基于环境影响的终端区航线网络优化方法技术

本发明专利技术公开了基于环境影响的终端区航线网络优化方法，包括(1)判断航空器环境影响的生成态势，确定航空器在终端区各飞行阶段内环境影响程度；(2)建立终端区航线网络优先级评价模型，确定终端区航线网络优化次序；(3)构建以降低航空污染物排放、航空噪声影响为目标的终端区航线网络优化模型，得到最优的航线网络路径组合，确定降低环境影响的终端区航线网络。本发明专利技术在保证终端区航线网络安全高效运行的同时，有效降低航线网络中航空器污染物排放和航空噪声影响。

【技术实现步骤摘要】
基于环境影响的终端区航线网络优化方法
本专利技术具体涉及基于环境影响的终端区航线网络优化方法。
技术介绍
终端区航线网络是航班进出机场的重要通道，实现优化终端区航线网络有利于安全、高效、节能的使用终端区空域资源。航线网络规划是提升终端区安全运行能力的重要基础依据之一，目前的终端区航线网络主要是以全局路径最短最为规划目标。随着空中交通量的迅猛增加和人们环保意识的日益增强，对空中交通所产生的环境影响更加关注，尤其是需要控制终端区内航班中低空运行的航空排放和噪声影响，以保障地区性的生态环境稳定平衡，以及人类生活健康。国内外学者主要从飞行经济成本、飞行安全和航班延误角度研究终端区航线网络优化方法，并没有考虑降低航空噪声、航空排放最小等多目标约束下，空中交通流量的增加对地区生态环境的影响，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，因此基于环境影响的终端区航线网络规划研究是亟需开展的重要研究。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出基于环境影响的终端区航线网络优化方法，。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：基于环境影响的终端区航线网络优化方法，包括以下步骤：(1)判断航空器环境影响的生成态势，确定航空器在终端区各飞行阶段内环境影响程度；(2)建立终端区航线网络优先级评价模型，确定终端区航线网络优化次序；(3)构建以降低航空污染物排放、航空噪声影响为目标的终端区航线网络优化模型，得到最优的航线网络路径组合，确定降低环境影响的终端区航线网络。进一步地，所述步骤(1)具体包括以下步骤：(1.1)读取历史气象数据信息和历史飞行数据，计算终端区各飞行高度下的污染物非参考排放指数数值；(1.2)根据终端区历史航班飞行数据，计算终端区各飞行阶段下的航空噪声影响。进一步地，所述步骤(1.1)中污染物非参考排放指数数值包括：CH＝-19.0×(HR-0.00634)其中，θ为温度比，δ为压力比，RH为相对湿度，HR为湿度比；CH为湿度系数；PW为饱和水汽压；T为大气气温；P为大气压力；和分别为氮氧化物、烃化物、一氧化碳的参考排放指数值，EIHC、EICO分别为氮氧化物、烃化物、一氧化碳的非参考排放指数值。进一步地，所述步骤(1.2)中的终端区各飞行阶段下的航空噪声影响为：式中，N1为日间时段07:00～19:00的飞机数量，N2为傍晚时段19:00～23:00的飞机数量，N3为夜间时段23:00～07:00的飞机数量；为平均有效感觉噪声级，由机场累计事件噪声值求解，可采用分割法先计算单一事件噪声值，然后计算累计事件噪声值；式中，为机型i的飞机在航线j航段k飞行时对测量点(x，y)产生的单一事件噪声值，可利用ANP数据库中NPD数据通过回归分析法进行插值拟合计算获得；N为N1+N2+N3；T0为基准时间。进一步地，所述步骤(2)具体包括以下步骤：(2.1)根据终端区航线网络特性，设置终端区航线优先级评价指标；(2.2)建立终端区航线网络优先级评价模型，运用步骤(2.1)中的评价指标，设计终端区航线网络层次分析方法，得到终端区航线优先级排序，确定终端区航线网络优化次序。