一种航路时隙与高度层协同优化分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种航路时隙与高度层协同优化分配方法，属于空中交通管理领域。该方法首先获取流量受限空域内的计划航路及备选航路信息、计划航路下游空域单元的可用时隙信息、航班运行信息，然后制定航路时隙与高度层协同优化分配的算法，分别以全部航班总地面延误损失最小、全部航班高度层变更数量最少、全部航班总燃油消耗量最小为目标建立满足有效性的目标函数和约束条件，进而建立航路时隙与高度层协同分配的多目标优化模型，最后求解模型，得到非劣解集，形成航路时隙与高度层协同优化分配策略。本发明专利技术为空中交通流量管理、空域与流量协同管理提供了技术依据。

【技术实现步骤摘要】
一种航路时隙与高度层协同优化分配方法
本专利技术属于空中交通管理领域，特别涉及一种可应用于空域管理、基于四维轨迹的航路流量管理实现方法。
技术介绍
通过自由选择航路改进运行是国际民航组织“航空系统组块升级计划”中的效能改进领域3“最佳容量和灵活飞行”的关键阶段之一，其核心思想是允许改变计划航路以充分利用空域资源、满足最优飞行轨迹需要，提高航路流量管理效率。航路时隙资源分配是航路流量管理的关键技术，一般针对计划航路容量受限及可用航路情况，根据航班延误成本、航路容量等条件，协同分配航路时隙资源，优化安排航班时刻。美国麦特公司开发了协同航路资源分配工具，飞行用户可提供多个可选航路，根据可用航路和飞行用户偏好等信息，以最高偏好为目标分配最佳航路，从而有效减轻天气等因素导致的航路拥挤影响。空域流量管理程序是美国联邦航空局采用的航路资源管理策略，根据流量限制区域的可用航路时隙资源和飞行需求，按照各相关方协同决策目标优化分配航路时隙。欧洲航行安全组织提出了空中交通流量和容量管理概念，通过结合地面等待和改航，协同分配空域容量，调配飞行流量。国内研究成果以理论研究为主，有学者综合利用地面等待、动态航路、条件航路等多种管理手段，引入动态航路、条件航路开放成本，建立了以最小运行成本为目标的数学模型；还有学者考虑了航路耦合容量，建立了整合改航策略和等待策略的协同多航路资源分配的0-1整数规划模型，充分利用了可用航路资源，降低了航班总延误成本；还有学者建立了以全部航班总转弯点数量最小、以全部航班总转弯点数量最小、以平均旅客延误时间最小为目标的协同航路时隙资源分配的多目标优化模型。在实现本专利技术过程中，专利技术人发现现有技术中至少存在如下问题：现有研究较少考虑高度层的分配，高度层对于不同机型航班的燃油消耗有较大影响，也是最优飞行轨迹的重要指标，将航路及其高度层与时隙协同分配，以不同形式表现航路流量管理下的灵活飞行效率，兼顾空管、航空公司等相关方需求，建立多优化目标，提供多种分配策略供决策者选择。目前尚缺少一种航路时隙与高度层协同优化分配方法。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术要解决的技术问题是：按照自由选择航路与灵活飞行的理念，建立航路时隙与高度层协同分配的多目标优化模型，根据可用航路及其高度层配置、容量和流量条件，为每个航班合理分配航路、高度层、时隙资源，生成分配策略集，实现航路交通运行效率的最大化和航班飞行轨迹的最优化。为了解决上述技术问题，本专利技术公开了一种航路时隙与高度层协同优化分配方法，包括如下步骤：步骤1：通过空域与流量协同管理信息平台，获取流量受限空域内的计划航路及备选航路信息，获取计划航路下游空域单元的可用时隙信息，获取航班运行信息；步骤2：利用所述空域与流量协同管理信息平台，制定航路时隙与高度层协同优化分配的算法；步骤3：根据所述航路时隙与高度层协同优化分配的算法，建立航路时隙与高度层协同分配的多目标优化模型；步骤4：求解步骤3建立的多目标优化模型，得出非劣解集，形成航路时隙与高度层协同优化分配策略集；步骤5：通过步骤1构建的空域与流量协同管理信息平台，发布航路时隙与高度层协同优化分配策略，进行多目标优化分配。优选的，所述步骤1中所述计划航路及备选航路信息均包括航路容量、航路高度层配置和航路长度，所述航路高度层配置包括每条航路配置的高度层数量以及每个高度层容量；所述航班运行信息包括航班计划、地面延误成本、机型、不同高度层的燃油消耗量和载客数。优选的，步骤2包括：步骤2.1：以全部航班总地面延误损失最小为目标建立目标函数；步骤2.2：以全部航班高度层变更数量最少为目标建立目标函数；步骤2.3：以全部航班总燃油消耗量最小为目标建立目标函数；步骤2.4：建立满足有效性的约束条件。航路时隙与高度层协同优化分配的算法考虑不同机型航班在不同高度层的燃油消耗差异，为每个航班分配燃油消耗量较少的高度层，同时减少高度层变化导致的管制负荷，体现了高度层在航路流量管理中的影响，通过合理配置航路、高度层、时隙，实现最优飞行轨迹，兼顾空管、航空公司等相关方偏好。优选的，步骤2.1中以全部航班总地面延误损失最小为目标，其中，单一航班地面延误损失包括该航班执行地面等待的成本和该航班所载旅客延误损失，建立目标函数为：其中，cig表示航班i执行地面等待的单位时间成本，1≤i≤I，I为航班总数，表示航班i所载旅客的单位时间延误损失，ni为航班i的载客数，tj为时隙j的起始时刻，1≤j≤J，J为时隙总数，etai表示航班i到达下游空域单元的计划到达时刻，1≤k≤K，K为可选航路(包括计划航路和备选航路)的数量，1≤uk≤Uk，uk表示航路k的第uk个高度层，Uk为航路k的高度层数量，xijku为决策变量，表示为：优选的，步骤2.2中以全部航班高度层变更数量最少为目标，建立目标函数为：其中，hiku为针对航班i高度层变更的指示变量，表示为：其中，Hie表示航班i的计划使用高度层。优选的，步骤2.3中以全部航班总燃油消耗量最小为目标，建立目标函数为：其中，fiku表示航班i在第uk个高度层的单位时间燃油消耗量，Dk表示航路k的长度，vi表示航班i的平均地速。优选的，步骤2.4中建立如下满足有效性的约束条件：表示每个航班有且仅有一个时隙、一条航路及其所属的一个高度层；表示每个时隙最多只能分配给一个航班；tj≥etai，表示航班实际到达时刻不能早于计划到达时刻；表示当航班选择航路k时实际到达时刻不能早于计划到达时刻受航班在该航路飞行时间影响后的时刻，Ti为航班i的计划飞行时间；表示航班不能超过其飞行性能允许的升限，Himax表示航班i的最大飞行高度层；表示航路各高度层的流量不超过各高度层的容量，Caku表示航路k的第uk个高度层的容量；表示航路各高度层的流量之和不超过该航路容量，Cak表示航路k的容量；优选的，步骤3建立航路时隙与高度层协同分配的多目标优化模型为：有益效果：1、为航路时隙、高度层资源的协同优化分配提供了一种实现方法；2、为基于四维轨迹的航路流量管理提供了技术基础；3、为航路流量管理、空域与流量协同管理提供了技术依据。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做更进一步的具体说明，本专利技术的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。图1为航路选择与高度层配置示意图。图2为本专利技术的方法流程图。图3为实施例的非劣解集。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作具体说明。如图1所示，从各起飞机场到计划航路下游空域单元存在包括计划航路、备选航路在内的多条可用航路，每条航路均配置有数个高度层，同一机型在不同高度层的单位时间燃油消耗量不尽相同，不同机型在同一高度层的单位时间燃油消耗本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航路时隙与高度层协同优化分配方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1：通过空域与流量协同管理信息平台，获取流量受限空域内的计划航路及备选航路信息，获取计划航路下游空域单元的可用时隙信息，获取航班运行信息；/n步骤2：利用所述空域与流量协同管理信息平台，制定航路时隙与高度层协同优化分配的算法；/n步骤3：根据所述航路时隙与高度层协同优化分配的算法，建立航路时隙与高度层协同分配的多目标优化模型；/n步骤4：求解步骤3建立的多目标优化模型，得出非劣解集，形成航路时隙与高度层协同优化分配策略集；/n步骤5：通过步骤1构建的空域与流量协同管理信息平台，发布航路时隙与高度层协同优化分配策略，进行多目标优化分配。/n

