W-定置信水平成立，航班实 际到达时刻在一定置信水平下不早于计划到达时刻；
[000引步骤3,根据步骤2建立的空域时隙资源分配风险决策原则，W-定置信水平下全 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建立的空域时隙资源分配风险决策原则，W-定置信水平下平 均旅客延误时间最小为目标建立目标函数；
[0010] 步骤5,根据步骤2制定的空域时隙资源分配风险决策原则，建立约束条件；
[0011] 步骤6,将步骤5中建立的约束条件转化为相应的确定性等价形式；
[0012] 步骤7,根据步骤3、步骤4建立的目标函数及步骤5、步骤6建立的约束条件，建立空 域时隙资源分配的随机优化模型(运个模型就是步骤3、步骤4建立的目标函数及步骤5、步 骤6建立的约束条件的组合，随机优化模型是目标函数或约束条件中含有随机变量的数学 规划模型）；
[0013] 步骤8,采用Lingo、Matlab等数学软件求解步骤7建立的随机优化模型，得出非劣 解集，形成不确定到达时刻条件下的空域时隙资源优化分配策略集；
[0014] 步骤9,通过步骤1构建的空域资源信息平台，发布空域时隙资源优化分配策略，根 据空域时隙资源优化分配策略进行空域时隙资源调整。
[0015] 步骤3中W-定置信水平下全部航班总延误损失最小为目标建立目标函数为：
[0016]
[0017] 其中，Cs(下标S代表"计划"运个词，英文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(下标t代表"临时"运个词，英文 temporary，表示临时航路temporary air route)表示航班使用临时航路k的单位时间延误 成本，1 < k < Κ，Κ为临时航路的数量，tj为任一时隙j的起始时刻，1 < j < J，J为时隙总数， etaiS表示航班i的预计到达时刻，是随机变量，1含i含1，1为航班总数，xu、yi/为决策变量， 表不为：
[0020] 步骤4中W-定置信水平下平均旅客延误时间最小为目标建立目标函数为：
[0021]
[0022] 其中，η康示航班i的载客数。
[0023] 步骤5中建立如下约束条件：
[0024]
衰示每个航班有且仅有一个时隙和一条航路；
[00巧]
，表示每个时隙最多只能分配给一个航班；
[0026] > ?，表示航班选择计划航路时实际到达时刻在置信水平α(〇<α< 1)下不早于计划到达时刻；
[0027] 玄e钓f 含係，表示当航班选择一个临时航路时实际到达时刻不 能早于预计到达时刻与该航路增加的飞行时间之和，A ik为航班i选择临时航路k所增加的 飞行时间；
[0028]
.，.表示计划航路流量不超过计划航路容量，化S表示计划航路的容量；
[0029]
，表示临时航路流量不超过临时航路容量，Catk表示临时航路k的容 量。
[0030] 步骤則尋步骤5中建立的约束条件转化为相应的确定性等价形式为：
[0031]
的确定性等价形式，
[0032]
:的确定性等价形式，
[0033] 其中，Φ表示航班i的预计到达时刻etai?刻的概率分布函数。
[0034] 有益效果:本发明具有如下技术效果:有效控制航班早于计划到达时刻所导致的 二次延误风险的同时，优化分配了空域时隙资源，兼顾了效率与公平，满足不确定条件下空 域时隙资源分配的风险决策要求，保障了空中交通运行的稳定性，与先到先服务策略相比， 取得了较好的优化效果，为航班运行不确定条件下的空域时隙资源优化分配提供了一种实 现方法，为区域航路流量管理、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为本发明的方法流程图。
[0037] 图2为实施例的化reto最优解集。
[0038] 图3为实施例的各化reto最优解中航班不早于选择相应航路的计划到达时刻的概 率。
[0039] 图4为实施例在不同置信水平下的各目标最优值。
【具体实施方式】
[0040] 航班飞行过程中受飞行需求、气象、人为因素、航空器性能等因素影响，到达航路 关键点或空域单元边界点的时刻及飞行时间存在一定的不确定性。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，开辟临时航路、实现合理分流是有效 缓解空域拥挤的重要手段。空域时隙资源分配过程中应充分考虑航班飞行的不确定性，控 制决策风险，减少航班飞行不确定性导致的空域时隙资源浪费或空中延误，在保障空中交 通运行稳定性的同时优化利用空域时隙资源，尽可能减少航班延误。
[0041] 本发明公开了一种基于不确定到达时刻的空域时隙资源优化分配方法，方法流程 如图1所示，包括如下步骤：
[0042] 步骤1:构建空域资源信息平台，获取流量受限空域内的计划航路及临时航路容量 信息，获取计划航路下游空域单元的可用时隙信息，获取航班运行信息，包括航班计划、机 型、航班到达时刻的概率分布等；
