基于航班计划的空域交通流量实时预测模型

空中交通流量预测是空中交通管理的基础,实时的空中流量预测能够有效地保证空中交通有序顺畅的运行,对保证飞行安全和解决空中交通拥挤、减少航班延误有很大的帮助。为了准确预测空域内实时的交通流量,本文首先建立了空域内单航路有N个转弯点情况下的实时流量预测模型,然后将模型推广到了空域内有任意条航路的情况,最后进行了算例仿真。仿真结果证实了文中所建模型能够很好对空域内的实时流量进行预测,模型是可行和有效的。     

基于灰色重力模型的终端区空域流量分布预测

针对终端区空域航路飞机流量分布,给出灰色-重力模型组合预测方法.利用灰色GM(1,1)建模预测终端区内机场及管制移交点航班架次,在此基础上,采用双约束重力模型将航班架次分配至各条进、离场航路,得到空域飞机流量分布.以上海终端区空域为例,对该方法进行了实证分析研究.     

基于Delauany三角形的分时段区域管制扇区划分

根据空域和流量状况划分扇区是提高空域容量、改善空域拥挤和减小管制员工作负荷的有效手段。航班数量的不断增加,使得管制员的工作负荷也随之加大,为降低管制员的工作负荷需要研究扇区动态划分。首先对高空区域管制扇区内各航路点一段时期的每天相同时段的飞行流量进行分析,以航路点建立Delauany三角形,按照各时段飞行流量的不同对Delauany三角形进行加权,随后通过聚类分析生成了加权的Voronoi图,然后采用改进的哈夫曼编码理论对扇区进行了合并给出划分方案。最后结合厦门管制扇区数据进行算例分析验证了所提出方法的可行性。     

RVSM空域航路流量的模型和算法研究

结合当前国内外对实施RVSM对增加飞行流量的定性描述,采用定性与定量相结合的系统方法,将实施RVSM对空中交通航路流量影响的实际空中运输问题转换为数学问题进行研究,建立计算航路流量的数学模型,提出了航空器在RVSM高度层不同巡航模式的流量计算模型和具体求解算法,并结合列举实例运用计算机模拟进行检算,证实了模型和算法的可行性、实用性,为定量描述实施RVSM对空中交通航路流量影响提供一定参考．     

考虑航路网络结构的离场航班延误预测模型

针对离场航班延误预测缺少对航路网络结构因素的考虑，以及传统多分类预测难以满足高精度的需求，本文提出了一种考虑航路网络结构的离场航班延误预测模型。首先，根据离场航班所在终端区的航路网络结构，提出了航路拥挤指标，即航路流量、航路拥挤度和航路网络拥挤度，从航路网络和网络结构2个维度量化分析了拥挤特征，构造了航路拥挤数据集；然后，基于深度神经网络（deep neural network，DNN），构建了考虑航路网络结构的离场航班延误预测模型；最后，分析各类别延误样本比例，调整焦点损失函数的平衡因子以及各模型参数，进行了不同损失函数、不同数据集和不同模型参数的对比实验。结果表明：调整平衡因子后，模型预测准确率提高了2.3个百分点，融入航路拥挤数据集后，准确率继续提高了1.52个百分点，并且最终达到93.47%。可见，本文所提模型能够对离场航班延误作出有效准确判断，为民航相关单位提供决策参考。     

终端区场景下空中交通流建模与控制分析

针对繁忙终端区以及主干航路的运行状态日趋容量极限,现有的空中交通管理系统仍采取传统依赖管制经验的空中交通管制模式,空中交通网络拥堵问题日渐严重。本文构建空中交通流系统模型,旨在从系统工程的角度进行定性和定量的分析,在有限的空域资源约束下进行有效空中交通流量管理。首先,对终端区空域栅格化处理,考虑控制过程中进离场飞行程序,在TAAM(Total Airspace and Airport Modeller)软件中建立初始模型并进行仿真,获取各二维面元(Surface Element, SEL)交通流参数信息,在仿真数据的基础上确定各SEL交通流的平均速度,对终端区二维控制体模型(2D Menon Model, MM2D)进行改进。其次,结合现代控制理论,以空域状态方程和系统矩阵对交通流进行表征,并对该系统进行能控性和稳定性分析。结果表明：改进的终端区MM2D模型能控性矩阵满秩,系统矩阵特征值为0.04、0.194、0.517和0.529均小于1,证明空中交通流系统可控且渐近稳定,通过对控制量组合给予调配,可得到完全能控下最小控制量组合,交通流控制率可缩减45.7%,对实际管制过程中交通流控制方向与数量具有一定的现实意义。     

