基于动态空域配置的航路调整问题研究

动态空域配置旨在通过对各类型空域功能块的设计、构架、配置和使用,实现空域的动态配置功能,使管制空域灵活地匹配空中交通实际变化的需求。在此概念下建立了以最小运营成本为目标的航路调整规划模型,在模型中考虑某些航路段可以动态地开关-闭合,引入动态航路的开放成本和使用成本,以最短开放时间、最大管制负荷和航路复杂度、安全性为约束条件,采取改进的遗传算法进行求解,验证了模型的正确性和可行性。计算结果表明:用模型制定的优化策略,充分利用了空域资源,减少了延误损失,总的航班运营成本减少了15%。     

空域扇区网络级联失效抗毁性及优化策略

应用复杂网络理论,从系统层面研究空域扇区网络的级联失效抗毁性,提出空域扇区网络级联失效抗毁性优化策略,以提升空域扇区网络级联失效抗毁性。首先,定义空域扇区网络节点负载和容量,分析空域扇区网络级联失效过程并建立模型,确立临界阈值和扇区非正常率为级联失效测度指标。然后,根据管制扇区运行特点,提出2种优化策略——基于扇区节点剩余容量的相邻负载再分配策略和局部负载再分配策略。通过仿真,分析了参数变化规律与网络抗毁性的关系,证明局部负载再分配策略可以大幅提升空域扇区网络级联失效抗毁性。     

基于飞行需求的航路动态管理

针对空域与飞行需求日益突出的矛盾,以及目前空域管理运行模式难以满足持续增长的飞行需求,提出了一个航路动态调整模型.模型在考虑空管的实施情况、空中交通流量情况和天气情况相关的条件下,对航路进行动态调整,动态的开放和使用临时航路,优化航路区域容量从而减轻航班延误.然后利用动态规划及整数规划方法相结合,求解模型得出航路动态调整的最优方案.最后利用典型空域进行了验证,结果表明所建立的模型能够大大减少航班延迟成本与航路管理成本,优化空中交通的顺畅运行.     

波音对中国民机市场寄予厚望

如果保持现有的增长势头，在2020年左右中国将取代美国成为波音全球最大的民机市场。波音认为，“空域拥堵”的解决之道是优化整个航空系统的效率，而新兴航空公司的发展将有助于优化航线网络、缓解空域拥堵。     

多元受限下离场时间多目标优化调配模型研究

在空中交通受到多元限制情况下,对航班离场时间的优化调配可以解决空域拥挤,减少航班总体延误成本。采用了基于航班流的公平性指标和基于个体航班延误成本的效率指标作为模型的优化目标,建立了离场时间多目标优化调配模型。通过仿真算例对比了只考虑效率目标的离场时间单目标优化调配模型和同时考虑效率和公平性目标的离场时间多目标优化调配模型,验证了离场时间多目标优化调配模型的有效性。     

混合型联盟航线网络结构下航班频率优化研究

科学优化联盟航线网络结构下的航班计划可充分发挥联盟合作效应。综合考虑航空公司运行成本与旅客时间成本,以航班运行成本和旅客计划延误成本总成本最小为目标,建立混合型联盟航线网络结构下多机型多路径的航班频率优化模型。设计航班频率优化模型启发式算法,案例分析验证了模型可行性。结果表明,模型能一定程度上降低旅客出行成本和航空公司运行成本,可为航空公司制定混合联盟航班计划的频率优化提供参考。     

恶劣天气条件下航路网络修复优化

针对恶劣天气条件下可用空域资源不足导致的航班大面积延误问题,基于复杂网络修复理论和交通流分配理论,借鉴交通网络设计思想提出了一种航路网络修复优化策略。首先,建立了航路网络修复场景,基于气象信息生成了恶劣天气飞行受限区。然后,建立了上层模型以修复成本最低为目标函数、下层模型为多约束交通流分配模型的双层规划修复模型,应用改进粒子群算法对模型整体进行求解,结合K最短路径算法对下层模型进行求解。最后,提出局部和全局两类指标对航路网络修复效果进行评估。基于典型航路网络,以两类基础修复策略为对比方法,同时对比了实际运行结果,研究了不同修复策略的修复效果和适用性。仿真结果表明：航路网络修复优化策略既能弥补原有拓扑结构修复策略的结构受限不足,又能解决拓扑结构调整修复策略带来的巨额协调费用问题,能够保证在对正常运行航班干扰最小的同时,以最小的修复成本使所有受影响的航班都恢复正常运行,对于减缓航路拥堵和航班延误有极大的意义。     

