本發(fā)明涉及空中交通技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種基于復(fù)雜度的空中交通沖突管理方法和裝置。

背景技術(shù)：

空中交通的需求量不斷提高，隨之造成了許多問題，包括嚴(yán)重的空中交通擁堵，以及空中交通管制員需要承擔(dān)繁重的工作負(fù)荷。要在飛行密度大、沖突性質(zhì)相對(duì)復(fù)雜的環(huán)境下正確行使防相撞職能，需首先解決沖突探測(cè)、沖突解脫和解脫航跡優(yōu)化三個(gè)問題。沖突探測(cè)是指根據(jù)監(jiān)視系統(tǒng)提供的飛機(jī)的位置、高度、速度、航向、飛行模式等信息，預(yù)測(cè)將要違反最小間隔標(biāo)準(zhǔn)的沖突航跡。其中，航路空域中水平間隔的標(biāo)準(zhǔn)距離通常是5海里，垂直間隔是1000英尺。沖突解脫和解脫航跡優(yōu)化則是根據(jù)一般性的管制原理和方法規(guī)劃處理想的飛行軌跡。飛行沖突解脫指探測(cè)到飛行存在潛在的沖突后，規(guī)劃出無碰撞的飛行方案，指導(dǎo)飛機(jī)飛行以避免可能發(fā)生的碰撞危險(xiǎn)。常用的沖突解脫策略為以下三種：①調(diào)整航向。只改變飛機(jī)的飛行航向角，保持飛行速度大小、航跡傾角和飛行高度不變；②調(diào)節(jié)速度。只改變飛行速度矢量的數(shù)值大小，保持航向角和航跡傾角不變；③改變高度。只改變飛行速度矢量的航跡傾角，保持飛行速度的大小和航向角不變。

世界各國的研究者們做了大量有關(guān)自由飛行情況下飛行沖突的探測(cè)與解決的研究工作。Reich的飛機(jī)碰撞危險(xiǎn)模型是本領(lǐng)域較早的研究成果。為了簡化數(shù)學(xué)計(jì)算，它將每架航空器假設(shè)成尺寸相同的長方體，用參數(shù)分別表示飛行器的平均長、寬和高，兩機(jī)沖突概率即兩個(gè)長方體之間的碰撞危險(xiǎn)在數(shù)學(xué)上就相當(dāng)于某一質(zhì)點(diǎn)與長方體之間的碰撞危險(xiǎn)概率。許多學(xué)者在Reich模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了類似的研究，他們綜合了各種影響飛行安全的不 確定因素。J.Hu等人把風(fēng)等不確定因素對(duì)飛行的影響計(jì)入動(dòng)力學(xué)方程，飛機(jī)運(yùn)動(dòng)模型為確定的軌線方程加上一定比例的布朗運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)，在這個(gè)形式下，沖突的可能性變?yōu)椴祭蔬\(yùn)動(dòng)從一個(gè)時(shí)變安全區(qū)域逃脫的概率，獲得了有限無限范圍都適用的近似表達(dá)。Lee C.Yang則采用了在軌跡模型中包括了飛機(jī)意圖信息的概率估計(jì)方法，主要是用蒙特卡羅仿真根據(jù)飛機(jī)飛行意圖及各種干擾推測(cè)未來飛行軌跡，并進(jìn)行沖突探測(cè)和解脫，著重于意圖對(duì)軌跡的影響。Mondoloni沖突解脫算法也是基于遺傳算法的，可以獲得在諸如最短時(shí)間、最小油耗或總花費(fèi)條件下的無沖突飛行方案，已經(jīng)應(yīng)用于飛行的爬升、轉(zhuǎn)彎、下降階段未來6-25分鐘內(nèi)沖突預(yù)測(cè)，能解決含有一定飛行規(guī)劃約束的沖突(如到達(dá)時(shí)間固定)，實(shí)例證明能使消耗函數(shù)達(dá)到最優(yōu)，能簡單的和飛行計(jì)劃最優(yōu)函數(shù)合為一體，但計(jì)算比較復(fù)雜、耗費(fèi)時(shí)間較多，不能預(yù)測(cè)短期(5分鐘內(nèi))的沖突。J.Alliot等人提出基于優(yōu)先權(quán)的最優(yōu)化算法，給每一架飛機(jī)賦予不同的優(yōu)先權(quán)，權(quán)值高的飛機(jī)在不考慮權(quán)值低的飛機(jī)的情況下選擇出自己認(rèn)為最優(yōu)的航線，如此類推，其基本的方法是尋找樹的最短路。Lucia Pallottino等提出混合整數(shù)規(guī)劃的算法，即在一般幾何構(gòu)造法上建立沖突避免的約束并把它們公式化為線性約束條件，然后用最優(yōu)化工具CPLEX解決。Tomlin等應(yīng)用了非合作博弈理論，得出最優(yōu)控制規(guī)則和結(jié)果所描述不安全集邊界的微分等式，并采用預(yù)先設(shè)定的沖突解決策略。Menon等將最優(yōu)控制理論應(yīng)用于飛行沖突解決，使用了兩種不同的方法。第一種方法以總飛行時(shí)間和耗油量的線性模型為消耗函數(shù)，使用單目標(biāo)的SQP(Sequential Quadratic Programming)法和多目標(biāo)的目標(biāo)獲得法解決。第二種方法運(yùn)用閉環(huán)導(dǎo)航法，以航路偏離為最優(yōu)函數(shù)進(jìn)行多機(jī)沖突解脫。

不過此前的大多數(shù)研究文章都著重于某一扇區(qū)內(nèi)部的飛機(jī)間隔，而較少從多扇區(qū)角度出發(fā)來重視飛機(jī)軌跡?，F(xiàn)行的沖突解脫方法把焦點(diǎn)放在僅僅一個(gè)扇區(qū)內(nèi)的交通上，這就很可能對(duì)飛行安全造成不利影響，而且還可能造成效率低下的問題，因?yàn)閰⑴c沖突解脫的眾多飛機(jī)有可能需要重新規(guī) 劃它們?cè)诤罄m(xù)扇區(qū)中的軌跡。伊丹等人(Idan et al)就指出說，減少重新規(guī)劃的軌跡數(shù)量也就減少了計(jì)算工作和飛行員的工作負(fù)荷，最終也就提高了安全性。

發(fā)明人在研究中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)中的交通沖突控制方法局限于一個(gè)扇區(qū)中，無法更精確的實(shí)現(xiàn)空中交通的控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種基于復(fù)雜度的空中交通沖突管理方法和裝置，以確保進(jìn)入飛機(jī)之間的安全間隔，同時(shí)最大程度減少扇區(qū)管制員的工作負(fù)荷。

第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于復(fù)雜度的空中交通沖突管理方法，方法包括：

在檢測(cè)到目標(biāo)扇區(qū)有進(jìn)入飛機(jī)時(shí)，根據(jù)進(jìn)入飛機(jī)進(jìn)入目標(biāo)扇區(qū)后目標(biāo)扇區(qū)中原有飛機(jī)對(duì)應(yīng)的管制活動(dòng)量，繪制目標(biāo)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的復(fù)雜度的計(jì)算圖；其中，管制活動(dòng)量系指為解脫進(jìn)入飛機(jī)帶來的任何沖突，目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)的原有飛機(jī)做出的航向角改變總量；復(fù)雜度的計(jì)算圖系指目標(biāo)扇區(qū)中包括進(jìn)入飛機(jī)的所有飛機(jī)形成的空中交通復(fù)雜程度的分布圖；

對(duì)于復(fù)雜度的計(jì)算圖中的沖突區(qū)域，計(jì)算沖突區(qū)域中的沖突最小的最優(yōu)路徑；

選擇最優(yōu)路徑對(duì)應(yīng)的進(jìn)入點(diǎn)為進(jìn)入飛機(jī)進(jìn)入目標(biāo)扇區(qū)的最優(yōu)進(jìn)入點(diǎn)，以便進(jìn)入飛機(jī)根據(jù)最優(yōu)進(jìn)入點(diǎn)進(jìn)入目標(biāo)扇區(qū)。

結(jié)合第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第一種可能的實(shí)施方式，其中，根據(jù)進(jìn)入飛機(jī)進(jìn)入目標(biāo)扇區(qū)后目標(biāo)扇區(qū)中原有飛機(jī)對(duì)應(yīng)的管制活動(dòng)量，繪制目標(biāo)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的復(fù)雜度的計(jì)算圖，包括：

