本發(fā)明涉及終端管制區(qū)空域管理和規(guī)劃技術領域，具體而言，涉及一種終端管制區(qū)的航線規(guī)劃方法及裝置。

背景技術：

我國航空運輸快速蓬勃發(fā)展，促使空域結(jié)構(gòu)愈發(fā)復雜，機場密集程度越發(fā)增強。為緩解繁忙地區(qū)多機場相互影響造成的運行壓力，在保證安全的前提下，對終端管制區(qū)的航線進行優(yōu)化調(diào)整，最大限度的利用空域資源、滿足飛行需求，減少航班延誤，具有十分重要的意義。

目前，當終端管制區(qū)內(nèi)兩個或兩個以上的機場相距足夠近以至于它們再也無法互不干擾地起降航班時，便需要相互之間進行合作。在一定程度上，進出這些機場的空中交通流量必須以一種耦合和集成的方式來處理。這涉及從戰(zhàn)略空域設計到單個航班戰(zhàn)術控制的一種或多種技術。Li ling等人對美國典型的四個多機場終端區(qū)——亞特蘭大，洛杉磯，紐約和邁阿密進行了實地調(diào)研，對機場構(gòu)型相關性、空域耦合程度、交通流的交互以及環(huán)境天氣等限制因素進行了分析和對比，為下一代空管計劃下多機場的運行概念提供研究基礎。Brian J將隨機遺傳算法與解決線性問題方法相結(jié)合，提出了一種混合優(yōu)化方案，用于解決與空中交通管理相關的航路分配、排序和時隙問題。初步的結(jié)果顯示混合優(yōu)化方案與整數(shù)線性規(guī)劃相比，在等價的目標函數(shù)下可以在更短的時間內(nèi)尋求到結(jié)果。

從問題的求解技術來看，終端管制區(qū)航線優(yōu)化問題可以分為三大類。第一類，基于空間策略的分配方法是指將一個或多個機場的需求轉(zhuǎn)移至一種不同的資源(如一片不同的空域)以消除原有的空域沖突，該方法可以發(fā)揮預定義航線或空域走廊的作用，因此，除了防止通用航線或空域走廊的過度擁擠外，無需對飛機的起降時刻進行控制，其中，預定義的航線集既可以是固定的，也可以周期性地變更，但在這些偶然的變更之間是保持不變的，而且總可以通過設計來化解空域沖突；第二類，基于時間策略的分配方法是指對共享資源的協(xié)調(diào)使用，以使每個機場能在不同的時刻使用這種資源，該方法要求對飛機沿航線移動或通過空域的時刻進行協(xié)調(diào)，以防空域沖突發(fā)生，一般來講，這種協(xié)調(diào)可能在終端管制區(qū)內(nèi)的一個或多個航點進行；第三類，基于混合策略的航線分配方法是對時間策略和空間策略的組合形式，在終端管制區(qū)機場運營的空間與時間方法之間進行優(yōu)化平衡。通常來說，空間方法通常被用來解耦終端管制區(qū)機場的航班起降。因而，空間方法要比時間方法更有效。另外，在某架特定飛機準備利用某個空域資源時存在的較大不確定性預示著航班的連續(xù)起降之間需要使用較大的安全緩沖區(qū)。

在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)相關技術中至少存在以下問題：相關技術中終端管制區(qū)的航線分配方法通過預先將不同空域分配給各個機場使得每個機場可用的離港走廊變少，此時分配給其他機場的空域?qū)暮骄€不可用，從而使得某一機場連續(xù)離港的航班之間需要加大間隔來確保各個連續(xù)離港飛機的安全性，延長了航班的起飛時間，減少了一定時間段內(nèi)離港的航班數(shù)；另外，在某個機場處于航班起降高峰期而終端管制區(qū)的其它機場較為空閑時，不允許繁忙的機場利用分配給空閑的機場的空域，也就是說，這種運行方式使得空域利用率降低。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明實施例的目的在于提供一種終端管制區(qū)的航線規(guī)劃方法及裝置，以實現(xiàn)高效、準確地為各個航班規(guī)劃航線，且保證終端管制區(qū)的各個空域的有效利用率。

第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種終端管制區(qū)的航線規(guī)劃方法，該方法包括：

獲取終端管制區(qū)內(nèi)待規(guī)劃航班集合和所述航班集合對應的多個飛行計劃信息、以及獲取所述終端管制區(qū)內(nèi)的可用航線集合和所述可用航線集合對應的航路點集合，其中，所述飛行計劃信息包括：出發(fā)地點、起飛時間、到達地點、降落時間、預計飛行時間窗口；

將獲取的所述待規(guī)劃航班集合、多個所述飛行計劃信息、所述可用航線集合、以及所述航路點集合輸入至預先建立的終端區(qū)航線優(yōu)化模型，根據(jù)所述終端區(qū)航線優(yōu)化模型分別確定所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線，其中，所述終端區(qū)航線優(yōu)化模型包括：將航班離開所述終端管制區(qū)所需的總時間最小化的目標函數(shù)、以及對航班的航線進行約束的多個約束條件方程；

根據(jù)所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線分別調(diào)取各個所述航線上的多個航路點；

依次輸出確定出的多個所述航班對應的航線，其中，所述待規(guī)劃航班集合為f_j表示待規(guī)劃航班集合中第j個航班，N_F表示待規(guī)劃航班集合的航班總數(shù)，j表示待規(guī)劃航班集合中各個航班的序號，所述可用航線集合為r_i表示可用航線集合中第i條航線，N_R表示可用航線集合的航線總數(shù)，i表示可用航線集合中各個航線的序號，所述航路點集合為p_g表示航路點集合中第g個航路點，N_P表示航路點集合的航路點總數(shù)，g表示航路點集合中各個航路點的序號。

結(jié)合第一方面，本發(fā)明實施例提供了第一方面的第一種可能的實施方式，其中，根據(jù)所述終端區(qū)航線優(yōu)化模型分別確定所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線包括：

根據(jù)目標函數(shù)對所述待規(guī)劃航班集合中各個航班離開所述終端管制區(qū)所需的總時間進行約束，以使各個航班離開所述終端管制區(qū)所需的總時間最短；

將以下多個約束條件方程對應的約束條件作為確定所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線的約束條件；

其中，多個所述約束條件方程包括：第一約束條件方程、第二約束條件方程、第三約束條件方程和第四約束條件方程，

所述第一約束條件方程對應的約束條件為使航線滿足有且只有一個的第一約束條件；

所述第二約束條件方程and對應的約束條件為使航線滿足航班在航線上的起飛時間晚于所述航線上初始航路點的最早可用時間且航班在對應的航線上的起飛時間早于所述航線上初始航路點的最晚可用時間的第二約束條件，表示航線r上初始航路點p₁的最早可用時間，表示航線r上初始航路點p₁的最晚可用時間；

所述第三約束條件方程and對應的約束條件為使航線滿足航班在航線上的降落時間晚于所述航線上最終航路點的最早可用時間且航班在對應的航線上的降落時間早于所述航線上最終航路點的最晚可用時間的第三約束條件，表示航線r上最終航路點的最早可用時間，表示航線r上最終航路點的最晚可用時間；

所述第四約束條件方程

對應的約束條件為使航線滿足對于第一航班f∈F經(jīng)過對應的第一航線r上的航路點p與第二航班f'∈F經(jīng)過對應的第二航線r'上的航路點p的先后順序具有唯一性的第四約束條件；

將同時滿足所述第一約束條件、第二約束條件、第三約束條件和第四約束條件、以及滿足所述目標函數(shù)的航線作為所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線；

