一种终端空域空中交通动态容量预测系统及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种获取终端空域基本运行容量的方法，该方法运用人类动力学模型及机器学习，对扇区容量进行修正，准确获取终端空域的基本运行容量；本发明还公开了一种终端空域空中交通动态容量的预测方法，增加了对具体终端空域的交通流信息，历史天气及预报天气的分析，使得获取的终端空域容量预测信息更准确；本发明还公开了一种终端空域空中交通容量预测系统，包括数据采集模块、数据处理模块、控制模块、显示模块；该系统用于实现获取终端空域基本运行容量的方法及实现终端空域空中交通动态容量的预测方法；本发明提高航空公司航班计划制定的有效性和准确性，并为空管单位根据动态容量分布确实预战术阶段的空中交通有效管制提供了依据。
【专利说明】一种终端空域空中交通动态容量预测系统及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种终端空域空中交通动态容量预测系统及其方法，主要是针对现有天气影响下的终端空域容量变化的分析存在不足而设计，属于民航空中交通管制领域。
【背景技术】
[0002]空域容量是度量空域系统为满足空中交通需求所能提供服务能力的指标，进行科学、准确的空域容量预测是空域资源有效管理与合理配置的基础。终端空域作为空中交通的密集区域，飞行流量大，空域复杂度高，是整个空域容量提升的瓶颈。复杂天气下对终端空域容量的准确预测一直是空中交通管理的难题。该研究对高效使用空域资源、管制资源和科学实施终端空域的空中交通流量管理和减少航班延误，最终实现终端空域空中交通安全有序具有重要意义。
[0003]目前，对于根据管制工作负荷和天气信息预测终端空域容量的研究主要存在如下两个方面问题:
[0004]第一，通过管制工作负荷确定终端空域扇区容量是行业公认的容量预测方法，管制工作负荷的测量主要是通过管制通讯时间的客观度量实现，并采用DORATASK、MBB等方法确定空域容量，如张兆宁等研究了在进离港航线分离同时不考虑跑道影响条件下，提出了进离港分开考虑统计进近管制工作负荷；张明从人-机-环境三者关系提出了基于模糊综合评判的管制人员工作负荷评价模型；赵嶷飞等从工作负荷分类的角度分析，建立了综合考虑主客观因素的工作负荷评估模型。这些研究大多考虑了管制行为的客观通讯时间，由于各个地区管制行为习惯具有一定的差异性，同时这些研究没能从管制通讯行为和空域复杂性结合的角度确定管制工作负荷，因此难以获得规律性的管制通讯规律和较为准确的终端空域基本运行容量。
[0005]第二，目前对于天气影响下的容量评估方法，主要采用根据不确定的天气影响建立解析模型来获取容量的变化，或通过概率计算获取的概率容量预测结果，如余静等提出了航路容量的新定义，并引入实时天气状况和空域活动等动态因素的影响系数建立航路动态容量模型；张静等通过天气类型决策树将历史天气数据转换为每种天气类型的到达容量概率分布，根据天气类型的容量概率分布，用全概公式将概率天气预测转换为概率容量预测。这些模型方法根据不确定的天气影响建立解析模型来获取容量的变化，虽能确定时序下的容量结果却难以反映天气空间占有的变化，同时通过概率计算获取的概率容量预测结果，难以在实际中应用，因为运行单位最为关心的是不同时序下的基本运行容量准确预测结果和天气空间占有情况。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是:提供一种获取终端空域基本运行容量的方法及一种终端空域空中交通动态容量的预测方法，根据空中交通管制通讯动力学统计模型确定基本运行容量；根据长期历史天气报文和短期天气雷达预报数据，确定终端空域空中交通动态容量。为了实现上述方法，本发明还提供了一种获取终端空域基本运行容量的系统及一种终端空域空中交通动态容量的预测系统，本发明解决了管制安全工作负荷准确评估、准确获取终端空域的基本运行容量的问题，并解决了天气不确定下终端空域动态容量准确预测的问题。
[0007]本发明的系统降低了空中交通管制的工作负荷，提高了管制自动化水平。
[0008]本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案:
[0009]一种获取终端空域基本运行容量的方法，包括如下步骤:
[0010]步骤1.将所述终端空域划分为多个扇区，根据各扇区的管制通讯历史数据，确定各扇区的容量，其中第k个扇区容量用下式计算:Cwsk=zlk+z2k+z3k,其中zlk, z2k, Z3k分别为所述终端空域第k个扇区中航班进港架次、离港架次、飞越航班架次，k=l，2，...，NsjNs为终端空域所划分的扇区总数；
