一种考虑多目标的空中交通流量控制策略优选方法与流程

1.本发明涉及空中交通流量管理技术领域，尤其涉及一种考虑多目标的空中交通流量控制策略优选方法。


背景技术：

2.随着民航的高速发展，航班量日益增加，而空域资源是有限的，因此经常导致空域拥挤，进而导致大面积航班延误。而空中交通流量管理的一大目的就是通过流量管理保持安全而高效地利用空域与机场资源，平衡需求与空域容量之间的矛盾，减少延误。同时，近年来，航空运输业作为全球经济活动的重要组成部分和“碳排放大户”，其行业减碳的迫切性日益突出。而碳排放与耗油量紧密相关，对提高运行效率、优化航线结构、更好进行空中交通流量控制有重要意义。此外，为了保障航空器运行安全和空域资源有效利用，空中交通流量控制必须在管制员的安全工作负荷水平内进行。
3.现有技术中，申请号为201310301325.9的中国专利主要考虑空中拥堵和航班延误，申请号为201910880163.6的中国专利主要从机会约束角度对未来的空中交通流量进行预调整，具有片面性，因而，有必要提出一种同时考虑最小化航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷的综合评价及优选方法，为航空公司选择飞行航路及管制员流量管控提供决策依据，在空中交通流量管理方面更具实际运用价值。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种考虑多目标的空中交通流量控制策略优选方法。
5.为了解决上述技术问题，本发明公开了一种考虑多目标的空中交通流量控制策略优选方法，包括如下步骤：
6.步骤1，采集航班数据和空中交通管制数据；
7.步骤2，构建空中交通流量控制策略评价指标体系；
8.步骤3，构建空中交通流量控制策略综合评价模型；
9.步骤4，以空中交通流量控制策略评价指标体系中指标值最小化为优化目标，确定不同空中交通流量控制策略下的决策变量，根据采集的航班数据求解不同空中交通流量控制策略下各航班基于决策变量的指标值；
10.步骤5，根据综合评价模型计算对应空中交通流量控制策略下各航班的最优综合评价成本指数；
11.步骤6，选择并使用综合评价成本指数最低的空中交通策略。
12.进一步地，步骤2构建空中交通流量控制策略评价指标体系，包括将航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷作为空中交通流量控制策略评价一级指标，其中，航班延误成本评价指标包括地面延误成本和空中延误成本二级指标，碳排放量评价指标包括lto(land take-off，起飞着陆)阶段的碳排放总量和ccd(climb-cruise-descend，爬升巡航下
降)阶段的碳排放总量二级指标，管制员工作负荷评价指标包括调速指令和调向指令二级指标，由此形成空中交通流量控制策略评价指标体系；计算不同的空中交通流量控制策略下航班的航班延误成本dc、碳排放量ce和管制员工作负荷cl。
13.进一步地，步骤3构建空中交通流量控制策略综合评价模型包括：由于三种评价指标的量纲不同，对三种评价指标进行归一化处理，对三种评价指标归一化处理后的值进行加权求和，获得空中交通流量控制策略综合评价成本指数ev：
14.ev＝w1*dcg+w2*ceg+w3*clg15.其中，dcg、ceg、clg分别表示归一化后的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷；w1,w2,w3分别表示综合评价成本指数ev中归一化后的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷对应的权重。
16.进一步地，在航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷中的某一指标达到一定阈值时，其较大的成本带来的负面影响会出现指数级增长，如大面积的航班延误会在网络中传播致使机场节点级联失效；碳排放成本越高，航空公司被征收的税率就越高；管制员负荷超过一定阈值时，其工作效率可能大幅下降，难以满足繁忙空域的要求，导致空域瘫痪。因此，本技术根据归一化后各项指标的值，为其动态调整权重大小，使得流量控制策略综合评价结果更加贴合实际。归一化后的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷对应的权重w1,w2,w3的求解过程如下：分别将归一化后的航班延误成本dcg、碳排放量ceg和管制员工作负荷指数clg代入权重计算函数得到其在多目标评价中所对应的权重w1,w2,w3。权重计算函数为：
[0017][0018]
式中x为归一化后的成本指数，f(x)为该指数对应的权重。使用该函数对指标对应权重进行计算，即：
