[发明专利]一种基于图论和遗传算法的终端扇区划分方法

摘要

本发明公开了一种新的终端扇区划分方法，该方法通过计算机系统辅助实现，系统中包括一个扇区设计与评估子系统，扇区设计与评估子系统用作终端扇区划分方法的实现平台；本发明首先统计出终端区内各关键点的管制工作负荷值，建立了以均衡管制工作负荷为目标的扇区划分模型，应用voronoi图和遗传算法完成扇区初始划分，应用maklink图和dijkstra算法完成扇区二次划分，应用分段线性拟合的方法消除扇区边界的锯齿状，完成扇区最终划分，本发明利用管制工作负荷，能直接的反映管制员工作状态，通过三个阶段的划分方法实现各扇区的负荷均衡，满足最小飞行时间、最小距离和扇区凸形约束，降低了管制员指挥难度，保障空域运行安全。

主权项

一种基于图论和遗传算法的终端扇区划分方法，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，计算机系统包括空域导航数据库、仿真计算引擎、空域建模子系统、交通流生成子系统和显示与交互子系统，其特征在于，计算机系统中还包括运行在一个客户端的扇区设计与评估子系统，所述扇区设计与评估子系统用作终端扇区划分方法的实现平台； 扇区设计与评估子系统包括扇区初始划分模块、扇区二次划分模块和扇区边界调整模块；    扇区初始划分模块应用voronoi图和遗传算法将空域内工作负荷的关键点进行聚类，每一类的关键点属于同一个扇区，经初始划分结果往往造成扇区交叉；扇区二次划分模块用于应用maklink图、Dijkstra算法和遗传算法，通过执行扇区二次划分模块的过程来消除扇区初始划分模块产生的扇区交叉现象，实现扇区连续且无交叉，执行扇区二次划分模块，又会产生锯齿状扇区边界；扇区边界调整模块用于应用线性拟合方法，通过执行扇区边界调整模块的过程来消除扇区边界的锯齿状；扇区设计与评估子系统中包括生成Voronoi图和利用maklink图、Dijkstra算法和遗传算法进行计算的步骤；所述终端扇区划分方法，包括如下步骤：步骤1：在空域建模子系统中输入终端区空域结构数据、进离场程序数据，在交通流生成子系统中编制航班计划数据，确定待划分终端区的上下边界，确定终端空域内工作负荷的关键点的数量和位置，设置仿真时间，调用仿真计算引擎，计算出终端区内各关键点的管制工作负荷值；步骤2：确定扇区划分数目k，建立以均衡管制工作负荷为目标、以最小飞行时间、最小距离和扇区凸形为约束条件的扇区划分模型；步骤3：在终端区内随机生成k个点，以这k个点为基元生成k个voronoi多边形，统计每一个voronoi多边形内的关键点工作负荷之和，即为每一个voronoi多边形的负荷；将这k个点的位置设置为遗传算法的染色体，应用遗传算法完成扇区初始划分，达到均衡工作负荷的目标；步骤4：为每个关键点设置方形保护区，用保护区的边界点代替关键点，在此基础上进行二次划分；二次划分的结果能够满足最小飞行时间、最小距离的约束；其具体步骤如下：a、应用Graham算法求同一个voronoi多边形内所有点组成的凸壳；判断凸壳之间是否交叉，若有交叉，转步骤b；若不交叉，转步骤c；b、假设两个凸壳交叉部分有m个关键点，将这m个关键点按照工作负荷大小排序，构成关键点的工作负荷集合WLpoint，每个凸壳内所有关键点之和就是该凸壳的工作负荷，所有凸壳的工作负荷集合记为WLconvex；选择WLconvex中负荷最小的凸壳，记为j，选择WLpoint中不属于凸壳j的关键点中负荷最高的点，记为i，将点i划分给凸壳j，回到步骤a；不断循环，直到所有凸壳都分离，此时转入步骤c；c、在分离的凸壳基础上，构造maklink图；d、将每个凸壳的顶点在空域边界上进行投影，这些点组成点集合S1；取每个maklink线的中点，组成点集合S2；e、从S1中随机取出一点k1，在k1的对边上随机取出S1中的点k2；这样扇区划分就转化成以k1为起点，k2为终点，经过maklink线中点，寻找一条路，能够将凸壳划分在不同的扇区内，这样的路径可作为扇区边界；应用Dijkstra算法，获得最短路径；f、不断重复步骤e，直到遍历完所有可行的k1、k2之后，得到一条最短路径，作为二次划分的扇区边界；步骤5：以步骤4的扇区边界为基础，从锯齿状较大的点中选出分段点，然后对各段进行最小二乘法的线性拟合，并求出相邻拟合线段所在直线的交点，依次连接起点、拟合线段所在直线的交点和目标点，生成拟合后扇区边界；分析该边界是否符合约束条件，若满足则输出该边界；否则重新确定分段点，从新进行分段线性拟合，直到满足要求；边界调整能够满足扇区凸形约束；步骤6：调整后的扇区边界在显示与交互子系统中显示出来。