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1、南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文空中交通流量管理關(guān)鍵技術(shù)研究姓名:田勇申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:博士專業(yè):交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理指導(dǎo)教師:胡明華200909南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文摘要隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和國防能力的增強(qiáng),軍民航飛行活動(dòng)增長迅速,且空中交通流量分布極不均衡。當(dāng)空域容量無法滿足流量需求時(shí),所導(dǎo)致的空中交通擁塞不僅嚴(yán)重影響飛行安全,而且給軍民航帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失??罩薪煌髁抗芾?ATFM)是解決空中交通擁塞最有效、最經(jīng)濟(jì)的手段,美國、歐洲等航空發(fā)達(dá)國家已經(jīng)建立、并仍在不斷完善各自的空中交通流量管理系統(tǒng),并因
2、此取得了巨大的效益。借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),建立我國的空中交通流量管理體系,是我國航空運(yùn)輸快速發(fā)展的迫切需要和必然趨勢。有關(guān)部門已經(jīng)啟動(dòng)對(duì)空中交通流量管理體系、流量管理核心技術(shù)、系統(tǒng)開發(fā)等方面的研究,并首次將“協(xié)同流量管理核心技術(shù)”納入國家863計(jì)劃“新—代國家空中交通管理系統(tǒng)”重大項(xiàng)目中,作為發(fā)揮新一代國家空管系統(tǒng)在空管運(yùn)行中技術(shù)優(yōu)勢的重要保證。本文首先闡述空中交通流量管理的基本概念和國內(nèi)外流量管理發(fā)展現(xiàn)狀,接著對(duì)國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)研究進(jìn)行了綜述,在此基礎(chǔ)上以建設(shè)國家空中交通流量管理系統(tǒng)為目標(biāo),對(duì)空中交通流量管理系統(tǒng)中
3、的部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,主要包括以下內(nèi)容:1、建立了機(jī)場地面靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的容量評(píng)估模型,應(yīng)用Dijkstra算法和滑動(dòng)時(shí)間窗對(duì)容量評(píng)估模型進(jìn)行求解,提高了動(dòng)態(tài)容量評(píng)估模型的準(zhǔn)確性和靈活性,并將成果應(yīng)用于深圳寶安國際機(jī)場的改擴(kuò)建工程。本文對(duì)空中交通容量的定義、評(píng)估方法進(jìn)行了歸納、總結(jié),通過對(duì)不同空域單元影響容量因素和限制條件的對(duì)比分析,將影響因素分為空域(機(jī)場)使用策略、航班流特性、實(shí)際管制間隔三類,根據(jù)這三類影響因素的時(shí)效性分別建立了靜態(tài)評(píng)估模型和動(dòng)態(tài)評(píng)估模型,并與目前國內(nèi)大量機(jī)場改擴(kuò)建中需要對(duì)機(jī)場地面進(jìn)行容量
4、評(píng)估的實(shí)際需求相結(jié)合,選取深圳寶安國際機(jī)場分別進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)容量評(píng)估。針對(duì)機(jī)場地面動(dòng)態(tài)容量評(píng)估,一方面在建立地面網(wǎng)絡(luò)模型的過程中采用Dijkstra算法,實(shí)現(xiàn)航班模型的最短路徑的搜尋;另一方面在對(duì)飛機(jī)動(dòng)態(tài)分配路徑的同時(shí),采用滑動(dòng)時(shí)間窗方法優(yōu)化航班序列。評(píng)估結(jié)果表明,動(dòng)態(tài)容量為一個(gè)時(shí)變量,可為制定預(yù)戰(zhàn)術(shù)或戰(zhàn)術(shù)流量管理方案提供決策支持;在動(dòng)態(tài)評(píng)估中通過搜尋最短路徑減小了以往采用固定滑行路徑評(píng)估的誤差,還大大提高了模型的靈活性,可對(duì)機(jī)場的改擴(kuò)建起到參考作用。2、建立了基于進(jìn)離場容量轉(zhuǎn)化的單機(jī)場地面等待策略及多機(jī)場地