[0019][0020][0021]
进一步地，步骤4中不同空中交通流量控制策略包括地面等待策略、空中调速和空中等待策略以及改航策略，步骤4包括：
[0022]
步骤4.1，地面等待策略下，将航班延误成本dc和碳排放量ce作为优化目标，将航班起飞时刻作为决策变量，考虑实际机场起降容量限制、在预战术阶段调配航班的起飞时间，减少飞机起飞后因拥堵而导致的空中等待，优化得到一组帕累托前沿解，即优化后的航班起飞时刻集合，在每个航空器起飞时刻可行解下，计算相应的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷；
[0023]
步骤4.2，空中调速和空中等待策略下，将航班延误成本dc和碳排放量ce作为优化目标，将航空器巡航速度作为决策变量，考虑航空器飞行性能限制、安全限制，加快前机的飞行速度，减少整个队列的延误时间，优化得到一组帕累托前沿解，即优化后的航空器巡航速度集合，在每个航空器巡航速度可行解下，计算相应的航班延误成本、碳排放量和管制员
工作负荷；
[0024]
步骤4.3，改航策略下，将航班延误成本dc和碳排放量ce作为优化目标，将航空器飞行路径作为决策变量，考虑进离港点容量限制、关键航路点容量限制等约束，优化得到一组帕累托前沿解，即优化后的航空器飞行路径集合，在每个航空器飞行路径可行解下，计算相应的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷。
[0025]
将空中交通流量控制问题建模为多目标综合评价问题，其优势在于：综合考虑航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷三项评价指标，相比于传统流量管控程序仅考虑最小化航班空中延误成本、根据航班优先级分配时隙的流程，其评价指标涵盖范围更广，可在取得与传统流量控制程序的结果相差不大的同时，尽可能降低碳排放量、管制员工作负荷的成本，降低流量控制策略的综合成本，更好地满足航空公司和乘客、环境保护和空中交通管理机构的需求。
[0026]
进一步地，步骤4.1包括：以最小化航班延误成本dc、碳排放量ce为目标函数建立多目标优化模型，约束条件如下：
[0027][0028][0029][0030]
t
f,dep
≤t
f,dep
＜t
f,dep
+ηfꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0031]
公式1至公式3分别为步长t为15min下的机场起飞容量、降落容量和总容量约束；ap是当前所有机场的集合，和c
p
分别表示机场p的起飞容量、降落容量和总容量，分别表示机场p中起飞时刻和着陆时刻在[t,t+15)的航班集合，||表示集合中元素的数量；公式4为等待时间约束，限制航班等待时间不得超过阈值ηf，该阈值由航班的优先级确定，t
f,dep
表示运行中航班f的起飞时间；t
f,dep
表示航班计划中航班f的起飞时间；
[0032]
优化得到一组帕累托前沿解，即优化后的航班起飞时刻集合，在每个航空器起飞时刻集合可行解下，计算相应的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷。
[0033]
进一步地，步骤4.2包括：以最小化航班延误成本dc、碳排放量ce为目标函数建立多目标优化模型，约束条件如下：
[0034][0035]
该约束表示巡航阶段航班f的速度位于航班f对应机型的最小平飞速度和最大安全速度之间，数据由机型查询获得；
[0036]
优化得到一组帕累托前沿解，即优化后的航空器巡航速度集合，在每个航空器巡航速度集合可行解下，计算相应的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷。
[0037]
进一步地，步骤4.3包括：以最小化航班延误成本dc、碳排放量ce为目标函数建立多目标优化模型，约束条件如下：
[0038]
rf∈{r
f1
,r
f2
,...,r
fn
}(5)
[0039][0040]
公式5中rf表示航班f的飞行路径，{r
f1
,r
f2
,...,r
fn
}为航路网络中航班f最短的n
条路径的有序集合，每个集合由入航点开始，至起始进近定位点结束；
[0041]
公式6中ci表示第i个航路点di的容量，ds为进离港点与预先识别的关键航路点的集合，表示第i个航路点di过点时刻[t-1,t+1)的航班集合；
[0042]
先根据实际运行条件得到可用空域中的航路点集合ds，根据航路点之间的连接状态建立航路网络，使用dijkstra算法生成航班f的最短的n条路径，并将其航路点保存至为r
f n
，1≤n≤n，1≤n≤10；
