[发明专利]一种基于双层协同进化的航路网络拓扑设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于双层协同进化的航路网络拓扑设计方法，属于空中交通管理领域。

背景技术

航路网络是实现空中交通的物理空间，其结构合理性制约着我国民航业及航空运输业的发展。随着民航运输业的飞速发展，空中交通流量急剧增加，现有的航路网络结构已经无法适应目前高强度、高密度的运输需求。而目前对航路网络的调整主要局限在局部改进，对全局航路结构的提升非常有限。因此，有必要科学细致地对全国航路网络进行全局的规划与设计，以满足航空运输发展的需求。

航路网络设计主要是根据不同机场间交通流分布特征、发展需求，设计合理有效的航路网络拓扑结构，以保障空中交通运行安全、提高空中交通运行效率、减少航班延误和飞行冲突，缓解航路拥堵，降低航空公司运行成本，满足航空运输业发展需求。

航路网络设计包括航路网络拓扑连接关系设计和航路汇聚点位置布局。航路汇聚点是指航路网络中大于两条以上的航路由于飞行流量汇聚而形成的航路定位点；而航路网络拓扑连接关系即航段，是连接航路汇聚点的通道。航路汇聚点的数量及其空间位置和航路网络拓扑连接关系共同决定了航路网络的拓扑结构和特性，即，决定了航路网络的运行性能。

航路网络设计本质上是一个优化问题。目前，航路网络设计方法主要分为两种：航路汇聚点位置优化，即优化航路汇聚点的位置而不改变航段的连接关系；全拓扑优化，即同时优化航路汇聚点位置和航路网络拓扑连接关系。现有的航路汇聚点位置优化方法主要是法国航空研究中心全局优化实验室提出的：初始给出一个规则(以经纬网络为脉络)航路网络，通过逐步移动网络结点位置，利用Floyd-Warshall算法寻找城市对交通流的最短路径，同时利用模拟退火算法对航路网络进行演进优化，直至找到网络性能较优的设计方案。现有的全拓扑优化主要是法国航空研究中心提出的：基于初始的直连航线网络，经过网络结点合并和网络结点移动逐步演化成优化的航路网络；通过计算机图形学的方法量化管制约束和航线经济性指标，建立结点合并和结点移动的单目标无约束优化模型，利用梯度下降法求解优化模型，实现了航路网络的全拓扑优化。

航路汇聚点位置与航段连接关系这两个变量既独立又相互联系，即改变盘航路汇聚点位置需要重新选择合适航路网络拓扑连接关系，而改变航路网络拓扑连接关系对航路汇聚点位置的选择也有影响。故，只对航路汇聚点位置进行优化无法取得高效、安全的航路网络，反之亦然。但若同时对航路汇聚点和航路网络连接关系进行优化，变量搜索空间非常大，计算复杂度非常高，因此也不是最优的航路网络拓扑设计方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有航路网络拓扑优化技术的缺点，提供了一种基于双层协同优化的航路网络拓扑设计方法。本发明将航路网络设计问题归结为对航路网络拓扑连接关系和航路汇聚点位置布局优化问题，建立一个更加实用的航路网络拓扑优化模型，并提供了一种适于求解航路网络拓扑优化模型的双层协同进化方法DT-NSGA2，以可快速求得经济、安全的航路网络拓扑结构。

本发明提供的基于双层协同进化的航路网络拓扑设计方法，为航路网络规划问题建立多目标优化数学模型，具体是：

设航路网络的节点集合为V(N)，包括m个机场节点子集和n个汇聚点子集V(N)＝A(N)∪U(N)；对任意节点vi→∈V(N),]]>有vi→=(xi,yi),]]>x_i和y_i为节点的位置坐标，当i≤m时，当m＜i≤m+n时，

目标函数包括两个：