一种降低凝结尾生成的区域扇区飞行调配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种降低凝结尾生成的区域扇区飞行调配方法，判断各个飞行高度层上凝结尾生成态势，结合区域扇区飞行冲突探测解脱方法，根据区域扇区内飞行流量分布特性，建立了以飞行冲突解脱与凝结尾条数最小值为目标的优化模型，设计了多目标的区域扇区飞行调配优化算法，对应实际工作中飞机区域管制方法，确定了降低凝结尾生成的区域扇区飞行调配方法和管制策略。在保证扇区安全高效运行的同时，有效降低凝结尾形成条数和燃油成本。

A regional sector flight allocation method for reducing condensation end generation

The invention discloses a method for reducing contrails sector flight deployment generation method, whether each flight level on the formation of contrails situation, combined with the regional sector free flight conflict detection method, according to the regional distribution characteristics of air traffic flow in the sector, to establish a conflict free flight number and contrail minimum optimization model for the goal the sector flight design multi-objective deployment optimization algorithm, the plane area control method corresponding to the actual work, the lower contrail generation sector flight deployment method and control strategy. While ensuring safe and efficient operation of the sector, effectively reduce the number of the end of the condensate formation and fuel costs.

【技术实现步骤摘要】
一种降低凝结尾生成的区域扇区飞行调配方法
本专利技术涉及一种降低凝结尾生成的区域扇区飞行调配方法。
技术介绍
对高空航行的飞机进行航向、速度、高度的调配，有利于安全、高效、节能环保的使用航路资源。飞行调配策略是提升航行安全、效率能力的重要方法，目前主要是基于飞行高度层上的飞机冲突、危险天气和航线变更等原因实施。随着空中交通量的迅速增加和人们环保意识的增强，对空中交通所产生的环境影响日益关注，尤其是需要控制航空活动导致的温室效应，以保障地球生态环境稳定和人类生活健康。国内外学者主要从燃油成本、飞行安全和航班延误角度研究扇区飞行调配方法，并没有综合考虑降低凝结尾生成的飞行调配方法，其研究目前尚为空白，但环境承受能力是有限的，为了保证空中交通的持续稳定发展，环境容量是不可逾越的鸿沟，因此降低凝结尾生成的区域扇区飞行调配方法研究是亟需开展的重要研究。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出一种降低凝结尾生成的区域扇区飞行调配方法。实现上述技术目的，达到上述技术效果，本专利技术通过以下技术方案实现：一种降低凝结尾生成的区域扇区飞行调配方法，包括以下步骤：(1)判断各个飞行高度层上凝结尾生成态势，确定飞机生成凝结尾时所在的飞行高度层；(2)预测可能产生的飞行冲突，构建区域扇区飞行冲突解脱方法，设置若干个飞行冲突调配策略；(3)构建降低凝结尾生成的区域扇区飞行调配优化模型，得到最优的调配策略的组合，确定降低凝结尾生成的飞行调配方法和管制策略。优选地，所述步骤(1)具体包括以下步骤：(1.1)读取历史飞行计划数据，统计出区域扇区内飞机飞行高度层分布概况；(1.2)读取历史气象数据信息，统计出与各个飞行高度层对应的大气温度、水面相对湿度，然后计算出对应的冰面相对湿度和临界相对湿度；(1.3)根据步骤1.2中的计算结果，判断步骤(1.1)中的各个飞行高度层上凝结尾生成态势。优选地，所述步骤(1.2)中的冰面相对湿度表示为：所述临界相对湿度rcritical的计算公式如下：Tcontrail＝-46.46+9.43ln(G-0.053)+0.72ln2(G-0.053)其中，代表大气温度T下的饱和水汽压，单位为hPa；e0代表0℃时的饱和水汽压，e0＝6.11hPa；对于水面来说，系数a＝7.5，b＝237.3；Tcontrail代表凝结尾生成的临界温度；代表H2O的排放指数；Cp代表空气定压比热容，单位为J/kg·K；P代表大气压强，单位为hPa；ε代表水的分子质量与干空气的平均相对分子质量的比值；Q代表燃烧比热容，单位为J/kg；η代表喷气式发动机平均推进效率。