进一步地，所述步骤(3)具体包括以下步骤：(3.1)以最少航空污染物排放、最小航空噪声影响作为优化目标，以终端区航线越障高度、航段转弯角度、绕飞限制区距离作为约束条件建立终端区航线网络优化模型；(3.2)建立终端区航线优化分段规则，并根据终端区航线优化分段规则在水平面和垂直面内得到航段候选点；(3.3)建立终端区航线优化间隔规则，并根据终端区航线优化间隔规则划设进离场航线安全区；(3.4)查阅航行情况汇编，确定终端区可用空域范围；(3.5)在步骤(3.4)中确定的终端区可用空域范围内，依据步骤(3.2)、(3.3)中的优化规则，参考步骤(2.2)中的航线优化次序，选取改进的NSGA-II算法对步骤(3.1)中建立的优化模型进行求解，得到最优的航线网络路径组合。进一步地，所述最少航空污染物排放量为：其中，EN为污染物归一化排放量，Em为第m种污染气体排放量，M为污染气体集合，M＝{NOX,CO,HC}；式中，为航班f在爬升、下降、平飞时第m种污染气体的排放指数；A和D分别为进场和离场航班集合；和分别为进场航班f在爬升、下降和平飞的时间；和分别为航班f在爬升、下降和平飞的燃油流率；航空器在终端区飞行的过程包括了航空器的爬升、下降和平飞，燃油流率表达式如下：式中，VT为航空器真空速；F为航空器发动机推力；和分别为第一单位推力燃油消耗系数、第二单位推力燃油消耗系数、第一下降阶段燃油消耗系数、第二下降阶段燃油消耗系数和巡航燃油消耗因子；最小化航空噪声影响可表示为：Min{population(LWECPNL(x,y)≥65)}其中，population(LWECPNL(x,y)≥65)为噪声大于65dB的人口数量，AS为步骤(3.4)中确定的终端区可用空域范围所对应的地面范围；航线越障高度约束为：式中，w为保护区宽度，为副区宽度，r为沿垂直于航线的投影到障碍物的投影距离；MOC由飞行的地区性质决定；航段转弯约束：其中，表示进场航线或离场航线中第k段航段长度，为航段k上航空器的平均飞行速度，ωmin为所有机型中最小的转弯角速度；绕飞限制区约束为：D≤dq其中，dq为航空器与限制区域q之间的实际距离，D为航空器与限制区域的安全间隔。进一步地，所述步骤(3.2)具体包括以下步骤：设置当前航线点位下一航线点位|(Xn，Yn)-(Xn-1，Yn-1)|＝S；相邻候选航线点之间的水平夹角相邻候选航线点之间的垂直夹角其中，X，Y，Z分别表示航线点位的三维坐标，αMAX表示航空器的最大转弯角，βMAX表示航空器的最大俯仰角，S表示相邻航段之间的距离，λ、μ表示任意常数。进一步地，所述步骤(3.3)具体包括以下步骤：参考国际民航组织Doc4444规定，以进离场航线上航空器为中心，设置终端区航线水平最小间隔为10km，垂直最小间隔为300m。进一步地，所述步骤(3.5)具体包括以下步骤：(3.5.1)：优先级划分；根据步骤(2.2)中获取终端区航线优化次序，顺次选择航线优化对象；(3.5.2)：生成候选点；根据步骤(3.5.1)中的航优化对象，获取终端区待优化航线的起点与终点，读取终端区可用空域范围，根据终端区进离场航线优化分段规则，生成所有候选航线点；(3.5.3)：染色体编码；对航班进行染色体编码，染色体中的基因为航空器在终端区某航段上经过的每个候选航线点；(3.5.4)：生成初始种群；设定终端区内初始进离场航线路径，从而生成航空器飞行的初始航段组合选择，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；(3.5.5)：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，基于环境影响的终端区航线网络优化模型的两个目标函数：最小化航空污染物排放、最小航空噪声影响，设计适应度函数为：Fit2＝population(AS)-population(LWEcPNL(x,y)≥65)(3.5.6)：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、变异得本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于环境影响的终端区航线网络优化方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)判断航空器环境影响的生成态势，确定航空器在终端区各飞行阶段内环境影响程度；(2)建立终端区航线网络优先级评价模型，确定终端区航线网络优化次序；(3)构建以降低航空污染物排放、航空噪声影响为目标的终端区航线网络优化模型，得到最优的航线网络路径组合，确定降低环境影响的终端区航线网络。

