[发明专利]一种基于加权图模型的空域扇区划分方法

说明书

技术领域

本发明属于空中交通管理技术领域，涉及一种空中交通管理中的空域扇区设计方案，尤其是一种能够满足扇区负荷均衡和交接负荷最小化以及能够保证扇区凸性、最小距离和连通性等几何约束的扇区划分方法。

背景技术

目前，世界上绝大多数国家的空域组织形式是固定航路和固定扇区，即飞机沿着固定航路飞行,扇区边界和扇区数目是固定不变的。这是一种结构化的静态空域。这种静态空域在恶劣天气和空中交通拥挤的情况下容易造成航班延误。为了解决上述交通难题，研究者提出了满足空域使用者需要的动态空域配置概念。在动态配置下，飞机可以按照适合自己的航线自由飞行，从而使得航路结构从静态转向动态。这种动态交通模式对现有的空中交通管理特别是现有的扇区结构是一种挑战，因为目前扇区结构是静态的，是在一定历史条件下依靠经验形成的，已经无法满足动态空域配置下交通管理的需要，因此需要按照动态变化的空中交通量来设计空域扇区。

近年来，有关学者针对空域扇区设计做了一些有益的研究和探索。从现有文献可知绝大多数扇区划分方法是首先建立空域模型，然后按照管制员负荷均衡原则利用优化算法将空域模型划分成扇区。所用空域模型分为：细胞元模型、航路模型、Voronoi图模型和图模型。利用细胞元模型，给定空域被划分成一系列正六边形网格，然后利用优化算法将这些正六边形网格组合形成扇区。例如，Yousefi于2004年发表的《Temporal and Spatial Distribution of Airspace Complexity for New Methodologies in Airspace Design》，Klein于2005年发表的《An Efficient Method for Airspace Analysis and Partitioning based on Equalized Traffic Mass》，Drew于2008年发表的《Analysis of an Optimal Sector Design Method》和Tien于2009年发表的《Optimizing Airspace Sectors for Varying Demand Patterns using Multi-Controller Staffing》分别利用厂址选择算法，区域生长算法数规划算法将细胞元模型组合形成扇区。然而在上述文献中所设计的扇区边界是锯齿状，扇区在形状上并不尽人意。利用航路模型，Briton于2008年发表的《Airspace Partitioning Using Flight Clustering and computational Geometry》将航路点利用k-means算法聚类成扇区，而Basu于2008年发表的《Geometric Algorithms for Optimal Airspace Design and Air Traffic Controller Workload Balancing》则发展了一种几何算法来解决扇区设计问题。使用Voronoi图模型，Delahaye于1998年发表的《Airspace Sectoring by Evolutionary Computation》建立了初始扇区，然后利用遗传算法通过移动扇区边界以达到负荷均衡。更进一步地，Xue于2009年发表的《Airspace Sector Redesign Based on Voronoi Diagrams》在Delahaye扇区划分方法基础上，应用迭代加深算法来改进遗传算法在实现上的不足。然而，基于上述三种模型的扇区划分方法没有考虑到空域结构因素，因而所设计的扇区并不能完全保证扇区的凸性、最小距离和连通性等几何约束。而图模型通过则充分考虑了空域结构信息，将机场、航路点和航路交叉点等关键点用图的顶点表示，航路用边来表示，建立空域的图模型，进而在图模型基础上方便地采取措施进行模型优化，从而获得扇区。例如，Trandac于2003年发表的《Optimized Sectorization of Airspace with Constraints》在图模型基础上利用约束算法优化形成扇区。Li于2010年发表的《Graph-Based Algorithm for Dynamic Airspace Configuration》则首先建立一个边被赋予了交接负荷的图模型，然后利用谱聚类对图模型进行划分，但这样并不能保证子图的工作负荷均衡，因而又通过合并相邻子图的方式以获得负荷均衡且满足连通性约束的子图，最后通过确定边界形成扇区。而Martine于2007年发表的《A Weighted-graph Approach for Dynamic Airspace Configuration》将顶点和边都没有赋予工作负荷的图模型，利用谱二分法将按照所包含的航路点和机场数目均衡以及连接两部分的航路条数最小化原则将网格模型迭代地进行二分成许多子图。然而，由于空域的交通量分布并不完全一致，所以扇区间航路最小化并不能扇区间交接负荷的最小化，航路点和机场数目的均衡并不能保证工作负荷的均衡，所以又将空域离散成众多正四方形网格，通过子图间网格调整获得负荷均衡的扇区。即便如此，也不能保证扇区间交接负荷的最小化。而且，利用正方形网格也不能完全保证扇区最小距离约束和凸性约束。