一种基于轨迹谱聚类的终端区盛行交通流识别方法
【专利摘要】本发明涉及基于轨迹谱聚类的终端区盛行交通流识别方法，包括步骤：1、解析出给定机场跑道的飞行轨迹数据，划分特征轨迹点和普通轨迹点，2、建立空间直角坐标系，3、根据航迹距空间网格中心的远近提出占据度概念，用来表示某一航迹对某空间网格的占据程度，4、在轨迹局部相似性模型基础上建立迹间整体相似性模型，5、构造Laplacian相似度矩阵，然后利用谱聚类算法进行聚类分析，步骤6、采用核密度估计方法对步骤5得到的每一个聚类进行盛行交通流识别，步骤7、识别结果在显示与交互模块中显示出来，优点是，利用谱聚类算法可同时得到盛行交通流轨迹和异常轨迹，从而辅助相关人员科学、合理的规划终端区以及改善进离场航线，进而提高终端区容量。
【专利说明】一种基于轨迹谱聚类的终端区盛行交通流识别方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及空域规划领域，特别涉及一种基于轨迹谱聚类的终端区盛行交通流识别方法，应用本方法可以为终端区空域的重新设计以及进离场航线设计提供技术基础。
【背景技术】
[0002]终端区空域是空中交通最密集、最复杂的空域，是整个空域容量提高的瓶颈。如何合理、高效利用有限的终端空域资源，已经成为空域管理部门急需解决的紧迫问题，也是空域规划领域学者研究的热点问题。目前大部分国家的空域设计和进离场航线设计的工作都是按照国际民航组织相关文件进行的，但其有些结果缺乏科学性与合理性，导致终端空域资源不能有效的充分利用。利用大量历史交通流轨迹数据，分析其少数几个具有代表性的盛行交通流轨迹，是进行空域规划的基础，在此基础上设计的进离场航线和空域扇区才能适应交通流运行的需要。
[0003]虽然目前也存在一些针对终端区交通流的轨迹聚类的方法，但都主要围绕水平剖面展开，没有考虑航空器轨迹的空间特性，而且历史雷达轨迹中通常包含一些异常轨迹，由于异常航迹对于生成代表性航迹具有较大影响，所构造的中心航迹是在人工剔除异常航迹的基础上完成的，不仅自动化程度不高，且异常轨迹的识别对结果均有较大影响。此外，现有研究多是以航迹点或分段轨迹为研究对象，无法体现完整轨迹的特征。因此，不能完全满足终端区规划设计中对代表性交通流识别的需要。
[0004]考虑到现有终端区交通流轨迹聚类的现状，尚缺少一种能够快速、有效、实用的盛行交通流识别方法。
【发明内容】
[0005]鉴于现有【技术领域】的不足，本发明的目的在于，提供一种新的终端区盛行交通流识别方法，该方法基于轨迹谱聚类和轨迹核密度估计来实现终端区盛行交通流的识别，以求准确、有效的识别出终端区的盛行交通流，给终端区空域的重新设计以及进离场航线设计提供技术基础。
[0006]本发明是这样实现的，一种基于轨迹谱聚类的终端区盛行交通流识别方法，通过计算机系统辅助实现，所述计算机系统主要由客户端/服务器(C/S)模式构成，其特征在于，计算机系统包括雷达轨迹数据库、数据处理模块、轨迹聚类模块、盛行交通流识别模块和显示与交互模块，用作终端区盛行交通流识别方法的实现平台；
数据处理模块根据雷达存储数据的特征来解析出终端空域中不同机场、不同跑道的轨迹数据；
轨迹聚类模块应用轨迹谱聚类算法将相同跑道的雷达轨迹进行聚类分类；
盛行交通流识别模块应用轨迹核密度方法对雷达轨迹聚类模块聚类的每一类结果进行盛行交通流的识别；
显示与交互模块主要是用来显示原始轨迹、分类结果以及盛行交通流；计算机系统中包括飞行轨迹的相似性模型的建立、利用轨迹谱聚类对飞行轨迹进行聚类和利用轨迹核密度估计进行盛行交通流识别的步骤；
所述终端扇区盛行交通流识别方法，包括如下步骤:
步骤1:在数据处理模块中输入雷达记录终端区的飞行轨迹数据，解析出有关给定机场跑道的飞行轨迹数据，并根据转弯角度将轨迹数据点划分为特征航迹点(是指在轨迹中能描述该轨迹的关键特征的轨迹点)和普通航迹点；
关键特征的轨迹点指的是一条轨迹的起始航迹点以及其他的航迹点航向变化大于一定转弯角度的航迹点，这个转弯角度在空管领域内的专家可以很容易给出。
步骤2:以机场基准点所在位置为坐标原点O建立空间直角坐标系，以长为1、宽为b、高为h的网格为基本单元，以原点O为空间网格Gc-tl的中心，将终端区的三维空间划分为若干个基本网格单元，对于空间网格&P，得到其中心坐标ifc,ync,za:) = {ial,xib，iiti)；
步骤3:根据航迹点距空间网格中心的远近提出占据度的概念表示某一航迹对某空间网格的占据程度；将起始航迹点及转弯点称为特征航迹点，其他航迹点称为普通航迹点；设Nx, Δ_7和Δζ分别表示航迹/7(i<i)与空间网格中心在横向、纵向和垂直方向上的偏离程度，计算普通航迹点的占据度O’ u,k) irn, n, a)；以特征航迹点距空间网格Gm,n,a中心的椭球距离ε (ik) ipi, n, a),计算特征航迹点的占据度o’ {i,k) ijn, n, a)占据度；其具体步骤如下:
a、对于普通航迹点，当Nx<l/2, &y<b/2,时，o’(i, “ O,a) =1,,否则 o’(i, “ipi, n, a) =0 ；