【技术特征摘要】
1.基于环境影响的终端区航线网络优化方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)判断航空器环境影响的生成态势，确定航空器在终端区各飞行阶段内环境影响程度；(2)建立终端区航线网络优先级评价模型，确定终端区航线网络优化次序；(3)构建以降低航空污染物排放、航空噪声影响为目标的终端区航线网络优化模型，得到最优的航线网络路径组合，确定降低环境影响的终端区航线网络。2.根据权利要求1所述的基于环境影响的终端区航线网络优化方法，其特征在于：所述步骤(1)具体包括以下步骤：(1.1)读取历史气象数据信息和历史飞行数据，计算终端区各飞行高度下的污染物非参考排放指数数值；(1.2)根据终端区历史航班飞行数据，计算终端区各飞行阶段下的航空噪声影响。3.根据权利要求2所述的基于环境影响的终端区航线网络优化方法，其特征在于：所述步骤(1.1)中污染物非参考排放指数数值包括：CH＝-19.0×(HR-0.00634)其中，θ为温度比，δ为压力比，RH为相对湿度，HR为湿度比；CH为湿度系数；PW为饱和水汽压；T为大气气温；P为大气压力；和分别为氮氧化物、烃化物、一氧化碳的参考排放指数值，EIHC、EICO分别为氮氧化物、烃化物、一氧化碳的非参考排放指数值。4.根据权利要求2所述的基于环境影响的终端区航线网络优化方法，其特征在于：所述步骤(1.2)中的终端区各飞行阶段下的航空噪声影响为：式中，N1为日间时段07:00～19:00的飞机数量，N2为傍晚时段19:00～23:00的飞机数量，N3为夜间时段23:00～07:00的飞机数量；为平均有效感觉噪声级，由机场累计事件噪声值求解，可采用分割法先计算单一事件噪声值，然后计算累计事件噪声值；式中，为机型i的飞机在航线j航段k飞行时对测量点(x，y)产生的单一事件噪声值，可利用ANP数据库中NPD数据通过回归分析法进行插值拟合计算获得；N为N1+N2+N3；T0为基准时间。5.根据权利要求1所述的基于环境影响的终端区航线网络优化方法，其特征在于：所述步骤(2)具体包括以下步骤：(2.1)根据终端区航线网络特性，设置终端区航线优先级评价指标；(2.2)建立终端区航线网络优先级评价模型，运用步骤(2.1)中的评价指标，设计终端区航线网络层次分析方法，得到终端区航线优先级排序，确定终端区航线网络优化次序。6.根据权利要求1所述的基于环境影响的终端区航线网络优化方法，其特征在于：所述步骤(3)具体包括以下步骤：(3.1)以最少航空污染物排放、最小航空噪声影响作为优化目标，以终端区航线越障高度、航段转弯角度、绕飞限制区距离作为约束条件建立终端区航线网络优化模型；(3.2)建立终端区航线优化分段规则，并根据终端区航线优化分段规则在水平面和垂直面内得到航段候选点；(3.3)建立终端区航线优化间隔规则，并根据终端区航线优化间隔规则划设进离场航线安全区；(3.4)查阅航行情况汇编，确定终端区可用空域范围；(3.5)在步骤(3.4)中确定的终端区可用空域范围内，依据步骤(3.2)、(3.3)中的优化规则，参考步骤(2.2)中的航线优化次序，选取改进的NSGA-II算法对步骤(3.1)中建立的优化模型进行求解，得到最优的航线网络路径组合。7.根据权利要求6所述的基于环境影响的终端区航线网络优化方法，其特征在于：所述最少航空污染物排放量为：其中，EN为污染物归一化排放量，Em为第m种污染气体排放量，M为污染气体集合，M＝{NOX,CO,HC}；

【专利技术属性】
技术研发人员：田勇，殷润泽，万莉莉，王湛，张权，薛奥林，邢大伟，
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