其中，A_f,r表示二進制航線分配變量，若給定航班f∈F對應的航線為r，則A_f,r＝1，T_f,r,p表示給定航班f∈F經(jīng)過對應的航線r上的航路點p的時間變量，r∈R^f及p∈P^r，R^f＝{r_k|航班f的所有可選擇的航線r，k∈{1，2，....，N_R(f)}}表示給定航班f∈F對應的可選擇的航線集合，N_R(f)表示給定航班f∈F可選擇的航線總數(shù)，k表示給定航班f∈F對應的可選擇的航線集合中各個航線的序號，P^r＝{p_h|航線r包含的所有航路點p，h∈{1，2，....，N_P(r)}}表示給定航線r∈R對應的航路點集合，N_P(r)表示給定航線r∈R對應的航路點總數(shù)，h表示給定航線r∈R對應的航路點集合中各個航路點的序號，所述可用航線集合滿足公式所述航路點集合滿足公式表示二進制航線分配變量與給定航班f∈F經(jīng)過對應的航線r上的航路點p的時間變量的乘積的輔助變量，S_f,f',r,r',p表示二進制航路點到達變量，若第一航班f∈F經(jīng)過對應的第一航線r上的航路點p早于第二航班f'∈F經(jīng)過對應的第二航線r'上的航路點p，則S_f,f',r,r',p＝1，r∈R^f、r'∈R^f′、p∈P^r∩P^r'≠Φ，表示二進制航線分配變量A_f,r與A_f',r'的乘積。

結(jié)合第一方面的第一種可能的實施方式，本發(fā)明實施例提供了第一方面的第二種可能的實施方式，其中，根據(jù)所述終端區(qū)航線優(yōu)化模型分別確定所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線包括：

將以下多個約束條件方程對應的約束條件作為確定所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線的約束條件；

其中，多個所述約束條件方程還包括：第五約束條件方程和第六約束條件方程，

所述第五約束條件方程

對應的約束條件為使航線滿足將連續(xù)到達第一航線r上的航路點p的第一航班f∈F與到達第二航線r'上的航路點p的第二航班f'∈F分離開來的分離時間最小化的第五約束條件，其中，SEP_f,f',p表示將到達第一航線r上的航路點p的第一航班f∈F與到達第二航線r'上的航路點p的第二航班f'∈F分離開來的分離時間，M表示任意大的常數(shù)，m表示任意小的常數(shù)；

所述第六約束條件方程

對應的約束條件為使航線滿足航班到達航路點p、以及達到與所述航路點p的相鄰航路點p′的時間間隔大于最小時間間隔閾值且小于最大時間間隔閾值的第六約束條件，其中，(ΔT_f,r,p,p')_min表示航班到達航路點p、以及達到與所述航路點p的相鄰航路點p′的時間間隔對應的最小時間間隔閾值，(ΔT_f,r,p,p')_max確定航班到達航路點p、以及達到與所述航路點p的相鄰航路點p′的時間間隔對應的最大時間間隔閾值；

將同時滿足第一約束條件、第二約束條件、第三約束條件、第四約束條件、第五約束條件和第六約束條件、以及滿足所述目標函數(shù)的航線作為所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線。

結(jié)合第一方面的第二種可能的實施方式，本發(fā)明實施例提供了第一方面的第三種可能的實施方式，其中，所述方法還包括：

根據(jù)公式確定航班到達航路點p、以及達到與所述航路點p的相

鄰航路點p′的時間間隔對應的最小時間間隔閾值，其中，表示給定航線r上從航路點p至航路點p′航線段的最小路徑調(diào)整因子，表示給定航線r上從航路點p至航路點p′航線段的最大速度，d_r,p，p'表示給定航線r上從航路點p至航路點p′航線段的距離；

根據(jù)公式確定航班到達航路點p、以及達到與所述航路點p的相鄰航路點p′的時間間隔對應的最大時間間隔閾值，其中，表示給定航線r上從航路點p至航路點p′航線段的最大路徑調(diào)整因子，表示給定航線r上從航路點p至航路點p′航線段的最小速度；

根據(jù)公式確定將到達第一航線r上的航路點p的第一航班f∈F與到達第二航線r'上的航路點p的第二航班f'∈F分離開來的分離時間，其中，表示可能存在沖突的航路點p的所需最小間隔時間，|ef|表示航班f∈F相對于預計飛行時間窗口的變化程度，|ef'|表示航班f'∈F相對于預計飛行時間窗口的變化程度。

結(jié)合第一方面至第一方面的第三種可能的實施方式中的任一種可能的實施方式，本發(fā)明實施例提供了第一方面的第四種可能的實施方式，其中，所述方法還包括：

按照以下規(guī)則策略對所述終端區(qū)航線優(yōu)化模型中的所述目標函數(shù)和多個所述約束條件方程進行求解；

其中，所述規(guī)則策略包括：第一規(guī)則策略、第二規(guī)則策略和第三規(guī)則策略，

所述第一規(guī)則策略為通過公式且約束兩兩航班的共享航線段上的航班順序由會聚航路點的航班順序設定，其中，S_{f,f',r，r',p}表示二進制航路點到達變量，若第一航班f∈F經(jīng)過對應的第一航線r上的航路點p早于第二航班f'∈F經(jīng)過對應的第二航線r'上的航路點p，則S_{f,f',r，r',p}＝1；

所述第二規(guī)則策略為通過公式

S_f,f',r,r',p＝A_f,rA_f',r',其中，排除不存在沖突的第一航班f∈F對應的第一航線r與第二航班f'∈F對應的第二航線r'的共享航路點p，其中，A_f,r表示二進制航線分配變量，若給定航班f∈F對應的航線為r，則A_f,r＝1；

所述第三規(guī)則策略為利用窗口技術將待規(guī)劃航班集合劃分為多個航班子集，在對多個所述航班子集進行求解的過程中，將前一航班子集的解作為后一航班子集的附加約束條件，重復對各個所述航班子集進行求解，直到確定出所述待規(guī)劃航班集合中所有航班對應的航線。

第二方面，本發(fā)明實施例還提供了一種終端管制區(qū)的航線規(guī)劃裝置，該裝置包括：

信息獲取模塊，用于獲取終端管制區(qū)內(nèi)待規(guī)劃航班集合和所述航班集合對應的多個飛行計劃信息、以及獲取所述終端管制區(qū)內(nèi)的可用航線集合和所述可用航線集合對應的航路點集合，其中，所述飛行計劃信息包括：出發(fā)地點、起飛時間、到達地點、降落時間、預計飛行時間窗口；

航線確定模塊，用于將獲取的所述待規(guī)劃航班集合、多個所述飛行計劃信息、所述可用航線集合、以及所述航路點集合輸入至預先建立的終端區(qū)航線優(yōu)化模型，根據(jù)所述終端區(qū)航線優(yōu)化模型分別確定所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線，其中，所述終端區(qū)航線優(yōu)化模型包括：將航班離開所述終端管制區(qū)所需的總時間最小化的目標函數(shù)、以及對航班的航線進行約束的多個約束條件方程；

航路點調(diào)取模塊，用于根據(jù)所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線分別調(diào)取各個所述航線上的多個航路點；

航線輸出模塊，用于依次輸出確定出的多個所述航班對應的航線，其中，所述待規(guī)劃航班集合為f_j表示待規(guī)劃航班集合中第j個航班，N_F表示待規(guī)劃航班集合的航班總數(shù)，j表示待規(guī)劃航班集合中各個航班的序號，所述可用航線集合為r_i表示可用航線集合中第i條航線，N_R表示可用航線集合的航線總數(shù)，i表示可用航線集合中各個航線的序號，所述航路點集合為p_g表示航路點集合中第g個航路點，N_P表示航路點集合的航路點總數(shù)，g表示航路點集合中各個航路點的序號。

結(jié)合第二方面，本發(fā)明實施例提供了第二方面的第一種可能的實施方式，其中，所述航線確定模塊包括：

停留時間約束單元，用于根據(jù)目標函數(shù)對所述待規(guī)劃航班集合中各個航班離開所述終端管制區(qū)所需的總時間進行約束，以使各個航班離開所述終端管制區(qū)所需的總時間最短；