[0043]
优化得到一组帕累托前沿解，即优化后的航空器飞行路径集合，在每个航空器飞行路径集合可行解下，计算相应的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷。
[0044]
进一步地，步骤5包括：
[0045]
步骤5.1，针对步骤4.1获得的优化后的航班起飞时刻集合中每个航班起飞时刻可行解对应的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷，根据步骤3计算每个航班起飞时刻可行解下地面等待策略综合评价成本指数；在所有航班起飞时刻可行解综合评价成本指数中，选择最小值，作为采用地面等待策略实施后的最优综合评价成本指数ev
gw
；
[0046]
步骤5.2，针对步骤4.2获得的优化后的航空器巡航速度集合中每个航空器巡航速度可行解对应的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷，根据步骤3计算每个航空器巡航速度可行解下空中调速和空中等待策略综合评价成本指数；在所有航空器巡航速度可行解综合评价成本指数中，选择最小值，作为采用空中等待与空中调速策略实施后的最优综合评价成本指数ev
as
；
[0047]
步骤5.3，针对步骤4.3获得的优化后的航空器飞行路径集合中每个航空器飞行路径可行解对应的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷，根据步骤3计算每个航空器飞行路径可行解下改航策略综合评价成本指数；在所有航空器飞行路径可行解综合评价成本指数中，选择最小值，作为采用改航策略实施后的最优综合评价成本指数ev
wc
。
[0048]
本技术提供一种考虑多目标的空中交通流量控制策略优选方法，分别对于地面等待策略、改航策略、空中调速和空中等待策略构建相应的约束条件，以最小化航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷为目标函数，求得各控制策略下的一组帕累托可行解，以及可行解对应的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷指标值。构建交通流量管控策略变权综合评价指标体系，根据各可行解下航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷指标值查找对应的权重，加权求和计算得到地面等待策略、改航策略、空中调速和空中等待策略控制策略下的可行解所对应的综合评价成本指数ev
gw
、ev
as
、ev
wc
。对三种流量控制策略执行后下的综合评价成本指数ev
gw
、ev
as
、ev
wc
进行比较，对比各流量控制策略的性能差异，选择并使用综合评价成本指数最低的空中交通策略。
[0049]
有益效果：本技术提出一种同时考虑最小化航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷的空中交通流量控制策略优选方法，克服了传统的空中交通流量控制策略以减少航班延误和冲突为主，缺少对于碳排放指标的综合权衡，本发明通过将量纲不同的航班延误成本、碳排放量、管制员工作负荷三个指标进行综合评价，能够在预战术阶段为航空公司选择飞行航路及管制员流量管控提供决策依据，在空中交通流量管理方面具有实际运用价值。
附图说明
[0050]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
[0051]
图1为本技术实施例提供的一种考虑多目标的空中交通流量控制策略优选方法流程图。
[0052]
图2为本技术实施例提供的权重计算函数示意图。
具体实施方式
[0053]
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
[0054]
参照图1所示，本实施例提供了一种考虑多目标的空中交通流量控制策略优选方法，步骤如下：
[0055]
步骤1，采集航班数据和空中交通管制数据：所述航班数据包括航班计划起飞时间、计划着陆时间、机型、起飞机场、着陆机场；所述空中交通管制数据包括航路点容量，各个机场的起飞容量、降落容量和总容量。航班计划的数据格式说明如表1所示。
[0056]
表1 航班数据格式示例
[0057]
