[发明专利]一种降低凝结尾生成的区域扇区飞行调配方法

摘要

本发明公开了一种降低凝结尾生成的区域扇区飞行调配方法，判断各个飞行高度层上凝结尾生成态势，结合区域扇区飞行冲突探测解脱方法，根据区域扇区内飞行流量分布特性，建立了以飞行冲突解脱与凝结尾条数最小值为目标的优化模型，设计了多目标的区域扇区飞行调配优化算法，对应实际工作中飞机区域管制方法，确定了降低凝结尾生成的区域扇区飞行调配方法和管制策略。在保证扇区安全高效运行的同时，有效降低凝结尾形成条数和燃油成本。

主权项

1.一种降低凝结尾生成的区域扇区飞行调配方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)判断各个飞行高度层上凝结尾生成态势，确定飞机生成凝结尾时所在的飞行高度层；(2)预测可能产生的飞行冲突，构建区域扇区飞行冲突解脱方法，设置若干个飞行冲突调配策略；所述飞行冲突调配策略包括调整速度类的速度调配策略、调整航向类的航向调配策略和调整高度类的高度调配策略；(3)构建降低凝结尾生成的区域扇区飞行调配优化模型，得到最优的调配策略的组合，确定降低凝结尾生成的飞行调配方法和管制策略；所述步骤(1)具体包括以下步骤：(1.1)读取历史飞行计划数据，统计出区域扇区内飞机飞行高度层分布概况；(1.2)读取历史气象数据信息，统计出与各个飞行高度层对应的大气温度、水面相对湿度，然后计算出对应的冰面相对湿度和临界相对湿度；(1.3)根据步骤(1.2)中的计算结果，判断步骤(1.1)中的各个飞行高度层上凝结尾生成态势；所述步骤(1.2)中的冰面相对湿度表示为：所述临界相对湿度RH_critical的计算公式如下：T_contrail＝‑46.46+9.43ln(G‑0.053)+0.72ln²(G‑0.053)其中，代表大气温度T下的饱和水汽压，单位为hPa；e₀代表0℃时的饱和水汽压，e₀＝6.11hPa；对于水面来说，系数a＝7.5，b＝237.3；T_contrail代表凝结尾生成的临界温度；EI_H2O代表H₂O的排放指数；C_p代表空气定压比热容，单位为J/kg·K；P代表大气压强，单位为hPa；ε代表水的分子质量与干空气的平均相对分子质量的比值；Q代表燃烧比热容，单位为J/kg；η代表喷气式发动机平均推进效率；所述步骤(1.3)具体为：当水面相对湿度满足：RH_critical≤RH_w＜100％，且冰面相对湿度满足：RH_i≥100％，飞机飞行时形成持续凝结尾，根据该气象条件，计算各个飞行高度层上是否会产生凝结尾；所述步骤(3)具体包括以下步骤(3.1)以最少凝结尾生成数量、最小燃油消耗、最短飞行延误时间作为优化目标，以区域扇区飞行安全间隔、区域扇区容量、飞机运行性能作为约束条件建立优化模型；(3.2)选取NSGA‑II算法对步骤(3.1)中建立的优化模型进行求解，得到最优的调配策略的组合；所述最少凝结尾生成数量为：其中，F为飞机集合；FL为扇区可用高度层集合；W为时间窗集合；最小化燃油消耗量可表示为：其中，FW_i^C为保持巡航平飞时飞机i的燃油消耗量；FW_i^V为使用速度调配策略时飞机i所消耗的燃油量；FW_i^D为使用航向调配策略时飞机i所消耗的燃油量；FW_i^H为使用高度调配策略时飞机i所消耗的燃油量；最短飞行延误时间可表示：飞机预计离开扇区的时间为ETO_i，若发生飞行冲突，飞机实际离开扇区的时间为ATO_i；安全间隔约束：d_ij≤S_ij其中，d_ij为飞机i和飞机j之间的实际距离，S_ij为飞机i和飞机j之间的安全间隔；区域扇区容量约束：其中，为航段k在时间窗w内的容量，为航路点p在时间窗w内的容量；飞机运行性能约束：A：速度的增加和减小的变化范围控制在[‑6％,3％]的范围之内：其中，V₁为调速前的速度，V₂为调速后的速度；B：航向改变的范围控制在[‑π/9,π/9]的范围内，逆时针为负，顺时针为正：‑π/9≤ΔHT_i≤π/9其中，ΔHT_i为飞机i的航向改变量；C：高度的上升和下降最多只能改变一个高度层：|ΔH_i|≤600D：飞机爬升率和下降率不能超过最大爬升率和下降率：其中，为飞机i的最大爬升率，为飞机i的最大下降率，和分别为爬升和下降过程经历的时间；所述步骤(3.2)具体包括以下步骤：(3.2.1)：染色体编码；对飞机航班进行染色体编码，染色体中的基因为飞机在其飞行航路上过每个冲突点的飞行冲突调配策略的编码；(3.2.2)：生成初始种群；根据飞机初始的飞行路径和进入扇区时刻，随机生成飞机在各冲突点的飞行调配策略，且种群中Hamming距离大于某一预先设定值的染色体数量必须超过设定的比例；(3.2.3)：设计适应度函数；为满足遗传算法适应度函数的单值、连续、非负和最大化等条件，基于区域扇区运行优化模型的三个目标函数：最小化凝结尾数量、最小化燃油消耗和最小化飞行延误时间，设计适应度函数为：其中，τ为无穷大的正数，N_C为染色体中飞机存在的冲突次数，若飞机在选定调配策略后仍然存在飞行冲突现象，其适应度值会趋于无穷小；(3.2.4)：选择、交叉、变异；通过二进制锦标赛法选择生成父代种群，再通过交叉、变异得到子代种群；(3.2.5)：精英保留策略；对子代种群的染色体进行扇区飞行冲突探测与解脱，并判断是否满足约束条件，若不满足需丢弃该染色体，将处理后的子代种群和父代种群合并，计算染色体的适应度值，采用精英保留策略保留较优解对应的染色体，生成新种群作为新的父代种群；(3.2.6)：判断进化代数是否等于设定的终止进化代数，否则返回(3.2.4)。