第一約束條件確定單元，用于將以下多個約束條件方程對應的約束條件作為確定所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線的約束條件；其中，多個所述約束條件方程包括：第一約束條件方程、第二約束條件方程、第三約束條件方程和第四約束條件方程，

所述第一約束條件方程對應的約束條件為使航線滿足有且只有一個的第一約束條件；

所述第二約束條件方程and對應的約束條件為使航線滿足航班在航線上的起飛時間晚于所述航線上初始航路點的最早可用時間且航班在對應的航線上的起飛時間早于所述航線上初始航路點的最晚可用時間的第二約束條件，表示航線r上初始航路點p₁的最早可用時間，表示航線r上初始航路點p₁的最晚可用時間；

所述第三約束條件方程and對應的約束條件為使航線滿足航班在航線上的降落時間晚于所述航線上最終航路點的最早可用時間且航班在對應的航線上的降落時間早于所述航線上最終航路點的最晚可用時間的第三約束條件，表示航線r上最終航路點的最早可用時間，表示航線r上最終航路點的最晚可用時間；

所述第四約束條件方程

對應的約束條件為使航線滿足對于第一航班f∈F經(jīng)過對應的第一航線r上的航路點p與第二航班f'∈F經(jīng)過對應的第二航線r'上的航路點p的先后順序具有唯一性的第四約束條件；

第一航線生成單元，用于將同時滿足所述第一約束條件、第二約束條件、第三約束條件和第四約束條件、以及滿足所述目標函數(shù)的航線作為所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線；

其中，A_f,r表示二進制航線分配變量，若給定航班f∈F對應的航線為r，則A_f,r＝1，T_f,r,p表示給定航班f∈F經(jīng)過對應的航線r上的航路點p的時間變量，r∈R^f及p∈P^r，R^f＝{r_k|航班f的所有可選擇的航線r，k∈{1，2，....，N_R(f)}}表示給定航班f∈F對應的可選擇的航線集合，N_R(f)表示給定航班f∈F可選擇的航線總數(shù)，k表示給定航班f∈F對應的可選擇的航線集合中各個航線的序號，P^r＝{ph|航線r包含的所有航路點p，h∈{1，2，....，NP(r)}}表示給定航線r∈R對應的航路點集合，N_P(r)表示給定航線r∈R對應的航路點總數(shù)，h表示給定航線r∈R對應的航路點集合中各個航路點的序號，所述可用航線集合滿足公式所述航路點集合滿足公式表示二進制航線分配變量與給定航班f∈F經(jīng)過對應的航線r上的航路點p的時間變量的乘積的輔助變量，S_{f,f',r，r',p}表示二進制航路點到達變量，若第一航班f∈F經(jīng)過對應的第一航線r上的航路點p早于第二航班f'∈F經(jīng)過對應的第二航線r'上的航路點p，則S_f,f',r,r',p＝1，r∈R^f、r'∈R^f′、p∈P^r∩P^r'≠Φ，表示二進制航線分配變量A_f,r與A_f',r'的乘積。

結(jié)合第二方面的第一種可能的實施方式，本發(fā)明實施例提供了第二方面的第二種可能的實施方式，其中，所述航線確定模塊包括：

第二約束條件確定單元，用于將以下多個約束條件方程對應的約束條件作為確定所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線的約束條件；其中，多個所述約束條件方程還包括：第五約束條件方程和第六約束條件方程，

所述第五約束條件方程

對應的約束條件為使航線滿足將連續(xù)到達第一航線r上的航路點p的第一航班f∈F與到達第二航線r'上的航路點p的第二航班f'∈F分離開來的分離時間最小化的第五約束條件，其中，SEP_f,f',p表示將到達第一航線r上的航路點p的第一航班f∈F與到達第二航線r'上的航路點p的第二航班f'∈F分離開來的分離時間，M表示任意大的常數(shù)，m表示任意小的常數(shù)；

所述第六約束條件方程

對應的約束條件為使航線滿足航班到達航路點p、以及達到與所述航路點p的相鄰航路點p′的時間間隔大于最小時間間隔閾值且小于最大時間間隔閾值的第六約束條件，其中，(ΔT_f,r,p,p')_min表示航班到達航路點p、以及達到與所述航路點p的相鄰航路點p′的時間間隔對應的最小時間間隔閾值，(ΔT_f,r,p,p')_max確定航班到達航路點p、以及達到與所述航路點p的相鄰航路點p′的時間間隔對應的最大時間間隔閾值；

第二航線生成單元，用于將同時滿足所述第一約束條件、第二約束條件、第三約束條件、第四約束條件、第五約束條件和第六約束條件、以及滿足所述目標函數(shù)的航線作為所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線。

結(jié)合第二方面的第二種可能的實施方式，本發(fā)明實施例提供了第二方面的第三種可能的實施方式，其中，所述裝置還包括：

最小時間間隔閾值確定模塊，用于根據(jù)公式確定航班到達航路點p、以及達到與所述航路點p的相鄰航路點p′的時間間隔對應的最小時間間隔閾值，其中，表示給定航線r上從航路點p至航路點p′航線段的最小路徑調(diào)整因子，表示給定航線r上從航路點p至航路點p′航線段的最大速度，d_r,p,p'表示給定航線r上從航路點p至航路點p′航線段的距離；

最大時間間隔閾值確定模塊，用于根據(jù)公式確定航班到達航路點p、以及達到與所述航路點p的相鄰航路點p′的時間間隔對應的最大時間間隔閾值，其中，表示給定航線r上從航路點p至航路點p′航線段的最大路徑調(diào)整因子，表示給定航線r上從航路點p至航路點p′航線段的最小速度；

分離時間確定模塊，用于根據(jù)公式確定將到達第一航線r上的航路點p的第一航班f∈F與到達第二航線r'上的航路點p的第二航班f'∈F分離開來的分離時間，其中，表示可能存在沖突的航路點p的所需最小間隔時間，|ef|表示航班f∈F相對于預計飛行時間窗口的變化程度，|ef'|表示航班f'∈F相對于預計飛行時間窗口的變化程度。

結(jié)合第二方面至第二方面的第三種可能的實施方式中的任一種可能的實施方式，本發(fā)明實施例提供了第二方面的第四種可能的實施方式，其中，所述裝置還包括：

求解優(yōu)化模塊，用于按照以下規(guī)則策略對所述終端區(qū)航線優(yōu)化模型中的所述目標函數(shù)和多個所述約束條件方程進行求解；

其中，所述規(guī)則策略包括：第一規(guī)則策略、第二規(guī)則策略和第三規(guī)則策略，所述第一規(guī)則策略為通過公式

且約束兩兩航班的共享航線段上的航班順序由會聚航路點的航班順序設定，其中，S_f,f',r,r',p表示二進制航路點到達變量，若第一航班f∈F經(jīng)過對應的第一航線r上的航路點p早于第二航班f'∈F經(jīng)過對應的第二航線r'上的航路點p，則S_f,f',r,r',p＝1；

所述第二規(guī)則策略為通過公式

S_f,f',r,r',p＝A_f,rA_f',r',其中，排除不存在沖突的第一航班f∈F對應的第一航線r與第二航班f'∈F對應的第二航線r'的共享航路點p，其中，A_f,r表示二進制航線分配變量，若給定航班f∈F對應的航線為r，則A_f,r＝1；

所述第三規(guī)則策略為利用窗口技術將待規(guī)劃航班集合劃分為多個航班子集，在對多個所述航班子集進行求解的過程中，將前一航班子集的解作為后一航班子集的附加約束條件，重復對各個所述航班子集進行求解，直到確定出所述待規(guī)劃航班集合中所有航班對應的航線。

