專利名稱：時變條件下航班最優(yōu)航路選擇方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種解決航路最佳選擇的技術(shù)，即在不同天氣狀況下航班以最小旅行費(fèi) 用的安全到達(dá)目的機(jī)場。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)在的空管系統(tǒng)中，飛機(jī)在航路飛行的時候，突然發(fā)生航路天氣變化。這時是繼 續(xù)飛行、繞道飛行、還是返回？ 一般要靠空管員的職業(yè)經(jīng)驗(yàn)。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(jī)在航路上飛行的過程中，由于受到實(shí)時天氣變化等諸多不 確定因素的影響，航段(兩航路點(diǎn)之間的航線)狀態(tài)隨時間不斷變化，所以需要根據(jù)鄰接航 段的狀態(tài)以及相應(yīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣來選擇航路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種航班最優(yōu)路徑選擇的方法。從起始機(jī)場出發(fā)，在每個決 策時間點(diǎn)上，在不同的天氣狀況影響下選擇最優(yōu)的航路，以此遞推，在飛機(jī)到達(dá)目的機(jī)場 時，整個決策仍為最優(yōu)，航班旅行費(fèi)用最小。本發(fā)明是基于不同天氣狀態(tài)下進(jìn)行研究的。飛機(jī)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(shù)據(jù)，但天氣的影響區(qū)域和持續(xù)時間均不確定，這也導(dǎo)致通 過該區(qū)域的飛行時間不確定，使得飛機(jī)必須面臨航路選擇決策。根據(jù)預(yù)報時間間隔內(nèi)的天 氣狀況及其持續(xù)時間的概率，建立航路狀態(tài)空間及狀態(tài)概率轉(zhuǎn)移矩陣。在此基礎(chǔ)上建立行 程時間費(fèi)用，利用馬爾科夫決策過程的定義建立行程時間費(fèi)用迭代方程，求解出最優(yōu)航路 選擇策略。使用本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，通過建立飛機(jī)航路選擇動態(tài)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(fā)表的文獻(xiàn)來看，時變條件下飛機(jī)航路選擇動態(tài)規(guī)劃的相 關(guān)論文較少，大多數(shù)文獻(xiàn)均采用地面等待來規(guī)避航路中的天氣影響，這會帶來巨大的經(jīng)濟(jì) 損失和資源浪費(fèi)。此外，由于該模型使用的方法屬于動態(tài)規(guī)劃范疇，且天氣等參數(shù)均與時間 有關(guān)，所以該方法也是自適應(yīng)的。


圖1選路策略示意2航班最優(yōu)航路選擇流程圖
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖詳述如下一般而言，飛機(jī)在決策點(diǎn)(Decision point)進(jìn)行選路時，有以下三種選擇策略。策略1 若例行航路上后續(xù)航路段(兩航路點(diǎn)之間的航線)的天氣持續(xù)時間較短， 則可采用減速飛行，仍沿例行航路飛行。
策略2 若例行航路上后續(xù)航路段的天氣持續(xù)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 若例行航路上后續(xù)航路段的天氣持續(xù)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(diǎn)上的決策均為最 優(yōu)。由上面的分析可知，該決策過程滿足隨機(jī)動態(tài)規(guī)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，故可建立基于馬爾可夫決策過程的飛機(jī)最優(yōu)航路選擇決 策模型來實(shí)現(xiàn)飛機(jī)航路動態(tài)選擇。模型中使用到的參數(shù)及定義1.模型使用有向圖G(N，E)來表示航線網(wǎng)，N為節(jié)點(diǎn)集，包括出發(fā)機(jī)場，目的機(jī)場和 航路點(diǎn)。E [ NxN ’為邊集合。2. Scs (η) = {η' :(η,η' ) e Ε}為節(jié)點(diǎn)η，η e N的后續(xù)點(diǎn)的集合，為有限集合。 令s為起始節(jié)點(diǎn)，且s e N。令d為目的節(jié)點(diǎn)，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(shù)?？捎^測邊為與飛機(jī)距離在給定范圍內(nèi)的后續(xù)航路段，通過先驗(yàn)知識和實(shí)時天氣 預(yù)報等知識能獲得其在觀測時段內(nèi)的狀態(tài)。4.、為第q個決策時間點(diǎn)，此時飛機(jī)到達(dá)航路點(diǎn)IV η, e N, tq e {1，...，T}，其中 T為可觀測時間范圍的上限。為描述天氣變化對航路的影響，引入邊狀態(tài)K(t)和狀態(tài)持續(xù)時間X(t)，其中
權(quán)利要求
一種用于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(dá)目的機(jī)場，包括利用馬爾可夫決策過程確定飛機(jī)在決策點(diǎn)的選路策略；利用動作集和選路策略確定最優(yōu)航路選擇方法；或者滿足隨機(jī)動態(tài)規(guī)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，建立基于馬爾可夫決策過程的飛機(jī)最優(yōu)航路選擇決策模型來實(shí)現(xiàn)飛機(jī)航路動態(tài)選擇。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于飛機(jī)在決策點(diǎn)進(jìn)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(diǎn)上的決策均為最優(yōu)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，它包括建立一個空中交通網(wǎng)絡(luò)，觀測邊為與飛機(jī)距離在 給定范圍內(nèi)的后續(xù)航路段，通過先驗(yàn)知識和實(shí)時天氣預(yù)報等知識能獲得其在觀測時段內(nèi)的 狀態(tài)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于為描述天氣變化對航路的影響，引入邊狀態(tài) 和狀態(tài)持續(xù)時間，如果可觀測邊在某一段時間內(nèi)受天氣影響處于阻塞狀態(tài)時，則邊狀態(tài)為 1。反之，則可觀測邊上無惡劣天氣。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于天氣變化對航路的影響用狀態(tài)空間及相應(yīng) 的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣來描述，單個航路上出現(xiàn)的天氣狀況一般不會影響其他航路，故可假定邊 狀態(tài)序列為獨(dú)立的馬爾可夫鏈。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于對于任意可觀測邊，建立其一步概率轉(zhuǎn)移矩 陣，并且通過條件概率公式可求解狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于確定最優(yōu)航路選擇時，建立動作集，表示飛 機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)來決定后續(xù)訪問的航路點(diǎn)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于航路選擇策略應(yīng)為決策規(guī)則的序列，選路決 策過程僅發(fā)生在飛機(jī)到達(dá)航路點(diǎn)時。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于設(shè)置單位旅行時間的費(fèi)用，若在選路時，下 一個決策時間點(diǎn)大于可觀測時間范圍的上限，此時費(fèi)用應(yīng)為無窮大。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于計算OD對之間的飛機(jī)飛行費(fèi)用，若對于所 有航路選擇策略均小于某一策略，則該策略為最優(yōu)航路選擇策略。
全文摘要
時變條件下航班最優(yōu)航路選擇方法，是基于空中交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究的，利用數(shù)學(xué)方法描述天氣變化對航路狀態(tài)的影響，在此基礎(chǔ)上建立時變條件下基于馬爾科夫決策過程的飛機(jī)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(dá)到在不同天氣狀況下航班以最小旅行費(fèi)用進(jìn)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(yōu)先權(quán)日2010年9月10日
發(fā)明者王斯梁, 王明輝, 胡俊 申請人:四川大學(xué)