呼号机型起飞机场着陆机场计划起飞时间计划着陆时间pic1261a320zugyvvcr2019/8/100:012019/8/102:56csn6710a320zjsyzjhk2019/8/100:022019/8/100:56cbj5588nullzgnnzjsy2019/8/100:052019/8/101:25axm2139a320zhhhwbkk2019/8/100:052019/8/103:56hvn713a321zsqdvvcr2019/8/100:052019/8/104:13mma705a319zshcvymd2019/8/100:052019/8/103:34slk967b738zgszwsss2019/8/100:052019/8/103:28chh6027b738zgggzuck2019/8/100:052019/8/101:47slk969b738zgszwsss2019/8/100:052019/8/105:20
[0058]
步骤2，构建空中交通流量控制策略评价指标体系；
[0059]
将航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷作为交通流量管控策略评价一级指标，其中，航班延误成本评价指标包括地面延误成本、空中延误成本二级指标，碳排放量评价指标包括lto阶段的碳排放总量、ccd阶段的碳排放总量二级指标，管制员工作负荷评价指标包括调速指令、调向指令二级指标，由此形成空中交通流量控制策略评价指标体系。航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷成本计算公式表达如下：
[0060]
(21)航班延误成本dc，计算公式为：
[0061][0062]
其中，dc表示航班延误成本，t
f,dep
,t
f,arr
分别表示运行中航班f的起飞时间和降落时间，t
f,dep
,t
f,arr
分别表示航班计划中航班f的起飞时间和降落时间；η为一系数，表示空中延误成本和地面延误成本的比例，为大于1的正数；f表示所有航班的集合。
[0063]
若地面等待策略作用于航班f，则航班f的起飞时间t
f,dep
为航班f执行地面等待策
略后的起飞时间。t
f,arr
可由航段距离与平均巡航速度计算得出，即
[0064][0065]
其中loni和lati分别为航路点di的经度和纬度；rf表示航班f的飞行路径，即所途经的航路点集合，n表示飞行路径rf的航段总数，i表示航路点索引，1≤i≤n-1；vf表示航班f的平均巡航速度。
[0066]
(22)碳排放量，简称ce，具体为：
[0067][0068]
其中，e
f,lto
表示航班f在lto阶段的碳排放总量(kg)；e
f,ccd
表示航班f在ccd阶段的碳排放总量(kg)。其具体求解公式如下所示：
[0069][0070]ef,ccd
＝60t
f,ccdff,ccdi[0071][0072]
其中，m
f,j
表示航班f在lto过程中第j阶段的循环数，j＝1为起飞阶段，j＝2为爬升阶段，j＝3为进近阶段，j＝4为滑行阶段；nf表示航班f的发动机台数；t
f,j
表示航班f在lto过程中第j阶段的飞行时间(min)，icao定义了飞机在起飞、爬升、进近和滑行过程所耗时间分别为0.7min、2.2min、4.0min和26.0min；f
f,j
表示航班f在第j阶段的单发燃油流量(kg/s)；i表示二氧化碳排放因子，取常数3.115；t
f,ccd
表示航班f在ccd过程的飞行时间(min)；f
f,ccd
表示航班f在ccd过程的单发燃油流量(kg/s)；；l
f,ccd
表示飞行里程(km)，v
f，ccd
为航空器f在ccd过程的飞行速度(km/h)；m
f,ccd
为航班f在ccd过程的飞行马赫数；
[0073]
(23)管制员工作负荷，简称cl，主要考虑管制员的陆空通话工作负荷，具体为：
[0074][0075]
其中，fs表示航班f调整速度的次数，f
t
表示航班f调整航向的次数。
[0076]
若在空中调速策略中调整了航班f对应的航空器的速度，则视为发出两次调速指令。在航空器选择飞行路径后，统计各相邻航段间夹角，若夹角大于30
°
则航空器在此点进行了转弯，视为管制员发出两次调向指令。
[0077]
步骤3，构建空中交通流量控制策略综合评价模型；
[0078]
由于三种评价指标的量纲不同，需对其进行归一化处理，后再进行加权求和。
[0079][0080]
[0081][0082]
ev＝w1*dcg+w2*ceg+w3*clgꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(34)
[0083]
其中，ev表示空中交通流量控制策略综合评价成本指数，dcg、ceg、clg分别表示归一化后的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷；dc
min
、ce
min
、cl
min
分别表示航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷最小值；dc