在本發(fā)明實施例提供的終端管制區(qū)的航線規(guī)劃方法及裝置中，首先，獲取終端管制區(qū)內(nèi)待規(guī)劃航班集合和航班集合對應的多個飛行計劃信息、以及獲取終端管制區(qū)內(nèi)的可用航線集合和可用航線集合對應的航路點集合；然后，將獲取的到各個參數(shù)輸入至預先建立的終端區(qū)航線優(yōu)化模型，再根據(jù)終端區(qū)航線優(yōu)化模型分別確定各個航班對應的航線。本發(fā)明通過預先建立終端區(qū)航線優(yōu)化模型，將獲取到的參數(shù)輸入至該終端區(qū)航線優(yōu)化模型，使用目標函數(shù)和多個約束條件從時間和空間上綜合分析終端管制區(qū)各個航班對應的進離場航線，從而實現(xiàn)高效、準確地為各個航班規(guī)劃進離場航線，提高終端管制區(qū)空域利用率，減少航班延誤。

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

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1示出了本發(fā)明實施例所提供的一種終端管制區(qū)的航線規(guī)劃方法的流程示意圖；

圖2示出了本發(fā)明實施例所提供的包含航線R1、R2和R3三條航線的終端區(qū)空域示意圖；

圖3a示出了本發(fā)明實施例所提供的測試用例所研究的航點隔離運行的空域示意圖；

圖3b示出了本發(fā)明實施例所提供的測試用例所研究的航點共享運行的空域示意圖；

圖4a示出了本發(fā)明實施例所提供的測試用例中航點隔離運行的空域資源使用情況示意圖；

圖4b示出了本發(fā)明實施例所提供的測試用例中航點共享運行的空域資源使用情況示意圖；

圖5a示出了本發(fā)明實施例所提供的對于相同機場4海里-其它機場6海里-600秒窗口的場景下，航點共享運行的空域資源使用情況示意圖；

圖5b示出了本發(fā)明實施例所提供的對于相同機場4海里-其它機場6海里-無窗口的場景下，航點共享運行的空域資源使用情況示意圖；

圖6示出了本發(fā)明實施例所提供的一種終端管制區(qū)的航線規(guī)劃裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

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

考慮到采用相關技術中的終端管制區(qū)航線的分配方法無法實現(xiàn)高效、準確地為各個航班規(guī)劃航線，且無法保證終端管制區(qū)的各個空域的有效利用率?；诖耍景l(fā)明實施例提供了一種終端管制區(qū)的航線規(guī)劃方法及裝置，下面通過實施例進行描述。

如圖1所示，本發(fā)明實施例提供了一種終端管制區(qū)的航線規(guī)劃方法，該方法包括步驟S102-S108，具體如下：

步驟S102：獲取終端管制區(qū)內(nèi)待規(guī)劃航班集合和所述航班集合對應的多個飛行計劃信息、以及獲取所述終端管制區(qū)內(nèi)的可用航線集合和所述可用航線集合對應的航路點集合，其中，所述飛行計劃信息包括：出發(fā)地點、起飛時間、到達地點、降落時間、預計飛行時間窗口；

步驟S104：將獲取的所述待規(guī)劃航班集合、多個所述飛行計劃信息、所述可用航線集合、以及所述航路點集合輸入至預先建立的終端區(qū)航線優(yōu)化模型，根據(jù)所述終端區(qū)航線優(yōu)化模型分別確定所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線，其中，所述終端區(qū)航線優(yōu)化模型包括：將航班離開所述終端管制區(qū)所需的總時間最小化的目標函數(shù)、以及對航班的航線進行約束的多個約束條件方程；

步驟S106：根據(jù)所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線分別調(diào)取各個所述航線上的多個航路點；

步驟S108：依次輸出確定出的多個所述航班對應的航線，其中，所述待規(guī)劃航班集合為f_j表示待規(guī)劃航班集合中第j個航班，N_F表示待規(guī)劃航班集合的航班總數(shù)，j表示待規(guī)劃航班集合中各個航班的序號，所述可用航線集合為r_i表示可用航線集合中第i條航線，N_R表示可用航線集合的航線總數(shù)，i表示可用航線集合中各個航線的序號，所述航路點集合為p_g表示航路點集合中第g個航路點，N_P表示航路點集合的航路點總數(shù)，g表示航路點集合中各個航路點的序號。

在本發(fā)明提供的實施例中，通過預先建立終端區(qū)航線優(yōu)化模型，將獲取到的參數(shù)輸入至該終端區(qū)航線優(yōu)化模型，使用目標函數(shù)和多個約束條件從時間和空間上綜合分析終端管制區(qū)各個航班對應的進離場航線，從而實現(xiàn)高效、準確地為各個航班規(guī)劃進離場航線，提高終端管制區(qū)空域利用率，減少航班延誤。

進一步的，為了更詳細的給出終端區(qū)航線優(yōu)化模型包含的具體目標函數(shù)和各個約束條件方程，根據(jù)所述終端區(qū)航線優(yōu)化模型分別確定所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線包括：

根據(jù)目標函數(shù)對所述待規(guī)劃航班集合中各個航班離開所述終端管制區(qū)所需的總時間進行約束，以使各個航班離開所述終端管制區(qū)所需的總時間最短；

將以下多個約束條件方程對應的約束條件作為確定所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線的約束條件；

其中，多個所述約束條件方程包括：第一約束條件方程、第二約束條件方程、第三約束條件方程和第四約束條件方程，

所述第一約束條件方程對應的約束條件為使航線滿足有且只有一個的第一約束條件；

所述第二約束條件方程and對應的約束條件為使航線滿足航班在航線上的起飛時間晚于所述航線上初始航路點的最早可用時間且航班在對應的航線上的起飛時間早于所述航線上初始航路點的最晚可用時間的第二約束條件，表示航線r上初始航路點p₁的最早可用時間，表示航線r上初始航路點p₁的最晚可用時間；

所述第三約束條件方程and對應的約束條件為使航線滿足航班在航線上的降落時間晚于所述航線上最終航路點的最早可用時間且航班在對應的航線上的降落時間早于所述航線上最終航路點的最晚可用時間的第三約束條件，表示航線r上最終航路點的最早可用時間，表示航線r上最終航路點的最晚可用時間；

所述第四約束條件方程

對應的約束條件為使航線滿足對于第一航班f∈F經(jīng)過對應的第一航線r上的航路點p與第二航班f'∈F經(jīng)過對應的第二航線r'上的航路點p的先后順序具有唯一性的第四約束條件；

將同時滿足所述第一約束條件、第二約束條件、第三約束條件和第四約束條件、以及滿足所述目標函數(shù)的航線作為所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線；

其中，A_f,r表示二進制航線分配變量，若給定航班f∈F對應的航線為r，則A_f,r＝1，T_f,r，p表示給定航班f∈F經(jīng)過對應的航線r上的航路點p的時間變量，r∈R^f及p∈P^r，R^f＝{r_k|航班f的所有可選擇的航線r，k∈{1，2，....，N_R(f)}}表示給定航班f∈F對應的可選擇的航線集合，N_R(f)表示給定航班f∈F可選擇的航線總數(shù)，k表示給定航班f∈F對應的可選擇的航線集合中各個航線的序號，P^r＝{p_h|航線r包含的所有航路點p，h∈{1，2，....，N_P(r)}}表示給定航線r∈R對應的航路點集合，N_P(r)表示給定航線r∈R對應的航路點總數(shù)，h表示給定航線r∈R對應的航路點集合中各個航路點的序號，所述可用航線集合滿足公式所述航路點集合滿足公式表示二進制航線分配變量與給定航班f∈F經(jīng)過對應的航線r上的航路點p的時間變量的乘積的輔助變量，S_{f,f',r，r',p}表示二進制航路點到達變量，若第一航班f∈F經(jīng)過對應的第一航線r上的航路點p早于第二航班f'∈F經(jīng)過對應的第二航線r'上的航路點p，則S_f,f',r,r',p＝1，r∈R^f、r'∈R^f′、p∈P^r∩P^r'≠Φ，表示二進制航線分配變量A_f,r與A_f',r'的乘積，即

