文摘

本文发展一种映射方法来探索不同层次之间的关系组成的多层航空运输网络的气道,路线,和飞行网络。采用两步方法探讨分层结构和集成网络的映射关系。首先,气道和路线的关系网络的特点是多源multisink最短路径方法基于广义关联矩阵。第二,飞行路线和网络之间的关系是由一个二维数组。兰州途中的一个案例研究空域空中交通管制区域在中国验证提出了两步方法的可行性。

1。介绍

航空运输系统(ATS)由空域和交通系统。前者可以通过气道网络建模,而后者可以建模路线和飞行网络。三个单层网络之间的相互作用的研究在一个集成的网络是有趣的。为了实现有效的ATS的操作控制,有必要开发一个多层集成网络组成的所有三个单层网络和建立不同层之间的映射关系。本文提供了一种方法来管理航空运输操作控制在系统空中交通流量的预测和管理水平。

虽然ATS在中国经历了快速发展1),在中国空域和机场容量的缺乏导致系统范围的航班延误,导致中断对飞机和机组人员路线(2]。由于ATS的各个系统元素之间的交互,涉及范围广泛的空间和时间,航班延误运输网络上传播,这可能导致其他元素(例如,乘客旅行)偏离最初的计划。空域网络决定总运输能力,而航线网络反映了运输市场的范围,和飞行网络给出了特定的运输方案。ATS的控制和优化包括三层网络和三个网络之间映射关系的研究,有利于进一步理解室内更简洁和有效的实现更有效的控制。本文对文献提出了一个理论框架映射之间的关系综合多层航空运输网络的三层。

本文组织如下。部分2介绍了导气管的结构和定义网络层,网络层路由,飞行网络层。部分3介绍了文献综述单一网络层和它们之间。部分4利用图论和关联矩阵之间的映射关系来说明飞行网络和航线网络和航线网络和气道之间网络。一个案例研究与实际数据集从兰州控制区域提出了部分5。未来研究的结论和讨论部分6。

2。航空运输系统框架

中国的管制空域分为三/四部分:塔台管制空域/机场地面控制,方法管制空域管制空域的途中,飞机在哪里,分别在起飞/着陆阶段,阶段的方法,巡航阶段。管制空域的途中进一步划分为区域行业,和控制器引导飞机在其分配部门指定的航路根据其飞行计划。飞机在途中领空都在巡航阶段,大多数航班占用时间最长的部分。气道是飞机的飞行走廊与导航设备设置的领空。根据预定的飞机需要飞航空公司指定的飞行计划。气道网络由航空公司和节点包括过境点,控制移交点,和其他重要的点,这是描述空间地理和几何参数。边缘连接这些节点是航空公司,指定为飞机飞行路径。

航线网络是指一个网络系统,包括路线,这显示了航空运输的空间分布。航线网络由代表机场和边缘的节点代表直接链接两个机场的飞行路线。航线网络扮演着一个重要的角色在航空公司的运营效率,提高客户服务质量,因为它是航空公司生产计划的先决条件,如飞行计划和人员安排。兰州控制区的航线网络图所示1。

航班网络的时空网络飞行计划,指频率、时间、位置和飞机类型的定期航班。飞行计划是一切生产活动的基础和核心的航空公司。其他生产计划如客货销售计划,飞机维修计划,和船员调度计划是建立在飞行计划的基础,反过来,提供担保飞行计划的顺利实施。

时空网络包含了时间和空间的二维坐标的飞行网络。时间显示为出发和到达的时间和空间显示为出发和到达的机场。首先,离散机场标记为横坐标,和起飞时间和抵达时间标注在每个机场的时间轴的纵轴(连续),从上到下是谁的方向。机场开放时间的起点,终点是机场宵禁时间。相应的节点,它表示一个航班的到达时间和离开时间在机场,根据航班计划。可能有一个以上的飞行路线。图2显示了时空网络图的飞行网络根据航班计划。

