一種降低凝結尾生成的區域扇區飛行調配方法組成比例

本發明專利技術公開了一種降低凝結尾生成的區域扇區飛行調配方法，判斷各個飛行高度層上凝結尾生成態勢，結合區域扇區飛行沖突探測解脫方法，根據區域扇區內飛行流量分布特性，建立了以飛行沖突解脫與凝結尾條數最小值為目標的優化模型，設計了多目標的區域扇區飛行調配優化算法，對應實際工作中飛機區域管制方法，確定了降低凝結尾生成的區域扇區飛行調配方法和管制策略。在保證扇區安全高效運行的同時，有效降低凝結尾形成條數和燃油成本。

A regional sector flight allocation method for reducing condensation end generation

The invention discloses a method for reducing contrails sector flight deployment generation method, whether each flight level on the formation of contrails situation, combined with the regional sector free flight conflict detection method, according to the regional distribution characteristics of air traffic flow in the sector, to establish a conflict free flight number and contrail minimum optimization model for the goal the sector flight design multi-objective deployment optimization algorithm, the plane area control method corresponding to the actual work, the lower contrail generation sector flight deployment method and control strategy. While ensuring safe and efficient operation of the sector, effectively reduce the number of the end of the condensate formation and fuel costs.

【技術實現步驟摘要】
一種降低凝結尾生成的區域扇區飛行調配方法
本專利技術涉及一種降低凝結尾生成的區域扇區飛行調配方法。
技術介紹
對高空航行的飛機進行航向、速度、高度的調配，有利于安全、高效、節能環保的使用航路資源。飛行調配策略是提升航行安全、效率能力的重要方法，目前主要是基于飛行高度層上的飛機沖突、危險天氣和航線變更等原因實施。隨著空中交通量的迅速增加和人們環保意識的增強，對空中交通所產生的環境影響日益關注，尤其是需要控制航空活動導致的溫室效應，以保障地球生態環境穩定和人類生活健康。國內外學者主要從燃油成本、飛行安全和航班延誤角度研究扇區飛行調配方法，并沒有綜合考慮降低凝結尾生成的飛行調配方法，其研究目前尚為空白，但環境承受能力是有限的，為了保證空中交通的持續穩定發展，環境容量是不可逾越的鴻溝，因此降低凝結尾生成的區域扇區飛行調配方法研究是亟需開展的重要研究。
技術實現思路
針對上述問題，本專利技術提出一種降低凝結尾生成的區域扇區飛行調配方法。實現上述技術目的，達到上述技術效果，本專利技術通過以下技術方案實現：一種降低凝結尾生成的區域扇區飛行調配方法，包括以下步驟：(1)判斷各個飛行高度層上凝結尾生成態勢，確定飛機生成凝結尾時所在的飛行高度層；(2)預測可能產生的飛行沖突，構建區域扇區飛行沖突解脫方法，設置若干個飛行沖突調配策略；(3)構建降低凝結尾生成的區域扇區飛行調配優化模型，得到最優的調配策略的組合，確定降低凝結尾生成的飛行調配方法和管制策略。優選地，所述步驟(1)具體包括以下步驟：(1.1)讀取歷史飛行計劃數據，統計出區域扇區內飛機飛行高度層分布概況；(1.2)讀取歷史氣象數據信息，統計出與各個飛行高度層對應的大氣溫度、水面相對濕度，然后計算出對應的冰面相對濕度和臨界相對濕度；(1.3)根據步驟1.2中的計算結果，判斷步驟(1.1)中的各個飛行高度層上凝結尾生成態勢。優選地，所述步驟(1.2)中的冰面相對濕度表示為：所述臨界相對濕度rcritical的計算公式如下：Tcontrail＝-46.46+9.43ln(G-0.053)+0.72ln2(G-0.053)其中，代表大氣溫度T下的飽和水汽壓，單位為hPa；e0代表0℃時的飽和水汽壓，e0＝6.11hPa；對于水面來說，系數a＝7.5，b＝237.3；Tcontrail代表凝結尾生成的臨界溫度；代表H2O的排放指數；Cp代表空氣定壓比熱容，單位為J/kg·K；P代表大氣壓強，單位為hPa；ε代表水的分子質量與干空氣的平均相對分子質量的比值；Q代表燃燒比熱容，單位為J/kg；η代表噴氣式發動機平均推進效率。