[发明专利]一种综合考虑空域拥堵和航班延误的空中交通网络流量优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种综合考虑空域拥堵和航班延误的空中交通网络流量优化方法，属于空中交通流量管理领域。

背景技术

随着民航事业的飞速发展，空中交通流量急剧增加，空域拥挤与大规模航班延误现象也日趋频繁。因此，空中交通流量管理（Air Traffic Flow Management;以下简称：ATFM），即统一组织、全局优化空中交通流量的运行，最大限度地提高航路网络的利用率和飞行流量的运行效率，缓解空域拥挤和航班延误，已成为空中交通管理领域的一个热点问题。

空中交通网络流优化（Air Traffic Network Flow Optimization;以下简称：ATNFO）是ATFM领域中的典型的优化问题，具体通过合理调配航路网络中每一航班的起飞降落时间和飞行路径，以最大限度缓解空中交通拥堵程度和航班的总体飞行延误。现有工作主要是将空中交通流量优化问题建模为单目标数学规划模型，包括：0-1整数规划模型，以机场容量和扇区容量为约束，通过优化航班的起降时间最小化航班延误；混合0-1整数规划模型，将航班延误代价分为地面等待代价和空中延误代价，在求解过程中均衡航班各类延误代价。然而，缓解空中交通拥堵与减少航班延误在实际中往往是相互冲突的，因此ATNFO问题实质上是一个多目标空中交通网络流优化（Multi-objective Air Traffic Network Flow Optimization；以下简称：MATNFO）问题。并且，在实际中空中交通拥挤很难用线性函数来表示，故整数规划模型无法用来准确刻画MATNFO问题。

现有MATNFO问题研究以最小化航班延误和最小化交通拥挤度为目标建模，从随机优化的角度使用多目标遗传算法（Multi-Objective Genetic Algorithm;以下简称：MOGA）求解得出最优的起飞时间和航班路径。该模型仅支持地面等待和改航两种空中流量调控措施，以缓解交通拥挤和减少航班延误，并没有考虑空中调速和空中等待对缓解拥挤和延误的作用。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，建立一个更加实用的MATNFO模型，支持地面等待、改航、空中调速和空中等待等流量调控措施，并提供一种适用于求解MATNFO模型的路径时间分配（Route and Time-slot Assignment;以下简称：RTA）系统算法，获取MATNFO问题最优解，同时满足实时性要求。

本发明的一种综合考虑空域拥堵和航班延误的空中交通网络流量优化方法，包括以下几个步骤：

步骤1、建立一个通用的双目标空中交通网络流优化数学模型，同时优化空域拥挤和航班延误；

步骤2、基于时空间分离的问题求解思想，提出一个路径时间分配系统算法，通过分别对航班进行路径搜索和时间优化操作，对双目标空中交通流量优化问题求最优解；同时，设计预选算子提取有效路径解，将预选算子嵌入路径时间分配系统算法中，以减小搜索空间，提高问题求解效率。

本发明提供的空中交通网络流优化方法，与现有技术相比，取得了如下技术效果：

（1）建立了更加符合实际的模型，支持地面等待、改航、空中调速和空中等待等空中流量调控措施，可以确保飞行的安全和高效；

（2）RTA是一种包括路径搜索模块、时间优化模块和预选算子的系统算法，可以同时最小化空域拥挤和航班延误，其中预选算子可以减小解的搜索空间，相比现有的MOGA、非支配排序遗传算法—Ⅱ（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II；以下简称：NSGA-II）和基于分解的多目标遗传算法（Multi-objective Evolutionary Algorithm based on Decomposition；以下简称：MOEA/D）提高了解的质量的同时也提高了运行效率，符合MATNFO实时性要求。

附图说明

图1为本发明综合考虑空域拥堵和航班延误的空中交通网络流量优化方法实施例中空域航路网络和扇区划分示意图；

图2为本发明综合考虑空域拥堵和航班延误的空中交通网络流量优化方法实施例的流程图；

图3为本发明综合考虑空域拥堵和航班延误的空中交通网络流量优化方法实施例中预选算子提取有效路径解流程图；

图4为本发明综合考虑空域拥堵和航班延误的空中交通网络流量优化方法实施例中时间优化模块流程图；

图5为本发明综合考虑空域拥堵和航班延误的空中交通网络流量优化方法实施例中时间优化模块中时间优化示意图；