需要說明的是，航班按照預設的順序經(jīng)過給定航線r∈R對應的航路點集合P^r中各個航路點，另外，為任一航線定義幾個特定的航路點：第一個調(diào)度航點p₁、最后一個調(diào)度航點以及在p之后立即經(jīng)過的某個調(diào)度航點p′。

另外，引入一個輔助變量令

因而，將上述目標函數(shù)變換為具有線性形式的目標函數(shù)：

以及輔助約束條件方程

且

其中，M表示任意大的常數(shù)，m表示任意小的常數(shù)，

具體的，在本發(fā)明提供的實施例中，利用預先建立終端區(qū)航線優(yōu)化模型來規(guī)劃航線的主要方法是：將規(guī)劃各個航班的航線過程視為一個多約束最優(yōu)化問題，生成的航線使得目標函數(shù)值最優(yōu)化；假定可能的進出港航線集是一個已知參數(shù)，并假定在為待規(guī)劃航班集合中各個航班確定對應的航線時該預設的航線集固定不變。每條航線的詳細計劃包含到達或離開終端管制區(qū)邊界及某條跑道的確定時刻，因此跑道分配是作為航線分配過程的一部分隱式進行的。假設離港飛機在起飛跑道閥值進入終端區(qū)航線優(yōu)化模型并在起飛時刻退出終端區(qū)航線優(yōu)化模型。到港飛機在該終端管制區(qū)的外部邊界進入終端區(qū)航線優(yōu)化模型，在落地時退出終端區(qū)航線優(yōu)化模型。所生成的多個航線由對待規(guī)劃航班集合中每架飛機來說時間都受限的某條航線以及每條航線上不同航點的要求到達時間(RTA)計劃組成，此時為待規(guī)劃航班集合中所有飛機生成的飛行計劃在各個航路點是無沖突的。需要說明的，并非要為某條所分配航線上的所有航點都定義一個RTA，而只是選擇其中的部分航點(兩個航線或者兩個以上航線共享的航路點)進行嚴格調(diào)度，這樣降低了確定航線過程中的計算復雜度，也提高了確定航線過程中的可操作性，進而提高了航班在時間受限航路點之間的飛行的靈活性。

進一步的，考慮到可能存在一些不確定因素，如天氣原因等不確定性因素而影響航班的飛行計劃。為了保證在存在不確定性因素時仍使得確定處于的航線是無沖突的，設定了與航班預期行為有關的邊界參數(shù)，在利用利用預先建立終端區(qū)航線優(yōu)化模型來為終端管制區(qū)的各個航班規(guī)劃航線時，使用該邊界參數(shù)來約束航班對應的航線，基于此，根據(jù)所述終端區(qū)航線優(yōu)化模型分別確定所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線包括：

將以下多個約束條件方程對應的約束條件作為確定所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線的約束條件；

其中，多個所述約束條件方程還包括：第五約束條件方程和第六約束條件方程，

所述第五約束條件方程

對應的約束條件為使航線滿足將連續(xù)到達第一航線r上的航路點p的第一航班f∈F與到達第二航線r'上的航路點p的第二航班f'∈F分離開來的分離時間最小化的第五約束條件，其中，SEP_f,f',p表示將到達第一航線r上的航路點p的第一航班f∈F與到達第二航線r'上的航路點p的第二航班f'∈F分離開來的分離時間，M表示任意大的常數(shù)，m表示任意小的常數(shù)；

所述第六約束條件方程

對應的約束條件為使航線滿足航班到達航路點p、以及達到與所述航路點p的相鄰航路點p′的時間間隔大于最小時間間隔閾值且小于最大時間間隔閾值的第六約束條件，其中，(ΔT_f,r,p,p')_min表示航班到達航路點p、以及達到與所述航路點p的相鄰航路點p′的時間間隔對應的最小時間間隔閾值，(ΔT_f,r,p,p')_max確定航班到達航路點p、以及達到與所述航路點p的相鄰航路點p′的時間間隔對應的最大時間間隔閾值；

將同時滿足所述第一約束條件、第二約束條件、第三約束條件、第四約束條件、第五約束條件和第六約束條件、以及滿足所述目標函數(shù)的航線作為所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線。

具體的，對于第六約束條件方程而言，考慮到航線應滿足航班到達航路點p、以及達到與所述航路點p的相鄰航路點p′的時間間隔大于最小時間間隔閾值，即

A_f,r[T_f,r,p'-T_f,r,p-(ΔT_f,r,p,p')_min]≥0,其中，

另外，還考慮到航線應滿足航班到達航路點p、以及達到與所述航路點p的相鄰航路點p′的時間間隔小于最大時間間隔閾值，即

A_f,r[T_f,r,p'-T_f,r,p-(ΔT_f,r,p,p')_max]≤0,其中，

由此，可利用上述引入的輔助變量將公式(4)和公式(5)轉(zhuǎn)換為具有線性形式的第六約束條件方程：

其中，

進一步的，為了確定第五約束條件方程(分離約束條件方程)和第六約束條件方程(切換時間約束條件方程)中的邊界參數(shù)，在本發(fā)明提供的實施例中還給出了各個邊界參數(shù)的具體計算公式，基于此，上述方法還包括：

根據(jù)公式確定航班到達航路點p、以及達到與所述航路點p的相鄰航路點p′的時間間隔對應的最小時間間隔閾值，其中，表示給定航線r上從航路點p至航路點p′航線段的最小路徑調(diào)整因子，表示給定航線r上從航路點p至航路點p′航線段的最大速度，d_r,p,p'表示給定航線r上從航路點p至航路點p′航線段的距離；

根據(jù)公式確定航班到達航路點p、以及達到與所述航路點p的相鄰航路點p′的時間間隔對應的最大時間間隔閾值，其中，表示給定航線r上從航路點p至航路點p′航線段的最大路徑調(diào)整因子，表示給定航線r上從航路點p至航路點p′航線段的最小速度；

根據(jù)公式確定將到達第一航線r上的航路點p的第一航班f∈F與到達第二航線r'上的航路點p的第二航班f'∈F分離開來的分離時間，其中，表示可能存在沖突的航路點p的所需最小間隔時間，|ef|表示航班f∈F相對于預計飛行時間窗口的變化程度，|ef'|表示航班f'∈F相對于預計飛行時間窗口的變化程度。

具體的，假設給定的一對航路點p和p′之間的切換時間由以下公式來確定上邊界參數(shù)和下邊界參數(shù)：

其中，“V”表示名義直線路徑上僅通過控制飛機速度實現(xiàn)的航路點之間的切換時間變化，“V+P”表示通過控制空間速度和路徑實現(xiàn)的切換時間變化。該外邊界參數(shù)表明，通常存在通過簡化航線來縮短切換時間或通過路徑延伸來延長轉(zhuǎn)換時間的某種可能。

接下來，為了對只控制速度的策略和同時控制路徑及速度的策略進行效果建模，將連續(xù)航路點p和p′之間的最小切換時間和最大切換時間邊界參數(shù)化為：

其中，某條給定航線上的路徑調(diào)整因子和可因航線段而異，類似地，每一段或每架航班的速度邊界也可以不同。引入公式(8)可以提高考慮速度控制或同時考慮路徑及速度控制所生成的解的靈活性。然而，對該公式(8)進行訓練的一個附加說明是最優(yōu)解趨向于綁定一個或多個約束條件。因此應選擇用來定義這些邊界的最大(或最小)速度，這樣所生成的時間受限段是可行且實際能飛的。為了對這一點和當前工作提供支持，一個包含飛機移動方程和航班管理系統(tǒng)(FMS)行為的動態(tài)閉環(huán)模擬系統(tǒng)被開發(fā)出來并被用來估計與特定航線上的特定飛機類型可控性有關的實際邊界。