按照以下公式計(jì)算進(jìn)入飛機(jī)的進(jìn)入角E和方位角B：其中，二進(jìn)制變量n₁和n₂使進(jìn)入飛機(jī)的進(jìn)入點(diǎn)領(lǐng)域保持為-π≤B≤π且0≤E<2π；E表示進(jìn)入角；B表示方位角；上標(biāo)E表示進(jìn)入飛機(jī)；

按照以下公式計(jì)算進(jìn)入飛機(jī)的航行軌跡變化曲線： 其中，表示航行軌跡變化曲線的橫坐標(biāo)，表示航行軌跡變化曲線的縱坐標(biāo)；V表示進(jìn)入飛機(jī)的飛行速度，且該速度為定值；上標(biāo)I表示目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)的進(jìn)入飛機(jī)；k表示目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)的任意一架飛機(jī)；t表示目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)的任意一時(shí)間；

根據(jù)進(jìn)入飛機(jī)的進(jìn)入角E、方位角B以及進(jìn)入飛機(jī)的航行軌跡變化曲線，計(jì)算繪圖函數(shù)Φ：其中，Φ表示繪圖函數(shù)；

根據(jù)計(jì)算的繪圖函數(shù)，繪制目標(biāo)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的復(fù)雜度的計(jì)算圖。

結(jié)合第一方面的第一種可能的實(shí)施方式，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第二種可能的實(shí)施方式，其中，對(duì)于復(fù)雜度的計(jì)算圖中的沖突區(qū)域，計(jì)算沖突區(qū)域中的沖突最小的最優(yōu)路徑，包括：

對(duì)于復(fù)雜度的計(jì)算圖中的沖突區(qū)域，按照混合整數(shù)線性規(guī)劃對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式計(jì)算目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)原有飛機(jī)的航向角改變量Δθ： for k＝2,…N；

根據(jù)原有飛機(jī)的航向角改變量Δθ，計(jì)算沖突區(qū)域中的沖突最小的最優(yōu)路徑。

結(jié)合第一方面的第二種可能的實(shí)施方式，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第三種可能的實(shí)施方式，其中，根據(jù)計(jì)算的繪圖函數(shù)，繪制目標(biāo)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的復(fù)雜度的計(jì)算圖，包括：

采用方差四叉樹繪圖算法對(duì)繪圖函數(shù)進(jìn)行求解，以根據(jù)求解結(jié)果繪制目標(biāo)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的復(fù)雜度的計(jì)算圖。

結(jié)合第一方面的第三種可能的實(shí)施方式，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第四種可能的實(shí)施方式，其中，采用方差四叉樹繪圖算法對(duì)繪圖函數(shù)進(jìn)行求解，以根據(jù)求解結(jié)果繪制目標(biāo)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的復(fù)雜度的計(jì)算圖，包括：

第1步：將X-Y坐標(biāo)系中的表示進(jìn)入飛機(jī)的進(jìn)入點(diǎn)的圓弧轉(zhuǎn)換為E-B坐標(biāo)系中的四方形；

第2步：按照四方形的網(wǎng)格尺寸δ來劃分搜索空間S；

第3步：計(jì)算每個(gè)離散點(diǎn)(E、B)上的管制活動(dòng)量C，并繪制對(duì)應(yīng)的復(fù)雜度；

第4步：將復(fù)雜度轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制點(diǎn)陣，其中每個(gè)點(diǎn)都有兩種表達(dá)式：C＝0或≠0(即C＝1)；

第5步：針對(duì)空間S中每一個(gè)四方格來計(jì)算方差Q；方差Q的計(jì)算方法包括：

第6步：重復(fù)第3-5步，直至細(xì)分區(qū)域中的所有Q都為零，或是直至網(wǎng)格尺寸縮小到被設(shè)定為1度的最小網(wǎng)格尺寸為止；

第6步對(duì)應(yīng)的繪制的復(fù)雜度即為最終的目標(biāo)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的復(fù)雜度的計(jì)算圖。

結(jié)合第一方面的第三種可能的實(shí)施方式或第四種可能的實(shí)施方式，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第五種可能的實(shí)施方式，其中，表示進(jìn)入飛機(jī)的進(jìn)入點(diǎn)的圓弧通過以下方法得到：

獲取目標(biāo)扇區(qū)邊界上，進(jìn)入飛機(jī)可以到達(dá)的進(jìn)入點(diǎn)P₁和P₂；

確定進(jìn)入點(diǎn)P₁和P₂對(duì)應(yīng)的圓弧為表示進(jìn)入飛機(jī)的進(jìn)入點(diǎn)的圓?。黄渲?，P_s和P_f分別為進(jìn)入飛機(jī)在時(shí)間t＝0和t＝T時(shí)的位置；圓弧對(duì)應(yīng)的進(jìn)入角E的范圍是：EP₁≤E≤EP₂。

結(jié)合第一方面的第二種可能的實(shí)施方式，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方 面的第六種可能的實(shí)施方式，混合整數(shù)線性規(guī)劃對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式 for k＝2,…N的計(jì)算方法，包括：

根據(jù)以下公式計(jì)算目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)所有沖突得到解脫的每架飛機(jī)的航向角θ_i：其中和Δθ_i分別代表每架飛機(jī)的初始航向角和航向角變化量；

根據(jù)以下公式計(jì)算目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)每架飛機(jī)的相對(duì)航向角：q_a/b＝θ_a-ψ_ab+2πsgn(ψ_ab)b_ab，q_b/a＝θ_b-ψ_ab+2πsgn(ψ_ab)b_ba；其中，ψ_ab是飛機(jī)與橫軸之間連線的角度，b_ab和b_ba是范定以下域的二進(jìn)制變量：-π≤q_a/b≤π,-π≤q_b/a≤π；

根據(jù)以下公式計(jì)算目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)每兩架飛機(jī)之間發(fā)生沖突所必需的最小安全角θ_m：其中，D_ab系指兩架飛機(jī)之間的距離，r則是兩架飛機(jī)之間的安全半徑；

根據(jù)目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)每架飛機(jī)的相對(duì)航向角θ_i、每架飛機(jī)的相對(duì)航向角和最小安全角θ_m，得到混合整數(shù)線性規(guī)劃對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式 for k＝2,…N。

第二方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種基于復(fù)雜度的空中交通沖突管理裝置，所述裝置包括：

復(fù)雜度圖繪制模塊，用于在檢測(cè)到目標(biāo)扇區(qū)有進(jìn)入飛機(jī)時(shí)，根據(jù)進(jìn)入飛機(jī)進(jìn)入目標(biāo)扇區(qū)后目標(biāo)扇區(qū)中原有飛機(jī)對(duì)應(yīng)的管制活動(dòng)量，繪制目標(biāo)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的復(fù)雜度的計(jì)算圖；其中，管制活動(dòng)量系指為解脫進(jìn)入飛機(jī)帶來的任何沖突，目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)的原有飛機(jī)做出的航向角改變總量；復(fù)雜度的計(jì)算圖系指目標(biāo)扇區(qū)中包括進(jìn)入飛機(jī)的所有飛機(jī)形成的空中交通復(fù)雜程度的分布圖；

最優(yōu)路徑計(jì)算模塊，用于對(duì)于復(fù)雜度的計(jì)算圖中的沖突區(qū)域，計(jì)算沖突區(qū)域中的沖突最小的最優(yōu)路徑；

最優(yōu)進(jìn)入點(diǎn)選擇模塊，用于選擇最優(yōu)路徑對(duì)應(yīng)的進(jìn)入點(diǎn)為進(jìn)入飛機(jī)進(jìn)入目標(biāo)扇區(qū)的最優(yōu)進(jìn)入點(diǎn)，以便進(jìn)入飛機(jī)根據(jù)最優(yōu)進(jìn)入點(diǎn)進(jìn)入目標(biāo)扇區(qū)。

結(jié)合第二方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了第二方面的第一種可能的實(shí)施方式，其中，復(fù)雜度圖繪制模塊，包括：

第一計(jì)算單元，用于按照以下公式計(jì)算進(jìn)入飛機(jī)的進(jìn)入角E和方位角B：其中，二進(jìn)制變量n₁和n₂使進(jìn)入飛機(jī)的進(jìn)入點(diǎn)領(lǐng)域保持為-π≤B≤π且0≤E<2π；E表示進(jìn)入角；B表示方位角；上標(biāo)E表示進(jìn)入飛機(jī)；