[0011]步骤2.构建各扇区基本空中交通要素矩阵U=Lu1, U2,...u14]t ;其中U1, U2,…U14分别为航空器数量、航空器速度、交通流量比率、巡航交通量、占用率、航路之间的交叉角、每小时的交通量、爬升/下降交通量、水平冲突量、上升冲突量、交叉点的数量、垂直间隔、水平纵向间隔、航空器侧向间隔的最小距离；
[0012]步骤3.构建各扇区历史管制工作负荷矩阵W=Iiwl1, wl2, "^wl5]T,其中，Wl1, wl2,… Wl5分别为飞行数据管理及雷达显示操作的工作负荷、协调管制工作负荷、飞行冲突搜寻与解决工作负荷、例行工作的标准无线电通话的工作负荷、雷达监视工作负荷；
[0013]步骤4.以基本空中交通要素矩阵U=[Ul，ii2，…u14]T、历史管制工作负荷矩阵 W=Iiwl1, Wl2，…wl5]T作为输入,理想的管制工作负荷矩阵W' =[wl/ , Wl2'，…Wl5' !^作为输出，训练BP神经网络，其中Wl1' ,Wl2^，…Wl5'分别为理想的飞行数据管理及雷达显示操作的工作负荷、协调管制工作负荷、飞行冲突搜寻与解决工作负荷、例行工作的标准无线电通话的工作负荷、雷达监视工作负荷；
[0014]步骤5:利用训练好的BP神经网络，确定各扇区修正系数为
【权利要求】
1.一种获取终端空域基本运行容量的方法，其特征在于:包括如下步骤: 步骤1.将所述终端空域划分为多个扇区，根据各扇区的管制通讯历史数据，确定各扇区的容量，其中第k个扇区容量用下式计算CWSK=z1k+z2k+z3k,其中Zlk, Z2k, Z3k分别为所述终端空域第k个扇区中航班进港架次、离港架次、飞越航班架次，k=l，2，...，Ns,Ns为终端空域所划分的扇区总数； 步骤2.构建各扇区基本空中交通要素矩阵U=[U1，U2,…U14]T ;其中U1，U2,…U14分别为航空器数量、航空器速度、交通流量比率、巡航交通量、占用率、航路之间的交叉角、每小时的交通量、爬升/下降交通量、水平冲突量、上升冲突量、交叉点的数量、垂直间隔、水平纵向间隔、航空器侧向间隔的最小距离； 步骤3.构建各扇区历史管制工作负荷矩阵W=[wl1, wl2, ……wl5]T,其中，Wl1, wl2, ---Wl5分别为飞行数据管理及雷达显示操作的工作负荷、协调管制工作负荷、飞行冲突搜寻与解决工作负荷、例行工作的标准无线电通话的工作负荷、雷达监视工作负荷； 步骤4.以基本空中交通要素矩阵U=[U1，U2，……U14]T历史管制工作负荷矩阵W=Iiwl1, Wl2，…wl5]T作为输入,理想的管制工作负荷矩阵W' =[wl/ , Wl2'，…Wl5' !^作为输出，训练BP神经网络，其中Wl1' ,Wl2^，…Wl5'分别为理想的飞行数据管理及雷达显示操作的工作负荷、协调管制工作负荷、飞行冲突搜寻与解决工作负荷、例行工作的标准无线电通话的工作负荷、雷达监视工作负荷； 步骤5:利用训练好的BP神经网络，确定各扇区修正系数为
2.根据权利要求1所述获取终端空域基本运行容量的方法，其特征在于:所述步骤I包括如下步骤: (1)将终端空域划分为Ns个扇区，采集该终端空域各扇区的管制通讯历史数据，构建空中交通管制通讯动力学统计模型:f(X)=CX_a，其中f(x)表示管制通讯时间样本空间下管制事件的密度函数，C和a为待定系数，根据该模型绘制散点图，确定a的值； (2)计算f(x)的数学期望E(X)，该期望即为各扇区管制事件发生的平均间隔时间，某时段T内各扇区管制事件发生的次数为
3.—种终端空域空中交通动态容量的预测方法，其特征在于:包括如下步骤:步骤1:应用权利要求1所述获取终端空域基本运行容量的方法获取终端空域基本运行容量，并在该终端空域基本运行容量的基础上，根据该地区历史天气报文数据，确定该终端空域的季节性空域容量；步骤2:根据所述季节性空域容量计算所述终端空域的交通流数据，构建交通流四维航迹矩阵Qf(L，M，H，T);获取所述终端空域的雷达天气预报数据，构建四维天气矩阵 QW(L' ,M/ ,H/，T)，其中，L，M，H分别为所述交通流空间范围的长、宽、高，L' ,M/ ,H/ 分别为所述天气空间范围的长、宽、高，T为时间段，W和F分别表示天气和交通流；根据交通 流四维航迹矩阵Qf(L，M，H，T)与四维天气矩阵Qw(L'，W，H'，T)判断是否存在交通流四维航迹与四维天气重叠的区域，若存在，构建该空间范围重叠区域的时空分布矩阵Q(L' , ,M/ ,，H' ,，10，其中17 , ,M/ ,，H',分别表示交通流与天气空间范围重叠区域的长、宽、高；根据空间范围重叠区域的时空分布矩阵Q(L'，，M,，，H'，，T)及预先设定的改航路径数据，确定所述终端空域的动态交通流数据；根据终端空域的动态交通流数据，确定终端空域的动态容量。
