基於改進蟻群算法的終端區進離場航線網絡三維優化方法
2023-08-05 19:29:16 1
基於改進蟻群算法的終端區進離場航線網絡三維優化方法
【專利摘要】本發明涉及一種基於改進蟻群算法的終端區進離場航線網絡3D優化方法，該方法通過計算機系統輔助實現，系統中包括一個進離場航線網絡優化子系統，進離場航線網絡優化子系統用作進離場航線網絡優化方法的實現平臺；本發明首先為針對獨立航線的優化問題，提出了先水平方向再垂直方向的航路點概率搜索方法，通過負反饋因子控制水平信息素更新，實現了在終端空域3D空間的路徑搜索蟻群算法，分析得到進離場航線的優化次序原則，逐步優化各航線，最終實現航線網絡的總體優化；在保證航線安全性、經濟性的同時，該算法不受航線數量影響，運行效率明顯提高。
【專利說明】基於改進蟻群算法的終端區進離場航線網絡三維優化方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及空域規劃領域，特別涉及一種基於改進蟻群算法的終端區進離場航線網絡三維優化方法，應用本方法可以優化出滿足安全、經濟等多目標要求的自動化進離場航線。
【背景技術】
[0002]終端區進離場航線及其構成的網絡是聯繫機場與航路的紐帶。結構良好的航線網絡可以從根本上減少飛行衝突，縮短飛行裡程，從而提高安全裕度，降低航空器運行成本。目前，國內終端區進離場航線均採用人工設計方法，不但設計效率較低，且設計方案合理性缺乏科學驗證，很難兼顧安全性和經濟性等相互衝突的設計目標。研究滿足安全、經濟等多目標要求的自動化進離場航線優化方法具有非常重要的意義。
[0003]終端區進離場航線網絡優化的基礎是三維空間的路徑規劃問題。雖然目前針對路徑規劃問題取得一定的研究成果，主要方法包括VOTonoi圖，粒子群算法，A*算法，遺傳算法，人工神經網絡算法，進化算法等。但是以往研究大多集中在二維空間路徑規劃方面，而三維的路徑規劃方法搜索空間大，且隨著航線優化數量增多，運行時間成指數增長，運行效率降低。
[0004]考慮到現有終端區空域條件現狀，尚缺少一種快速、有效、實用的進離場航線網絡三維優化方法。
【發明內容】
[0005]鑑於現有【技術領域】的不足，本發明的目的在於，提供一種終端區進離場航線網絡三維優化方法，該方法基於改進蟻群算法來實現進離場航線網絡的優化設計，以求快速、有效的優化出終端區進離場航線三維網絡。
[0006]本發明是這樣實現的，一種基於改進蟻群算法的終端區進離場航線網絡三維優化方法，通過計算機系統輔助實現，所述計算機系統主要由客戶端/伺服器(C/S)模式構成，計算機系統包括空域導航資料庫、空域建模子系統、飛行計劃編制子系統和顯示與交互模塊，其特徵在於，計算機系統中還包括運行在一個客戶端的進離場航線網絡優化子系統，用作終端區進離場航線網絡三維優化方法的實現平臺；
所述進離場航線網絡優化子系統包括可視圖模塊、獨立航線優化模塊和航線網絡優化模塊；
可視圖模塊是根據終端空域內終端管制區、高大限制空域特徵有效地劃分終端空域網格，建立可視圖模型；
獨立航線優化模塊是應用Dijstra算法構建航線初始解，利用改進蟻群算法優化出滿足安全性與經濟性的獨立航線；
航線網絡優化模塊是在獨立航線優化模塊基礎上，考慮航線交通流量與交叉航線垂直安全間隔，提出次序優化方法，實現終端區內多條航線網絡的優化設計；所述終端區進離場航線網絡三維優化方法，包括如下步驟:
步驟1:在空域建模子系統中輸入終端管制區數據，進/離場航線優化起止點，跑道，機場基準點，限制空域數據；
步驟2:在進離場航線網絡優化子系統的可視圖模塊中，以高大限制區頂點為起點，終端管制空域G為邊界，將終端區空域劃設為由MAKLINK線構成的網格圖；
高大限制區是指水平範圍為凸多邊形，垂直範圍從地面延伸至高空IOOOOm以上，飛機無法在其升限內飛越只能選擇繞飛的限制區、禁區、危險區；
步驟3:在進離場航線網絡優化子系統的獨立航線優化模塊中，實現滿足安全性與經濟性的獨立航線，具體步驟如下:
