時變條件下航班最優航路選擇方法

2023-05-24 19:48:41 4

專利名稱：時變條件下航班最優航路選擇方法
技術領域：
本發明是一種解決航路最佳選擇的技術，即在不同天氣狀況下航班以最小旅行費 用的安全到達目的機場。
背景技術：
在現在的空管系統中，飛機在航路飛行的時候，突然發生航路天氣變化。這時是繼 續飛行、繞道飛行、還是返回？ 一般要靠空管員的職業經驗。這只是個人主觀判斷，很難確 保決策的最佳性和正確性。飛機在航路上飛行的過程中，由於受到實時天氣變化等諸多不 確定因素的影響，航段(兩航路點之間的航線)狀態隨時間不斷變化，所以需要根據鄰接航 段的狀態以及相應狀態轉移矩陣來選擇航路。

發明內容
本發明的目的是提供一種航班最優路徑選擇的方法。從起始機場出發，在每個決 策時間點上，在不同的天氣狀況影響下選擇最優的航路，以此遞推，在飛機到達目的機場 時，整個決策仍為最優，航班旅行費用最小。本發明是基於不同天氣狀態下進行研究的。飛機在航路(航線)上飛行時，每隔 一段時間，都能獲航路上的天氣數據，但天氣的影響區域和持續時間均不確定，這也導致通 過該區域的飛行時間不確定，使得飛機必須面臨航路選擇決策。根據預報時間間隔內的天 氣狀況及其持續時間的概率，建立航路狀態空間及狀態概率轉移矩陣。在此基礎上建立行 程時間費用，利用馬爾科夫決策過程的定義建立行程時間費用迭代方程，求解出最優航路 選擇策略。使用本發明的優點在於，通過建立飛機航路選擇動態決策模型能為空中交通管制 提供新的輔助決策方法。從目前發表的文獻來看，時變條件下飛機航路選擇動態規劃的相 關論文較少，大多數文獻均採用地面等待來規避航路中的天氣影響，這會帶來巨大的經濟 損失和資源浪費。此外，由於該模型使用的方法屬於動態規劃範疇，且天氣等參數均與時間 有關，所以該方法也是自適應的。


圖1選路策略示意2航班最優航路選擇流程圖
具體實施例方式以下結合附圖詳述如下一般而言，飛機在決策點(Decision point)進行選路時，有以下三種選擇策略。策略1 若例行航路上後續航路段(兩航路點之間的航線)的天氣持續時間較短， 則可採用減速飛行，仍沿例行航路飛行。
策略2 若例行航路上後續航路段的天氣持續時間較長，且相鄰航路段也受天氣 影響，則可選擇返回。策略3 若例行航路上後續航路段的天氣持續時間較長，但其相鄰航路段受天氣 影響較小，則可選擇繞飛。為保證在OD對之間航班的延誤最小，則要求在任意決策時間點上的決策均為最 優。由上面的分析可知，該決策過程滿足隨機動態規劃的條件，且由天氣變化造成航 路的擁堵可用馬爾可夫鏈來描述，故可建立基於馬爾可夫決策過程的飛機最優航路選擇決 策模型來實現飛機航路動態選擇。模型中使用到的參數及定義1.模型使用有向圖G(N，E)來表示航線網，N為節點集，包括出發機場，目的機場和 航路點。E [ NxN 』為邊集合。2. Scs (η) = {η' :(η,η' ) e Ε}為節點η，η e N的後續點的集合，為有限集合。 令s為起始節點，且s e N。令d為目的節點，則有Scs (d) = d，d e N。Pa (η)表示從η到 d所有路徑的集合。3. P =P1,...,Zj Q五為可觀測邊的集合，I表示可觀測邊的子集編號，L為可觀測
邊的總數。可觀測邊為與飛機距離在給定範圍內的後續航路段，通過先驗知識和實時天氣 預報等知識能獲得其在觀測時段內的狀態。4.、為第q個決策時間點，此時飛機到達航路點IV η, e N, tq e {1，...，T}，其中 T為可觀測時間範圍的上限。為描述天氣變化對航路的影響，引入邊狀態K(t)和狀態持續時間X(t)，其中
權利要求
一種用於解決航路最佳選擇的方法，使航班能夠以最小代價安全到達目的機場，包括利用馬爾可夫決策過程確定飛機在決策點的選路策略；利用動作集和選路策略確定最優航路選擇方法；或者滿足隨機動態規劃的條件，且由天氣變化造成航路的擁堵可用馬爾可夫鏈來描述，建立基於馬爾可夫決策過程的飛機最優航路選擇決策模型來實現飛機航路動態選擇。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於飛機在決策點進行選路時，一般有三種選擇 策略，為保證在OD對之間航班的延誤最小，則要求在任意決策時間點上的決策均為最優。
3.如權利要求1所述的方法，它包括建立一個空中交通網絡，觀測邊為與飛機距離在 給定範圍內的後續航路段，通過先驗知識和實時天氣預報等知識能獲得其在觀測時段內的 狀態。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於為描述天氣變化對航路的影響，引入邊狀態 和狀態持續時間，如果可觀測邊在某一段時間內受天氣影響處於阻塞狀態時，則邊狀態為 1。反之，則可觀測邊上無惡劣天氣。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於天氣變化對航路的影響用狀態空間及相應 的狀態轉移矩陣來描述，單個航路上出現的天氣狀況一般不會影響其他航路，故可假定邊 狀態序列為獨立的馬爾可夫鏈。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於對於任意可觀測邊，建立其一步概率轉移矩 陣，並且通過條件概率公式可求解狀態轉移概率。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於確定最優航路選擇時，建立動作集，表示飛 機根據系統的狀態來決定後續訪問的航路點。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於航路選擇策略應為決策規則的序列，選路決 策過程僅發生在飛機到達航路點時。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於設置單位旅行時間的費用，若在選路時，下 一個決策時間點大於可觀測時間範圍的上限，此時費用應為無窮大。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於計算OD對之間的飛機飛行費用，若對於所 有航路選擇策略均小於某一策略，則該策略為最優航路選擇策略。
全文摘要
時變條件下航班最優航路選擇方法，是基於空中交通網絡進行研究的，利用數學方法描述天氣變化對航路狀態的影響，在此基礎上建立時變條件下基於馬爾科夫決策過程的飛機航路選擇模型，給出了天氣變化影響下航班航路選擇決策方法，為空中交通管制提供決策支持，達到在不同天氣狀況下航班以最小旅行費用進行安全飛行的目的。
文檔編號G08G5/00GK101982846SQ20101027813
公開日2011年3月2日 申請日期2010年9月10日 優先權日2010年9月10日
發明者王斯梁, 王明輝, 胡俊 申請人:四川大學