第二計(jì)算單元，用于按照以下公式計(jì)算進(jìn)入飛機(jī)的航行軌跡變化曲線： 其中，表示航行軌跡變化曲線的橫坐標(biāo)，表示航行軌跡變化曲線的縱坐標(biāo)；V表示進(jìn)入飛機(jī)的飛行速度，且該速度為定值；上標(biāo)I表示目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)的進(jìn)入飛機(jī)；k表示目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)的任意一架飛機(jī)；t表示目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)的任意一時(shí)間；

第三計(jì)算單元，用于根據(jù)進(jìn)入飛機(jī)的進(jìn)入角E、方位角B以及進(jìn)入飛機(jī)的航行軌跡變化曲線，計(jì)算繪圖函數(shù)Φ： 其中，Φ表示繪圖函數(shù)；

復(fù)雜度圖繪制單元，用于根據(jù)計(jì)算的繪圖函數(shù)，繪制目標(biāo)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的復(fù)雜度的計(jì)算圖。

結(jié)合第二方面的第一種可能的實(shí)施方式，本發(fā)明實(shí)施例提供了第二方面的第二種可能的實(shí)施方式，其中，最優(yōu)路徑計(jì)算模塊，包括：

第四計(jì)算單元，用于對(duì)于復(fù)雜度的計(jì)算圖中的沖突區(qū)域，按照混合整數(shù)線性規(guī)劃對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式計(jì)算目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)原有飛機(jī)的航向角改變量Δθ： for k＝2,…N；

第五計(jì)算單元，用于根據(jù)原有飛機(jī)的航向角改變量Δθ，計(jì)算沖突區(qū)域中的沖突最小的最優(yōu)路徑。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于復(fù)雜度的空中交通沖突管理方法和裝置，包括：在檢測(cè)到目標(biāo)扇區(qū)有進(jìn)入飛機(jī)時(shí)，根據(jù)進(jìn)入飛機(jī)進(jìn)入目標(biāo)扇區(qū)后目標(biāo)扇區(qū)中原有飛機(jī)對(duì)應(yīng)的管制活動(dòng)量，繪制目標(biāo)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的復(fù)雜度的計(jì)算圖；對(duì)于復(fù)雜度的計(jì)算圖中的沖突區(qū)域，計(jì)算沖突區(qū)域中的沖突最小的最優(yōu)路徑；選擇最優(yōu)路徑對(duì)應(yīng)的進(jìn)入點(diǎn)為進(jìn)入飛機(jī)進(jìn)入目標(biāo)扇區(qū)的最優(yōu)進(jìn)入點(diǎn)，以便進(jìn)入飛機(jī)根據(jù)最優(yōu)進(jìn)入點(diǎn)進(jìn)入目標(biāo)扇區(qū)，與現(xiàn)有技術(shù)中的交通沖突控制方法局限于一個(gè)扇區(qū)中，無法更精確的實(shí)現(xiàn)空中交通的控制相比，其當(dāng)飛機(jī)進(jìn)近某一扇區(qū)時(shí)，繪制進(jìn)入飛機(jī)在每一點(diǎn)扇區(qū)進(jìn)入點(diǎn)進(jìn)入目標(biāo)扇區(qū)的復(fù)雜度計(jì)算圖，并根據(jù)復(fù)雜度計(jì)算圖找到進(jìn)入飛機(jī)的最優(yōu)進(jìn)入點(diǎn)，使用復(fù)雜度提供的空中交通如何對(duì)進(jìn)入飛機(jī)作出反應(yīng)方面的詳細(xì)信息，飛機(jī)進(jìn)入點(diǎn)就能得到修正，能夠最大程度減少扇區(qū)內(nèi)的沖突，以確保進(jìn)入飛機(jī)之間的安全間隔，同時(shí)最大程度減少扇區(qū)管制員的工作負(fù)荷。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合所附附圖，作詳細(xì)說明如下。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應(yīng)當(dāng)理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實(shí)施例，因此不應(yīng)被看作是對(duì)范圍的限定，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關(guān)的附圖。

圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種基于復(fù)雜度的空中交通沖突管理方法的流程圖；

圖2示出了本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種基于復(fù)雜度的空中交通沖突管理方法中的操作概念的示意圖；

圖3示出了本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種基于復(fù)雜度的空中交通沖突管理方法中的進(jìn)入角E和方位角B的定義的示意圖；

圖4示出了本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種沖突解脫辦法幾何圖；

圖5示出了本發(fā)明實(shí)施例所提供的X-Y坐標(biāo)系和E-B坐標(biāo)系中可以到達(dá)的進(jìn)入點(diǎn)的示意圖；

圖6示出了本發(fā)明實(shí)施例所提供的網(wǎng)格以及相鄰離散點(diǎn)的界定的示意圖；

圖7示出了本發(fā)明實(shí)施例所提供的2級(jí)細(xì)化示例的示意圖；

圖8示出了本發(fā)明實(shí)施例所提供的某種抽樣的空中交通狀況，其中有5架飛機(jī)，扇區(qū)半徑為170海里的示意圖；

圖9示出了本發(fā)明實(shí)施例復(fù)雜度的算法、經(jīng)過0-3級(jí)細(xì)化的復(fù)雜度的示意圖；

圖10示出了本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種基于復(fù)雜度的空中交通沖突管理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發(fā)明實(shí)施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設(shè)計(jì)。因此，以下對(duì)在附圖中提供的本發(fā)明的實(shí)施例的詳細(xì)描述并非旨在限制要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實(shí)施例。基于本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于復(fù)雜度的空中交通沖突管理方法和裝置，使得飛機(jī)(即下面的進(jìn)入飛機(jī))在到達(dá)下一個(gè)扇區(qū)邊界之前就改變其的進(jìn)入點(diǎn)。其中，上述進(jìn)入點(diǎn)是以依據(jù)復(fù)雜度來最大程度減少與下一個(gè)扇 區(qū)內(nèi)其它飛機(jī)之間的沖突為條件來判定的。上述復(fù)雜度系指一種空中交通復(fù)雜性評(píng)估方法，其體現(xiàn)了依據(jù)進(jìn)入飛機(jī)的情況來掌控扇區(qū)內(nèi)的沖突所需要的工作量。本發(fā)明實(shí)施例中的復(fù)雜度是對(duì)扇區(qū)(即目標(biāo)扇區(qū))內(nèi)已知的交通流將如何響應(yīng)進(jìn)入飛機(jī)而提供對(duì)交通流管理相當(dāng)重要的詳細(xì)信息。本發(fā)明實(shí)施例中提出了如何在某一扇區(qū)內(nèi)增加一架飛機(jī)時(shí)盡可能減少對(duì)扇區(qū)內(nèi)飛機(jī)帶來的交通復(fù)雜性的問題，并依據(jù)杜賓斯路徑(Dubins path)來為進(jìn)入飛機(jī)設(shè)計(jì)了一條可以飛行的路徑，并將該研究擴(kuò)大到了多種實(shí)際應(yīng)用中。

參見圖1，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于復(fù)雜度的空中交通沖突管理方法，所述方法包括：

S101、在檢測(cè)到目標(biāo)扇區(qū)有進(jìn)入飛機(jī)時(shí)，根據(jù)所述進(jìn)入飛機(jī)進(jìn)入所述目標(biāo)扇區(qū)后所述目標(biāo)扇區(qū)中原有飛機(jī)對(duì)應(yīng)的管制活動(dòng)量，繪制所述目標(biāo)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的復(fù)雜度的計(jì)算圖；其中，所述管制活動(dòng)量系指為解脫所述進(jìn)入飛機(jī)帶來的任何沖突，所述目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)的原有飛機(jī)做出的航向角改變總量；所述復(fù)雜度的計(jì)算圖系指所述目標(biāo)扇區(qū)中包括所述進(jìn)入飛機(jī)的所有飛機(jī)形成的空中交通復(fù)雜程度的分布圖。

具體的，為了從圖形上來展示管制活動(dòng)量C，基于復(fù)雜度圖對(duì)管制活動(dòng)量C，作出如下定義，以便對(duì)扇區(qū)內(nèi)飛機(jī)的沖突解脫機(jī)動(dòng)操縱進(jìn)行量化。