a、在給定進/離場航線起止點和高度條件下，利用Dijstra算法在以MAKLINK線中點為解空間搜索一條可行航線慫，構建航線初始解，MAKLINK線上點集序列構成航線解空間；
b、設置螞蟻數量為A迭代次數為?;
C、將航路點的搜索解空間劃分為水平剖面和垂直剖面兩部分，提出一種先水平後垂直的航路點搜索規則冰平剖面將MAKLINK線Z//均分，水平離散度為a，離散節點為J1J2,''',Ia ;以一定的概率Atoz選擇水平方向節點Λ，在此基礎上，構造垂直離散；將梯度萬戶/均分，垂直離散度為b,離散節點為~ e2,…，eb ;按一定概率選擇垂直方向節點e」為新的航路點/Vl ；
d、提出負反饋因子^=1勿7更新不滿足約束條件的信息素，Dl表示航線平均長度；根據水平剖面航線經濟性與垂直剖面貼近度計算定量評價值，評估航線滿意程度；提出利用航線超障約束和可飛性約束分段構建航線評價函數，描述水平剖面和垂直剖面目標函數可行性；
e、循環選取較優航線且滿足航線評價函數的航線，優化出最優獨立航線；
步驟4:在進離場航線網絡優化子系統的航線網絡優化模塊中，考慮離場航線優先、交通流量大航線優先原則，以及航線間交叉衝突間隔要求，實現進離場航線三維網絡的優化:
a、在飛行計劃編制子系統中獲取航線交通流量，首先優化離場航線，按照交通流量從大到小依次優化，再以此方法優化進場航線；
b、將已設計的離場航線TPdep作為懸空限制區，構造以航段為中心，上下寬300m，長I Qfl的矩形保護區；％、&表示航段的起點和終點；
C、假設進場航線與離場航線/?_在水平面上具有交叉點z，交叉點所在航段為 P P 價和 q/lj+l，梯度分別為和 ;若 Pi= ixa,ra, ha), gy= {χφ gammaφ hd), xa,ya, ha、χφ gammaφ hd分別表示進場、離場航線起點的橫、縱坐標和相對高度Φ」、P j+1表示航段的起點和終點?和Jdep分別為航段起點和Clj與交叉點水平距離，則交叉點處航線垂直間隔
dz= I h+dattr~hd+dAe^d | ；
d、若小於保護區間隔，該交叉點不符合進場下降和起飛離場航空器之間垂直間隔大於300m要求，按照步驟3重新進行搜索；依次優化出最優進/離場航線，最終實現航線網絡的優化設計；
步驟5:優化的進離場航線三維網絡在顯示與交互子系統中顯示出來。
[0007]本發明的優點是，在統計空中交通流量的基礎上，能夠快速、有效的生成終端區進離場航線三維網絡，實現既滿足水平剖面航線總長度最短同時垂直剖面貼近最優剖面的目標，滿足航段安全越障，繞飛高大限制區，轉彎可飛性，航線間交叉垂直間隔的約束，從而提高航線優化效率，同時兼顧安全性與經濟性等相互衝突的設計目標，實現自動化進離場航線優化設計。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1，是終端空域模型與獨立航線優化結果；
圖2，是2D進離場航線網絡結果；
圖3，是3D進離場航線網絡結果；
圖4，是本發明的系統總體拓撲結構圖。
[0009]圖4中:1、伺服器；2、第一客戶端；3、第二客戶端；4、第三客戶端；5、第四客戶端。
【具體實施方式】
[0010]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明，應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
[0011]現給出實現終端區進離場航線網絡三維優化的實例:
如下建立數學模型:
目標函數
(I)水平剖面的經濟性滿意度航線總長度是影響進離場航線水平剖面經濟性的主要因素。假設航線W有?個航段，起點he),終點hs),其中，xe, ye, xs, ys分別是起點和終點的橫、縱坐標，&，久是高度坐標。將航線第i個航段Si= 投影到二維平面，得到對應長度式.=|P；Pi+i I ο定義V為航線左投影總長度，計算如⑴式:
【權利要求】
