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飞行危险天气下的航班改航路径规划研究

作　者: 李雄
导　师: 徐肖豪
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 交通运输规划与管理
关键词: 改航路径规划危险天气空中交通流量管理几何算法多目标动态规划 NSGA-Ⅱ 路径评估
分类号: V355
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

危险天气是影响航空运输飞行安全和导致航班延误的重要原因。当发生危险天气时,我国现行的流量管理策略只能让航班被动的地面等待,其结果是大量航班在起飞机场被迫延误,进而影响到整个航线网络的顺畅,致使航空公司和旅客蒙受巨大的经济损失。实施改航策略,即安排航班临时选择一条不受飞行限制区域影响的航线,是解决这一问题的有效方法。本论文将对改航策略中危险天气影响区域的划设和航路飞行阶段改航路径的规划展开深入的研究。本文分析了影响飞行安全导致航班改航的各种因素,重点研究了航路飞行阶段的危险天气。提出应用Graham算法划设静态飞行受限区的方法,同时在考虑危险天气的移动、边界变化和随机因素的影响下,提出动态飞行受限区的划设方法。在此基础上,给出了飞行受限区域划设准确性的评估方法,并对上述方法进行了仿真验证。根据飞行受限区的形状、影响范围、尺度及分布特点,将飞行受限区分为三类,即块状飞行受限区、带状分布飞行受限区和散点状分布飞行受限区。针对块状飞行受限区域的改航路径规划,首先建立了块状飞行受限区改航模型,给出了两种初始改航点的确定方法,即基于几何算法的确定法和快速确定法。然后在考虑转弯角度约束、航段距离约束和改航点数量约束的情况下对初始改航点进行了修正,并以我国西南雷暴多发地区为例对该算法进行仿真分析。针对带状分布飞行受限区域的改航路径规划,建立了带状分布飞行受限区域改航模型,并提出了在航线两侧计划航路点周围确定备选改航点的新方法。以改航路径的航程和平均偏离距离为目标,应用多目标动态规划算法在备选改航点和计划航路点组成的航线网络中对改航路径进行规划。最后,以昆明-海口航线为例,对三种典型带状分布的飞行受限区进行了仿真分析。针对散点状分布飞行受限区域的改航路径规划,建立了散点状分布飞行受限区域改航模型,在网格改航环境模型下,给出散点状分布飞行受限区域的描述方法。以改航航段的航线距离、航线平均偏离距离和转弯点数量为目标,应用带精英保留策略的非支配排序遗传算法NSGA-Ⅱ对改航路径规划进行了研究,提出了适用于改航路径规划的编码方法,同时引入了删除算子。最后,以昆明-广州航线为例,对散点状分布飞行受限区影响下的航班改航进行了仿真分析。从航线的安全性、经济性、管制员及飞行员的工作负荷、同计划航线的差异和航线飞行的舒适性角度出发,选取新增航程、平均侧向偏离距离、新增转弯点数量、新增大转弯角数量和新增穿越相邻管制区航段数量5个指标对改航飞行路径进行评估。应用层次分析法分别确定在飞行-空管评估模型、航空公司评估模型和综合评估模型下各指标的权重,并将各评估模型应用于对仿真算例中改航飞行路径的评估分析。此外,对考虑改航策略下的空中交通流量模型进行了初步研究,提出了多机场动态空中交通流量模型,并给出了目标函数和约束条件的数学描述。对模型目标函数中航班延误成本的确定作了深入的分析,应用模糊ISODATA法对航班进行分类,同时给出了各类航班延误成本的确定方法。全文对飞行危险天气影响下的改航路径规划问题进行了深入的研究,所提出的改航路径规划方法针对性强,且易于实现,弥补了我国在该领域研究基础薄弱的不足,为今后改航策略的具体实施作了必要的理论准备。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-19
第一章绪论  19-38
  1.1 研究背景和意义  19-20
  1.2 改航相关概念介绍  20-22
  1.3 国内外研究现状  22-35
    1.3.1 危险天气影响飞行区域划设方法的研究现状  23-27
    1.3.2 改航路径规划方法研究现状  27-33
    1.3.3 空中交通流量模型的研究现状  33-35
  1.4 研究内容及章节安排  35-38
    1.4.1 研究内容  35
    1.4.2 章节安排  35-38
第二章飞行受限区域划设  38-60
  2.1 影响航线正常飞行的因素  38-42
    2.1.1 飞行危险天气概述  38-40
    2.1.2 雷暴及其强对流天气  40-42
  2.2 静态飞行受限区  42-46
    2.2.1 相关基本概念  43-44
    2.2.2 飞行受限区的划设  44-46
  2.3 动态飞行受限区  46-53
    2.3.1 飞行受限区的移动  46-48
    2.3.2 随机因素的影响  48-49
    2.3.3 飞行受限区的边界变化  49-50
