一種航路時隙資源協同多目標優化分配方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于空中交通管理領域，特別涉及一種可應用于空中交通流量管理、優化 利用與配置空域資源的協同多目標分配實現方法。
【背景技術】
[0002] 航路時隙資源分配一般引入協同決策機制，針對計劃航路容量受限情況及可用空 域，開辟數條臨時航路以緩解計劃航路的運行壓力，根據航班延誤成本、航路容量等條件， 協同分配航路時隙資源，充分利用空域，優化安排航班。美國麥特公司開發了協同航路資源 分配工具，飛行用戶可提供多個可選航路，根據可用航路和飛行用戶偏好等信息，以最高偏 好為目標分配最佳航路，從而有效減輕天氣等因素導致的航路擁擠影響。空域流量管理程 序是美國聯邦航空局采用的航路資源管理策略，根據流量限制區域的可用航路時隙資源和 飛行需求，按照各相關方協同決策目標優化分配航路時隙。歐洲航行安全組織提出了空中 交通流量和容量管理概念，通過結合地面等待和改航，協同分配空域容量，調配飛行流量。 國內研究成果以理論研究為主，有學者綜合利用地面等待、動態航路、條件航路等多種管理 手段，引入動態航路、條件航路開放成本，建立了以最小運行成本為目標的數學模型;還有 學者考慮了航路耦合容量，建立了整合改航策略和等待策略的協同多航路資源分配的0-1 整數規劃模型，充分利用了可用航路資源，降低了航班總延誤成本。
[0003] 現有研究一般以不同度量形式的延誤損失最小為優化分配目標，延誤損失主要體 現了航路運行效率的高低，多相關方協同決策往往需要分配方法能夠全面反映協同航路資 源分配的功效性、公平性、有效性等方面，建立多優化目標，提供多種分配策略供決策者選 擇。目前尚缺少一種協同航路資源多目標分配的實現方法。
【發明內容】
[0004] 發明目的:本發明要解決的技術問題是:按照協同決策的算法，建立協同航路時隙 資源分配的多目標優化模型，根據空域容量和流量條件，合理分配計劃航路或臨時航路時 隙資源，提供分配策略集，兼顧空管、航空公司、旅客等多相關方偏好或利益，有效緩解空域 擁擠，保障空中交通順暢。
[0005] 為了解決上述技術問題，本發明公開了一種航路時隙資源協同多目標優化分配方 法，包括如下步驟：
[0006] 步驟1:構建航路時隙資源協同決策信息平臺，獲取包括容量、延誤成本、轉彎點數 量在內的流量受限空域內的計劃航路及臨時航路信息，獲取計劃航路下游空域單元的可用 時隙信息，獲取包括航班計劃、機型、載客數在內的航班運行信息；
[0007] 步驟2:利用步驟1構建的協同決策信息平臺，制定協同航路時隙分配的算法；
[0008] 步驟3:根據步驟2制定的協同航路時隙分配的算法，以全部航班總延誤損失最小 為目標建立目標函數；
[0009] 步驟4:根據步驟2制定的協同航路時隙分配的算法，以全部航班總轉彎點數量最 小為目標建立目標函數；
[0010] 步驟5:根據步驟2制定的協同航路時隙分配的算法，以平均旅客延誤時間最小為 目標建立目標函數；
[0011] 步驟6:根據步驟2制定的協同航路時隙分配的算法，建立滿足有效性的約束條件；
[0012] 步驟7:根據步驟3、步驟4、步驟5確定的目標函數及步驟6確定的約束條件，建立協 同航路時隙資源分配的多目標優化模型；
[0013] 步驟8:采用Lingo、Matlab等數學軟件求解步驟7建立的多目標優化模型，得出非 劣解集，形成航路時隙資源分配策略集；
[0014] 步驟9:通過步驟1構建的航路時隙資源協同決策信息平臺，發布航路時隙資源分 配策略，進行多目標優化分配。
[0015] 步驟3中以全部航班總延誤損失最小為目標建立目標函數為：
[0016]
[0017] 共個，cs、Γ你 si'衣ΤΓ劃 scneau丄ea，衣不計劃航路scheduled air route)表示 航班使用計劃航路的單位時間延誤成本，ctk表示航班使用臨時航路k的單位時間延誤成本， 1 < k < K，K為臨時航路的數量，tj為時隙j的起始時刻，1 < j < J，J為時隙總數，etai表示航班 i的預計到達時刻，1 < i < I，I為航班總數，X i j、y i jk為決策變量，表示為：
k ?.