【技术特征摘要】
1.一种航路时隙与高度层协同优化分配方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：通过空域与流量协同管理信息平台，获取流量受限空域内的计划航路及备选航路信息，获取计划航路下游空域单元的可用时隙信息，获取航班运行信息；
步骤2：利用所述空域与流量协同管理信息平台，制定航路时隙与高度层协同优化分配的算法；
步骤3：根据所述航路时隙与高度层协同优化分配的算法，建立航路时隙与高度层协同分配的多目标优化模型；
步骤4：求解步骤3建立的多目标优化模型，得出非劣解集，形成航路时隙与高度层协同优化分配策略集；
步骤5：通过步骤1构建的空域与流量协同管理信息平台，发布航路时隙与高度层协同优化分配策略，进行多目标优化分配。


2.根据权利要求1所述的一种航路时隙与高度层协同优化分配方法，其特征在于，所述步骤1中所述计划航路及备选航路信息均包括航路容量、航路高度层配置和航路长度，所述航路高度层配置包括每条航路配置的高度层数量以及每个高度层容量；所述航班运行信息包括航班计划、地面延误成本、机型、不同高度层的燃油消耗量和载客数。


3.根据权利要求2所述的一种航路时隙与高度层协同优化分配方法，其特征在于，所述步骤2包括：
步骤2.1：以全部航班总地面延误损失最小为目标建立目标函数；
步骤2.2：以全部航班高度层变更数量最少为目标建立目标函数；
步骤2.3：以全部航班总燃油消耗量最小为目标建立目标函数；
步骤2.4：建立满足有效性的约束条件。


4.根据权利要求3所述的一种航路时隙与高度层协同优化分配方法，其特征在于，所述步骤2.1中以全部航班总地面延误损失最小为目标，其中，单一航班地面延误损失包括该航班执行地面等待的成本和该航班所载旅客延误损失，建立目标函数为：



其中，cig表示航班i执行地面等待的单位时间成本，1≤i≤I，I为航班总数，cip表示航班i所载旅客的单位时间延误损失，ni为航班i的载客数，tj为时隙j的起始时刻，1≤j≤J，J为时...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨尚文，徐秋程，黄吉波，丁洋，付胜豪，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十八研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32