    2.3.4 固定时段内的飞行受限区域  50-52
    2.3.5 飞行受限区域的评估  52-53
  2.4 飞行受限区的形状及分布特征  53-56
    2.4.1 块状飞行受限区  53-54
    2.4.2 带状分布飞行受限区  54
    2.4.3 散点状分布飞行受限区  54-56
  2.5 仿真分析  56-59
    2.5.1 改航起始时刻的飞行受限区  56-58
    2.5.2 改航时段内的飞行受限区  58-59
  2.6 本章小结  59-60
第三章块状飞行受限区域下的改航路径规划  60-73
  3.1 块状飞行受限区域改航模型  60-62
  3.2 初始改航点的确定  62-65
    3.2.1 基于几何算法的确定法  62-64
    3.2.2 快速确定法  64-65
  3.3 改航点的修正  65-68
    3.3.1 转弯角度约束  65-66
    3.3.2 航段距离约束  66-67
    3.3.3 改航点数量约束  67-68
  3.4 仿真分析  68-72
    3.4.1 算例1  68-69
    3.4.2 算例2  69-72
    3.4.3 结果分析  72
  3.5 本章小结  72-73
第四章带状分布飞行受限区域下的改航路径规划  73-87
  4.1 带状分布飞行受限区域改航模型  73-74
  4.2 备选改航点的确定  74-77
    4.2.1 环境模型  74-75
    4.2.2 备选改航点  75-77
  4.3 航班改航多目标动态规划模型  77-80
    4.3.1 多目标动态规划  77-78
    4.3.2 改航路径规划模型的建立  78-79
    4.3.3 多目标函数的计算  79-80
  4.4 仿真分析  80-85
    4.4.1 仿真算例  80-81
    4.4.2 结果分析  81-85
  4.5 本章小结  85-87
第五章散点状分布飞行受限区域下的改航路径规划  87-103
  5.1 散点状分布飞行受限区域改航模型  87-88
  5.2 基于网格的环境模型  88-90
    5.2.1 网格划分  88-89
    5.2.2 散点状分布飞行受限区域描述  89-90
  5.3 基于多目标遗传算法的改航路径规划  90-96
    5.3.1 多目标遗传算法  90-91
    5.3.2 染色体编码  91-92
    5.3.3 目标函数的计算  92-93
    5.3.4 算法流程及遗传算子  93-96
  5.4 仿真分析  96-101
    5.4.1 仿真算例  96-97
    5.4.2 结果分析  97-101
  5.5 本章小结  101-103
第六章改航飞行路径的评估  103-116
  6.1 评估指标的确定  103-106
  6.2 基于层次分析法的指标权重选择  106-108
    6.2.1 层次分析法的基本思想  106
    6.2.2 层次分析法的流程  106-108
  6.3 改航路径评估模型  108-110
    6.3.1 飞行-空管评估模型  108-109
    6.3.2 航空公司评估模型  109-110
    6.3.3 综合评估模型  110
  6.4 改航飞行路径比较分析  110-115
    6.4.1 块状飞行受限区域下改航路径评估  110-111
    6.4.2 带状分布飞行受限区域下改航路径评估  111-113
    6.4.3 散点状分布飞行受限区域下改航路径评估  113-115
  6.5 本章小结  115-116
第七章考虑改航策略下的空中交通流量模型  116-127
  7.1 相关概念介绍  116-118
    7.1.1 容量  116-117
    7.1.2 飞行间隔  117-118
  7.2 多机场动态改航空中交通流量模型  118-121
    7.2.1 问题描述及参量定义  118-119
    7.2.2 目标函数  119-120
    7.2.3 约束条件  120-121
  7.3 延误成本分析  121-126
    7.3.1 模糊聚类分析  121-123
    7.3.2 航班分类  123-125
    7.3.3 机型延误成本的确定  125-126
  7.4 本章小结  126-127
第八章结论与展望  127-130
  8.1 主要研究工作总结  127-128
  8.2 论文的主要创新点  128-129
  8.3 未来研究工作的展望  129-130
参考文献  130-136
致谢  136-137
在学期间的研究成果及发表的学术论文  137-138

飞行危险天气下的航班改航路径规划研究

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