基于空中交通流的空中交通网络拥挤程度评估

为解决空中交通流量日益增多导致的空中交通拥挤和拥堵问题,本文从空中交通流角度出发,区分空中交通拥挤和拥堵,通过建立拥挤程度评估模型来评估空中交通网络中拥挤程度。首先从容量和流量的角度区分并界定空中交通拥挤和拥堵的概念,同时借鉴道路交通思想,将空中交通分为畅通、正常、拥挤和拥堵四种状态。然后从空中交通流角度分析判定空中交通拥挤,提出拥挤状态门限区间,建立多种情况下的空中交通拥挤评估模型。最后引用某大型繁忙机场某时段的航班数据作为算例。结果表明,所建立模型可以用来评估空中交通网络拥挤程度。     

管道航路激活费用问题优化研究

管道航路能够提高现有空域容量、增加空域的使用效率。但开启和运行该航路比常规航路需要更高的成本。本文根据交通流量需求情况,在航班等待费用和航路运行费用下寻找最合适的激活时刻。建立了最小费用下的管道航路激活问题的数学优化模型,给出了相应算法及步骤,并进行了Matlab仿真计算。仿真结果表明了模型和算法的有效性。     

空中机器人(UAV)轨迹规划设计与仿真

研究空中机器人(UAV)的轨迹规划,使空中机器人(UAV)可以在顺利躲避障碍物的前提下从初始点到目标点。通过对空中机器人(UAV)的轨迹环境采用栅格化处理,在基于栅格划归的轨迹环境下运用蚁群算法寻求空中机器人(UAV)从初始点到目标点的最短路径,并在MATLAB中进行轨迹仿真。经过轨迹仿真,可以明显证明基于蚁群算法的空中机器人(UAV)可以寻求一条从初始点到目标点的最短路径。     

基于飞行计划集中处理的预战术航路飞行流量预测

为准确把握航路点流量变化趋势和缓解空中交通压力,提出了一种基于飞行计划集中处理的流量预测方法。首先,在预战术飞行流量管理阶段,通过飞行计划集中处理可得到的航空器飞行计划信息,根据各航班在起飞前提交的领航计划电报和全飞行剖面混杂模型来预测航空器的航迹;然后,通过预测出航空器过关键航路点的过点时间,并结合空域结构数据来获得主要航路点的流量预测值;最后,通过算例仿真的结果可以发现所提出的航路飞行流量预测方法能够很好的对关键航路点进行预测,并且方法是切实可行和有效的。     

改航路径规划问题研究综述

军事活动等特殊事件对飞行的影响,极易触发大面积的空域拥堵、飞行冲突、航班延误等问题,诱发巨大的社会经济损失,反过来也严重影响军事训练的效益与质量.针对空域资源利用率亟待提高的现实需求,从改航路径规划影响因素、飞行受限区划设、改航路径规划模型和优化求解方法等四个方面出发,对缓解空域资源紧张的重要策略——改航路径规划进行了系统研究,探讨了改航路径规划的发展沿革、研究进展以及现有方法策略的优劣,并对集中统一协调和管理、非独立多航班改航路径规划、不确定条件下的改航路径动态规划、智能化改航路径规划等未来发展方向加以展望,为提高空域资源利用率提供系统化方法支撑.     