有三种边缘飞行网络。第一,从时间节点叫做飞行边缘,在离开机场的时间节点到达机场。第二,叫做停车边缘,从一个特定的时间节点,到达一个机场到下一个时间节点在同一机场。这种边缘的方向总是省略了因为方向总是向下。第三种边,指着第一个节点从最后一个节点在同一机场,一夜之间被称为边缘的方向是向上的。它表明飞机停留一夜之间在这个机场,准备执行的航班计划第二天的计划。

3所示。文献综述

在过去的几十年里,我们目睹了增加兴趣发展气道网络流模型和工具,旨在确定和解决demand-capacity失衡通过空中交通的预测和优化。最著名的模型提出了Bertsimas和帕特森(3]。他们说明该模型可以扩展到呼吸道占网络流。在接下来的论文,他们提出一个气道网络流模型在动态天气条件(4]。最近,前面的模型是进一步探索考虑动态能力,受到天气影响,其他航班,和设备状态,促进最佳的操作在各种场景5,6]。麦克雷博士等。7)开发了一种新颖的严重气象建模范式的上下文中应用大规模空域规划和协同决策模型以变更航班。太阳et al。8]分析了两个网络层:网络和机场网络的导航路线。机场是每一层的节点,和方法可以处理各种各样的问题包括天气状况,重新路由,机场,和气道能力映射关系。

在航线网络的优化设计,研究工作主要集中在优化模型和优化算法的现有的航线网络,尤其是网络设计中心的路线。李等人。9)提出了一种新的模型优化分配额外的路线在航空市场自由化,机场容量约束的显式地考虑。熊和汉森10)使用航班延误传播树来分析潜在的延迟传播路线网络,比较延迟两个网络的传播特点,如点对点网络和中心辐射型网络。他们预测航空公司应对交通管理计划和揭示出其潜在的偏好结构,塑造这些反应。巴比克和Kalic11)处理模型用于选择航空公司的航空公司在竞争环境中运行的网络结构。Mohri et al。12)提出了一种新的实用的航空枢纽选址模型对枢纽能力决定基于机场容量包络函数。Zanin et al。13]分析四个最常见的,特别是有关评估的scale-freeness网络,拓扑指标的解释和比较,排名一个节点的定义,分析弹性随机故障和有针对性的攻击。航线网络的研究主要是指机场容量下的结构分析和优化设计,对分析结合飞行部分,几乎与气道。

飞行方面的网络,研究干扰航班网络,逐步恢复的恢复方法是当前的主流。Eggenberg et al。14]试图设计一个antidelay飞行计划通过考虑机场的拥堵的影响,航班延误期间飞行计划。他们说明这个概念通过求解飞机维修计划和恢复问题给出一些见解将这个模型应用到旅客恢复问题。克劳森et al。15)提供一次彻底的审查当前最先进的研究在航空中断管理的资源,包括飞机、船员、乘客,和综合恢复。皮塔饼等。16)提出一个混合整数线性规划模型,旨在协助航空公司综合飞行调度和舰队的任务决策,考虑到飞机和乘客延误成本明确。Zhang et al。17)提出了一种两阶段启发式算法集成的恢复问题。斯特恩伯格et al。18评估和量化所有属性,根据巴西可能会导致延误飞行数据和六个研究问题相关的原因,时刻,不同,机场和航空公司之间的关系。它显示的主要模式和机会出现在每个机场和航空公司的整个网络。林和阮19)重点调查网络可靠性的航空业和提出一个算法评估飞行网络可靠性的多态飞行网络考虑中转的时间和数量。集成在飞行网络恢复问题通常是解决从航空公司的角度来看,不是从地区或国家。飞行网络问题偶尔认为气道或路线。

目前,研究At只考虑单一网络或两个网络机制和改进措施。改进只是局部优化的结果而不是全局优化,这不仅会导致资源的浪费,但也会导致冲突与全局优化。尽管一些研究认为气道能力的局限性和在同一时间和航班计划优化地面等待或重路由从全球的角度来看,没有有效的气道和飞行调度能力之间的联系,因此应用范围是有限的。ATS需要重点解决的问题气道,飞行路线,从根本上和系统。我们把空运网络,飞行路线网络,网络作为一个集成的网络研究at。气道网络第一层称为物理层,航线网络第二层称为逻辑层,最后一层是操作飞行网络层。通过气道的内部链接网络,路由网络,网络和飞行,飞行的时空位置可以澄清网络上气道,这有利于充分利用空域资源,提高ATS的效率,为航班延误的后续研究奠定基础。