另外，在確定可能存在沖突的兩個航班之間所需的最小時間間隔的下限邊界參數(shù)時，需要考慮每個航班到達時刻的不確定性，尤其需要考慮的情況，由此，通過以下公式來確定領航航班的延誤、以及末班航班比預計時刻早到達的下限邊界參數(shù)：

進一步的，考慮到終端區(qū)航線優(yōu)化模型中包含大量的二進制變量，從而大大增加了計算量，增加了確定待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線所需的時間，為了減少計算量，從而縮短確定航線的時間，基于此，上述方法還包括：

按照以下規(guī)則策略對所述終端區(qū)航線優(yōu)化模型中的所述目標函數(shù)和多個所述約束條件方程進行求解；

其中，所述規(guī)則策略包括：第一規(guī)則策略、第二規(guī)則策略和第三規(guī)則策略，

所述第一規(guī)則策略為通過公式且約束兩兩航班的共享航線段上的航班順序由會聚航路點的航班順序設定，其中，S_f,f',r,r',p表示二進制航路點到達變量，若第一航班f∈F經(jīng)過對應的第一航線r上的航路點p早于第二航班f'∈F經(jīng)過對應的第二航線r'上的航路點p，則S_f,f',r,r',p＝1；

所述第二規(guī)則策略為通過公式

S_f,f',r,r',p＝A_f,rA_f',r',其中，

排除不存在沖突的第一航班f∈F對應的第一航線r與第二航班f'∈F對應的第二航線r'的共享航路點p，其中，A_f,r表示二進制航線分配變量，若給定航班f∈F對應的航線為r，則A_f,r＝1；

所述第三規(guī)則策略為利用窗口技術將待規(guī)劃航班集合劃分為多個航班子集，在對多個所述航班子集進行求解的過程中，將前一航班子集的解作為后一航班子集的附加約束條件，重復對各個所述航班子集進行求解，直到確定出所述待規(guī)劃航班集合中所有航班對應的航線。

具體的，針對于上述第一規(guī)則策略，主要是利用網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)知識并強制實施航班不相互經(jīng)過某條特殊航線的限制，如圖2所示的終端區(qū)空域中展示了R1、R2和R3三條航線以及由和分別定義的給定航線R1、R2和R3對應的航路點集合。其中，航線R1和R2共同具有的航路點為B,假設：在航線R1和R2上，航路點B的所有下游航路點的最優(yōu)航班順序與從航路點B進入公共航線段的最優(yōu)航班順序一致。也就是說，在任何公共航線段上沒有通行限制。進而使得可以在航路點B的每個下游航路點分別為每對擁有(R₁，R₂)航線選項的可能航班(f，f')設定兩個附加約束：

另外，上述附加約束公式(11)可通過在某個給定航線選項對上為某對可能存在沖突的給定航班首先識別所有公共調(diào)度航點來定義。定義有序共享航路點集為C^S(r，r')，將該有序共享航路點集的初始航路點定義為C⁰(r，r')，則可將約束公式(11)轉(zhuǎn)化為：

在本發(fā)明提供的實施例中，通過采用第一規(guī)則策略對公共航線段上的航班順序與共享航路點的航班順序一致進行約束的方式，可以大大減少二進制排序變量S_f,f',r,r',p的計算量。

具體的，針對于上述第二規(guī)則策略，主要是考慮到“較早”進入終端管制區(qū)的航班與“較晚”進入終端管制區(qū)的航班存在沖突的概率極小，因而，對識別出“較早”進入終端管制區(qū)的航班與“較晚”進入終端管制區(qū)的航班的交換順序采用自然排序約束，如圖2所示，假設航班F1和航班F2分別對應的航線為R1和R2的情況下，航班F1和航班F2到達航點B的最早時刻分別為t₁和t₂。假設t₂＝t₁+δ，δ＞δ_FCFS≥0，其中，δ_FCFS表示一個不可能通過可用控制行動克服的時間差。由此得出如下二進制排序變量的約束條件公式：

另外，若其中一架航班有一條以上的航線，則不可能將這些附加約束右邊的值記為固定值1或0。在某種程度上，所存在的任何航線選項必須表示為：

結(jié)合第四約束條件方程可知，與自然排序約束對應的上述二進制排序變量的約束條件公式(14)相當于：將S_f',f,r',r,p強制取為0。

在本發(fā)明提供的實施例中，通過采用第二規(guī)則策略在合并航路點上強制實施航班的自然排序進行約束的方式，可以進一步減少二進制排序變量S_f,f',r,r',p的計算量。

綜上可知，在本發(fā)明實施例中，在對終端區(qū)航線優(yōu)化模型中的目標函數(shù)和多個約束條件方程進行求解時引入三個規(guī)則策略，采用引入的規(guī)則策略可以快速獲得一個初始解，以縮小求解范圍，然后再進一步確定增量解，這樣可以減少二進制變量的計算量，從而縮短確定航線的時間。

在本發(fā)明提供的終端管制區(qū)的航線規(guī)劃方法中，通過預先建立終端區(qū)航線優(yōu)化模型，將獲取到的參數(shù)輸入至該終端區(qū)航線優(yōu)化模型，使用目標函數(shù)和多個約束條件從時間和空間上綜合分析終端管制區(qū)各個航班對應的進離場航線，從而實現(xiàn)高效、準確地為各個航班規(guī)劃進離場航線，提高終端管制區(qū)空域利用率，減少航班延誤；進一步的，設定了與航班預期行為有關的邊界參數(shù)，在利用利用預先建立終端區(qū)航線優(yōu)化模型來為終端管制區(qū)的各個航班規(guī)劃航線時，使用該邊界參數(shù)來約束航班對應的航線，從而保證在存在不確定性因素時仍使得確定處于的航線是無沖突的；更進一步的，在對終端區(qū)航線優(yōu)化模型中的目標函數(shù)和多個約束條件方程進行求解時引入三個規(guī)則策略，采用引入的規(guī)則策略可以快速獲得一個初始解，以縮小求解范圍，然后再進一步確定增量解，這樣可以減少二進制變量的計算量，從而縮短確定航線的時間。

進一步的，在本發(fā)明提供的實施例中，還給出了結(jié)合具體的應用場景根據(jù)終端區(qū)航線優(yōu)化模型確定給定的終端管制中待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線的一個測試用例，具體包括：

在本發(fā)明實施例提供的測試用例中，比較了兩種不同終端管制區(qū)幾何形狀對處理某個特定終端管制區(qū)航班集合的影響。如圖3a所示的第一種幾何形狀由用于兩個離港機場的某個單一專門離港航點和從每條機場跑道到對應航點所定義的某條單一航線所構(gòu)成，該航線包含了由P^r1＝{SJC 30L，W₃}和P^r2＝{OAK 29，W₂}定義的航點，該幾何形狀被認為是航點隔離運行的空域示意圖。相比之下，如圖3b所示的航點共享運行的幾何形狀也由兩個離港航點組成，但這兩個可用離港航點在兩個機場之間是共享的，在該共享例子中，從每條離港跑道到每個離港航點均定義了一條包含調(diào)度航點P^r1＝{SJC 30L，W₃}、P^r2＝{OAK 29，W₂}、P^r3＝{SJC 30L，W₂}和P^r4＝{OAK 29，W₃}的航線。每條機場跑道的最小間隔被設置為3海里。離港航點所要求的最小間隔被設置為4海里。