侧向跑道机场滑行路径优化

为了缓解机场场面交通拥挤状况,提高侧向跑道机场场面运行效率,构建了侧向跑道机场航空器滑行路径优化模型.该模型以航空器加权滑行时间和延误等待时间最小为目标,提出了动态优化航班的优先级的优化方案.将航空器的运行规则转化为相应的数学约束条件,根据侧向跑道机场的滑行道调度问题进行算法设计,运用改进的遗传算法对模型进行求解,以航空器的优先级滑行序列和航空器滑行路径为染色体,基于MATLAB对双链染色体进行编码,并对4种滑行冲突与解脱进行分析.以成都天府国际机场为例进行算例分析,与先到先服务序列进行对比,采用优化方案的序列可以节省42 s,并与蚁群算法进行比对,验证了改进的遗传算法的有效性,可以为繁忙机场的滑行调度提供决策支持.     

基于飞行计划集中处理的多航空器无冲突航迹规划

为增大空域容量,提高飞行安全,降低管制员的工作负荷,4D航迹预测与规划是国内新一代空管自动化系统中最为重要地一项核心技术。首先在预战术流量管理阶段,通过飞行计划集中处理得到的航空器飞行计划信息,将航线划分成若干航段。然后利用航空器在不同航段间的离散型模型和单个航段中运动的连续型模型建立混杂模型,通过全飞行剖面混杂模型进行航迹预测;在相对运动法中采用调整速度来规避航路交叉点冲突以实现冲突解脱。最后提出航迹规划方法并对航空器进行无冲突航迹规划。仿真算例表明：在飞行计划集中处理与混杂模型下预测的水平航迹与垂直航迹能够准确地反映航空器飞行状态变化;调速法或调整时刻能有效地规避飞行冲突,所以提出的无冲突4D航迹规划方法是切实可行的。     

基于交叉点复杂度的空域通行能力优化方法

为解决空域拥挤导致通行能力下降的问题,提出了一种考虑交叉点复杂度的通行能力优化方法。首先,分析了实际民航运行中存在的痛点和难点,以及以往有关通行能力的研究缺少交叉点建模、管制员负荷测量困难和求解时间复杂度高的缺陷;第二,从高度层、交叉点和航班运行三个方面提出了空域的数学抽象方法,并根据节点的交叉数对空域的数学模型进行简化,剔除了没有交叉的导航台点,降低了空中交通网络抽象后节点矩阵稀疏的问题;第三,分析了交叉点对于通行能力的影响主要在于流量和交叉数两个方面,以这两个方面建立了交叉点的费用函数;第四,以延误最小为目标,以流量平衡、扇区和航路容量、流控容量和非负整数作为约束,建立了通行能力优化模型;第五,分析并指出存在负容差的空中交通网络更容易发生延误,并根据网络延误的特性提出了一种考虑延误反向传播的迭代算法。最后,以华北地区空域为例,从不同流控等级下的延误时间、受影响的航班数和算法计算时间三方面进行仿真。结果表明,模型和算法平均能降低33.58%的延误,且通过合理地分配改航、调时和调减最大程度减少延误。     

基于多目标融合及改进遗传算法的终端区进场协同排序

未来我国终端区将逐年递增,根据数据显示终端区内空域资源与飞行流量的增长不成正比,终端区内流量趋于饱和。为了有效提升终端区运行的效率,确保航空器在其空域的安全飞行,降低管制员的负荷以及公司的运行成本,本文从航空器延误,管制员负荷以及各机场资源平衡三个方向建立多机场终端区航空器进场协同排序模型。首先,通过对终端区范围界定,运行主要问题的研究以及空域结构的分析了解终端区系统的相互关联因素;其次,通过对终端区进场航空器的线路、交叉点的单独分析,找到相应的共同点和影响较高的运行系统相关性因素,相关的约束以及主要的解决目标;最后利用结合模拟退火的NSGA-II算法对该模型进行求解。结果表明基于改进遗传算法对该模型求解后对比先到先服务模式以及未改进的遗传算法在效率上分别提高26.3%和53.2%。由此可见,所提出的模型能有效的提高航空器排序的效率。     