[0043] 步骤2:利用步骤1构建的信息平台，收集空域与流量管理者决策偏好，建立空域时 隙资源分配的风险决策原则，即允许分配策略W-定置信水平成立，航班实际到达时刻在 一定置信水平下不早于计划到达时刻；
[0044] 步骤3:根据步骤2建立的空域时隙资源分配风险决策原则，W-定置信水平下全 部航班总延误损失最小为目标建立目标函数；
[0045] 步骤4:根据步骤2建立的空域时隙资源分配风险决策原则，W-定置信水平下平 均旅客延误时间最小为目标建立目标函数；
[0046] 步骤5:根据步骤2制定的空域时隙资源分配风险决策原则，建立约束条件；
[0047] 步骤6:将步骤5中建立的随机性约束条件转化为相应的确定性等价形式；
[004引步骤7:根据步骤3、步骤4建立的目标函数及步骤5、步骤6建立的约束条件，建立空 域时隙资源分配的随机优化模型；
[0049] 步骤8:采用Lingo、Matlab等数学软件求解步骤7建立的随机优化模型，得出非劣 解集，形成不确定到达时刻条件下的空域时隙资源优化分配策略集；
[0050] 步骤9:通过步骤1构建的空域资源信息平台，发布空域时隙资源优化分配策略，根 据空域时隙资源优化分配策略进行空域时隙资源调整。
[0051 ]步骤3中W-定置信水平下全部航班总延误损失最小为目标建立目标函数为：
[0化2]
[0053]其中，Cs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 (1非^，κ为临时航路的数量)的单位时间延误成本，tj(i y y，j为时隙总数)为任一时 隙的起始时刻，代表该时隙，e化i?表示航班i(l < i < 1，1为航班总数)的预计到达时刻，是随 机变量，xi j、yi jk为决策变量，表示为：
[0056]步骤4中W-定置信水平下平均旅客延误时间最小为目标建立目标函数为：
[0化7]
[005引其中，m表示航班i的载客数。
[0059]步骤5中建立如下约束条件：
[0060]
表示每个航班有且仅有一个时隙和一条航路；
[0061]
表示每个时隙最多只能分配给一个航班；
[00创 >加;}含如。< /，1《J </，表示航班选择计划航路时实际到达时刻在置 信水平α下不早于计划到达时刻；
[00创巧枉，含e拍；+么作各}三切書?含_/，1 y < /，1含A < Α'，表示当航班选择某一临时 航路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 ik为航班i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，Cas表示计划航路 的容量；
[00化]
.，表示临时航路流量不超过临时航路容量，Catk表 示临时航路k的容量。
[0066] 步骤則尋步骤5中建立的随机性约束条件转化为确定性等价形式为：
[0067] tj> 巫-1(口），1<1<1，1< j<J，
[006引上述公式为；Pr[i,. >ef过;。}含如<7 的确定性等价形式；
[0069] > Δ'.;..!-;. +Φ '(〇')，！ </< /，1 <'/.< ./，1 < A- < 分，
[0070] 上述公式为Prf,. > e卸+ 议，1。< /，1 < J- < /，] < A < Α'的确定性等价形 式，其中，Φ表示航班i的预计到达时刻etaiS的概率分布函数。
[0071 ] 实施例
[0072] 下面结合实施例对本发明做进一步说明。
[0073] W民航某航路仿真运行数据为例，该航路某日12:00~14:00受危险天气影响，容 量下降，该航路所在空管单位划设两条临时航路，各航路的容量、延误成本、转弯点数量信 息由相关空管单位提供经验值或设定值，如表1所示，其中延误成本指轻型机在相应航路的 延误成本，中型机和重型机延误成本分别为轻型机延误成本的2倍和4倍;设该段计划航路 的飞行时间为20分钟，临时航路1和临时航路2较计划航路分别增加飞行时间5%和15%。设 预计到达时刻符合正态分布，航班运行信息如表2所示;计划航路下游空域单元的容量为15 架次/小时，时隙长度为4分钟。
[0074] 表1航路运行信息
[0075]
[007引
[0079] 置信水平取值范围为(0，1)，在实际中为保证空域时隙资源分配策略的有效性，一 般取值大于0.5。在本例中任取一值0.8,检验方法有效性，即要求航班实际到达时刻不早于 计划到达时刻的概率不低于0.8，从而W较大概率保证航班运行的稳定性，减少航班实际运 行过程中飞行时刻的调整，减少可能的二次延误。运行本发明方法，得出非劣解集，如图2所 示，形成不确定到达时刻条件下的空域时隙资源优化分配策略集，详细数据如表3~表7所 /J、- 〇
[0080] 表3空域时隙资源分配策略
[0081]