[0018] 步驟4中以全部航班總轉彎點數暈最小為目標建立目標函數為：
[0019]
[0020] 其中，1^表示計劃航路的轉彎點數量，rf表示臨時航路k的轉彎點數量。
[0021 ]步驟5中以平均旅客延誤時間最小為目標建立目標函數為：
[0022]
[0023] 其中，m表示航班i的載客數。
[0024] 步驟6中建立如下滿足有效性的約束條件：
[0025]
，表示每個航班有且僅有一個時隙和一條航路；
[0026]
I示每個時隙最多只能分配給一個航班；
[0027] tj 2 etai，表示航班實際到達時刻不能早于計劃到達時刻；
[0028] G 2 era,. + 表示當航班選擇臨時航路k時實際到達時刻不能早于預計到達時 刻與該航路增加的飛行時間之和，A k為選擇臨時航路k所增加的飛行時間；
[0029]
R計劃航路流量不超過計劃航路容量，〇83表示計劃航路的容量； i=l
[0030]I;示臨時航路流量不超過臨時航路容量，表示臨時航路k的容 1-1
量。
[0031] 有益效果:本發明具有如下有益效果：
[0032] 1、為航路時隙資源的協同優化分配提供了一種實現方法；
[0033] 2、為空管協同決策信息系統研發提供了技術基礎；
[0034] 3、為航路流量管理、空域與流量協同管理提供了技術依據。
【附圖說明】
[0035]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做更進一步的具體說明，本發明的上述 和/或其他方面的優點將會變得更加清楚。
[0036]圖1為協同航路運行示意圖。
[0037]圖2為本發明的方法流程圖。
[0038]圖3為實施例的非劣解集。
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖對本發明作具體說明。應該指出，所描述的實施例僅是為了說明的 目的，而不是對本發明范圍的限制。
[0040]本發明公開了一種航路時隙資源協同多目標優化分配方法，包括如下步驟：
[0041 ]步驟1:構建航路時隙資源協同決策信息平臺，獲取包括容量、延誤成本、轉彎點數 量在內的流量受限空域內的計劃航路及臨時航路信息，獲取計劃航路下游空域單元的可用 時隙信息，獲取包括航班計劃、機型、載客數在內的航班運行信息；
[0042] 步驟2:利用步驟1構建的協同決策信息平臺，制定協同航路時隙分配的算法；
[0043] 步驟3:根據步驟2制定的協同航路時隙分配的算法，以全部航班總延誤損失最小 為目標建立目標函數；
[0044] 步驟4:根據步驟2制定的協同航路時隙分配的算法，以全部航班總轉彎點數量最 小為目標建立目標函數；
[0045] 步驟5:根據步驟2制定的協同航路時隙分配的算法，以平均旅客延誤時間最小為 目標建立目標函數；
[0046]步驟6:根據步驟2制定的協同航路時隙分配的算法，建立滿足有效性的約束條件； [0047]步驟7:根據步驟3、步驟4、步驟5確定的目標函數及步驟6確定的約束條件，建立協 同航路時隙資源分配的多目標優化模型；
[0048]步驟8:采用Lingo、Matlab等數學軟件求解步驟7建立的多目標優化模型，得出非 劣解集，形成航路時隙資源分配策略集；
[0049]步驟9:通過步驟1構建的航路時隙資源協同決策信息平臺，發布航路時隙資源分 配策略，進行多目標優化分配。
[0050] 步驟3中以全部航班總延誤損失最小為目標建立目標函數為：
[0051]
[0052] 其中，cs(下標s代表計劃"scheduled"，表示計劃航路scheduled air route)表示 航班使用計劃航路的單位時間延誤成本，ctk表示航班使用臨時航路k的單位時間延誤成本， 1 < k < K，K為臨時航路的數量，tj為時隙j的起始時刻，1 < j < J，J為時隙總數，etai表示航班 i的預計到達時刻，1 < i < I，I為航班總數，X i j、y i jk為決策變量，表示為：
ο.
[0053] 步驟4中以全部航班總轉彎點數量最小為目標建立目標函數為：
[0054]
i-^1 J^i\ 左二-1 J
[0055] 其中，1^表示計劃航路的轉彎點數量，表示臨時航路k的轉彎點數量。
[0056] 步驟5中以平詢旅客延誤時間最小為目標津立目標函數為：
[0057]
[0058]其中，m表示航班i的載客數。
[0059] 步驟6中建立如下滿足有效性的約束條件：
[0060] _ ν
，表示每個航班有且僅有一個時隙和一條航路； Μ V k 二 I J
[0061]
g示每個時隙最多只能分配給一個航班；
[0062] tj 2 etai，表示航班實際到達時刻不能早于計劃到達時刻；
[0063] b 表示當航班選擇臨時航路k時實際到達時刻不能早于預計到達時 刻與該航路增加的飛行時間之和，A k為選擇臨時航路k所增加的飛行時間；
[0064]
表示計劃航路流量不超過計劃航路容量，〇83表示計劃航路的容量； Μ
[0065]菱示臨時航路流量不超過臨時航路容量，Ο?/表示臨時航路k的容量。 1-1
[0066] 實施例
[0067] 如圖1所示，當計劃航路受危險天氣等因素影響導致容量下降時，空中交通流量可 能受限，航班延誤可能發生;通過開辟臨時航路，分流計劃航路的部分航班，從而減少航班 延誤；由于航路運行與下游空域單元(航路或扇區）的影響關系，航路時隙資源協同分配應 根據計劃航路和臨時航路容量以及下游空域單元的可用時隙，為每個航班合理分配航路和 時隙，達到相應的優化目標，形成多種分配策略，滿足航路管理協同