4所示。数学公式

4.1。气道网络和路由网络之间的映射关系

在航线网络,两个节点与边的源和汇某些路径网络上气道,离开机场的路线作为源和目的地机场的下沉。可能有几个路径两个机场之间的一个路线,必须对气道源和目的地之间的最短路径网络。如果所有机场节点标记在气道网络根据航线网络,可以找到所有相关的最短路径路由网络上气道通过使用源multisink最短路径算法。路线地图路径由航空公司,和航线网络由路线地图进气道网络。也就是说,最短路径可以被表示为一个路径的集合机场节点边缘节点-边缘 - - - - - -节点——边缘——机场节点,网络上气道如图3。

经典的最短路径问题是建立单一single-sink问题。考虑到航线网络是一个多源multisink网络,经典的最短路径问题的数学模型改进成源multisink最短路径问题描述如下: 问题是制定的形式一个整数规划问题。O源节点,离开机场。D水槽节点,到达机场。的距离呼吸道 定义。决策变量如果气道等于团结 的最短路径路由k否则,等于零。目标函数(1)减少航空公司的距离。约束(2)确保为每个节点流量平衡的路线k。约束(3)确保供给和需求之间的平衡;也就是说,总流量不能超过容量的气道 。 是气道网络的连接矩阵,它由三个元素组成 。 代表的最短路径的相关矩阵o作为源节点和d汇聚节点,组成的 。因此,气道网络和路由网络之间的映射关系可以表示为 。

4.2。航线网络和飞行网络之间的映射关系

每个机场节点添加航班网络的时间轴,出发和到达时间的飞行是根据航班计划。组节点-停车边缘节点-停车边缘 - - - - - -节点在机场航线网络上只能代表一个节点。飞行网络是通过增加停车边缘,飞行,一夜之间边缘,如图4。

矩阵用于表示路径的内部直接连接网络。 意味着出发机场和 意味着到达机场。包含两个元素 。如果机场米和机场n连接这两个机场之间存在路线,参数是团结,否则为0。是一个二维数组,其中包含出发的时间维度和时间维度,代表起飞时间和到达时间的飞行吗p在OD路线。因此,航线网络和飞行网络之间的映射关系可以表示为 。

4.3。模型公式

根据航班和路线之间的映射关系和路线和气道上面总结,我们得出一个映射关系之间流动的三个网络和使用0 - 1表示操作符来表达或不存在网络之间的映射关系。 的总交通流路线k计算一天的路线上的所有航班的数量k。 的总交通流气道 计算一天的气管上的所有航班的数量 。 飞行l有四个参数:离开机场米到达机场n,起飞时间 ,和到达时间 。计算气道的实时交通流网络,我们必须确定哪些气道的航班是在特定的时间。 的总交通流路线k在时间t计算的路线上的所有航班的数量k在时间t。 的总交通流气道 在时间t计算的所有航班上气道的数量吗 在时间t。 虽然大多数0 - 1代表运营商根据现有信息,如飞行计划,最短路径的相关矩阵, ,需要判断飞机的实时飞行路径。

根据预定义的轨迹片段,我们可以确定的价值基于飞行时间和飞行水平距离之间的关系。算法流程图如图5。

应该注意的是,什么时候 , 和还必须等于1;也就是说, 和 绑定。

5。案例研究

5.1。数据描述

因为有一天成千上万的国内航班,数据纷繁。为了简化算例的数据并确保有效性同时,我们首先对历史上的雷达数据作统计分析。选择所有航班经过兰州控制区11月26日,2014(包括所有航班采取任何兰州机场控制区起飞或降落机场(385架次)和所有航班,飞越兰州控制面积(190架次)),流量的变化与时间维度的空间部分的气道要点兰州控制区。