1、空中交通需求

考慮了兩個需求集并為每個需求集中的每架航班指定了一條可用的最早離港跑道。其中，表1總結(jié)了該兩個需求集中每個機場的交互離港間隔。在被稱為“相同峰值”的需求集中，每個機場需求的相對峰值出現(xiàn)的時間相同，并且兩個機場應用的交互離港間隔模式相同。在分階段需求例子中，當OAK機場離港航班出現(xiàn)峰值時，SJC機場的離港航班被右移。

表1測試用例飛機間的間隔

2、飛機參數(shù)

整個測試用例所使用的飛機“類型”相同。假設這種類型飛機的最低速度和最高速度分別為140節(jié)和180節(jié)。為了建立所需的最低間隔邊界，假設所有航班的預期到港時間誤差為常量，取|ef|＝30秒。

3、隔離規(guī)則和控制范圍

每個離港航點所需最小間隔被設定為4海里。對所有飛機對而言，跑道間隔被設定為3海里。

假設將OAK機場和SJC機場與其離港航點的最大延時分別設定為140秒和120秒。本測試用例不考慮通過捷徑加快航班這種可能。

4、數(shù)值結(jié)果與分析

針對空域配置(隔離配置和共享配置)與需求集(相同峰值和分階段峰值)的不同組合，建立了隔離問題實例并對之進行了求解。以下的啟發(fā)式配置被應用在測試用例中：

(1)在公共航線段強制實施無通過約束；

(2)當δ_FCFS≥10分鐘時，強制實施自然排序約束；

(3)需求集窗口的間隔為10分鐘。

其中，表2總結(jié)了測試用例的累積延誤時間統(tǒng)計，列出了綜合延誤時間以及終端管制區(qū)外圍(如到港航班在跨越邊界之前和跑道可用于離港航班之前)和終端管制區(qū)內(nèi)部(如在空中時)的延誤時間分布。

表2測試用例航班延誤時間統(tǒng)計

如表2所示，與用于共享峰值需求集和分階段峰值需求集的隔離航點幾何形狀相比，涉及共享航點配置的例子一致地產(chǎn)生了較低累積延誤時間。在總累積航班延誤時間、每架航班的平均延誤時間以及最大延誤時間方面的減少十分明顯。進一步地，分階段峰值需求情況下的相對改進更為明顯一些。在同一時刻到達空中交通峰值的情況下，共享航點配置產(chǎn)生的總延誤時間與隔離航點配置產(chǎn)生的總延誤時間差為(1360-1075)或者說減少了約26％。不過，當需求的相對峰值是分階段產(chǎn)生時，共享航點配置產(chǎn)生的總延誤時間與隔離點配置產(chǎn)生的總延誤時間差為(1360-523)或837秒，減少了61％。在給定強制實施的最小間隔要求時，這些結(jié)果并非完全出乎意料；與隔離航點幾何形狀相比，共享航點幾何形狀應該不相上下或甚至做得更好這一點似乎毋容置疑。

為了對上述延誤時間減少的具體原理進行深入分析，如圖4a和圖4b所示兩張圖分別展示了航點隔離運行的空域資源使用情況和航點共享運行的空域資源使用情況，以及單個航班使用所分配資源的時間進程。其中，圖4a和圖4b中X軸表示時間，Y軸表示跑道和定位航點資源。每個機場都包含了一種虛擬空域資源，該虛擬空域資源描述了原始需求或每架航班能在其所分配跑道上進行調(diào)度的最早時刻。因此，從這種“最早”資源射向某個跑道資源的垂直線描述了能在其最早可用時刻被調(diào)度的航班，而圖4a和圖4b中斜線則表示在使用該跑道之前需要一定的延誤時間。在圖4a所示的隔離航點配置中，所產(chǎn)生的行為由交互離港間隔(與在每條跑道和每個定位航點定義的所需最小間隔有關)唯一控制。在這種情況下，機場之間不存在干擾，每個機場獨立地為自己的需求提供服務。相比之下，圖4b描述的最優(yōu)解表明：在許多實例中，機場能利用可得的附加定位能力為航班提供比純隔離航點配置更有效的服務。在分階段峰值需求集上的共享航點配置最優(yōu)解中，每架航班產(chǎn)生的延誤時間小于或等于隔離航點配置所施加的延誤時間。

5、不確定性增加對穿越離港航點時刻的影響

在上述測試用例中，離港航點的間隔要求被設定為4海里這樣一個常量。然而，從同一機場相繼離港的飛機在離港航點可能有較小的間隔要求，因為它們已經(jīng)在離港跑道上被隔開了。不過，從不同機場離港的飛機所需間隔較大，這取決于某個離港航班穿越可預見離港航點時刻的確定性?？紤]這樣一種情況：從不同機場離港的航班其離港航點間隔是從相同機場離港的航班所需間隔的1.5倍。為了與之前的結(jié)果進行比較，我們?yōu)閺南嗤瑱C場離港的航班設定了4海里的離港航點最小間隔要求，從不同機場離港的航班對在離港航點的間隔要求被設定為6海里。

如表3總結(jié)了在這些間隔規(guī)則下所獲得的延誤時間統(tǒng)計。與之前在4海里間隔常量下獲得的那些結(jié)果相比，可以看到，分階段峰值需求集和相同峰值需求集上的總延誤時間分別從523秒增加到了771秒(約50％)、1075秒增加到了1421秒(約33％)。進一步注意到：在終端管制區(qū)內(nèi)，盡管所有隔離場景中的共享航點/相同峰值實例產(chǎn)生的延誤時間百分比幾乎恒定為60％左右，但共享航點/分階段峰值實例的總延誤時間從24％增加到了37％。盡管基于機場的間隔規(guī)則與分階段峰值需求集及共享航點配置的執(zhí)行情況不如4海里常量間隔那樣好，但仍對純間隔值進行了改進；771秒的總延誤時間仍顯著低于在隔離航點幾何形狀中所觀測到的1360秒總延誤時間。比較表3和表2中的共享航點/相同峰值實例，似乎共享航點性能變差了，事實上，此時的共享航點總延誤時間超過了間隔策略的總延誤時間。詳見圖5a。

表3測試用例采用不同間隔策略時的離港航點累積延誤時間統(tǒng)計

為了嘗試解決上述問題，對多個不同啟發(fā)式配置進行了包括消除需求集窗口使用在內(nèi)的優(yōu)化。如圖5b所示，在不使用窗口的情況下，所獲最優(yōu)解實際上生成了一種近似于隔離配置的策略，從每個機場離港的絕大部分航班其離港航點都被分隔開了。與隔離航點/分階段峰值配置下的結(jié)果相比，這個解的總延誤時間為1273秒(隔離配置下為1360秒)，平均延誤時間從68秒降到了63秒。

本發(fā)明實施例還提供一種終端管制區(qū)的航線規(guī)劃裝置，如圖6所示，該裝置包括：

信息獲取模塊602，用于獲取終端管制區(qū)內(nèi)待規(guī)劃航班集合和所述航班集合對應的多個飛行計劃信息、以及獲取所述終端管制區(qū)內(nèi)的可用航線集合和所述可用航線集合對應的航路點集合，其中，所述飛行計劃信息包括：出發(fā)地點、起飛時間、到達地點、降落時間、預計飛行時間窗口；

航線確定模塊604，用于將獲取的所述待規(guī)劃航班集合、多個所述飛行計劃信息、所述可用航線集合、以及所述航路點集合輸入至預先建立的終端區(qū)航線優(yōu)化模型，根據(jù)所述終端區(qū)航線優(yōu)化模型分別確定所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線，其中，所述終端區(qū)航線優(yōu)化模型包括：將航班離開所述終端管制區(qū)所需的總時間最小化的目標函數(shù)、以及對航班的航線進行約束的多個約束條件方程；

航路點調(diào)取模塊606，用于根據(jù)所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線分別調(diào)取各個所述航線上的多個航路點；

