基于不確定需求預(yù)測的概率空域擁擠管理方法研究.pdf

1、隨著航空運(yùn)輸業(yè)的飛速發(fā)展，空域系統(tǒng)運(yùn)行壓力日益增大、運(yùn)行環(huán)境多變復(fù)雜，不確定性因素對空中交通態(tài)勢的影響日益突出。從不確定性角度緩解空域運(yùn)行壓力，逐漸成為歐美等航空發(fā)達(dá)國家近年來關(guān)注的熱點(diǎn)之一，也是精細(xì)化、科學(xué)化研究我國空域擁擠問題的重要課題。本論文在深入分析交通需求隨機(jī)性變化機(jī)理的同時，從風(fēng)險管理的角度定位空域擁擠管理，探討傳統(tǒng)確定性的空域擁擠管理方式向不確定性方式的轉(zhuǎn)變過程，有助于進(jìn)一步完善空中交通需求預(yù)測方法，改進(jìn)空域擁擠管理理論，

2、提高航空運(yùn)輸服務(wù)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
　　 本論文在借鑒國外先進(jìn)研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國空域擁擠管理實際問題，利用空中交通流量管理、流量統(tǒng)計與預(yù)測、多目標(biāo)優(yōu)化、空域擁擠風(fēng)險管理等技術(shù)，從不確定交通需求預(yù)測出發(fā)，將風(fēng)險預(yù)測、風(fēng)險解決和風(fēng)險管理決策融入空域擁擠緩解過程中，通過整合空中交通流量的預(yù)測與調(diào)配過程，初步建立了一套較為完整的概率空域擁擠管理理論方法。主要研究內(nèi)容包括：
　　 (1)系統(tǒng)論述了概率空域擁擠管理研究基

3、礎(chǔ)。首先，定義了概率空域擁擠管理的基本概念要素，包括空中交通管理、空中交通流量管理、風(fēng)險管理、概率交通需求、不確定空域容量、空域擁擠風(fēng)險和空域擁擠風(fēng)險管理等，論述了各概念間的衍生推演關(guān)系，明確了概率空域擁擠管理概念要素體系。然后，分析了概率空域擁擠管理的基本原理，闡明了實施概率空域擁擠管理的具體流程。最后，介紹了所采用的空中交通流量管理、風(fēng)險管理、空中交通流量統(tǒng)計與預(yù)測、空域容量評估、多目標(biāo)優(yōu)化，以及空域擁擠風(fēng)險管理等主要技術(shù)。

4、　　 (2)研究了空域擁擠風(fēng)險預(yù)測方法。首先，提取了影響扇區(qū)交通需求預(yù)測的主要因素，通過分析航空器的到達(dá)扇區(qū)時間、扇區(qū)飛行時間和離開扇區(qū)時間三因素的隨機(jī)特征，建立了空域扇區(qū)概率需求預(yù)測模型。然后，將空域扇區(qū)概率需求預(yù)測模型先后與確定性和不確定性的空域容量相結(jié)合，建立了空域擁擠風(fēng)險預(yù)測模型及方法。最后，通過算例仿真表明，所建模型和方法可以量化扇區(qū)交通需求的不確定性分布及變化機(jī)理，分析不確定性因素對空中交通需求與空域容量的影響，并掌握二者

5、的變化與匹配，從而確定未來一段時間內(nèi)空域范圍中可能發(fā)生的空域擁擠風(fēng)險問題。
　　 (3)研究了基于局部優(yōu)化的空域擁擠風(fēng)險解決方法。首先，將空域擁擠風(fēng)險預(yù)測模型引入空域擁擠風(fēng)險解決機(jī)制，完成了空域擁擠風(fēng)險預(yù)測模型在風(fēng)險解決過程中的轉(zhuǎn)化；通過預(yù)測高風(fēng)險擁擠空域及時段，以空域最高擁擠風(fēng)險為對象，從平衡空域擁擠的運(yùn)行成本與運(yùn)行風(fēng)險出發(fā)，建立了基于局部優(yōu)化的空域擁擠風(fēng)險解決模型和方法，綜合處理空域內(nèi)發(fā)生擁擠后續(xù)可能性、全體航班的總延誤時間

6、、不同空域用戶延誤分配公平性以及解決策略的影響等多個目標(biāo)。然后，利用高維多目標(biāo)優(yōu)化的NSGA2改進(jìn)算法，實現(xiàn)了高擁擠風(fēng)險解決策略的初次優(yōu)化。最后，通過算例仿真結(jié)果表明，所建模型及算法不僅能在合理的時間內(nèi)為空域內(nèi)航空器找到較優(yōu)離場時間和較優(yōu)飛行路徑，還能降低空域擁擠后續(xù)發(fā)生的可能性和全體航空器的運(yùn)行成本，提高空域用戶延誤分配的公平性，降低對原有航空器飛行計劃的影響程度，緩解空域扇區(qū)的最高擁擠風(fēng)險。
　　 (4)研究了基于全局優(yōu)化的

7、空域擁擠風(fēng)險解決方法。首先，針對初次優(yōu)化后尚未解決的空中交通流全局優(yōu)化問題，綜合考慮從交通需求分布、平衡以及管制員負(fù)荷等問題，建立了基于全局優(yōu)化的空域擁擠風(fēng)險解決模型，并利用多目標(biāo)遺傳算法，實現(xiàn)了空域擁擠風(fēng)險解決策略的二次優(yōu)化。結(jié)合空域擁擠風(fēng)險解決策略，選取了符合實際運(yùn)行需要的風(fēng)險損失評價指標(biāo)，建立了空域擁擠風(fēng)險評價模型，并利用空域擁擠風(fēng)險管理決策方法，確定了空域擁擠風(fēng)險解決策略的實施時間和空域擁擠風(fēng)險概率閾值。最后，通過算例仿真結(jié)果表

8、明，所建模型和方法可以從空域運(yùn)行的全局出發(fā)，從整體上進(jìn)一步解決了交通流全局分布及各扇區(qū)的運(yùn)行負(fù)荷等問題，有助于平衡與協(xié)調(diào)交通流運(yùn)行全局，還可以獲得較為適宜的空域擁擠風(fēng)險解決策略實施時間和空域擁擠風(fēng)險概率閾值，從而實現(xiàn)空域擁擠風(fēng)險管理過程的進(jìn)一步細(xì)化。
　　 最后，論文總結(jié)了基于不確定需求預(yù)測的概率空域擁擠管理方法研究成果，指出本文在不確定交通需求預(yù)測方面可以向更加細(xì)致的微觀交通流層面拓展，在空域擁擠風(fēng)險管理過程中可以更加深入地探