[0098]按照本发明方法得到的空域时隙资源优化分配策略下，各航班不早于选择相应航 路的计划到达时刻的概率如图3所示，均不低于设置的置信水平，满足不确定条件下空域时 隙资源分配的风险决策要求，有效控制了航班早于计划到达时刻所导致的二次延误的发生 概率，保障了空中交通运行的稳定性，同时兼顾了效率与公平，形成多种空域时隙资源优化 分配策略，为空域协同运行管理提供了充足的决策空间。本方法所得各策略的总航班延误 损失均值为81744.07元，平均旅客延误时间均值为13.93分钟;采用先来先服务策略，相同 置信水平下，总航班延误损失为133010元，平均旅客延误时间为23.73分钟;本方法比先到 先服务策略在总航班延误损失和平均旅客延误时间方面分别减少38.54%和41.3 %，优化 效果明显。为阐明置信水平对空域时隙资源分配的影响，分别在置信水平为0.6、0.7、0.卵寸 运行本方法，计算各目标最优值，如图4所示。从图4可W看出，各目标最优值随置信水平的 增大而增大，说明控制航班二次延误风险、保障空中交通运行稳定性需要W损失一定的运 行效率为代价。本发明建模过程简便易行，易于求解实现，适合应用于空域管理或空中交通 流量管理协同决策系统工具的开发。
[0099]本发明提供了一种基于不确定到达时刻的空域时隙资源优化分配方法，具体实现 该技术方案的方法和途径很多，W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W做出若干改进和润饰， 运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 W实现。
【主权项】
1. 一种基于不确定到达时刻的空域时隙资源优化分配方法，其特征在于，包括如下步 骤： 步骤1，采集数据:获取流量受限空域内的计划航路及临时航路容量信息，获取计划航 路下游空域单元的可用时隙信息，获取航班运行信息； 步骤2,利用步骤1采集的数据，收集空域与流量管理者决策偏好，建立空域时隙资源分 配的风险决策原则，即允许分配策略以一定置信水平成立，航班实际到达时刻在一定置信 水平下不早于计划到达时刻； 步骤3,根据步骤2建立的空域时隙资源分配风险决策原则，以一定置信水平下全部航 班总延误损失最小为目标建立目标函数； 步骤4,根据步骤2建立的空域时隙资源分配风险决策原则，以一定置信水平下平均旅 客延误时间最小为目标建立目标函数； 步骤5，根据步骤2制定的空域时隙资源分配风险决策原则，建立约束条件； 步骤6，将步骤5中建立的约束条件转化为相应的确定性等价形式； 步骤7，根据步骤3、步骤4建立的目标函数及步骤5、步骤6建立的约束条件，建立空域时 隙资源分配的随机优化模型； 步骤8,求解步骤7建立的随机优化模型，得出非劣解集，形成不确定到达时刻条件下的 空域时隙资源优化分配策略集； 步骤9,根据空域时隙资源优化分配策略进行空域时隙资源调整。2. 根据权利要求1所述的一种基于不确定到达时刻的空域时隙资源优化分配方法，其 特征在于，步骤3中以一定置信水平下全部航班总延误损失最小为目标建立目标函数为：其中，Cs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为任一时隙j的起始时刻，1 < j < J，J为 时隙总数，etai^示航班i的预计到达时刻，是随机变量，1 < i < 1，1为航班总数，Xij、yijk为 决策变量，表示为：3. 根据权利要求1所述的一种基于不确定到达时刻的空域时隙资源优化分配方法，其 特征在于，步骤4中以一定置信水平下平均旅客延误时间最小为目标建立目标函数为：其中，m表示航班i的载客数。4. 根据权利要求1所述的一种基于不确定到达时刻的空域时隙资源优化分配方法，其 特征在于，步骤5中建立如下约束条件：Prft :? 2 α，表示航班选择计划航路时实际到达时刻在置信水平α下不早于计 划到达时刻；，表示当航班选择一个临时航路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 J为航班i选择临时航路k所增加的飞行 时间；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；，表示临时航路流量不超过临时航路容量，Catk表示临时航路k的容量。5.根据权利要求1所述的一种基于不确定到达时刻的空域时隙资源优化分配方法，其 特征在于，步骤6将步骤5中建立的约束条件转化为相应的确定性等价形式为： 4>Φ-Ηα)为Pr j^ 2 efa::} > α的确定性等价形式， 2 + Φ-1⑷为Pr私乏乏沒的确定性等价形式， 其中，Φ表示航班i的预计到达时刻etais的概率分布函数。
【文档编号】G08G5/00GK105825717SQ201610244916
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】杨尚文, 陈平, 童明
【申请人】中国电子科技集团公司第二十八研究所