图6是一个流动的时间分布折线图主要气道点兰州控制区获得历史的雷达数据。从图可以看出,兰州的交通高峰时间控制区域主要分布在10:00-14:00 17:00-21:00。这个例子涉及到预测流分布在高峰时间12:00;因此我们选择所有航班起飞时间在12点和着陆时间12:00后所有航班经过兰州控制区作为数据样本。总共93个航班53航线满足要求(见附录)。其中,11航班起飞从兰州机场控制区,37个航班降落在兰州机场控制区,和6个航班从机场起飞和降落在兰州机场两个控制区域。也有51个航班飞过兰州控制区。

考虑到虽然空中交通管制员可以意识到电流分布通过实时雷达数据,他们只能完成一个实时调整后续航班的飞行路径,实现局部优化。在本文中,我们使用一个先进飞机性能模型从基地的飞机数据由欧洲(巴达)开发和维护,来模拟飞机的4 d轨迹验证的价值 ,这样飞行路径可以优化全球在起飞之前根据三个网络之间的映射关系。

特定的飞机模型实例生成过程旨在识别数学模型的系数之间的目标达到最适合的计算和参考飞机性能参数。因此,飞机的系数来描述一个特定的飞机类型识别。BADA 3定义了以下飞行阶段:起飞,爬升,爬升,克鲁斯,血统,方法,和着陆。为典型的气动配置每个阶段分配的高升力装置和起落架位置。

5.2。数值结果

的基础上3网络上气道,53岁的最短路径路由是通过使用源multisink最短路径算法。根据三个网络之间的映射关系,再加上BADA模式去衡量它的价值 ,空中交通网络上气道流可以预测。根据历史数据,实际出发前平均出租车时间大约是15分钟。所有航班的实际起飞时间推迟15分钟重新计算飞行流量分布。每个航班的网络上气道位置12点钟表所示1。

方法是可行的,因为飞行路线的位置计算BADA基本上是正确而实际雷达数据在图7。黑色的线段表示没有飞机气道。在线颜色越深,飞机在气道。尽管一些航班不飞的最短路径的实际情况,因为实际天气因素,预测的准确性高达87%。提高准确性,近似实际出租车时间取代了出租车的平均时间,这使得它很难收集数据。

说明性的例子可以证明飞行网络之间的映射关系,航线网络,和气道网络,为进一步的研究奠定了基础的航班延误和气道的选择之间的关系异常状态。

6。结论和未来的研究

在本文中,我们提出一个映射的方法来描述不同层之间的关系在一个多层航空运输网络组成的气道,路线,和飞行网络。我们使用一个基于广义源multisink最短路径方法关联矩阵来说明气道网络和路由网络之间的映射关系,而二维数组之间的时空网络问题航线网络和飞行网络。共享相同的气道的航线和航班确定交通流的航空公司。传入和传出的数量在机场航班飞行网络确定流入和流出航线网络的每个节点。交通流密度分布的每个导气管气道网络上可以获得的提前预测。在实践中,控制器根据当前调整整个后续航班流分布通过实时雷达数据实现局部优化。然而,本文提出的三个网络之间的映射关系可以优化飞行路径选择,和当地实时优化可以在紧急情况下进行。历史航班的实际时间数据预测交通流网络上气道在兰州控制区和验证方法的可行性与实时雷达数据。

demand-capacity失衡的识别是非常重要的空中交通流量管理在决定在不久的将来交通状况;空域优化可以提前。当军事演习或极端天气发生时,相关航空公司的能力将会下降,甚至为零,导致航班延误等航空公司。通过映射之间的关系三个网络,影响航班可以预测。在此基础上,飞行路线和出发时间将提前优化。来解决这个问题,一些航班不飞的最短路径在现实中由于中断的实时天气、研究路线之间的映射网络和气道网络可以从静态映射动态扩展映射。

附录

见表2。

数据可用性

有关航班的飞行时间表数据用于支持本研究的发现是包含在这篇文章。历史上雷达数据用于支持本研究的发现是由中国民用航空局限制的为了保护飞行安全。数据可从民航局研究人员满足访问机密数据的标准。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持的基础研究基金为中央大学(NS2016063)。