空战场穿越走廊基本网络规划的混合禁忌搜索算法

为有效管制战区空域,确保航空军事运输活动安全、高效、有序进行,针对不考虑限制空域的穿越走廊基本网络规划问题,构建了SUMApHMP数学模型,并结合Floyd最短路径算法提出了一种求解该模型的混合禁忌搜索算法,进而根据SUMApHMP求解结果设计了不考虑限制空域的穿越走廊基本网络。利用空战场中10个机场之间的流量矩阵和距离矩阵对混合禁忌算法进行了测试,并将Lingo 9.0软件对模型的优化结果与本文算法求得的结果进行了比较,验证了算法的可行性和有效性。     

突发事件下大规模空中交通流量管理的组合优化模型

为了解决危险天气和军航活动对管制运行的影响，使用动态网络流方法对突发事件下短期空中交通流量调度问题展开研究。首先，结合中国民航管制的特点，分析了突发事件对流量管理的影响。同时，根据航路航线网络及其高度层的特点，给出了网络和高度层的数学描述，并根据机型将航空器分成大、中和小3种交通流，介绍了使用多品种流描述3种机型的必要性；其次，根据网络拥挤程度随时间和流量变化的特点、危险天气随机变化的特点、空中等待和地面等待费用差异的特点构建了3个优化目标，考虑机场容量、扇区容量、航班连续性和扇区连续性约束建立了多目标优化模型；再次，针对军航活动时需要协调空域的特点，多品种流模型求解时间复杂度高，不能适应短期流量管理的缺陷，改进了逐步宽容约束法，设计了一种阶段式求解的近似算法；最后，以西南空管局管制的空域为例，利用实际流量数据，设计了3个场景进行仿真。结果表明，所提模型和算法能有效求解突发事件下的短期流量调度问题，算法效率比起传统算法在大流量下更具优势。     

空域管理数字化转型思考

<正>空域管理在确保航空器安全、优化空中交通流量等方面具有重要作用，随着民航业的发展，现有空域管理模式将无法满足未来发展需求，需要不断优化和吸引新的技术，开展数字化转型，促进空域管理现代化发展。本文通过分析我国空域管理现阶段面临的挑战，探讨空域管理数字化转型各相关方的转型目标，思考转型对空域管理价值链的深远影响，并给出发展建议。     

Air route network optimization in fragmented airspace based on cellular automata

Air route network optimization,one of the essential parts of the airspace planning,is an effective way to optimize airspace resources,increase airspace capacity,and alleviate air traffic con gestion.However,little has been done on the optimization of air route network in the fragmented airspace caused by prohibited,restricted,and dangerous areas (PRDs).In this paper,an air route network optimization model is developed with the total operational cost as the objective function while airspace restriction,air route network capacity,and non-straight-line factors (NSLF) are taken as major constraints.A square grid cellular space,Moore neighbors,a fixed boundary,together with a set of rules for solving the route network optimization model are designed based on cellular automata.The empirical traffic of airports with the largest traffic volume in each of the 9 flight information regions in mainland China is collected as the origin-destination (OD) air port pair demands.Based on traffic patterns,the model generates 35 air routes which successfully avoids 144 PRDs.Compared with the current air route network structure,the number of nodes decreases by 41.67％,while the total length of flight segments and air routes drop by 32.03％ and 5.82％ respectively.The NSLF decreases by 5.82％ with changes in the total length of the air route network.More importantly,the total operational cost of the whole network decreases by 6.22％.The computational results show the potential benefits of the model and the advantage of the algorithm.Optimization of air route network can significantly reduce operational cost while ensuring operation safety.     

不同管制方法下空域运行的燃油经济性与仿真分析

为了提高空域运行的燃油经济性,提出了不同管制方案下空域运行的燃油经济性模型,通过仿真实验．对比分析了不同管制方案和飞机群体在空域运行的燃油消耗量。实验结果表明：通过使用该模型可以从管制方法上节省整体空域中飞机群体的燃油消耗,同时证明了该模型的可行性。指出了不同管制方法对空域运行的燃油经济性的影响和空管绩效评估的一项新指标。     

Multiple air route crossing waypoints optimization via artificial potential field method