max
、ce
max
、cl
max
分别表示航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷最大值；w1,w2,w3分别表示综合评价成本指数中归一化后的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷对应的权重。
[0084]
在某类成本达到某一阈值时，其较大的成本带来的负面影响会出现指数级增长，如大面积的航班延误会在网络中传播致使机场节点级联失效；碳排放成本越高，航空公司被征收的税率就越高；管制员负荷超过一定阈值时，其工作效率可能大幅下降，难以满足繁忙空域的要求，导致空域瘫痪。因此，本实施例根据归一化后各项成本指数的值，为其动态调整权重大小，使得流量控制策略综合评价结果更加贴合实际。
[0085]
分别将归一化后的航班延误成本dcg、碳排放量ceg和管制员工作负荷指数clg代入权重计算函数f(x)得到其在多目标评价中所对应的权重w1,w2,w3。权重计算函数f(x)为：
[0086][0087]
式中x为归一化后的成本指数，f(x)为该指数对应的权重。使用该函数对指标对应权重进行计算，即：
[0088][0089][0090][0091]
步骤4，以空中交通流量控制策略评价指标体系中指标值最小化为优化目标，确定不同空中交通流量控制策略下的决策变量，根据采集的航班数据求解不同空中交通流量控制策略下各航班基于决策变量的指标值；不同空中交通流量控制策略包括地面等待策略、空中调速和空中等待策略以及改航策略，
[0092]
步骤5，根据综合评价模型计算对应空中交通流量控制策略下各航班的最优综合评价成本指数；
[0093]
步骤4.1，评价采用地面等待策略实施后产生的影响；
[0094]
将航班延误成本dc、碳排放量ce作为优化目标，将航班起飞时刻作为决策变量，考虑实际机场起降容量限制，在预战术阶段调配航班的起飞时间，减少飞机起飞后因拥堵而导致的空中等待。
[0095]
以最小化航班延误成本dc、碳排放量ce为目标函数建立多目标优化模型：
[0096]
[0097][0098]
约束条件如下：
[0099][0100][0101][0102]
t
f,dep
≤t
f,dep
＜t
f,dep
+ηfꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0103]
公式1至公式3分别为步长为15min下的机场起飞容量、降落容量和总容量约束。ap是当前所有机场的集合，和c
p
分别表示机场p的起飞容量、降落容量和总容量，这些数据由历史数据统计得出一理论值，分别表示机场p中起飞时刻或着陆时刻在[t,t+15)的航班集合，即
[0104][0105][0106]
其中分别为起飞机场、着陆机场位于机场p的航班集合。||表示集合中元素的数量。
[0107]
公式4为等待时间约束，限制航班等待时间不得超过阈值ηf，该阈值由航班的优先级确定，t
f,dep
表示运行中航班f的起飞时间；t
f,dep
表示航班计划中航班f的起飞时间。
[0108]
优化得到一组帕累托前沿解，即优化后的航班起飞时刻集合，在每个航空器起飞时刻集合可行解下，计算相应的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷。
[0109]
步骤5.1，根据公式(31)至(33)将三个指标归一化，然后再根据公式(36)至(38)求出三个指标对应的权重，得到其综合评价成本指数中使用的权重w1,w2,w3。根据公式(34)计算每个可行解的综合评价成本指数ev’gw
。
[0110]
ev'
gw
＝w1*dcg+w2*ceg+w3*clg[0111]
在所有航空器起飞时刻集合可行解对应的综合评价成本指数中，选择最小值，作为采用地面等待策略实施后的最优综合评价成本指数ev
gw
。
[0112]
步骤4.2，评价采用空中调速和空中等待策略实施后产生的影响；
[0113]
将航班延误成本dc，碳排放量ce作为优化目标，将航空器巡航速度作为决策变量，考虑航空器飞行性能限制、安全限制，加快前机的飞行速度，减少整个队列的延误时间。
[0114]
以最小化航班延误成本dc、碳排放量ce为目标函数建立多目标优化模型：
[0115][0116][0117]
约束条件如下：
[0118][0119]
该约束表示巡航阶段航班f的速度位于航班f对应机型的最小平飞速度和最
大安全速度之间，数据由机型查询得到。
[0120]
优化得到一组帕累托前沿解，即优化后的航空器巡航速度集合后，在每个航空器巡航速度集合可行解下，计算相应的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷。