定義1：管制活動(dòng)量C系指為解脫某架進(jìn)入飛機(jī)帶來的任何沖突而讓扇區(qū)內(nèi)飛機(jī)作出的航向角改變總量。

S102、對(duì)于所述復(fù)雜度的計(jì)算圖中的沖突區(qū)域，計(jì)算所述沖突區(qū)域中的沖突最小的最優(yōu)路徑。

具體的，復(fù)雜度的計(jì)算圖包括進(jìn)入飛機(jī)帶來的沖突區(qū)域和無沖突區(qū)域；本發(fā)明實(shí)施例中，不考慮無沖突區(qū)域；而針對(duì)沖突區(qū)域，計(jì)算當(dāng)前進(jìn)入飛機(jī)進(jìn)入目標(biāo)扇區(qū)后管制活動(dòng)量C，即計(jì)算解脫當(dāng)前進(jìn)入飛機(jī)進(jìn)入目標(biāo)扇區(qū) 后，帶來的任何沖突而讓扇區(qū)內(nèi)飛機(jī)作出的航向角改變總量。

S103、選擇所述最優(yōu)路徑對(duì)應(yīng)的進(jìn)入點(diǎn)為所述進(jìn)入飛機(jī)進(jìn)入所述目標(biāo)扇區(qū)的最優(yōu)進(jìn)入點(diǎn)，以便所述進(jìn)入飛機(jī)根據(jù)所述最優(yōu)進(jìn)入點(diǎn)進(jìn)入所述目標(biāo)扇區(qū)。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于復(fù)雜度的空中交通沖突管理方法，與現(xiàn)有技術(shù)中的交通沖突控制方法局限于一個(gè)扇區(qū)中，無法更精確的實(shí)現(xiàn)空中交通的控制相比，其當(dāng)飛機(jī)進(jìn)近某一扇區(qū)時(shí)，繪制進(jìn)入飛機(jī)在每一點(diǎn)扇區(qū)進(jìn)入點(diǎn)進(jìn)入目標(biāo)扇區(qū)的復(fù)雜度計(jì)算圖，并根據(jù)復(fù)雜度計(jì)算圖找到進(jìn)入飛機(jī)的最優(yōu)進(jìn)入點(diǎn)，使用復(fù)雜度提供的空中交通如何對(duì)進(jìn)入飛機(jī)作出反應(yīng)方面的詳細(xì)信息，飛機(jī)進(jìn)入點(diǎn)就能得到修正，能夠最大程度減少扇區(qū)內(nèi)的沖突，以確保進(jìn)入飛機(jī)之間的安全間隔，同時(shí)最大程度減少扇區(qū)管制員的工作負(fù)荷。

具體的，在當(dāng)前的空中交通管制系統(tǒng)中，沖突解脫辦法針對(duì)的是處在某一扇區(qū)內(nèi)的飛機(jī)。如果某架新來的飛機(jī)進(jìn)近這一扇區(qū)，那么系統(tǒng)就只是在它到達(dá)扇區(qū)邊界之后才開始設(shè)法確保它與別的飛機(jī)之間的最小間隔。其實(shí)如果進(jìn)近飛機(jī)能夠主動(dòng)采取行動(dòng)，那就有可能改善管理沖突的效果，而采取這類主動(dòng)行動(dòng)的常見方法就是調(diào)整某一固定進(jìn)入點(diǎn)的進(jìn)場(chǎng)時(shí)間。人們尤其對(duì)通過調(diào)整進(jìn)入飛機(jī)的速度來實(shí)現(xiàn)的進(jìn)場(chǎng)管理開展了大量研究，以期減輕機(jī)場(chǎng)空域中的擁堵狀況。但是很少有人研究改變進(jìn)入點(diǎn)的可能性。本發(fā)明實(shí)施例則放棄預(yù)先確定的進(jìn)入點(diǎn)，而以動(dòng)態(tài)方式來確定進(jìn)入飛機(jī)的替代性進(jìn)入點(diǎn)，以此來最大程度減少?zèng)_突。研究證明，只要對(duì)新進(jìn)場(chǎng)飛機(jī)的扇區(qū)進(jìn)入點(diǎn)作出小幅改變，為保持飛機(jī)之間的間隔而要求的航向角改變量就會(huì)顯著減少。

本發(fā)明實(shí)施例以圖2中的兩個(gè)空域(分別命名為扇區(qū)A和扇區(qū)B)來說明所提出的操作概念。扇區(qū)A內(nèi)有N－1架飛機(jī)在飛行，交通的初始狀況是無沖突。在時(shí)間t＝0時(shí)，一架飛機(jī)從扇區(qū)B進(jìn)近扇區(qū)A，預(yù)計(jì)進(jìn)場(chǎng) 時(shí)間是t＝T。假定這架進(jìn)入飛機(jī)會(huì)造成與扇區(qū)A內(nèi)其它飛機(jī)之間的沖突。按照常規(guī)的空中交通管制方法，管制系統(tǒng)只在時(shí)間t＝T之后才開始設(shè)法解脫進(jìn)入飛機(jī)帶來的沖突。相鄰扇區(qū)的管制員也可以通過密切協(xié)調(diào)來解脫沖突，但是這樣的協(xié)調(diào)僅限于戰(zhàn)術(shù)層級(jí)，而且只在進(jìn)入飛機(jī)帶來的沖突十分緊迫的情況下才會(huì)進(jìn)行。按照本發(fā)明實(shí)施例提出的方法，進(jìn)入飛機(jī)首先就預(yù)見到t＝T時(shí)扇區(qū)A內(nèi)的空中交通狀況，并在到達(dá)扇區(qū)邊界之前就判定一個(gè)合適的進(jìn)入點(diǎn)。此外在時(shí)間t＝T₂時(shí)，此外在所有沖突都得到解脫后，進(jìn)入飛機(jī)要執(zhí)行恢復(fù)機(jī)動(dòng)，以飛向它的初始目的地。

進(jìn)一步的，上述步驟101中具體繪制復(fù)雜度的計(jì)算圖的方法包括：

按照以下公式計(jì)算所述進(jìn)入飛機(jī)的進(jìn)入角E和方位角B：其中，二進(jìn)制變量n₁和n₂使所述進(jìn)入飛機(jī)的進(jìn)入點(diǎn)領(lǐng)域保持為-π≤B≤π且0≤E<2π；E表示進(jìn)入角；B表示方位角；上標(biāo)E表示進(jìn)入飛機(jī)；

按照以下公式計(jì)算所述進(jìn)入飛機(jī)的航行軌跡變化曲線：其中，表示航行軌跡變化曲線的橫坐標(biāo)，表示航行軌跡變化曲線的縱坐標(biāo)；V表示所述進(jìn)入飛機(jī)的飛行速度，且該速度為定值；上標(biāo)I表示所述目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)的所述進(jìn)入飛機(jī)；k表示所述目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)的任意一架飛機(jī)；t表示所述目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)的任意一時(shí)間；

根據(jù)所述進(jìn)入飛機(jī)的進(jìn)入角E、方位角B以及所述進(jìn)入飛機(jī)的航行軌跡變化曲線，計(jì)算繪圖函數(shù)Φ：其中，Φ表示繪圖函數(shù)；

根據(jù)計(jì)算的所述繪圖函數(shù)，繪制所述目標(biāo)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的復(fù)雜度的計(jì)算圖。

具體的，以圖3所示的圓形邊界以內(nèi)的空域?yàn)槔?。?fù)雜度是兩項(xiàng)參數(shù)所決定的結(jié)果，其一是進(jìn)入角E，其二是方位角B。從圖3中可以看出，進(jìn)入角E以從北方進(jìn)入的角坐標(biāo)來規(guī)定，而方位角B則相對(duì)于進(jìn)入飛機(jī)與扇區(qū)中心相連的徑向線來描述了進(jìn)入飛機(jī)的相對(duì)軌跡。

本發(fā)明實(shí)施例采用了以下假設(shè)條件來說明所提出通過定義管制活動(dòng)量C來繪制復(fù)雜度的計(jì)算圖，并以此來進(jìn)行空中交通沖突管理的方法。首先，所有飛機(jī)在二維空域中按不變速度V來移動(dòng)。其次，當(dāng)每架飛機(jī)的安全環(huán)區(qū)(半徑為2.5海里的圓形區(qū)域)交疊時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生兩架飛機(jī)之間的沖突。第三，每架飛機(jī)可以為避開沖突而改變一次航向角。第四，飛機(jī)以一種運(yùn)動(dòng)學(xué)模型來表示，可以迅即改變航向角。