优选地，所述步骤(1.3)具体为：当水面相对湿度满足：RHcritical≤RHw＜100％，且冰面相对湿度满足：RHi≥100％，飞机飞行时形成持续凝结尾，根据该气象条件，计算各个飞行高度层上是否会产生凝结尾优选地，所述步骤(3)具体包括以下步骤：(3.1)以最少凝结尾生成数量、最小燃油消耗、最短飞行延误时间作为优化目标，以区域扇区飞行安全间隔、区域扇区容量、飞机运行性能作为约束条件建立优化模型；(3.2)选取NSGA-II算法对步骤(3.1)中建立的优化模型进行求解，得到最优的调配策略的组合。优选地，所述飞行冲突调配策略包括调整速度类的速度调配策略、调整航向类的航向调配策略和调整高度类的高度调配策略。优选地，所述最少凝结尾生成数量为：其中，F为飞机集合；FL为扇区可用高度层集合；W为时间窗集合；最小化燃油消耗量可表示为：其中，FWiC为保持巡航平飞时飞机i的燃油消耗量；FWiV为使用速度调配策略时飞机i所消耗的燃油量；FWiD为使用航向调配策略时飞机i所消耗的燃油量；FWiH为使用高度调配策略时飞机i所消耗的燃油量；最短飞行延误时间可表示：飞机预计离开扇区的时间为ETOi，若发生飞行冲突，飞机实际离开扇区的时间为ATOi；安全间隔约束：dij≤Sij其中，dij为飞机i和飞机j之间的实际距离，Sij为飞机i和飞机j之间的安全间隔。区域扇区容量约束：其中，为航段k在时间窗w内的容量，为航路点p在时间窗w内的容量。飞机运行性能约束：A：速度的增加和减小的变化范围控制在[-6％,3％]的范围之内：其中，V1为调速前的速度，V2为调速后的速度。B：航向改变的范围控制在[-π/9,π/9]的范围内(逆时针为负，顺时针为正)：-π/9≤ΔHTi≤π/9其中，ΔHTi为飞机i的航向改变量。C：高度的上升和下降最多只能改变一个高度层：|ΔHi|≤600D：飞机爬升率和下降率不能超过最大爬升率和下降率：其中，为飞机i的最大爬升率，为飞机i的最大下降率，和分别为爬升和下降过程经历的时间。优选地，所述步骤(3.2)具体包括以下步骤：(3.2.1)：染色体编码；对飞机航班进行染色体编码，染色体中的基因为飞机在其飞行航路上过每个冲突点的飞行冲突调配策略的编码；(3.2.2)：生成初始种群；根据飞机初始的飞行路径和进入扇区时刻，随机生成飞机在各冲突点的飞行调配策略，为保证初始解集具备一定的差异性，提高算法获取全局最优解的可能性，要求种群中Hamming距离大于某一预先设定值的染色体数量必须超过设定的比例；(3.2.3)：设计适应度函数；为满足遗传算法适应度函数的单值、连续、非负和最大化等条件，基于区域扇区运行优化模型的三个目标函数：最小化凝结尾数量、最小化燃油消耗和最小化飞行延误时间，设计适应度函数为：其中，τ为无穷大的正数，NC为染色体中飞机存在的冲突次数，若飞机在选定调配策略后仍然存在飞行冲突现象，其适应度值会趋于无穷小。(3.2.4)：选择、交叉、变异；通过二进制锦标赛法选择生成父代种群，再通过交叉、变异得到子代种群；(3.2.5)：精英保留策略；对子代种群的染色体进行扇区飞行冲突探测与解脱，并判断是否满足约束条件，若不满足需丢弃该染色体，将处理后的子代种群和父代种群合并，计算染色体的适应度值，采用精英保留策略保留较优解对应的染色体，生成新种群作为新的父代种群；(3.2.6)：判断进化代数是否等于设定的终止进化代数，否则返回(3.2.4)。优选地，所述飞行冲突包括追赶冲突、对头冲突和交叉冲突本专利技术的有益效果：本专利技术的实现过程简单，弥补了国内外在降低凝结尾生成的多目标调配策略上的空白，在获取气象信息和航班流的数据基础上，参考航空器管制规定，提供切实可行的飞行调配方法。以上海区域20号扇区(ZSSSAR20)为例，根据飞机类型和参考《管制一号规定》要求，通过飞行调配方法优化，减少扇区内生成凝结尾航班数量达54％，减少燃油消耗0.4％。附图说明图1为本专利技术一种实施例的整体流程示意图；图2为降低凝结尾生成的区域扇区飞行调配优化算法流程示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。下面结合附图对本专利技术的应用原理作详细的描述。如图1和2所示，一种降低凝结尾生成的区域扇区飞行调配方法，包括以下步骤：(1)判断各个飞行高度层上凝结尾生成态势，确定飞机生成凝结尾时所在的飞行高度层；(2)预测可能产生的飞行冲突，构建区域扇区飞行冲突解脱方法，设置若干个飞行冲突调本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种降低凝结尾生成的区域扇区飞行调配方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)判断各个飞行高度层上凝结尾生成态势，确定飞机生成凝结尾时所在的飞行高度层；(2)预测可能产生的飞行冲突，构建区域扇区飞行冲突解脱方法，设置若干个飞行冲突调配策略；(3)构建降低凝结尾生成的区域扇区飞行调配优化模型，得到最优的调配策略的组合，确定降低凝结尾生成的飞行调配方法和管制策略。