基于弹道下降方式的无人机风险评估与航路规划

针对无人机系统失效后对地面人员及财产安全的威胁,提出了一种基于弹道下降方式下的无人机风险评估及航路规划方法。分析了无人机失效后的下降特点及规律,采用栅格法划分空域环境,以地面不同属性构建低空空域环境风险评估模型。结合无人机飞行的风险值、路径长度和空域情况,建立了多目标、多约束的无人机飞行航路规划模型。利用改进蚁群算法进行求解：优化转移概率,避免蚂蚁陷入死区间和减少盲目搜索;对信息素的更新进行改进,调整自适应系数增强最优路径的信息素浓度,提高算法收敛速度与稳定性。相比传统蚁群算法的路径规划,运行时间缩短6.7%、最优路径风险值降低41.45%、整体性能提高18.0%。仿真结果表明：本文模型及改进算法可以在提高路径安全性的前提下,缩短规划路径生成时间且保障运行的经济性。     

基于速度分配的航空器绿色滑行优化

针对航班量过快增长以及机场容量限制导致的机场滑行道拥堵问题,在航空器滑行路径优化的基础上,提出一种基于遗传算法和Yen算法的速度优化方法。首先规定速度变化剖面,以滑行时间和尾气排放为目标,以最大滑行速度和加速度为决策变量,考虑机场滑行规则和滑行限制设定约束条件,建立滑行路径和速度的优化模型;然后利用Yen算法对浦东机场16架航空器的滑行路径进行预筛选,为每个航空器分配3条路径;最后利用遗传算法进行仿真求解,依据最小滑行成本得到最优的滑行路径和速度分配方案。结果表明,优化后的滑行时间降低21.82%,尾气排放降低27.17%,滑行成本降低25.77%,且未产生冲突。可见本文建立的优化模型和方法对提高场面运行效率和减少航空污染具有一定的可行性。     

基于连续下降运行的终端区环形进场航线设计

为了提高多机场终端区运行效率,增加其空域容量, 本文构建了基于连续下降运行模式的终端区环形进场航线结构和运行规则,并使用实际扇区结构和数据进行仿真验证。首先构建环形进场航线,由多条椭圆矩形等待航线和圆形准备航线组成;其次设计相应的进场运行规则;然后建立航空器进场顺序优化模型,使用模拟退火算法对其进行求解;并应用蒙特卡洛仿真方法计算终端区极限进场容量;最后使用实际终端区(ZSSSAP)结构数据进行实例验证。实验结果表明,环形进场航线在繁忙状态时可有效减少终端区内进场航空器瞬时峰值数量(降幅21.90%)和平均进场时间(降幅3.14%),平均进场时间可在顺序优化后进一步降低(降幅6.59%);并提高终端区进场航空器容量(增幅4.82%);在空域运行态势方面,环形进场航线模式可大幅度降低空域复杂度峰值(降幅61.29%)。     

飞行计划集中处理的流量瓶颈点的识别与优化

为建设全国级的空中交通流量管理系统提供智力支持,将飞行计划集中处理这一手段,运用于预战术飞行流量管理阶段的流量管理方法和技术的研究之中,提供了一条新的研究思路.首先,利用过点时间预测算法计算过点时间,并根据过点时间统计出关键航路点的流量预测值;接下来,通过航路点容量模型识别航路上飞行流量大于容量的航路点,即流量瓶颈点;...     

基于多因素融合建模下无人机航行环境评估方法

当前无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)任务路径的研究已日益广泛。现实环境中执飞空域将由多机种多机型共同参与,针对无人机间,以及与载人运输机间的航行环境分析及空域密度评估,还处于研究初级阶段。为正确分析大型无人机在复杂区域内执行任务对航行环境的影响,综合考虑尺寸与性能数据、空域结构、空中交通服务和飞行技术安全等因素,首次建立多种因素融合下的无人机航行环境评估模型,并获取量化评估结果。计算结果表明:通过分析模型计算得出航空器间最小距离,可为制定航路航线间隔,判断空域密度等问题提供数据参考。为未来低空空域开放,实现载人运输机和无人机安全、协同飞行创造条件。