針對(duì)所有進(jìn)入角E和方位角B的組合來繪制復(fù)雜度時(shí)所需要的管制活動(dòng)C可以通過以下兩個(gè)步驟來判定。本發(fā)明實(shí)施例以處在(X^E(0),Y^E(0))位置上的一架進(jìn)入飛機(jī)為例。第一步是判定從(X^E(T),Y^E(T))這一位置上開始的進(jìn)入角E和方位角B以及進(jìn)入飛機(jī)的航向角θ^E(T)。注意T代表進(jìn)入飛機(jī)抵達(dá)扇區(qū)邊界的時(shí)間，而這一時(shí)間T要取決于進(jìn)入點(diǎn)(E、B)，因?yàn)檫M(jìn)入飛機(jī)按照不變速度V來飛行，這一點(diǎn)在前文中已經(jīng)交代過。如果扇區(qū)中心處在初始位置，那么(E、B)與(X^E(T),Y^E(T)，θ^E(T))之間的關(guān)系就可以表達(dá)為以下公式：

其中，上述公式(1)和(2)中，上標(biāo)E表示進(jìn)入飛機(jī)，另外我們代入了二進(jìn)制變量n₁和n₂來讓域保持為-π≤B≤π且0≤E<2π。第二步是判定扇區(qū)內(nèi)飛機(jī)在時(shí)間t＝T時(shí)的位置和航向角。扇區(qū)內(nèi)第k架飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可以表達(dá)為以下公式：

其中，上標(biāo)I表示扇區(qū)內(nèi)飛機(jī)。

依據(jù)這些信息，我們就能對(duì)繪圖函數(shù)Φ作出如下定義：

要得出管制活動(dòng)量C，需要制訂一種沖突解脫算法。管制活動(dòng)量C取決于選擇哪一種沖突解脫算法，而當(dāng)前有多種不同的算法可供選擇。不過為說明起見，本發(fā)明實(shí)施例提出了一種特殊的沖突解脫算法，也就是以混合整數(shù)線性規(guī)劃為基礎(chǔ)的按序沖突解脫算法。

我們要用這種按序算法算出每架飛機(jī)的航向角改變量Δθ，從而使所有沖突都能通過新的航向角θ(θ＝θ₀+Δθ)來解脫，其中，θ₀為每架飛機(jī)的初始航向角。我們可以針對(duì)扇區(qū)內(nèi)有兩架飛機(jī)的情況來作出幾何學(xué)考慮，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出無沖突的條件，然后將這種條件延伸到N架飛機(jī)的一般情況中。在解決沖突的按序算法中，績效指數(shù)是為最大程度減少每架飛機(jī)的航向角改變量Δθ來確定的。此外我們還從無沖突條件中推導(dǎo)出了約束條件。解脫沖突的按序算法的詳細(xì)公式具體在下面說明。這里要注意的是，本發(fā)明實(shí)施例提出的方法并不排除其它類型的沖突解脫算法。

進(jìn)一步的，上述步驟102中，對(duì)于所述復(fù)雜度的計(jì)算圖中的沖突區(qū)域，計(jì)算所述沖突區(qū)域中的沖突最小的最優(yōu)路徑的具體方法包括：

對(duì)于所述復(fù)雜度的計(jì)算圖中的沖突區(qū)域，按照混合整數(shù)線性規(guī)劃對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式計(jì)算所述目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)原有飛機(jī)的航向角改變量Δθ： for k＝2,…N。

根據(jù)所述原有飛機(jī)的航向角改變量Δθ，計(jì)算所述沖突區(qū)域中的沖突最小的最優(yōu)路徑。

而上述混合整數(shù)線性規(guī)劃對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式 for k＝2,…N的是根據(jù)如下方法計(jì)算得到的：

根據(jù)以下公式計(jì)算所述目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)所有沖突得到解脫的每架飛機(jī)的航向角θ_i：其中和Δθ_i分別代表每架飛機(jī)的初始航向角和航向角變化量；

根據(jù)以下公式計(jì)算所述目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)每架飛機(jī)的相對(duì)航向角：q_a/b＝θ_a-ψ_ab+2πsgn(ψ_ab)b_ab，q_b/a＝θ_b-ψ_ab+2πsgn(ψ_ab)b_ba；其中，ψ_ab是飛機(jī)與橫軸之間連線的角度，b_ab和b_ba是范定以下域的二進(jìn)制變量：-π≤q_a/b≤π,-π≤q_b/a≤π；

根據(jù)以下公式計(jì)算所述目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)每兩架飛機(jī)之間發(fā)生沖突所必需的最小安全角θ_m：其中，D_ab系指兩架飛機(jī)之間的距離，r則是兩架飛機(jī)之間的安全半徑；

根據(jù)所述目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)每架飛機(jī)的相對(duì)航向角θ_i、每架飛機(jī)的相對(duì)航向角和所述最小安全角θ_m，得到所述混合整數(shù)線性規(guī)劃對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式 for k＝2,…N。

具體的，上述過程即解脫沖突的按序算法的詳細(xì)公式的推導(dǎo)過程，即判定控制活動(dòng)量C的優(yōu)化問題：

依據(jù)幾何考慮的無沖突條件是按照以下方法來推導(dǎo)的。首先我們考慮有兩架飛機(jī)的情況，之后再采用有N架飛機(jī)的一般情況。如果以下條件之一得到滿足，那么飛機(jī)a和b之間就沒有沖突。

條件1：

q_a/b≥0,q_b/a≥0,q_a/b≥q_b/a (6)

條件2：

q_a/b≥0,q_b/a≤0,q_a/b≤q_b/a (7)

條件3：

q_a/b≥0,q_b/a≤0,q_a/b≥-q_b/a (9)

條件4：

q_a/b≥0，q_b/a≤0，q_a/b≤-q_b/a (10)

條件5：

q_a/b≤0，q_b/a≥0，-q_a/b≥q_b/a (12)

條件6：

q_a/b≤0，q_b/a≥0，-q_a/b≤q_b/a (13)

條件7：

q_a/b≤0，q_b/a≤0，-q_a/b≥-q_b/a (15)

條件8：

q_a/b≤0，q_b/a≤0，-q_a/b≤-q_b/a (16)

其中，q_a/b和q_b/a是相對(duì)的航向角，θ_a和θ_b是絕對(duì)航向角。要注意讓所有沖突得到解脫的每架飛機(jī)的航向角θ_i是按以下公式來算出的：

其中，和Δθ_i分別代表每架飛機(jī)的初始航向角和航向角變化量。相對(duì)航向角可以按以下公式來算出：

q_a/b＝θ_a-ψ_ab+2πsgn(ψ_ab)b_ab (19)

q_b/a＝θ_b-ψ_ab+2πsgn(ψ_ab)b_ba (20)

其中ψ_ab是飛機(jī)與橫軸之間連線的角度，b_ab和b_ba則是范定以下域的二進(jìn)制變量：

-π≤q_a/b≤π,-π≤q_b/a≤π (21)

此外，θ_m是避免兩架飛機(jī)之間發(fā)生沖突所必需的最小安全角，本發(fā)明實(shí)施例可以用以下公式來算出這個(gè)角度：

其中D_ab系指這兩架飛機(jī)之間的距離，r則是安全半徑，如圖4所示。

采用本發(fā)明實(shí)施例提出的沖突解決按序算法來得出控制活動(dòng)量C的數(shù)值。這是因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)中，空中交通管制員一次只能對(duì)一架飛機(jī)下達(dá)改變機(jī)動(dòng)操縱的指令，之后要在一定的時(shí)間間隔后空中交通管制員才能下令讓另一家飛機(jī)改變它的機(jī)動(dòng)操縱，因此沖突解脫辦法就必然是要按序進(jìn)行的。要注意在按序沖突解脫算法中，我們自西向東地對(duì)飛機(jī)排序。此外如果兩架飛機(jī)的位置是彼此垂直的，那就為最南邊的飛機(jī)指派數(shù)字更小的序號(hào)?！?”這個(gè)數(shù)字最小的編號(hào)指派給進(jìn)入飛機(jī)，最后我們就可以按照混合整數(shù)線性規(guī)劃來表達(dá)第k架扇區(qū)內(nèi)飛機(jī)的沖突解脫問題：

對(duì)于N架飛機(jī)的情況，以上針對(duì)第k架扇區(qū)內(nèi)飛機(jī)的優(yōu)化問題要運(yùn)算N－1次來解答。例如對(duì)于這一沖突解脫辦法的問題，我們首先相對(duì)于固定不變的進(jìn)入飛機(jī)來判定第一架扇區(qū)內(nèi)飛機(jī)最低的管制活動(dòng)量Δθ₂。在第一架扇區(qū)內(nèi)飛機(jī)改變航向角后，我們算出第二架扇區(qū)內(nèi)飛機(jī)的管制活動(dòng)量Δθ₃，以滿足與固定的進(jìn)入飛機(jī)和第一架扇區(qū)內(nèi)飛機(jī)之間無沖突的條件。通過上述步驟，我們便給出每道題的答案Δθ₂，Δθ₃，…和Δθ_N。接下來就可以算出以航向角變化總量的來表示的管制活動(dòng)量C，也就是

