空域和流量协同管理建模与仿真

提出了空域和流量协同管理概念,综合利用地面等待、动态航路、条件航路等多种管理手段,建立了以最小运行成本为目标的数学模型,同时在模型中引入了动态航路、条件航路的开放成本,以更好地体现流量与容量之间相互协同优化关系,最后通过实例对模型进行了验证。计算结果表明:利用空域和流量协同运行管理模型制定的优化策略后,总的航班运行成本比优化前减少了8 205美元,成本波动幅度大大减小,因此,该协同管理策略可缩短航班延误时间,降低航空公司的成本。     

航路时空资源分配的多目标优化方法

为了提高航空公司与空管方之间的协同决策程度, 降低航班延误水平, 以航路飞行的航班为研究对象, 研究了航路时空资源的多目标分配; 考虑实际运行条件下航班的唯一性约束、时间顺序约束和可行性约束的影响, 以航班在流量受限区所分配的飞行航迹和进入时隙为决策变量, 以航班总延误成本最小和航空公司延误公平损失偏差系数最小为目标函数, 构建了多目标非线性0-1整数规划模型; 基于模型特点引用了非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ), 并利用排列编码法设计了一种整数基因编码方式, 以最大限度保证基因产生可行解集; 为了验证模型与算法的有效性, 基于南中国海地区航班运行实例, 对算法搜寻最优解的性能进行了研究, 并将此算法与传统按时刻表分配(RBS)方法进行了对比。研究结果表明: 改进编码方式的NSGA-Ⅱ算法使解集种群在约50代后世代距离从600收敛至30并稳定, 具有良好的收敛性; 针对实例中的多目标优化模型共生成有6组解的帕累托解集, 结果有66.7%的概率完全支配RBS方法, 且优化结果中航班平均延误成本比RBS方法降低了8.5%, 平均公平损失偏差系数降低了70.6%。可见提出的航路时空资源多目标优化方法的执行效果显著, 可在降低总延误成本的基础上兼顾各航空公司的公平性, 是解决航路飞行航班航迹与时隙资源分配问题的一种有效方法。      

基于航班时刻优化的多机场地面等待问题——模型和算法

为了优化航班的多机场地面等待问题,根据航班时刻信息,考虑空域容量和飞机周转限制,建立了以总延误时间最少、总延误成本最低、总调整航班架次最少、总延误航班架次最少的多目标、多机场地面等待问题模型.用非支配分类遗传算法Ⅱ(NSGA-Ⅱ)求出了该模型的优化多目标解集.以2008年秋季北京、上海和广州三大枢纽机场为例对该模型进行了验证,与先到先服务情况相比,平均总延误成本减少了约24%,平均总航班调整数减少了约62%.     

基于延误传播的飞机排班一体化鲁棒优化模型

为了减少航班延误对航班运行计划的影响,在分析航班延误传播特性及其分布的基础上,以总波及延误时间最少和航空公司运营成本最小为优化目标,建立了双目标飞机排班一体化网络流鲁棒优化模型.将该模型应用于国内某航空公司的实际运营数据进行实例分析,利用列生成和分枝定价法求解,结果表明:用本文模型优化后的航班计划使航班延误传播减少了41%;运营总成本比航空公司实际成本减少了11.33%,比没有考虑鲁棒性的飞机排班一体化模型的成本减少了9.93%.      

多机场终端区进离场航班协同排序研究

为了缓解繁忙终端区日益严重的空域拥堵和航班延误现状,研究了多机场终端区进离场航班协同优化排序问题.通过深入分析多机场终端空域结构,以及进离场航班运行特征,综合考虑尾流间隔、移交间隔、放行间隔、多跑道不同运行模式下的运行间隔等约束限制,将多机场终端区视为一个系统,引入"外围航班流"概念,以最小化航班延误为优化目标,建立了多机场终端区进离场航班协同优化排序模型,并采用改进的模拟退火算法对所建模型求解.选取上海终端区为研究对象进行仿真验证,仿真结果表明:利用本文提出的优化方法航班总延误比先到先服务策略减少了37.85%,有效地提高了多机场终端区进离场航班的运行效率.     

基于多目标优化的航空器离场时隙控制方法

为了兼顾效率性和公平性,合理利用时隙资源,进行航空器离场时隙分配,根据机场管制运行部门和航空公司的决策目标,以航班正点率、旅客延误时间、延误成本、基尼系数等目标的不同组合为优化目标,建立了3组多目标优化模型.针对机场管制中航空器放行的应用背景,采用改进的人工鱼群算法求解模型.算例仿真结果表明:以航班延误成本和航班正点率为优化目标时,得到2个Pareto解集,与RBS(ration-by-schedule)分配算法相比,航班延误成本减少了52.9%和48.6%,航班正点率提高了62.5%和75.0%;以航班延误成本和旅客延误时间为优化目标时,得到1个可行解,与RBS分配算法相比,航班延误成本和旅客延误时间分别减少了52.9%和37.5%;以公平性和效率性为目标时,随着公平性的增强,效率性减弱.本文的多目标离场时隙控制方法,弥补了现有方法只考虑效率性的缺陷,为管制员提供了更多可供选择的决策方案.     