b、对于特征航迹点，当On, n，a)不大于 I 时，o”u,k) ijn, n, a) =1,否则ipi, n，a) =1/(s Uk.) ijn, n, a)p), p ≥ I ;
c、令％表示普通航迹占据度权重，W2表示特征航迹占据度权重条轨迹所有航迹点对于网格的占据度Oi O,a)就等于o’(i, O,/?, a)取o’(i,k)ijn，n, a、的加权求和；
d、轨迹i和J在空间网格&p的航迹相似性就为各自的占据度的乘积，即Oi ijn, n, a) X Oj ipi, n, a),也就是轨迹之间的局部相似度a n ijn, n, a)；
步骤4:考虑到轨迹的航向因素影响，将步骤3建立的轨迹局部相似性模型基础上建立迹间整体相似性模型，其具体步骤如下:
a、定义轨迹i的走向为:以磁北为基准,顺时针旋转到轨迹起始点(Λ7)与轨迹终止的矢量"的夹角；
b、按照步骤a计算轨迹J'的走向为
C、当I β - β( π/j?时，轨迹i和J相似度为:
【权利要求】
1.一种基于轨迹谱聚类的终端区盛行交通流识别方法，通过计算机系统辅助实现，所述计算机系统主要由客户端/服务器(C/S)模式构成，其特征在于，计算机系统包括雷达轨迹数据库、数据处理模块、轨迹聚类模块、盛行交通流识别模块和显示与交互模块，用作终端区盛行交通流识别方法的实现平台； 数据处理模块根据雷达存储数据的特征来解析出终端空域中不同机场、不同跑道的轨迹数据； 轨迹聚类模块应用轨迹谱聚类算法将相同跑道的雷达轨迹进行聚类分类； 盛行交通流识别模块应用轨迹核密度方法对雷达轨迹聚类模块聚类的每一类结果进行盛行交通流的识别； 显示与交互模块主要是用来显示原始轨迹、分类结果以及盛行交通流； 计算机系统中包括飞行轨迹的相似性模型的建立、利用轨迹谱聚类对飞行轨迹进行聚类和利用轨迹核密度估计进行盛行交通流识别的步骤； 所述终端扇区盛行交通流识别方法，包括如下步骤: 步骤1:在数据处理模块中输入雷达记录终端区的飞行轨迹数据，解析出有关给定机场跑道的飞行轨迹数据，并根据转弯角度将轨迹数据点划分为特征航迹点和普通航迹点；特征航迹点是指在轨迹中能描述该轨迹的关键特征的轨迹点； 关键特征的轨迹点指的是一条轨迹的起始航迹点以及其他的航迹点航向变化大于一定转弯角度的航迹点，这个转弯角度在空管领域内的专家可以很容易给出； 步骤2:以机场基准点所在位置为坐标原点O建立空间直角坐标系，以长为1、宽为b、高为h的网格为基本单元，以原点O为空间网格G0,0,0的中心，将终端区的三维空间划分为若干个基本网格单元，对于空间网格&P，得到其中心坐标ifc,ync,za:) = {ial,xib，iiti)；步骤3:根据航迹点距空间网格中心的远近提出占据度的概念表示某一航迹对某空间网格的占据程度；将起始航迹点及转弯点称为特征航迹点，其他航迹点称为普通航迹点；设Nx, Δ_7和Δζ分别表示航迹/7(i<i)与空间网格中心在横向、纵向和垂直方向上的偏离程度，计算普通航迹点的占据度O’ u,k) irn, n, a)；以特征航迹点距空间网格Gm,n,a中心的椭球距离ε (ik) ipi, n, a),计算特征航迹点的占据度o’ {i,k) ijn, n, a)占据度；其具体步骤如下: a、对于普通航迹点，当Nx<l/2, &y<b/2,时，o’(i, “ O,a) =1,,否则 o’(i, “(jn, n, a) =0 ； b、对于特征航迹点，当ε(ik) (m, n, a)不大于I时，o” (i, k) ipi, n, a)=l,否则ο” υ, k)(in, n, a) =1/(ε (m ipi, n, a)p), p ≥ I ; c、令％表示普通航迹占据度权重，W2表示特征航迹占据度权重条轨迹所有航迹点对于网格的占据度Oi（m,n,a)就等于o’(i,k)(m,n,a)取o’(i,k)ijn，n, a、的加权求和； d、轨迹i和J在空间网格&p的航迹相似性就为各自的占据度的乘积，即Oi ijn, n, a) X Oj ipi, n, a),也就是轨迹之间的局部相似度a n ijn, n, a)； 步骤4:考虑到轨迹的航向因素影响，将步骤3建立的轨迹局部相似性模型基础上建立迹间整体相似性模型，其具体步骤如下: a、定义轨迹i的走向为:以磁北为基准,顺时针旋转到轨迹起始点(Λ7)与轨迹终止的矢量"的夹角； b、按照步骤a计算轨迹J'的走向为Sj'C、当|θ i- θ j| < n/2时，轨迹i和J.相似度为:
【文档编号】G06K9/62GK103456192SQ201310388103
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月1日 优先权日:2013年9月1日
【发明者】王超, 王飞, 刘宏志, 张召悦, 徐肖豪, 张春凤, 赵嶷飞, 王洁宁, 高伟, 赵宏伟, 李楠, 黄宝军, 岳仁田, 王兴隆, 王红勇, 赵元棣, 姜高扬, 王涛波, 韩邦村 申请人:中国民航大学