4.根据权利要求3所述终端空域空中交通动态容量的预测方法，其特征在于:所述根据终端空域的动态交通流数据，确定终端空域的动态容量包括如下步骤:步骤1.将所述终端空域划分为多个扇区，根据各扇区的动态交通流数据，确定第k个扇区的动态容量Ck，其中k=l，2,...Ns, Ns为所划分的扇区总数；步骤2.构建各扇区的基本空中交通要素矩阵U=Lu1, U2,...U1Jt ;其中U1, U2,…U14分另Ij 为航空器数量、航空器速度、交通流量比率、巡航交通量、占用率、航路之间的交叉角、每小时的交通量、爬升/下降交通量、水平冲突量、上升冲突量、交叉点的数量、垂直间隔、水平纵向间隔、航空器侧向间隔的最小距离；步骤3.构建各扇区的历史管制工作负荷矩阵W=Iiwl1, wl2, ".Wl5]1,其中,Wl1, wl2, ---Wl5 分别为飞行数据管理及雷达显示操作的工作负荷、协调管制工作负荷、飞行冲突搜寻与解决工作负荷、例行工作的标准无线电通话的工作负荷、雷达监视工作负荷；步骤4将基本空中交通要素矩阵U= [U1, U2,…u14]T、历史管制工作负荷矩阵 W=Iiwl1, Wl2，…wl5]T作为输入,理想的管制工作负荷矩阵W' =[wl/ , Wl2'，…Wl5' !^作为输出训练BP神经网络，其中wl/ ,Wl2^，…Wl5'分别为理想的飞行数据管理及雷达显示操作的工作负荷、协调管制工作负荷、飞行冲突搜寻与解决工作负荷、例行工作的标准无线电通话的工作负荷、雷达监视工作负荷；步骤5:利用训练好的BP神经网络，确定各扇区修正系数为
5.根据权利要求3所述终端空域空中交通动态容量的预测方法，其特征在于:所述根据该地区历史天气报文数据，确定该终端空域的季节性空域容量包括如下步骤: (1)采集所述终端空域的历史天气数据，将历史天气数据分为标准天气类型及未知天气类型，所述标准天气类型包括云底高、能见度、降水、雾、风速，对标准天气类型构建情景树； (2)将所述情景树的信息构造成数据库，结合终端空域的基本运行容量CT，确定该空域季节性空域容量，具体步骤如下: I、对于标准天气类型，首先计算标准天气类型航路间隔的放大系数 Rs=标准天气类型影响下的历史航路间隔+标准航路间隔，其中s=l，2，…，5，然后根据标准天气类型航路间隔的放大系数Rs计算终端空域季节性空域容量
6.一种获取终端空域基本运行容量的系统，其特征在于:该系统用于实现权利要求1所述获取终端空域基本运行容量的方法，具体包括数据采集模块、数据处理模块、控制模块、显示模块；所述数据采集模块采集所述终端空域的管制通讯数据及基本空中交通事件，并将采集到的数据发送至数据处理模块进行存储；所述数据处理模块根据存储的管制通讯数据计算所述终端空域的扇区容量，并对基本空中交通事件及预先设定的管制工作负荷通讯数据进行处理，获取所述终端空域扇区容量的修正系数，对所述终端空域扇区容量进行修正，得到修正后的扇区基本运行容量，并根据终端空域划分的扇区数量，计算终端空域的基本运行容量；所述控制模块将管制工作负荷通讯数据输入至所述数据处理模块；所述显示模块显示所述终端空域的基本运行容量数据。
7.—种终端空域空中交通动态容量的预测系统，其特征在于:该系统用于实现权利要求3所述终端空域空中交通动态容量的预测方法，具体包括数据采集模块、数据处理模块、控制模块、显示模块；所述数据采集模块采集所述终端空域的管制通讯数据、基本空中交通事件、天气数据及终端空域的交通流信息，并将采集到的数据发送至数据处理模块进行存储；所述控制模块将管制工作负荷通讯数据存储至数据处理模块；所述数据处理模块对存储的数据进行处理，计算终端空域的交通流数据，并根据天气预报数据，获取对所述终端空域交通流改航数据；所述显示模块显示所述终端空域的交通流改航数据、天气对终端空域占有及其动态容量数据。
【文档编号】G06Q10/04GK103530704SQ201310485738
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月16日 优先权日:2013年10月16日
【发明者】张明, 韩松臣 申请人:南京航空航天大学