交叉航路空域的时隙可用性评估方法

为了增加空域使用效率,建立了交叉航路入口放行策略模型.对多种交叉航路及放行策略组合,提出了新的空域时隙资源可用性评估方法,研究了新策略下航路长度、航路交叉角和放行偏离角对交叉航路时隙可用性的影响.仿真结果表明:当放行偏离角一定时,增加航路长度可有效提升时隙资源可用率,偏离角为10°、20°和30°时的最大时隙可用率分别为82%、90%和97%;航路长度具有边际效应,当航路长度超过阈值时,再增加航路长度不会提高时隙资源可用率;在航路长度、放行偏离角相同的条件下,增加航路交叉角可增加时隙资源可用率.     

离场航迹降噪优化设计的多目标智能方法

为满足新一代空管系统中离场航迹优化设计时降低噪声影响和减少飞行成本的需要,进行了离场航迹的多目标优化设计方法研究.结合飞行动力学和运动学模型,建立了符合民航飞机离场飞行阶段特征的航迹分段模型,提出了应用状态矩阵和控制矩阵准确表示航迹的数学方法.基于模糊理论建立航迹噪声影响、飞行成本和空中导航约束的满意度评价函数,提出了3种启发式搜索规则和动态领域搜索方法来改进模拟退火算法.仿真结果表明,在绕飞限制空域的前提下,降噪和减少飞行成本的目标无法同时达到最优;离场航迹多目标优化后的总体满意度比仅考虑降噪时提高了4.3%.      

基于延误油耗优化原则的停机位实时分配算法

停机位的实时动态调整在机场运行过程中具有重要的研究意义．文中研究了在航班发生延误时,通过合理的停机位调整,降低由于航班延误增加的滑行油耗,达到降低运营成本的目的．考虑了特殊性质航班,建立了以延误油耗最低和各航空公司相同机型所承担延误油耗均衡为目标的停机位实时分配模型,采用遗传算法进行求解．实例分析结果表明模型的正确性和算法的有效性,满足机场实际运行的要求．     

基于高度层的航路短时利用率模型研究

航路利用率是衡量区域管制空域使用情况的重要指标,短时利用率评估是对空域使用实施技术调整和监控的重要手段。针对航路而不是宏观全空域进行利用率计算,首次根据空域系统运行情况,从高度层角度出发,结合容量同时考虑时间空间的限制,建立航路利用率计算模型。在短时航路利用率的方面有了突破,量化了利用率值,不只是利用评估方法得到利用率等级值。首先建立时间片内单一高度层利用率计算模型,综合各个高度层的利用率得到航路利用率,其次考虑利用率的时变性,综合各个时间片的利用率得到航路短时利用率计算模型。最后通过算例分析得到某一区域管制中心航路短时利用率值及9:00~10:00时间段内利用率的变化情况。     

基于航空器自主运行的空中交通复杂性建模

针对航空器自主运行模式的空中交通运行态势评估问题，本文重构了基于分布式空中交通管理系统的空中交通复杂性评价方法，并仿真验证了该方法在航空器冲突探测和自主航迹规划中的应用。首先，基于自由航路空域和航空器自主运行模式定义了空中交通复杂性，在通过三维空域栅格模型量化航空器时空位置的基础上，构建复杂度计算模型以反映航空器位置、航向、 航速对空域各栅格的实时复杂性影响；其次，基于实际管制扇区(ZSSSAR01)及高度层，分别模拟自由航路与固定航路运行模式，对比两者空中交通复杂度时空分布差异；并结合自由航路运行模式，在空中交通复杂性与航空器冲突指标(冲突率、冲突比例)相关性分析的基础上，研究空域复杂度阈值确定方法；最后，初步探究基于空域复杂度阈值进行航空器自主航迹调整的方法，评估其运行效果。仿真实验结果表明：自由航路运行模式相对固定航路运行模式可显著降低空域最大复杂度值(平均降幅119%)；模型计算得到，空中交通复杂度与空域中航空器冲突指标有强相关性 (相关系数大于0.90)；基于复杂度和复杂度阈值的航迹调整策略具备一定可行性。     

