[发明专利]一种基于计算几何和模拟退火的空域扇区划分方法

说明书

技术领域

本发明涉及空域规划领域，特别涉及一种基于计算几何和模拟退火的空域扇区划分方法，应用本方法实现管制空域规划、保障飞行安全和减少航班延误。

背景技术

扇区是空域系统的基本单元，我国的空域系统约由200个空域扇区组成。每个空域扇区均由一名管制员负责对航班飞行实施指挥。目前，空域扇区边界的划设基本遵循空中交通管理的历史沿袭。随着航空运输的发展，这种扇区划设逐渐表现出两方面的不足：1）某些扇区内的空中交通流量经常出现超出其容量限制的情况；2）扇区间的空中交通流量的时空分布极不均衡。因此，根据空中交通流量的实际需求对空域扇区边界重新进行优化，对保障空中交通安全和减少航班延误均有重要意义。

虽然目前也存在一些针对空域进行扇区划分的方法，主要方法是航空器轨迹聚类、基于Voronoi图的进化算法、混合整数规划、图分割理论等，计算效率不高，并且划分的扇区边界往往呈现锯齿状，缺乏实用性，直线二分法采取逐步切割取最优的策略，不能保证划分结果达到全局最优。

考虑到现有区域管制扇区划分的现状，尚缺少一种能够快速、有效、实用的区域管制扇区划分方法。

发明内容

鉴于现有技术领域的不足，本发明的目的在于，提供一种新的区域管制扇区划分方法，该方法基于计算几何和模拟退火来实现区域管制扇区划分，以求能够快速、有效的划分扇区，从而降低扇区间协调流量和均衡扇区平均流量，保障飞行安全。

本发明是这样实现的，一种基于计算几何和模拟退火的管制扇区划分方法，通过计算机系统辅助实现，所述计算机系统主要由客户端/服务器（C/S）模式构成，计算机系统包括空域导航数据库、仿真驱动子系统、空域建模子系统、航班计划子系统和显示与交互子系统，其特征在于，计算机系统中还包括运行在一个客户端的扇区划分子系统，所述扇区划分子系统用作区域管制扇区划分方法的实现平台； 

扇区划分子系统包括空域扇区划设模型模块和扇区划分模块；

空域扇区划设模型模块是根据导航台和航路点信息建立空域图模型，根据空中交通流量建立扇区平均流量和扇区间协调流量模型，根据管制空域结构和交通流量空间分布，建立空域扇区分割的模糊多目标函数和约束条件函数；

扇区划分模块是应用二分策略对区域管制进行分割，计算各扇区平均流量和扇区间的协调流量，并进行评估，结合模拟退火算法进行优化分割；

扇区划分子系统中包括建立空域图模型、流量计算和优化划分的步骤；

所述管制扇区划分方法，包括如下步骤：

步骤1：在空域建模子系统中输入区域管制结构数据、航路航线数据，在航班计划子系统中编制航班计划数据，设置仿真时间，调用仿真驱动子系统，统计某时间段内两节点间的平均航空器数量，将该数值作为两节点间的关系量，构建空中交通流量矩阵F，其中节点与自身的流量值为“0”； 

步骤2：在扇区划分子系统的空域扇区划设模型模块中分别建立三种模型：

a、 将导航台、报告点自然航路点作为空间节点，航路、航线作为图的边集，建立区域管制图模型；

b、   由空中交通流量，建立扇区平均流量(在指定时间段内，同时出现在扇区内的航空器的平均数)和扇区间协调流量(指航空器进入和离开扇区时，管制员进行管制移交的次数)模型；

c、 根据管制空域结构和交通流量空间分布，建立空域扇区分割的模糊多目标函数和约束条件函数，即以均衡扇区平均流量和降低扇区间协调流量为目标、以最小飞行时间、最小距离和扇区边界与主要交通流的交叉角为约束条件的扇区划分模型；

步骤3：在扇区划分子系统的扇区划分模块中，以区域管制区的机场基准点所在位置为坐标原点建立平面直角坐标系，区域管制边界顶点坐标按连接顺序依次排列，记为G，结合模拟退火算法，管制空域划分成n个扇区，其具体步骤如下：

a、 初始温度设置为T₀，令                                                ，温度以的递减率递减，终止温度为T_e；

b、随机给定一组直线其中l_i表示第i条分割直线，k_i、b_i表示第i条分割直线的斜率和截距，第i条分割直线表示为；