5、面等待策略的多目標(biāo)優(yōu)化模型,設(shè)計(jì)了多目標(biāo)遺傳算法,并應(yīng)用于全國航班計(jì)劃的優(yōu)化。在對(duì)現(xiàn)有單機(jī)場、多機(jī)場地面等待模型進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上,針對(duì)機(jī)場跑道同時(shí)用于進(jìn)場與離場的運(yùn)行實(shí)際,而目前大多單機(jī)場地面等待策略模型中只專注于進(jìn)場航班對(duì)機(jī)場容量影響的實(shí)際情況,提出基于進(jìn)離場容量轉(zhuǎn)化的單機(jī)場地面等待策略模型。該模型通過進(jìn)場優(yōu)先級(jí)可對(duì)進(jìn)場、離場航班隊(duì)列進(jìn)行調(diào)節(jié),得到適合于離場、適合于進(jìn)場和進(jìn)離場均衡的最優(yōu)解。針對(duì)目I空中交通流量管理關(guān)鍵技術(shù)研究前多機(jī)場地面等待模型中大多以航班總延誤損失最小為單一的目標(biāo)函數(shù),難以滿足不同方、不同
6、情景的需求,將多機(jī)場地面等待問題作為一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問題處理,并采用快速非支配排序遺傳算法(NSGA.Ⅱ)進(jìn)行求解,得到滿足約束的多個(gè)調(diào)配方案,為各方進(jìn)行協(xié)調(diào)、決策提供了依據(jù)。最后以全國航班計(jì)劃為實(shí)例,對(duì)選取總延誤最小、準(zhǔn)點(diǎn)率最高和被調(diào)整航班數(shù)最少三個(gè)指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù),驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和有效性。3、建立了不確定天氣條件下空中等待、地面等待和改航三者相結(jié)合的改航策略,相比已有的改航模型,有利于提高航班的準(zhǔn)點(diǎn)率和空域的使用率,減少后續(xù)航班的延誤;利用馬爾可夫鏈中的最大轉(zhuǎn)移概率原理確定未來天氣狀態(tài);采用人工智能中的A
7、宰算法進(jìn)行航路更改后最短路徑的求解,并結(jié)合實(shí)際飛行計(jì)劃進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。4、對(duì)空域的靈活使用、空域分類研究進(jìn)行了總結(jié),結(jié)合我國國情對(duì)適用于我國的空域靈活使用方法和評(píng)估指數(shù)、空域分類空域動(dòng)態(tài)管理機(jī)制的建設(shè)提出建議,并對(duì)空域運(yùn)行管理仿真與評(píng)估系統(tǒng)提出初步方案,對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各分系統(tǒng)功能進(jìn)行了描述。5、將理論研究的成果應(yīng)用于實(shí)際,參與容量評(píng)估系統(tǒng)和地區(qū)級(jí)流量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)工作,對(duì)“容量評(píng)估系統(tǒng)”和“中南地區(qū)流量管理系統(tǒng)”的研制概況、各分系統(tǒng)的主要功能進(jìn)行了介紹。目前,“容量評(píng)估系統(tǒng)”已成功應(yīng)用于國內(nèi)十二個(gè)繁忙機(jī)場(區(qū)域
8、)的容量評(píng)估,“中南地區(qū)流量管理系統(tǒng)”已經(jīng)在民航中南空管局試運(yùn)行。各研究成果在機(jī)場和空管系統(tǒng)的良好應(yīng)用對(duì)減少航班擁擠與航班延誤、提高航班正常率和空域利用率、加大空中交通流量起到了重要作用,同時(shí)也為國家空中交通流量管理系統(tǒng)的建設(shè)提供參考和借鑒。關(guān)鍵詞:空中交通流量管理,容量評(píng)估,地面等待,改航,空域管理Ⅱ南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文AbstractWiththerapiddevelopm