一种全国飞行流量时空分布预测推演系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及空中交通流量管理与规划领域，特别涉及一种全国飞行流量时空分布 预测推演技术。
【背景技术】
[0002] 随着我国航空运输的快速发展，空域与飞行需求之间的矛盾日益突出，目前空域 运行管理模式和流量控制方法难以满足持续增长的飞行流量需要。为提升我国飞行流量管 理水平，推进精细化、科学化的飞行流量管理机制，亟需攻克全国飞行流量预测推演技术， 一方面能提供全国飞行需求预测数据，有利于从国家层面全局把握我国未来一段时间内的 飞行需求，为新改建机场、航路及扇区结构优化调整以及全国航班时刻制定等提供数据支 持；另一方面，能对未来全国飞行流量进行时空推演，并能给出现行空域条件下的延误分 布，有利于挖掘空中交通运行瓶颈，并能对规划的空域及流量管理方案进行仿真评估。
[0003] 目前在飞行需求预测方面的理论研究成果较为丰富，但鲜有能运用于我国空中交 通实际工程中的技术，国外已逐步建立并完善了飞行需求预测滚动更新机制，但鉴于我国 空中交通管理模式特殊，无法照搬国外先进技术;此外，在广空域飞行流量推演方面的理论 研究较少，现有研究成果主要集中于短时飞行航迹预测，空中交通流量时空分布推演方面 缺少相关技术及系统支持。
【发明内容】
[0004] 为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种将现有飞行需求预测理论更好的运 用于实际工程中的方法，提出一种飞行流量两阶段预测推演技术，并提供全国飞行流量预 测推演系统。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0006] ①飞行需求预测阶段:提出一种机场对飞行需求滚动预测方法，给出预测目标年 全国飞行需求及其在机场对之间的分布。②飞行流量时空分布预测推演阶段:在飞行需求 预测结果的基础上，采用飞行计划航迹预测、机场容量包线预测、扇区容量预测等技术方 法，提出全国飞行流量时空分布推演方法，给出全国范围内、不同受限场景下、各类空域单 元的预测目标年典型日飞行流量时空分布状况。
[0007] 本发明提出了一种全国飞行流量时空分布预测推演系统，包括空域结构模块、基 础数据模块、飞行需求预测模块、飞行流量时空预测推演模块以及结果显示模块，其中：
[0008] 所述空域结构模块根据更新的《航行资料汇编(AIP)》，存储并维护包括机场、扇 区、航路、关键点等空域单元的经炜度以及空域单元关联关系等在内的空域数据及其对应 的图形信息；
[0009] 所述基础数据模块用于融合并管理空中交通流量数据、社会经济数据、其它交通 运输方式相关数据等基础数据；
[0010]所述飞行需求预测模块接收空域结构模块和基础数据模块提供的相应信息，预测 并更新全国飞行需求；
[0011]所述飞行流量时空预测推演模块接收飞行需求预测模块的数据结果，并结合基础 数据库中当前典型日的飞行计划数据，生成预测年份典型日的初始全国机场飞行计划，采 用容量受限下的飞行航迹预测方法，分别得到机场容量受限下、机场容量受限下以及全空 域受限下的全国飞行流量时空分布推演结果，也可以根据用户需求，提供空域限制、通航影 响等条件下的全国飞行流量时空分布推演结果；
[0012] 所述结果显示模块根据实际工程目的，结合全国飞行需求预测及飞行流量时空分 布预测推演结果，并实现图表结果显示及仿真推演显示。
[0013] 本发明还提出了一种全国飞行流量时空分布预测推演方法，包含如下步骤：
[0014] 步骤一，收集历史数据，包括全国机场对飞行流量数据、飞行计划数据、社会经济 数据、其它交通工具运行数据等，建立基础数据数据库。
[0015] 步骤二，提取并融合《航行资料汇编(AIP)》中机场、扇区、航路、关键点等空域单元 的经炜度以及空域单元关联关系等数据，搭建空域仿真环境，实现与基础数据数据库的匹 配。
[0016] 步骤三，采用经典的时间序列预测法、计量经济预测法、引力模型预测法对全国机 场对未来5-10年飞行需求进行预测。