在判定扇區(qū)邊界上新的替代性進(jìn)入點(diǎn)時(shí)就要采用復(fù)雜度。復(fù)雜度即，依據(jù)這架飛機(jī)(即進(jìn)入飛機(jī))所有可能的進(jìn)入點(diǎn)，解脫進(jìn)入飛機(jī)帶來的沖突需要多少管制活動(dòng)。根據(jù)這樣的信息，我們就能以最低限度的管制活動(dòng)來判定出最優(yōu)進(jìn)入點(diǎn)。本發(fā)明實(shí)施例提出了進(jìn)入點(diǎn)決策算法，并以此來確 定可行性最高的進(jìn)入點(diǎn)，而不是固守初始進(jìn)入點(diǎn)。此外，本發(fā)明實(shí)施例還提出了繪制復(fù)雜度時(shí)改善計(jì)算效率的一種方法，其中考慮了航圖的可變網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和飛機(jī)的機(jī)動(dòng)能力。

進(jìn)一步的，步驟101計(jì)算得到的繪圖函數(shù)考慮的是理想狀態(tài)，但是，理想狀態(tài)對(duì)應(yīng)的求解過程非常復(fù)雜，對(duì)此，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種針對(duì)繪圖函數(shù)求解算法，減少其計(jì)算量，可操作性較好，具體方法包括：

采用方差四叉樹繪圖算法對(duì)所述繪圖函數(shù)進(jìn)行求解，以根據(jù)求解結(jié)果繪制所述目標(biāo)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的復(fù)雜度的計(jì)算圖；上述采用方差四叉樹繪圖算法對(duì)所述繪圖函數(shù)進(jìn)行求解，以根據(jù)求解結(jié)果繪制所述目標(biāo)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的復(fù)雜度的計(jì)算圖，具體包括：

第1步：將X-Y坐標(biāo)系中的表示進(jìn)入飛機(jī)的進(jìn)入點(diǎn)的圓弧轉(zhuǎn)換為E-B坐標(biāo)系中的四方形；上述表示進(jìn)入飛機(jī)的進(jìn)入點(diǎn)的圓弧通過以下方法得到：獲取所述目標(biāo)扇區(qū)邊界上，所述進(jìn)入飛機(jī)可以到達(dá)的進(jìn)入點(diǎn)P₁和P₂；確定所述進(jìn)入點(diǎn)P₁和P₂對(duì)應(yīng)的圓弧為表示所述進(jìn)入飛機(jī)的進(jìn)入點(diǎn)的圓?。黄渲?，P_s和P_f分別為進(jìn)入飛機(jī)在時(shí)間t＝0和t＝T時(shí)的位置；所述圓弧對(duì)應(yīng)的進(jìn)入角E的范圍是：EP₁≤E≤EP₂。

第2步：按照所述四方形的網(wǎng)格尺寸δ來劃分搜索空間S；

第3步：計(jì)算每個(gè)離散點(diǎn)(E、B)上的管制活動(dòng)量C，并繪制對(duì)應(yīng)的復(fù)雜度；

第4步：將復(fù)雜度轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制點(diǎn)陣，其中每個(gè)點(diǎn)都有兩種表達(dá)式：C＝0或≠0(即C＝1)；

第5步：針對(duì)空間S中每一個(gè)四方格來計(jì)算方差Q；所述方差Q的計(jì)算方法包括：

第6步：重復(fù)第3-5步，直至細(xì)分區(qū)域中的所有Q都為零，或是直至網(wǎng)格尺寸縮小到被設(shè)定為1度的最小網(wǎng)格尺寸為止；

第6步對(duì)應(yīng)的繪制的復(fù)雜度即為最終的所述目標(biāo)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的復(fù)雜度的計(jì)算圖。

具體的，本發(fā)明實(shí)施例中則說明進(jìn)入點(diǎn)決策算法。在新來的飛機(jī)進(jìn)入某一扇區(qū)時(shí)就需要這樣的決策算法。上面中我們已經(jīng)解釋過，我們?cè)诔跏嫉膹?fù)雜度中考慮了從0到360度的進(jìn)入角E以及從-90到90度的方位角B。如果以1度的網(wǎng)格尺寸來讓這兩個(gè)角度離散化，那么第(5)號(hào)方程式中的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型就要經(jīng)過65,160(＝181×360)次運(yùn)算解答才能繪制出復(fù)雜度。加大復(fù)雜度上的網(wǎng)格尺寸可以減少所需要的運(yùn)算，但是復(fù)雜度的準(zhǔn)確性也會(huì)降低，因?yàn)樗木扰c網(wǎng)格尺寸成反比。為了解決這一問題，本發(fā)明實(shí)施例便把焦點(diǎn)放在如何快速而準(zhǔn)確地繪制復(fù)雜度上。本節(jié)劃分為三部分，每一部分都提出解決這一問題的一種方法。

(一)扇區(qū)邊界上可以到達(dá)的進(jìn)入點(diǎn)

本發(fā)明實(shí)施例提出的方法不必考慮進(jìn)入角E的整個(gè)范圍、以使0≤E<2π。我們只需考慮扇區(qū)邊界上對(duì)應(yīng)進(jìn)入飛機(jī)初始位置的、可以到達(dá)的進(jìn)入點(diǎn)，就可以限定進(jìn)入角E的范圍。扇區(qū)邊界上可以到達(dá)的進(jìn)入點(diǎn)被限定到由P₁和P₂這兩個(gè)接觸點(diǎn)所決定的一段圓弧上，如圖5左圖所示，其中P_s和P_f分別為進(jìn)入飛機(jī)在時(shí)間t＝0和t＝T時(shí)的位置。X-Y坐標(biāo)系中的圓弧可以轉(zhuǎn)換為E-B坐標(biāo)系中的四方形，如圖5右圖所示。這里要注意，通過考慮可以到達(dá)的進(jìn)入點(diǎn)，我們就可以僅繪制EP1≤E≤EP2這一限定范圍內(nèi)的復(fù)雜度，而不必考慮0≤E<2π這整個(gè)范圍。其中，圖5中，左圖表示X-Y坐標(biāo)系中的圓形；右圖表示E-B坐標(biāo)系中的四方形。

隨后我們就能對(duì)所需計(jì)算量的減少幅度作出以下分析。我們以R來表示扇區(qū)半徑，以d來表示圖3所示的P_s和P_f之間的距離。接下來就可以按照以下公式來推算出計(jì)算量的減少比率；圖5左圖中，此外，最大計(jì)算次數(shù)也可以算出。當(dāng)E-B坐標(biāo)系中的四方形按照最小網(wǎng)格尺寸來均勻離散化時(shí)，最大計(jì)算次數(shù)就是網(wǎng)格點(diǎn)的數(shù)量。如果將最小網(wǎng)格尺寸規(guī)定為那么最大計(jì)算次數(shù)就可以按照以 下公式來算出：舉例而言，如果規(guī)定R為200海里，d為30海里，那么計(jì)算次數(shù)就能減少16.44％。此外，如果規(guī)定為1度，那么最大計(jì)算次數(shù)就大約是11,041次。

雖然本發(fā)明實(shí)施例主要考慮的是圓形邊界，但我們提出的方法可以很方便地應(yīng)用到任何形狀的扇區(qū)邊界上。只不過在任意形狀的扇區(qū)邊界情況下，則需另外規(guī)定兩項(xiàng)參數(shù)來取代進(jìn)入角E和方位角B。首先，我們按照從基準(zhǔn)點(diǎn)開始沿著扇區(qū)邊界的位移量來規(guī)定飛機(jī)的進(jìn)入點(diǎn)。之后再相對(duì)于正北方來規(guī)定進(jìn)入飛機(jī)的方位。只要采用這兩項(xiàng)參數(shù)來取代E和B，就能確定出任意形狀的扇區(qū)邊界的復(fù)雜度。后面將給出非圓形扇區(qū)邊界的示意性復(fù)雜度。