Air route crossing waypoint optimization is one of the effective ways to improve airspace utilization, capacity and resilience in dealing with air traffic congestion and delay. However, research is lacking on the optimization of multiple Crossing Waypoints (CWPs) in the fragmented airspace separated by Prohibited, Restricted and Dangerous areas (PRDs). To tackle this issue, this paper proposes an Artificial Potential Field (APF) model considering attractive forces produced by the optimal routes and repulsive forces generated by obstacles. An optimization framework based on the APF model is proposed to optimize the different airspace topologies varying the number of CWPs, air route segments and PRDs. Based on the framework, an adaptive method is developed to dynamically control the optimization process in minimizing the total air route cost. The proposed model is applied to a busy controlled airspace. And the obtained results show that after optimization the safety-related indicators: conflict number and controller workload reduced by 7.75% and 6.51% respectively. As for the cost-effectiveness indicators: total route length, total air route cost and non-linear coefficient, declined by 1.74%, 3.13% and 1.70% respectively. While the predictability indicator, total flight delay, saw a notable reduction by 7.96%. The proposed framework and methodology can also provide an insight in the understanding of the optimization to other network systems.     

民用机场及附近空域空中交通流量优化

针对民航客运需求快速增长所带来的航班延误和空域拥塞问题,提出一种优化民用机场及附近空域空中交通流量的方法。通过空中交通走廊容量评估方法,对经典优化模型进行了发展和改进,建立起综合性优化模型;将机场和附近空域视为一个整体系统,根据交通需求和容量的相互关系动态调整航班流量和机场起降容量;在优化计算时,提出一种兼顾效率和准确性的新型优化算法。通过算例对所述优化方法进行了验证,该方法可以为空中交通管制人员进行流量优化分配提供参考。     

TBO模式下终端区进场交通流优化模型与仿真分析

持续增长的交通需求量和日趋饱和的可用空域资源促使未来空中交通管理向基于航迹运行（TBO）的精细化管理模式转变。在TBO概念的基础上，依据目前繁忙机场终端区常见进场航线结构，提出了对应TBO模式下的截点直飞方式与融合点方式进场交通流优化模型，并以法国戴高乐机场终端区为例，构建了仿真运行环境。基于实际飞行计划与雷达记录轨迹模拟生成了航空器四维航迹，而后运用上述2种模型对进场交通流进行了优化，根据仿真结果对特定交通流参数展开了对比分析。研究结果表明，模型可通过航迹选择、时隙分配、顺序交换及动态间隔等方式有效化解终端区内潜在的航空器冲突并保持交通流安全高效运行，同时在一定程度上揭示了TBO模式下交通流的部分运行特性，为以四维航迹为核心的未来空中交通管理策略提供了理论支持。     

基于核主成分分析的空域复杂度无监督评估

空域复杂度评估作为衡量空域运行态势、管制员工作压力的关键手段,是运行调控的基础。由于影响因素众多,不同因素间耦合关联复杂,且标定样本很难获取,空域复杂度的准确评估被公认为航空领域的一个挑战性问题。提出了一种空域复杂度的无监督评估方法。首先通过核主成分分析挖掘原始样本各维度的非线性耦合关系,准确提取能够最大化复杂度评估信息量的主成分,进一步设计了可按需定制的主成分聚类方法,实现了无监督条件下空域复杂度的准确评估,为空域划分、流量管理提供了有效的技术支撑。     

柔性空域结构下连续下降航迹多目标优化

连续下降运行（CDO）是基于航迹运行（TBO）概念的重要组成,对于减少机场终端区燃油消耗和环境影响具有显著效果。简洁、高效和灵活的进场空域,以及高度自动的无冲突节能轨迹规划,是实现高密度终端区连续下降运行的核心要素。设计了一种融合Point Merge理念的新型倒皇冠形进场空域（ICSAA）,规范了新型空域内航空器运行程序,建立了以燃油消耗和飞行时间最小为目标的连续下降进近无冲突四维轨迹优化模型,并选用基于精英保留策略的非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）进行高效求解。论证了新型柔性空域下连续下降运行轨迹优化具备复杂高密度场景预战术和战术运行性能,对于飞行效率、经济性和空域容量提升具有显著效果,为促进繁忙机场全时段连续下降运行的推广应用提供新视角和新方法。     

空域网格化方法及其在空管中的应用研究

传统的空域理论方法面临交通密度快速增长、空域管制对象复杂多类异构等一系列问题,研究空域数字化建模,发展出新的空中交通四维时空框架,在此基础上开展全新的空域与空中交通流量协同管理是当前的迫切需要。本文聚焦包括平面格网模型以及空域空间格网模型的空域网格化方法的总结,并对空域网格化方法的空管应用研究进行综述,在此基础上,对空域网格化及数字化研究重点及发展趋势进行综合分析。本文研究能够为空域网格化及数字化理论与应用的可持续发展提供科学指引。