1.基於改進蟻群算法的終端區進離場航線網絡三維優化方法，通過計算機系統輔助實現，所述計算機系統主要由客戶端/伺服器(C/S)模式構成，計算機系統包括空域導航資料庫、空域建模子系統、飛行計劃編制子系統和顯示與交互模塊，其特徵在於，計算機系統中還包括運行在一個客戶端的進離場航線網絡優化子系統，用作終端區進離場航線網絡三維優化方法的實現平臺； 所述進離場航線網絡優化子系統包括可視圖模塊、獨立航線優化模塊和航線網絡優化模塊； 可視圖模塊是根據終端空域內終端管制區、高大限制空域特徵有效地劃分終端空域網格，建立可視圖模型； 獨立航線優化模塊是應用Dijstra算法構建航線初始解，利用改進蟻群算法優化出滿足安全性與經濟性的獨立航線； 航線網絡優化模塊是在獨立航線優化模炔基礎上，考慮航線交通流量與交叉航線垂直安全間隔，提出次序優化方法，實現終端區內多條航線網絡的優化設計； 所述終端區進離場航線網絡三維優化方法，包括如下步驟: 步驟1:在空域建模子系統中輸入終端管制區數據，進/離場航線優化起止點，跑道，機場基準點，限制空域數據； 步驟2:在進離場航線網絡優化子系統的可視圖模塊中，以高大限制區頂點為起點，終端管制空域G為邊界，將終端區空域劃設為由MAKLINK線構成的網格圖； 高大限制區是指水平範圍為凸多邊形，垂直範圍從地面延伸至高空IOOOOm以上，飛機無法在其升限內飛越只能選擇繞飛的限制區、禁區、危險區； 步驟3:在進離場航線網絡優化子系統的獨立航線優化模塊中，實現滿足安全性與經濟性的獨立航線，具體步驟如下: 在給定進/離場航線起止點和高度條件下，利用Dijstra算法在以MAKLINK線中點為解空間搜索一條可行航線慫，構建航線初始解，MAKLINK線上點集序列構成航線解空間； 設置螞蟻數量為A迭代次數為t ； 將航路點的搜索解空間劃分為水平剖面和垂直剖面兩部分，提出一種先水平後垂直的航路點搜索規則；水平剖面將MAKLINK線LiL;均分，水平離散度為a，離散節點為I1,12,''',Ia ;以一定的概率Atoz選擇水平方向節點Λ，在此基礎上，構造垂直離散；將梯度萬戶/均分，垂直離散度為b,離散節點為~ e2,…，eb ;按一定概率選擇垂直方向節點e」為新的航路點/Vi ； 提出負反饋因子^=1勿7更新不滿足約束條件的信息素，Dl表示航線平均長度；根據水平剖面航線經濟性與垂直剖面貼近度計算定量評價值，評估航線滿意程度；提出利用航線超障約束和可飛性約束分段構建航線評價函數，描述水平剖面和垂直剖面目標函數可行性； 循環選取較優航線且滿足航線評價函數的航線，優化出最優獨立航線； 步驟4:在進離場航線網絡優化子系統的航線網絡優化模塊中，考慮離場航線優先、交通流量大航線優先原則，以及航線間交叉衝突間隔要求，實現進離場航線三維網絡的優化: 在飛行計劃編制子系統中獲取航線交通流量，首先優化離場航線，按照交通流量從大到小依次優化，再以此方法優化進場航線； 將已設計的離場航線/Pdep作為懸空限制區，構造以航段n.+1為中心，上下寬300m，長QfiJ+l的矩形保護區；％、&表示航段的起點和終點； 假設進場航線與離場航線/?_在水平面上具有交叉點Z，交叉點所在航段為PiPm 和梯度分別為& 和 rd ;若/?,.= (υ3，A3)，Qj= (Xd, ya hd)，xa，ya，ha、χφ φ hd 分別表示進場、離場航線起點的橫、縱坐標和相對高度Ψ j、P j+1表示航段的起點和終點；和^dep分別為航段起點凡.和％.與交叉點水平距離，則交叉點處航線垂直間隔dz= I h+dattr~hd+dAe^d | ； 若dz小於保護區間隔，該交叉點不符合進場下降和起飛離場航空器之間垂直間隔大於300m要求，按照步驟3重新進行搜索；依次優化出最優進/離場航線，最終實現航線網絡的優化設計； 步驟5:優化的進離場航線三維網絡在顯示與交互子系統中顯示出來。
【文檔編號】G06Q10/04GK103473956SQ201310423817
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月17日 優先權日:2013年9月17日
【發明者】王超, 王飛, 劉宏志, 張召悅, 賀超男 申請人:中國民航大學