【技术特征摘要】
1.一种降低凝结尾生成的区域扇区飞行调配方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)判断各个飞行高度层上凝结尾生成态势，确定飞机生成凝结尾时所在的飞行高度层；(2)预测可能产生的飞行冲突，构建区域扇区飞行冲突解脱方法，设置若干个飞行冲突调配策略；(3)构建降低凝结尾生成的区域扇区飞行调配优化模型，得到最优的调配策略的组合，确定降低凝结尾生成的飞行调配方法和管制策略。2.根据权利要求1所述的一种降低凝结尾生成的区域扇区飞行调配方法，其特征在于：所述步骤(1)具体包括以下步骤：(1.1)读取历史飞行计划数据，统计出区域扇区内飞机飞行高度层分布概况；(1.2)读取历史气象数据信息，统计出与各个飞行高度层对应的大气温度、水面相对湿度，然后计算出对应的冰面相对湿度和临界相对湿度；(1.3)根据步骤(1.2)中的计算结果，判断步骤(1.1)中的各个飞行高度层上凝结尾生成态势。3.根据权利要求2所述的一种降低凝结尾生成的区域扇区飞行调配方法，其特征在于：所述步骤(1.2)中的冰面相对湿度表示为：所述临界相对湿度rcritical的计算公式如下：Tcontrail＝-46.46+9.43ln(G-0.053)+0.72ln2(G-0.053)其中，代表大气温度T下的饱和水汽压，单位为hPa；e0代表0℃时的饱和水汽压，e0＝6.11hPa；对于水面来说，系数a＝7.5，b＝237.3；Tcontrail代表凝结尾生成的临界温度；EIH2O代表H2O的排放指数；Cp代表空气定压比热容，单位为J/kg·K；P代表大气压强，单位为hPa；ε代表水的分子质量与干空气的平均相对分子质量的比值；Q代表燃烧比热容，单位为J/kg；η代表喷气式发动机平均推进效率。4.根据权利要求3所述的一种降低凝结尾生成的区域扇区飞行调配方法，其特征在于：所述步骤(1.3)具体为：当水面相对湿度满足：RHcritical≤RHw＜100％，且冰面相对湿度满足：RHi≥100％，飞机飞行时形成持续凝结尾，根据该气象条件，计算各个飞行高度层上是否会产生凝结尾。5.根据权利要求1所述的一种降低凝结尾生成的区域扇区飞行调配方法，其特征在于：所述步骤(3)具体包括以下步骤(3.1)以最少凝结尾生成数量、最小燃油消耗、最短飞行延误时间作为优化目标，以区域扇区飞行安全间隔、区域扇区容量、飞机运行性能作为约束条件建立优化模型；(3.2)选取NSGA-II算法对步骤(3.1)中建立的优化模型进行求解，得到最优的调配策略的组合。6.根据权利要求1或5所述的一种降低凝结尾生成的区域扇区飞行调配方法，其特征在于：所述飞行冲突调配策略包括调整速度类的速度调配策略、调整航向类的航向调配策略和调整高度类的高度调配策略。7.根据权利要求6所述的一种降低凝结尾生成的区域扇区飞行调配方法，其特征在于：所述最少凝结尾生成数量为：其中，F为飞机集合；FL为扇区可用高度层集合；W为时间窗集合；最小化燃油消耗量可表示为：

【专利技术属性】
技术研发人员：田勇，万莉莉，殷润泽，叶博嘉，王湛，李杰，赵志奇，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32