[0017] 步骤四，根据全国机场对飞行需求预测结果，采用份额模型及最大时隙优先原则， 生成预测年份典型日的机场对初始飞行计划，逐一针对各机场，遍历与该机场相关的机场 对初始飞行计划并对其进行累加，即可构建"典型日全国机场初始飞行计划"。具体步骤包 括：
[0018] ①针对机场i，将与机场i通航的机场集记为Μ，依据国际交通领域通用标准，记当 前年份中第19位高峰日为当年典型日，机场对（i，j)( jeAO在当前年份t的典型日飞行量 记为A'，全年该机场对的飞行总量为if。因此，采用份额模型计算该机场对在预测年k的典 型日飞行需求为，其中，为采用步骤三所获得的预测年k机场对(i，j)的飞 行需求;②按照进离场分别统计机场i与通航的机场j之间的小时飞行量，记当前年份t典型 日24个小时时段内的进场（j - i )、离场（i - j )航班量为[Ai，A2，......，A24]和[Di， ?>2,......，D24]，计算预测年让机场对（i，j)飞行需求增幅.，.则机场i到机场J_ 每小时起飞航班增量[aDuD%......，aD24];③在机场i典型日飞行计划基础上以小时为 单位依次寻找时间片内的最大空闲时隙插入增量的第k架起飞航班，标记统计 机场i到机场j的平均飞行时间&，赋予起飞航班/'=在目的机场的落地时间，标记 /,'!：，(K; +G；)，重复步骤③，直至完成所有增量航班的时刻分配;④根据上述机场i与通航 机场j的航班增量方法，遍历与机场i通航的所有机场集Μ，重复执行步骤①、②、③，即可叠 加生成机场i在任意预测年k的典型日初始飞行需求;⑤遍历全国机场，重复执行步骤④，即 可生成全国所有机场典型日初始飞行需求，即"典型日全国机场初始飞行计划"。
[0019]步骤五，结合预测年份典型日的全国初始飞行计划，在搭建的空域仿真环境下，采 用机场及(或）扇区容量受限下的飞行航迹预测方法，分别得到机场容量受限下、扇区容量 受限下以及全空域受限下的全国飞行流量时空分布推演结果，此外，也可以结合用户需求， 对空域限制、通航影响等条件下的全国飞行流量进行时空推演。具体推演方法如下：
[0020] 以航班为对象创建按照起飞时间排序的初始航班矩阵，同时创建相同规模的优化 航班矩阵并置空，在此基础上，以航班为对象进行逐条循环演算，演算完毕后该航班及其相 关属性则从初始航班矩阵转移至优化航班矩阵。详细逻辑步骤包括:①判断初始航班矩阵 是否为空。若空，则转至⑧，否则转至②;②选取初始航班矩阵中第一行数据，提取创建航班 m所飞经空域单元子表;③令η = 0;④判断是否完成对空域单元列表的循环，若是，则将航班 m及其相关属性从初始航班矩阵转移至优化航班矩阵中，并转至①，否则转至⑤;⑤选择空 域单元η，判断航班m是否经过该空域，若是，则转至⑥，否则η = n+l，转至④;⑥计算航班m经 过空域单元η的时间片q;⑦判断空域单元η在考虑航班m的情况下，在时间片q内是否超过空 域容量C n，若是，则计算航班m在空域单元η中能插入的时隙，计算航班延误并修正航班m飞 经各扇区和航路点时间，转至③，否则n = n+l，转至④;⑧推演结束。
[0021] 步骤六，根据得到的全国机场对飞行需求预测结果及全国范围内各类空域单元 (机场、扇区、航路等）飞行流量时空分布推演结果，采用图表等形式显示结果，并实现可视 化仿真结果显示。
[0022] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0023] (1)提出了 "两阶段"全国飞行流量时空分布预测推演框架，明确了飞行需求与飞 行流量之间的关联关系，打破了空中交通领域一直存在的需求预测与流量预测之间的壁 皇。
[0024] (2)提出了全国飞行流量时空分布预测推演技术，以飞行需求预测结果为输入，采 用份额模型、基于时隙优先原则的"典型日全国机场初始飞行计划"生成、飞行航迹预测等 方法，实现对预测年份全国各类空域单元飞行流量时空分布推演。并且，能够根据用户需 求，自定义未来机场容量约束、空域容量约束、恶劣天气下的空域限制，军事活动下的空域 限制及通航影响等各种运行场景，推演各类场景下的全国飞行流量时空分布状况。
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