[0121]
步骤5.2，根据公式(31)至(33)将三个指标归一化，然后在图2中查得三个指标对应的初始权重再根据公式(35)至(37)将航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷三项初始权重值缩放至其和等于1，得到其综合评价成本指数中使用的权重w1,w2,w3。根据公式(34)计算每个可行解的综合评价成本指数ev’as
。
[0122]
ev'
as
＝w1*dcg+w2*ceg+w3*clg[0123]
在所有航空器巡航速度集合可行解对应的综合评价成本指数中，选择最小值，作为采用空中调速与空中等待策略实施后的最优综合评价成本指数ev
as
。
[0124]
步骤4.3，评价采用改航策略实施后产生的影响；
[0125]
以最小化航班延误成本dc、碳排放量ce为目标函数建立多目标优化模型：
[0126][0127][0128]
将航空器飞行路径作为决策变量，考虑进离港点容量限制、关键航路点容量限制等约束，
[0129]
rf∈{r
f1
,r
f2
,...,r
fn
}(5)
[0130][0131]
公式5中rf表示航班f的飞行路径，{r
f1
,r
f2
,...,r
fn
}为航路网络中航班f最短的n条路径的有序集合，每个集合由入航点开始，至起始进近定位点结束，即
[0132]rfn
＝ordered_dict(d1,d2,...,dk),1≤n≤n
[0133]
其中k表示当前飞行路径上的航路点个数，ordered_dict是有序字典，为python中的一种数据类型。
[0134]
公式6中ci表示第i个航路点di的容量，ds为进离港点与预先识别的关键航路点的集合，表示第i个航路点di过点时刻[t-1,t+1)的航班集合。
[0135]
先根据实际运行条件得到可用空域中的航路点集合ds，根据航路点之间的连接状态建立航路网络，使用dijkstra算法生成航班f的最短的n条路径，并将其航路点保存至为r
f n
，1≤n≤n，1≤n≤10，n可由决策者进行指定。
[0136]
优化得到一组帕累托前沿解，即优化后的航空器飞行路径集合后，在每个航空器飞行路径集合可行解下，计算相应的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷。
[0137]
步骤5.3，根据公式(31)至(33)将三个指标归一化，然后再根据公式(36)至(38)求出三个指标对应的权重，得到其综合评价成本指数中使用的权重w1,w2,w3。根据公式(34)计算每个可行解的综合评价成本指数ev’wc
。
[0138]
ev'
wc
＝w1*dcg+w2*ceg+w3*clg[0139]
在所有航空器飞行路径集合可行解对应的综合评价成本指数中，选择最小值，作为采用改航策略实施后的最优综合评价成本指数ev
wc
。
[0140]
步骤6，选择并使用综合评价成本指数最低的空中交通策略。
[0141]
对地面等待、空中等待与空中调速、改航三种空中交通流量控制策略执行后下的最优综合评价成本指数ev
gw
、ev
as
、ev
wc
进行比较，对比各流量控制策略的性能差异，选择并使用综合评价成本指数最低的空中交通策略。例如针对某一部分的航班计划，计算流量控制前、三种流量控制策略下的各成本指数与综合评价成本指数，结果如下表所示：
[0142]
表2 计算示例
[0143][0144][0145]
其中虽然地面等待策略的航班延误成本最小，但空中调速和空中等待策略的第1组帕累托解的综合评价成本指数ev
as
最低，故空中调速和空中等待策略为当前的最优控制策略。
[0146]
具体实现中，本技术提供计算机存储介质以及对应的数据处理单元，其中，该计算机存储介质能够存储计算机程序，所述计算机程序通过数据处理单元执行时可运行本发明提供的一种考虑多目标的空中交通流量控制策略优选方法的发明内容以及各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。
[0147]
本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术方案可借助计算机程序以及其对应的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以计算机程序即软件产品的形式体现出来，该计算机程序软件产品可以存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台包含数据处理单元的设备(可以是个人计算机，服务器，单片机，muu或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0148]