(二)以方差四叉樹為基礎(chǔ)的航圖繪制算法

本節(jié)介紹了繪制二進(jìn)制復(fù)雜度的方差四叉樹繪圖算法。最初的方差四叉樹算法是一種空間抽樣方法，其中一幅圖像被劃分為四個(gè)等分象限，直至層級(jí)內(nèi)的方差被減少到某一規(guī)定程度為止。在本發(fā)明實(shí)施例中，管制活動(dòng)量C大于0的進(jìn)入點(diǎn)被視作不合適的進(jìn)入點(diǎn)。因此在繪制二進(jìn)制航圖時(shí)就要陳述C＝0是否包含了充足的信息。現(xiàn)在按照一種分級(jí)方式，我們的算法首先從覆蓋可到達(dá)進(jìn)入點(diǎn)的搜索空間的均勻粗網(wǎng)格開始，然而在某些區(qū)域添加更細(xì)的次級(jí)網(wǎng)格。通過由粗到細(xì)地重復(fù)這一過程，我們就能繪制出二進(jìn)制復(fù)雜度，并且有效地保留最初的復(fù)雜度中的信息。

下面我們以一種單級(jí)細(xì)化方法為例。單級(jí)細(xì)化可以擴(kuò)展到多級(jí)細(xì)化中。我們以S∈R2來表示搜索空間，也就是圖5左圖中的方格區(qū)域。S這一區(qū)域被分隔成尺寸為δ的網(wǎng)格，以繪制復(fù)雜度。下一步就可以計(jì)算出區(qū)域S中每個(gè)點(diǎn)(E、B)的管制活動(dòng)量C。圖6示意了網(wǎng)格及其相鄰的離散點(diǎn)。四方格頂點(diǎn)上管制活動(dòng)量的方差Q是判定是否需要進(jìn)一步劃分更細(xì)的次級(jí)網(wǎng)格的標(biāo)準(zhǔn)。方差Q的計(jì)算公式如下：

其中為四方格頂點(diǎn)上管制活動(dòng)量的平均數(shù)。如果Q≠0，那么四方格就被劃分成尺寸為的四象限；否則就不需要?jiǎng)澐指?xì)的次級(jí)網(wǎng)格。圖7顯示了2級(jí)細(xì)化的例子。

方差四叉樹繪圖算法處理流程如下：

第1步：按照網(wǎng)格尺寸δ來劃分搜索空間S。

第2步：計(jì)算每個(gè)離散點(diǎn)(E、B)上的管制活動(dòng)量C，并繪制對(duì)應(yīng)的復(fù)雜度。

第3步：將復(fù)雜度轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制點(diǎn)陣，其中每個(gè)點(diǎn)都有兩種表達(dá)式：C＝0或≠0(C＝1)。換句話說，如果管制活動(dòng)量C不為零，那么數(shù)值就變換為1。

第4步：針對(duì)空間S中每一個(gè)四方格來計(jì)算第(8)號(hào)公式中的方差Q。

第5步：重復(fù)第2－4步，直至細(xì)分區(qū)域中的所有Q都為零，或是直至網(wǎng)格尺寸縮小到被設(shè)定為1度的最小網(wǎng)格尺寸為止。

這里要注意，在許多進(jìn)入點(diǎn)(E、B)∈S上的管制活動(dòng)量C都為零。在所有這些可供選擇的進(jìn)入點(diǎn)中，本發(fā)明實(shí)施例把距離原始進(jìn)入點(diǎn)最近的點(diǎn)視作是可行程度最高的進(jìn)入點(diǎn)。

如圖8所示，圖8顯示了某種抽樣的空中交通狀況，也就是半徑170海里的扇區(qū)內(nèi)有5架飛機(jī)；圖8中，左圖表示初始交通狀況，右圖表示最終目的地；其中，Y軸(單位為海里)；X軸(單位為海里)。在圖8左圖中，扇區(qū)邊界被描繪為一個(gè)大圓，其中小三角代表在時(shí)間t＝0時(shí)隨機(jī)指派的飛機(jī)初始位置和方向。前文已經(jīng)講到，我們按照從西到東的順序來給每架飛機(jī)指定一個(gè)編號(hào)，而圖中的“AC”字樣即代表“飛機(jī)”。圖8右圖中的五角星形代表這些飛機(jī)在扇區(qū)內(nèi)的最終目的地。當(dāng)時(shí)間t＝0時(shí)，我們應(yīng)用所提出的沖突管理方法來解決進(jìn)入扇區(qū)的飛機(jī)1帶來的沖突。由于進(jìn)入飛機(jī)的路徑為解決沖突而偏離了它最初的目的地，因而沖突解決算法在 每一個(gè)時(shí)間步進(jìn)量中都要重新運(yùn)行來算出新的方向，以使所有飛機(jī)都能到達(dá)它們的最終目的地。在這一設(shè)想情境中，如果進(jìn)入飛機(jī)繼續(xù)向前飛行，那就需要4.61度的控制活動(dòng)。但是由于讓進(jìn)入飛機(jī)飛經(jīng)按復(fù)雜度來判定的替代性進(jìn)入點(diǎn)，扇區(qū)內(nèi)的飛機(jī)就不需要為解決沖突而進(jìn)行機(jī)動(dòng)操作。圖9左1圖顯示了按照單一均勻網(wǎng)格法來繪制的復(fù)雜度，其中的白色區(qū)域表示飛機(jī)在其中不需要控制活動(dòng)，而在黑色區(qū)域中則有飛機(jī)1造成的沖突。圖9左2圖到9左4圖顯示了按照我們提出的算法、經(jīng)過1-3級(jí)細(xì)化來繪制的復(fù)雜度，其中黑色的小圓圈表示最初預(yù)定進(jìn)入點(diǎn)的(進(jìn)入角、方位角＝267，0)，這是按照進(jìn)入飛機(jī)的初始位置和方向來判定的；黑色小三角則表示重新判定的進(jìn)入點(diǎn)的(進(jìn)入角，方位角＝268，-7)，其中從最近的進(jìn)入點(diǎn)到最初進(jìn)入點(diǎn)之間的控制活動(dòng)C為零。其中，圖9中，B(deg)：方位角(度)；E(deg)：進(jìn)入角(度)。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于復(fù)雜度的空中交通沖突管理方法，與現(xiàn)有技術(shù)中的交通沖突控制方法局限于一個(gè)扇區(qū)中，無法更精確的實(shí)現(xiàn)空中交通的控制相比，其當(dāng)飛機(jī)進(jìn)近某一扇區(qū)時(shí)，繪制進(jìn)入飛機(jī)在每一點(diǎn)扇區(qū)進(jìn)入點(diǎn)進(jìn)入目標(biāo)扇區(qū)的復(fù)雜度計(jì)算圖，并根據(jù)復(fù)雜度計(jì)算圖找到進(jìn)入飛機(jī)的最優(yōu)進(jìn)入點(diǎn)，使用復(fù)雜度提供的空中交通如何對(duì)進(jìn)入飛機(jī)作出反應(yīng)方面的詳細(xì)信息，飛機(jī)進(jìn)入點(diǎn)就能得到修正，能夠最大程度減少扇區(qū)內(nèi)的沖突，以確保進(jìn)入飛機(jī)之間的安全間隔，同時(shí)最大程度減少扇區(qū)管制員的工作負(fù)荷。

本發(fā)明實(shí)施例針對(duì)新來的飛機(jī)進(jìn)入扇區(qū)的問題來探究了不會(huì)給扇區(qū)內(nèi)飛機(jī)帶來沖突解決活動(dòng)的可行的進(jìn)入點(diǎn)。對(duì)這類沖突的常規(guī)解決方法注重的是扇區(qū)內(nèi)部的最優(yōu)解脫辦法，而我們提出的沖突管理方法則嘗試判定多扇區(qū)范圍內(nèi)的最佳策略，這或許就能成為將來進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)。在提出空中交通管理領(lǐng)域中新的沖突解脫方法的同時(shí)，我們也對(duì)最初的復(fù)雜度概念進(jìn)行了重新解讀與改動(dòng)。本發(fā)明實(shí)施例提出的進(jìn)入點(diǎn)決策算法考慮到了進(jìn)入飛機(jī)的機(jī)動(dòng)能力，并應(yīng)用了方差四叉樹算法，以便更加高效地繪制復(fù)雜度。此外我們還展示了數(shù)值模擬(包括一種蒙特卡洛模擬)的結(jié)果，并在真實(shí)交通情境中應(yīng)用了所提出的方法，以驗(yàn)證它的效果。今后在研究應(yīng)當(dāng)擴(kuò)大這種方法所使用的模型，將我們采用的二維交通模型擴(kuò)展為三維 模型。此外或許還需要考慮不同的沖突解決機(jī)動(dòng)操縱(例如同時(shí)改變航向角和速度的綜合機(jī)動(dòng)操縱)。擴(kuò)展后的模型或許需要不同的優(yōu)化技巧，例如非線性規(guī)劃和幾何規(guī)劃，以使它們?cè)谟?jì)算方面更容易駕馭。我們所提出的方法的效果也還需要在多種交通狀況中進(jìn)一步考察。這種沖突管理的概念亦應(yīng)經(jīng)過進(jìn)一步的完善和檢驗(yàn)。此外我們還得要基于此次研究的結(jié)果來制訂更加切實(shí)的空中交通管理規(guī)程以及相關(guān)決策支持工具的界面，并執(zhí)行窮盡式的人機(jī)共生分析，以進(jìn)一步驗(yàn)證所提出的方法的適用性。

