[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

摘要

本发明公开了一种基于计算几何和模拟退火的空域扇区划分方法，该方法通过计算机系统辅助实现，系统中包括一个扇区划分子系统，扇区划分子系统用作区域管制扇区划分方法的实现平台；本发明根据管制空域结构和交通流量空间分布，建立了管制扇区分割的模糊多目标函数和约束条件函数，提出了划设空域的二分策略，并结合模拟退火算法对扇区优化划设问题进行求解,结合二分策略的模拟退火方法满足了全局最优，扇区划设多目标优化的总体满意度比仅考虑均衡扇区平均流量时有所提高，满足最小飞行时间、最小距离和扇区边界与主要交通流的交叉角的约束，保障空域运行安全和减少航班延误。

主权项

1.一种基于计算几何和模拟退火的空域扇区划分方法，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：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；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；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：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；c、指定直线l₁对区域管制进行分割，分别获取两子区域顶点的坐标，并将各区域顶点按连接顺序依次排列，子区域依次记为G₁和G₂；指定直线l₂对区域G₁进行分割，指定直线l₃对区域G₂进行分割，分别获取子区域的顶点坐标，并将各区域顶点按连接顺序依次排列，新的子区域依次记为G₁₁、G₁₂、G₂₁和G₂₂；继续指定直线依次对每个子区域进行分割，获取各区域顶点坐标，将各区域顶点分别按连接顺序依次排列，得到新的子区域，直至得出n个子区域，此时空域被划分为n个扇区，n个子区域分别代表n个扇区； d、计算n个扇区的平均流量和扇区间协调流量，计算扇区划分的整体评估值，此时，记；e、X₀中任意直线l_i的斜率k_i和截距b_i是连续变量，其邻域定义为其中是平均值为0、方差为的高斯分布，是平均值为0、方差为的高斯分布，产生新的直线组，按照步骤c进行空域扇区划分，计算n个扇区的平均流量和扇区间协调流量，计算扇区划分的整体评估值f(X＇)；f、判断_△f= f(X*)- f(X＇)，若_△f≤ 0，则令X＇代替X*，f(X*)=f(X＇)，否则，根据Metropolis准则按概率e^{10000△f /T≥rand}(0,1)接受X＇；g、按一定方式降温，即T=kT，若T>T_e，返回步骤e继续在X*的邻域范围内搜索新的直线组，否则终止，X*即为全局最优解，f(X*)是全局最优评估值；：优化划分的扇区边界在显示与交互子系统中显示出来。