本发明提供了一种考虑多目标的空中交通流量控制策略优选方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

技术特征：
1.一种考虑多目标的空中交通流量控制策略优选方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，采集航班数据和空中交通管制数据；步骤2，构建空中交通流量控制策略评价指标体系；步骤3，构建空中交通流量控制策略综合评价模型；步骤4，以空中交通流量控制策略评价指标体系中指标值最小化为优化目标，确定不同空中交通流量控制策略下的决策变量，根据采集的航班数据求解不同空中交通流量控制策略下各航班基于决策变量的指标值；步骤5，根据综合评价模型计算对应空中交通流量控制策略下各航班的最优综合评价成本指数；步骤6，选择并使用综合评价成本指数最低的空中交通策略。2.根据权利要求1所述的一种考虑多目标的空中交通流量控制策略优选方法，其特征在于，步骤2构建空中交通流量控制策略评价指标体系，包括将航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷作为空中交通流量控制策略评价一级指标，其中，航班延误成本评价指标包括地面延误成本和空中延误成本二级指标，碳排放量评价指标包括lto阶段的碳排放总量和ccd阶段的碳排放总量二级指标，管制员工作负荷评价指标包括调速指令和调向指令二级指标；计算不同的空中交通流量控制策略下航班的航班延误成本dc、碳排放量ce和管制员工作负荷cl。3.根据权利要求2中所述的一种考虑多目标的空中交通流量控制策略优选方法，其特征在于，步骤3构建空中交通流量控制策略综合评价模型包括：对三种评价指标进行归一化处理，对三种评价指标归一化处理后的值进行加权求和，获得空中交通流量控制策略综合评价成本指数ev：ev＝w1*dc
g
+w2*ce
g
+w3*cl
g
其中，dc
g
、ce
g
、cl
g
分别表示归一化后的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷；w1,w2,w3分别表示综合评价成本指数ev中归一化后的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷对应的权重。4.根据权利要求3所述的一种考虑多目标的空中交通流量控制策略优选方法，其特征在于，步骤3中采用权重计算函数f(x)计算归一化后的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷对应的权重w1,w2,w3，权重计算函数f(x)表示为：则则则5.根据权利要求4所述的一种考虑多目标的空中交通流量控制策略优选方法，其特征在于，步骤4中不同空中交通流量控制策略包括地面等待策略、空中调速和空中等待策略以及改航策略，步骤4包括：
步骤4.1，地面等待策略下，将航班延误成本dc和碳排放量ce作为优化目标，将航班起飞时刻作为决策变量，考虑实际机场起降容量限制、在预战术阶段调配航班的起飞时间，减少飞机起飞后因拥堵而导致的空中等待，优化得到一组帕累托前沿解，即优化后的航班起飞时刻集合，在每个航空器起飞时刻可行解下，计算相应的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷；步骤4.2，空中调速和空中等待策略下，将航班延误成本dc和碳排放量ce作为优化目标，将航空器巡航速度作为决策变量，考虑航空器飞行性能限制、安全限制，加快前机的飞行速度，减少整个队列的延误时间，优化得到一组帕累托前沿解，即优化后的航空器巡航速度集合，在每个航空器巡航速度可行解下，计算相应的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷；步骤4.3，改航策略下，将航班延误成本dc和碳排放量ce作为优化目标，将航空器飞行路径作为决策变量，考虑进离港点容量限制、关键航路点容量限制约束，优化得到一组帕累托前沿解，即优化后的航空器飞行路径集合，在每个航空器飞行路径可行解下，计算相应的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷。6.根据权利要求5所述的一种考虑多目标的空中交通流量控制策略优选方法，其特征在于，步骤4.1包括：以最小化航班延误成本dc、碳排放量ce为目标函数建立多目标优化模型，约束条件如下：约束条件如下：约束条件如下：约束条件如下：公式1至公式3分别为步长t为15min下的机场起飞容量、降落容量和总容量约束；ap是当前所有机场的集合，和c
p