優選地，所述步驟(1.3)具體為：當水面相對濕度滿足：RHcritical≤RHw＜100％，且冰面相對濕度滿足：RHi≥100％，飛機飛行時形成持續凝結尾，根據該氣象條件，計算各個飛行高度層上是否會產生凝結尾優選地，所述步驟(3)具體包括以下步驟：(3.1)以最少凝結尾生成數量、最小燃油消耗、最短飛行延誤時間作為優化目標，以區域扇區飛行安全間隔、區域扇區容量、飛機運行性能作為約束條件建立優化模型；(3.2)選取NSGA-II算法對步驟(3.1)中建立的優化模型進行求解，得到最優的調配策略的組合。優選地，所述飛行沖突調配策略包括調整速度類的速度調配策略、調整航向類的航向調配策略和調整高度類的高度調配策略。優選地，所述最少凝結尾生成數量為：其中，F為飛機集合；FL為扇區可用高度層集合；W為時間窗集合；最小化燃油消耗量可表示為：其中，FWiC為保持巡航平飛時飛機i的燃油消耗量；FWiV為使用速度調配策略時飛機i所消耗的燃油量；FWiD為使用航向調配策略時飛機i所消耗的燃油量；FWiH為使用高度調配策略時飛機i所消耗的燃油量；最短飛行延誤時間可表示：飛機預計離開扇區的時間為ETOi，若發生飛行沖突，飛機實際離開扇區的時間為ATOi；安全間隔約束：dij≤Sij其中，dij為飛機i和飛機j之間的實際距離，Sij為飛機i和飛機j之間的安全間隔。區域扇區容量約束：其中，為航段k在時間窗w內的容量，為航路點p在時間窗w內的容量。飛機運行性能約束：A：速度的增加和減小的變化范圍控制在[-6％,3％]的范圍之內：其中，V1為調速前的速度，V2為調速后的速度。B：航向改變的范圍控制在[-π/9,π/9]的范圍內(逆時針為負，順時針為正)：-π/9≤ΔHTi≤π/9其中，ΔHTi為飛機i的航向改變量。C：高度的上升和下降最多只能改變一個高度層：|ΔHi|≤600D：飛機爬升率和下降率不能超過最大爬升率和下降率：其中，為飛機i的最大爬升率，為飛機i的最大下降率，和分別為爬升和下降過程經歷的時間。優選地，所述步驟(3.2)具體包括以下步驟：(3.2.1)：染色體編碼；對飛機航班進行染色體編碼，染色體中的基因為飛機在其飛行航路上過每個沖突點的飛行沖突調配策略的編碼；(3.2.2)：生成初始種群；根據飛機初始的飛行路徑和進入扇區時刻，隨機生成飛機在各沖突點的飛行調配策略，為保證初始解集具備一定的差異性，提高算法獲取全局最優解的可能性，要求種群中Hamming距離大于某一預先設定值的染色體數量必須超過設定的比例；(3.2.3)：設計適應度函數；為滿足遺傳算法適應度函數的單值、連續、非負和最大化等條件，基于區域扇區運行優化模型的三個目標函數：最小化凝結尾數量、最小化燃油消耗和最小化飛行延誤時間，設計適應度函數為：其中，τ為無窮大的正數，NC為染色體中飛機存在的沖突次數，若飛機在選定調配策略后仍然存在飛行沖突現象，其適應度值會趨于無窮小。(3.2.4)：選擇、交叉、變異；通過二進制錦標賽法選擇生成父代種群，再通過交叉、變異得到子代種群；(3.2.5)：精英保留策略；對子代種群的染色體進行扇區飛行沖突探測與解脫，并判斷是否滿足約束條件，若不滿足需丟棄該染色體，將處理后的子代種群和父代種群合并，計算染色體的適應度值，采用精英保留策略保留較優解對應的染色體，生成新種群作為新的父代種群；(3.2.6)：判斷進化代數是否等于設定的終止進化代數，否則返回(3.2.4)。優選地，所述飛行沖突包括追趕沖突、對頭沖突和交叉沖突本專利技術的有益效果：本專利技術的實現過程簡單，彌補了國內外在降低凝結尾生成的多目標調配策略上的空白，在獲取氣象信息和航班流的數據基礎上，參考航空器管制規定，提供切實可行的飛行調配方法。以上海區域20號扇區(ZSSSAR20)為例，根據飛機類型和參考《管制一號規定》要求，通過飛行調配方法優化，減少扇區內生成凝結尾航班數量達54％，減少燃油消耗0.4％。附圖說明圖1為本專利技術一種實施例的整體流程示意圖；圖2為降低凝結尾生成的區域扇區飛行調配優化算法流程示意圖。具體實施方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本專利技術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專利技術，并不用于限定本專利技術。下面結合附圖對本專利技術的應用原理作詳細的描述。如圖1和2所示，一種降低凝結尾生成的區域扇區飛行調配方法，包括以下步驟：(1)判斷各個飛行高度層上凝結尾生成態勢，確定飛機生成凝結尾時所在的飛行高度層；(2)預測可能產生的飛行沖突，構建區域扇區飛行沖突解脫方法，設置若干個飛行沖突調本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種降低凝結尾生成的區域扇區飛行調配方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)判斷各個飛行高度層上凝結尾生成態勢，確定飛機生成凝結尾時所在的飛行高度層；(2)預測可能產生的飛行沖突，構建區域扇區飛行沖突解脫方法，設置若干個飛行沖突調配策略；(3)構建降低凝結尾生成的區域扇區飛行調配優化模型，得到最優的調配策略的組合，確定降低凝結尾生成的飛行調配方法和管制策略。