本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種基于復(fù)雜度的空中交通沖突管理裝置，所述裝置用于執(zhí)行上述基于復(fù)雜度的空中交通沖突管理方法，參考圖10，所述裝置包括：

復(fù)雜度圖繪制模塊11，用于在檢測(cè)到目標(biāo)扇區(qū)有進(jìn)入飛機(jī)時(shí)，根據(jù)進(jìn)入飛機(jī)進(jìn)入目標(biāo)扇區(qū)后目標(biāo)扇區(qū)中原有飛機(jī)對(duì)應(yīng)的管制活動(dòng)量，繪制目標(biāo)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的復(fù)雜度的計(jì)算圖；其中，管制活動(dòng)量系指為解脫進(jìn)入飛機(jī)帶來的任何沖突，目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)的原有飛機(jī)做出的航向角改變總量；復(fù)雜度的計(jì)算圖系指目標(biāo)扇區(qū)中包括進(jìn)入飛機(jī)的所有飛機(jī)形成的空中交通復(fù)雜程度的分布圖；

最優(yōu)路徑計(jì)算模塊12，用于對(duì)于復(fù)雜度的計(jì)算圖中的沖突區(qū)域，計(jì)算沖突區(qū)域中的沖突最小的最優(yōu)路徑；

最優(yōu)進(jìn)入點(diǎn)選擇模塊13，用于選擇最優(yōu)路徑對(duì)應(yīng)的進(jìn)入點(diǎn)為進(jìn)入飛機(jī)進(jìn)入目標(biāo)扇區(qū)的最優(yōu)進(jìn)入點(diǎn)。

進(jìn)一步的，上述基于復(fù)雜度的空中交通沖突管理裝置，復(fù)雜度圖繪制模塊11，包括：

第一計(jì)算單元，用于按照以下公式計(jì)算進(jìn)入飛機(jī)的進(jìn)入角E和方位角B：其中，二進(jìn)制變量n₁和n₂使進(jìn)入飛機(jī)的進(jìn)入點(diǎn)領(lǐng)域保持為-π≤B≤π且0≤E<2π；E表示進(jìn)入角；B表示方位角；上標(biāo)E表示進(jìn)入飛機(jī)；

第二計(jì)算單元，用于按照以下公式計(jì)算進(jìn)入飛機(jī)的航行軌跡變化曲線： 其中，表示航行軌跡變化曲線的橫坐標(biāo)，表示航行軌跡變化曲線的縱坐標(biāo)；V表示進(jìn)入飛機(jī)的飛行速度，且該速度為定值；上標(biāo)I表示目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)的進(jìn)入飛機(jī)；k表示目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)的 任意一架飛機(jī)；t表示目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)的任意一時(shí)間；

第三計(jì)算單元，用于根據(jù)進(jìn)入飛機(jī)的進(jìn)入角E、方位角B以及進(jìn)入飛機(jī)的航行軌跡變化曲線，計(jì)算繪圖函數(shù)Φ： 其中，Φ表示繪圖函數(shù)；

復(fù)雜度圖繪制單元，用于根據(jù)計(jì)算的繪圖函數(shù)，繪制目標(biāo)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的復(fù)雜度的計(jì)算圖。

進(jìn)一步的，上述基于復(fù)雜度的空中交通沖突管理裝置，最優(yōu)路徑計(jì)算模塊12，包括：

第四計(jì)算單元，用于對(duì)于復(fù)雜度的計(jì)算圖中的沖突區(qū)域，按照混合整數(shù)線性規(guī)劃對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式計(jì)算目標(biāo)扇區(qū)內(nèi)原有飛機(jī)的航向角改變量Δθ： for k＝2,…N。

第五計(jì)算單元，用于根據(jù)原有飛機(jī)的航向角改變量Δθ，計(jì)算沖突區(qū)域中的沖突最小的最優(yōu)路徑。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于復(fù)雜度的空中交通沖突管理裝置，與現(xiàn)有技術(shù)中的交通沖突控制方法局限于一個(gè)扇區(qū)中，無法更精確的實(shí)現(xiàn)空中交通的控制相比，其當(dāng)飛機(jī)進(jìn)近某一扇區(qū)時(shí)，繪制進(jìn)入飛機(jī)在每一點(diǎn)扇區(qū)進(jìn)入點(diǎn)進(jìn)入目標(biāo)扇區(qū)的復(fù)雜度計(jì)算圖，并根據(jù)復(fù)雜度計(jì)算圖找到進(jìn)入飛機(jī)的最優(yōu)進(jìn)入點(diǎn)，使用復(fù)雜度提供的空中交通如何對(duì)進(jìn)入飛機(jī)作出反應(yīng)方面的詳細(xì)信息，飛機(jī)進(jìn)入點(diǎn)就能得到修正，能夠最大程度減少扇區(qū)內(nèi)的沖突，以確保進(jìn)入飛機(jī)之間的安全間隔。

本發(fā)明實(shí)施例所提供的基于復(fù)雜度的空中交通沖突管理可以為設(shè)備上的特定硬件或者安裝于設(shè)備上的軟件或固件等。本發(fā)明實(shí)施例所提供的裝置，其實(shí)現(xiàn)原理及產(chǎn)生的技術(shù)效果和前述方法實(shí)施例相同，為簡要描述，裝置實(shí)施例部分未提及之處，可參考前述方法實(shí)施例中相應(yīng)內(nèi)容。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，前述描述的系統(tǒng)、裝置和單元的具體工作過程，均可以參考上述方法實(shí)施例中的對(duì)應(yīng)過程，在此不再贅述。

在本發(fā)明所提供的實(shí)施例中，應(yīng)該理解到，所揭露裝置和方法，可以通過其它的方式實(shí)現(xiàn)。以上所描述的裝置實(shí)施例僅僅是示意性的，例如，所述單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)可以有另外的劃 分方式，又例如，多個(gè)單元或組件可以結(jié)合或者可以集成到另一個(gè)系統(tǒng)，或一些特征可以忽略，或不執(zhí)行。另一點(diǎn)，所顯示或討論的相互之間的耦合或直接耦合或通信連接可以是通過一些通信接口，裝置或單元的間接耦合或通信連接，可以是電性，機(jī)械或其它的形式。

所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個(gè)地方，或者也可以分布到多個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元上?？梢愿鶕?jù)實(shí)際的需要選擇其中的部分或者全部單元來實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例方案的目的。

另外，在本發(fā)明提供的實(shí)施例中的各功能單元可以集成在一個(gè)處理單元中，也可以是各個(gè)單元單獨(dú)物理存在，也可以兩個(gè)或兩個(gè)以上單元集成在一個(gè)單元中。

所述功能如果以軟件功能單元的形式實(shí)現(xiàn)并作為獨(dú)立的產(chǎn)品銷售或使用時(shí)，可以存儲(chǔ)在一個(gè)計(jì)算機(jī)可讀取存儲(chǔ)介質(zhì)中。基于這樣的理解，本發(fā)明的技術(shù)方案本質(zhì)上或者說對(duì)現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻(xiàn)的部分或者該技術(shù)方案的部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)品存儲(chǔ)在一個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)中，包括若干指令用以使得一臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)備(可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲(chǔ)介質(zhì)包括：U盤、移動(dòng)硬盤、只讀存儲(chǔ)器(ROM，Read-Only Memory)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盤等各種可以存儲(chǔ)程序代碼的介質(zhì)。

應(yīng)注意到：相似的標(biāo)號(hào)和字母在下面的附圖中表示類似項(xiàng)，因此，一旦某一項(xiàng)在一個(gè)附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步定義和解釋，此外，術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”等僅用于區(qū)分描述，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。

最后應(yīng)說明的是：以上所述實(shí)施例，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，其依然可以對(duì)前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改或可輕易想到變化，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改、變化或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)所述以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。