分别表示机场p的起飞容量、降落容量和总容量，分别表示机场p中起飞时刻和着陆时刻在[t,t+15)的航班集合，||表示集合中元素的数量；公式4为等待时间约束，限制航班等待时间不得超过阈值η
f
，该阈值由航班的优先级确定，t
f,dep
表示运行中航班f的起飞时间；t
f,dep
表示航班计划中航班f的起飞时间；优化得到一组帕累托前沿解，即优化后的航班起飞时刻集合，在每个航空器起飞时刻集合可行解下，计算相应的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷。7.根据权利要求6所述的一种考虑多目标的空中交通流量控制策略优选方法，其特征在于，步骤4.2包括：以最小化航班延误成本dc、碳排放量ce为目标函数建立多目标优化模型，约束条件如下：该约束表示巡航阶段航班f的速度位于航班f对应机型的最小平飞速度和最大安全速度之间，数据由机型查询获得；优化得到一组帕累托前沿解，即优化后的航空器巡航速度集合，在每个航空器巡航速度集合可行解下，计算相应的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷。
8.根据权利要求7所述的一种考虑多目标的空中交通流量控制策略优选方法，其特征在于，步骤4.3包括：以最小化航班延误成本dc、碳排放量ce为目标函数建立多目标优化模型，约束条件如下：r
f
∈{r
f1
,r
f2
,...,r
fn
}(5)公式5中r
f
表示航班f的飞行路径，{r
f1
,r
f2
,...,r
fn
}为航路网络中航班f最短的n条路径的有序集合，每个集合由入航点开始，至起始进近定位点结束；公式6中c
i
表示第i个航路点d
i
的容量，d
s
为进离港点与预先识别的关键航路点的集合，表示第i个航路点d
i
过点时刻[t-1,t+1)的航班集合；先根据实际运行条件得到可用空域中的航路点集合d
s
，根据航路点之间的连接状态建立航路网络，使用dijkstra算法生成航班f的最短的n条路径，并将其航路点保存至为r
fn
，1≤n≤n，1≤n≤10；优化得到一组帕累托前沿解，即优化后的航空器飞行路径集合，在每个航空器飞行路径集合可行解下，计算相应的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷。9.根据权利要求8所述的一种考虑多目标的空中交通流量控制策略优选方法，其特征在于，步骤5包括：步骤5.1，针对步骤4.1获得的优化后的航班起飞时刻集合中每个航班起飞时刻可行解对应的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷，根据步骤3计算每个航班起飞时刻可行解下地面等待策略综合评价成本指数；在所有航班起飞时刻可行解综合评价成本指数中，选择最小值，作为采用地面等待策略实施后的最优综合评价成本指数ev
gw
；步骤5.2，针对步骤4.2获得的优化后的航空器巡航速度集合中每个航空器巡航速度可行解对应的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷，根据步骤3计算每个航空器巡航速度可行解下空中调速和空中等待策略综合评价成本指数；在所有航空器巡航速度可行解综合评价成本指数中，选择最小值，作为采用空中等待与空中调速策略实施后的最优综合评价成本指数ev
as
；步骤5.3，针对步骤4.3获得的优化后的航空器飞行路径集合中每个航空器飞行路径可行解对应的航班延误成本、碳排放量和管制员工作负荷，根据步骤3计算每个航空器飞行路径可行解下改航策略综合评价成本指数；在所有航空器飞行路径可行解综合评价成本指数中，选择最小值，作为采用改航策略实施后的最优综合评价成本指数ev
wc
。

技术总结
本发明公开了一种考虑多目标的空中交通流量控制策略优选方法；包括：航班数据采集；构建空中交通流量控制策略评价指标体系；构建空中交通流量控制策略综合评价模型；以空中交通流量控制策略评价指标体系中指标值最小化为优化目标，确定不同空中交通流量控制策略下的决策变量，根据采集的航班数据求解不同空中交通流量控制策略下各航班基于决策变量的指标值；根据综合评价模型计算对应空中交通流量控制策略下各航班的最优综合评价成本指数；选择并使用综合评价成本指数最低的空中交通策略。该方法为航空公司选择飞行航路及管制员流量管控提供决策依据，在空中交通流量管理方面具有实际运用价值。有实际运用价值。有实际运用价值。


技术研发人员：羊钊 杨尚文 胡锦标 王艳 包杰 张明伟 童明
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第二十八研究所
技术研发日：2023.02.16
技术公布日：2023/7/13