面向eVTOL航空器的城市空中运输交通管理综述

回顾了城市空中运输(UAM)的起源与发展演变, 定义了UAM交通管理基本概念, 分析了催生UAM的社会和技术因素, 提出了面向近未来时期国家层面UAM交通管理的基础架构, 将基于电推进垂直起降航空器的UAM交通管理问题划分为3个方面进行讨论(空域规划、地面基础设施、交通规则与运行控制), 并对近年来UAM交通管理相关文献所提出的代表性观点进行了梳理, 总结了UAM近未来时期所需解决的关键问题, 展望了UAM交通管理未来的发展趋势。研究结果表明: 空域规划方面, UAM需要对现有低空非管制空域进行更精细化的规划管理, 结构化的空域划设方式应该在UAM交通管理初期被应用, 高度层空域结构能较好地平衡运行安全和空域容量之间的矛盾; 地面基础设施方面, 需通过城市OD数据预测UAM的交通需求来进行地面垂直起降站点选址, 选址管理工作将直接影响空中航线网络结构和所需的地面通信导航监视台站的布设; 交通规则与运行控制方面, UAM将直接面对更为复杂的有人机、无人机融合运行场景, UAM交通规则需要革新并对现有的运输航空交通规则保持兼容, 高带宽的通信技术会促使UAM运行控制向空地协同决策和自动驾驶方向发生转变, 未来交通管理中如何处理人与系统的关系至关重要。总的来说, UAM交通管理将可能会和现有无人机交通管理体系产生交集并逐渐融合, 面对这一新型运输方式, 国家将更可能采用集中管理、试点运行、有序放开的交通管理发展路线。      

基于航线网络运力优化分配的机队规划方法

根据预测的航线运输生产指标,以利润最大化为优化目标,综合考虑机型的技术经济性能和市场需求、航班频率资源、机组的有效飞行实力等因素,确定各航线上航班频率与使用机型的最优组合,再根据机型的平均利用率确定相应的机队配置方案.对5种机型、60条航线的机队规划问题进行仿真,结果表明该方法对航线客流量的波动具有一定的鲁棒性.     

航路扇区容量需求的交通流动力学推演与预测

为科学应对交通需求的持续增长，合理进行空域规划，从介观层面刻画交通流动态演化过程，提出航路网络交通流演化模型. 以此为基础，将预测得到的城市对间年度交通总需求量推演到整个航路网络中，实现未来交通需求时空分布的中长期预测；构建航路扇区容量需求预测模型，选取华东地区两个相邻航路扇区为研究对象，进行实例验证.结果表明，所提方法能对航路扇区容量需求进行有效预测，未来5 年内两个航路扇区容量需求将分别由50架次/h、 39架次/h上升为70架次/h、45架次/h.     

基于贝叶斯估计的短时空域扇区交通流量预测

为准确把握空域扇区流量分布态势及未来变化趋势,提出了一种基于贝叶斯估计的短时空域扇区交通流量预测方法.首先,通过解析空域系统内航空器原始雷达数据,提取各扇区历史运行信息,建立了多扇区聚合交通流模型;其次,采用贝叶斯估计理论对模型参数进行最优估计和动态更新,预测了空域扇区交通流量的未来演变趋势及其不确定范围;最后,选取国内5个典型繁忙扇区为例,以5 min为时间段,以未来1 h为预测范围,对所提预测方法进行了验证.研究结果表明:85%以上时段交通流量预测结果的绝对误差在3架以内,平均绝对误差均在2架次以内,预测结果的稳定性较好,可充分反映各空域扇区之间短时交通流的动态性和不确定性,符合空中交通的实际情况.      

低空空域飞行冲突避让算法

为了预防航空器在低空空域飞行中发生相撞，根据空中交通管理规则的飞行间隔规定，采用速度矢量三角分析法，分析了避免冲突的基本条件，确定了航空器B与航空器A的速度矢量关系，提出了调整速度和改变航向两种解决方法，推导出速度和航向改变量的计算公式。通过系统演算和DRS-98型雷达管制模拟机的验证表明，在任何情况下都能够使用改航法避让飞行冲突，航空器之间的距离和航向差越大，航向的改变量就越小；当航空器之间的距离大于6倍的飞行间隔时，应当使用调速法避让飞行冲突，这样航空器可以继续保持原定的飞行航线。     

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车载导航系统（IVNS）能提供实时有效交通信息辅助驾驶人选择最佳路径.为了探讨IVNS的市场渗透率对路网运行效益（交通效益和环境效益两方面）的影响,本文运用宏观动态交通网络模型METANET建立仿真平台,用反馈式动态交通分配模型描述IVNS路径诱导下驾驶人的行为,以总排队时间和总耗费时间作为交通效益评价指标,用反映速度—加速度关系的机动车排放和燃油消耗关系模型——VT-Micro 模型计算机动车排放量和燃油消耗量,并用货币价值量化排放减少带来的直接经济效益(包括大气污染治理费用和燃油消耗节省).对一个算例路网进行仿真,仿真结果表明：IVNS能够有效均衡路网交通,改善路网交通拥挤,尽管使NOx排放增加,却降低了HC、CO排放,减少了燃油消耗,带来了巨大的经济效益.综合考虑IVNS市场渗透率的交通效益和环境效益,建议可将市场渗透率控制在0.2~0.3左右.研究旨在为相关部门设计评价IVNS,优化路网运行效益提供辅助决策依据.