【技術特征摘要】
1.一種降低凝結尾生成的區域扇區飛行調配方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)判斷各個飛行高度層上凝結尾生成態勢，確定飛機生成凝結尾時所在的飛行高度層；(2)預測可能產生的飛行沖突，構建區域扇區飛行沖突解脫方法，設置若干個飛行沖突調配策略；(3)構建降低凝結尾生成的區域扇區飛行調配優化模型，得到最優的調配策略的組合，確定降低凝結尾生成的飛行調配方法和管制策略。2.根據權利要求1所述的一種降低凝結尾生成的區域扇區飛行調配方法，其特征在于：所述步驟(1)具體包括以下步驟：(1.1)讀取歷史飛行計劃數據，統計出區域扇區內飛機飛行高度層分布概況；(1.2)讀取歷史氣象數據信息，統計出與各個飛行高度層對應的大氣溫度、水面相對濕度，然后計算出對應的冰面相對濕度和臨界相對濕度；(1.3)根據步驟(1.2)中的計算結果，判斷步驟(1.1)中的各個飛行高度層上凝結尾生成態勢。3.根據權利要求2所述的一種降低凝結尾生成的區域扇區飛行調配方法，其特征在于：所述步驟(1.2)中的冰面相對濕度表示為：所述臨界相對濕度rcritical的計算公式如下：Tcontrail＝-46.46+9.43ln(G-0.053)+0.72ln2(G-0.053)其中，代表大氣溫度T下的飽和水汽壓，單位為hPa；e0代表0℃時的飽和水汽壓，e0＝6.11hPa；對于水面來說，系數a＝7.5，b＝237.3；Tcontrail代表凝結尾生成的臨界溫度；EIH2O代表H2O的排放指數；Cp代表空氣定壓比熱容，單位為J/kg·K；P代表大氣壓強，單位為hPa；ε代表水的分子質量與干空氣的平均相對分子質量的比值；Q代表燃燒比熱容，單位為J/kg；η代表噴氣式發動機平均推進效率。4.根據權利要求3所述的一種降低凝結尾生成的區域扇區飛行調配方法，其特征在于：所述步驟(1.3)具體為：當水面相對濕度滿足：RHcritical≤RHw＜100％，且冰面相對濕度滿足：RHi≥100％，飛機飛行時形成持續凝結尾，根據該氣象條件，計算各個飛行高度層上是否會產生凝結尾。5.根據權利要求1所述的一種降低凝結尾生成的區域扇區飛行調配方法，其特征在于：所述步驟(3)具體包括以下步驟(3.1)以最少凝結尾生成數量、最小燃油消耗、最短飛行延誤時間作為優化目標，以區域扇區飛行安全間隔、區域扇區容量、飛機運行性能作為約束條件建立優化模型；(3.2)選取NSGA-II算法對步驟(3.1)中建立的優化模型進行求解，得到最優的調配策略的組合。6.根據權利要求1或5所述的一種降低凝結尾生成的區域扇區飛行調配方法，其特征在于：所述飛行沖突調配策略包括調整速度類的速度調配策略、調整航向類的航向調配策略和調整高度類的高度調配策略。7.根據權利要求6所述的一種降低凝結尾生成的區域扇區飛行調配方法，其特征在于：所述最少凝結尾生成數量為：其中，F為飛機集合；FL為扇區可用高度層集合；W為時間窗集合；最小化燃油消耗量可表示為：

【專利技術屬性】
技術研發人員：田勇，萬莉莉，殷潤澤，葉博嘉，王湛，李杰，趙志奇，
申請(專利權)人：南京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：江蘇,32