航線輸出模塊608，用于依次輸出確定出的多個所述航班對應的航線，其中，所述待規(guī)劃航班集合為f_j表示待規(guī)劃航班集合中第j個航班，N_F表示待規(guī)劃航班集合的航班總數(shù)，j表示待規(guī)劃航班集合中各個航班的序號，所述可用航線集合為r_i表示可用航線集合中第i條航線，N_R表示可用航線集合的航線總數(shù)，i表示可用航線集合中各個航線的序號，所述航路點集合為p_g表示航路點集合中第g個航路點，N_P表示航路點集合的航路點總數(shù)，g表示航路點集合中各個航路點的序號。

進一步的，上述航線確定模塊604包括：停留時間約束單元，用于根據(jù)目標函數(shù)對所述待規(guī)劃航班集合中各個航班離開所述終端管制區(qū)所需的總時間進行約束，以使各個航班離開所述終端管制區(qū)所需的總時間最短；

第一約束條件確定單元，用于將以下多個約束條件方程對應的約束條件作為確定所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線的約束條件；其中，多個所述約束條件方程包括：第一約束條件方程、第二約束條件方程、第三約束條件方程和第四約束條件方程，

所述第一約束條件方程對應的約束條件為使航線滿足有且只有一個的第一約束條件；

所述第二約束條件方程and對應的約束條件為使航線滿足航班在航線上的起飛時間晚于所述航線上初始航路點的最早可用時間且航班在對應的航線上的起飛時間早于所述航線上初始航路點的最晚可用時間的第二約束條件，表示航線r上初始航路點p₁的最早可用時間，表示航線r上初始航路點p₁的最晚可用時間；

所述第三約束條件方程and對應的約束條件為使航線滿足航班在航線上的降落時間晚于所述航線上最終航路點的最早可用時間且航班在對應的航線上的降落時間早于所述航線上最終航路點的最晚可用時間的第三約束條件，表示航線r上最終航路點的最早可用時間，表示航線r上最終航路點的最晚可用時間；

所述第四約束條件方程

對應的約束條件為使航線滿足對于第一航班f∈F經(jīng)過對應的第一航線r上的航路點p與第二航班f'∈F經(jīng)過對應的第二航線r'上的航路點p的先后順序具有唯一性的第四約束條件；

第一航線生成單元，用于將同時滿足所述第一約束條件、第二約束條件、第三約束條件和第四約束條件、以及滿足所述目標函數(shù)的航線作為所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線；

其中，A_f,r表示二進制航線分配變量，若給定航班f∈F對應的航線為r，則A_f,r＝1，T_f,r，p表示給定航班f∈F經(jīng)過對應的航線r上的航路點p的時間變量，r∈R^f及p∈P^r，R^f＝{r_k|航班f的所有可選擇的航線r，k∈{1，2，....，N_R(f)}}表示給定航班f∈F對應的可選擇的航線集合，N_R(f)表示給定航班f∈F可選擇的航線總數(shù)，k表示給定航班f∈F對應的可選擇的航線集合中各個航線的序號，P^r＝{p_h|航線r包含的所有航路點p，h∈{1，2，....，N_P(r)}}表示給定航線r∈R對應的航路點集合，N_P(r)表示給定航線r∈R對應的航路點總數(shù)，h表示給定航線r∈R對應的航路點集合中各個航路點的序號，所述可用航線集合滿足公式所述航路點集合滿足公式表示二進制航線分配變量與給定航班f∈F經(jīng)過對應的航線r上的航路點p的時間變量的乘積的輔助變量，S_f,f',r,r',p表示二進制航路點到達變量，若第一航班f∈F經(jīng)過對應的第一航線r上的航路點p早于第二航班f'∈F經(jīng)過對應的第二航線r'上的航路點p，則S_f,f',r,r',p＝1，r∈R^f、r'∈R^f′、p∈P^r∩P^r'≠Φ，表示二進制航線分配變量A_f,r與A_f',r'的乘積。

進一步的，上述航線確定模塊604包括：第二約束條件確定單元，用于將以下多個約束條件方程對應的約束條件作為確定所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線的約束條件；其中，多個所述約束條件方程還包括：第五約束條件方程和第六約束條件方程，

所述第五約束條件方程

對應的約束條件為使航線滿足將連續(xù)到達第一航線r上的航路點p的第一航班f∈F與到達第二航線r'上的航路點p的第二航班f'∈F分離開來的分離時間最小化的第五約束條件，其中，SEP_f,f',p表示將到達第一航線r上的航路點p的第一航班f∈F與到達第二航線r'上的航路點p的第二航班f'∈F分離開來的分離時間，M表示任意大的常數(shù)，m表示任意小的常數(shù)；

所述第六約束條件方程

對應的約束條件為使航線滿足航班到達航路點p、以及達到與所述航路點p的相鄰航路點p′的時間間隔大于最小時間間隔閾值且小于最大時間間隔閾值的第六約束條件，其中，(ΔT_f,r,p,p')_min表示航班到達航路點p、以及達到與所述航路點p的相鄰航路點p′的時間間隔對應的最小時間間隔閾值，(ΔT_f,r,p,p')_max確定航班到達航路點p、以及達到與所述航路點p的相鄰航路點p′的時間間隔對應的最大時間間隔閾值；

第二航線生成單元，用于將同時滿足所述第一約束條件、第二約束條件、第三約束條件、第四約束條件、第五約束條件和第六約束條件、以及滿足所述目標函數(shù)的航線作為所述待規(guī)劃航班集合中各個航班對應的航線。

進一步的，上述裝置還包括：最小時間間隔閾值確定模塊，用于根據(jù)公式確定航班到達航路點p、以及達到與所述航路點p的相鄰航路點p′的時間間隔對應的最小時間間隔閾值，其中，表示給定航線r上從航路點p至航路點p′航線段的最小路徑調(diào)整因子，表示給定航線r上從航路點p至航路點p′航線段的最大速度，d_r,p，p'表示給定航線r上從航路點p至航路點p航線段的距離；

最大時間間隔閾值確定模塊，用于根據(jù)公式確定航班到達航路點p、以及達到與所述航路點p的相鄰航路點p′的時間間隔對應的最大時間間隔閾值，其中，表示給定航線r上從航路點p至航路點p′航線段的最大路徑調(diào)整因子，表示給定航線r上從航路點p至航路點p′航線段的最小速度；

分離時間確定模塊，用于根據(jù)公式確定將到達第一航線r上的航路點p的第一航班f∈F與到達第二航線r'上的航路點p的第二航班f'∈F分離開來的分離時間，其中，表示可能存在沖突的航路點p的所需最小間隔時間，|ef|表示航班f∈F相對于預計飛行時間窗口的變化程度，|ef'|表示航班f'∈F相對于預計飛行時間窗口的變化程度。

進一步的，上述裝置還包括：求解優(yōu)化模塊，用于按照以下規(guī)則策略對所述終端區(qū)航線優(yōu)化模型中的所述目標函數(shù)和多個所述約束條件方程進行求解；

其中，所述規(guī)則策略包括：第一規(guī)則策略、第二規(guī)則策略和第三規(guī)則策略，所述第一規(guī)則策略為通過公式且約束兩兩航班的共享航線段上的航班順序由會聚航路點的航班順序設定，其中，S_f,f',r,r',p表示二進制航路點到達變量，若第一航班f∈F經(jīng)過對應的第一航線r上的航路點p早于第二航班f'∈F經(jīng)過對應的第二航線r'上的航路點p，則S_f,f',r,r',p＝1；

所述第二規(guī)則策略為通過公式

S_f,f',r,r',p＝A_f,rA_f',r',其中，

排除不存在沖突的第一航班f∈F對應的第一航線r與第二航班f'∈F對應的第二航線r'的共享航路點p，其中，A_f,r表示二進制航線分配變量，若給定航班f∈F對應的航線為r，則A_f,r＝1；

所述第三規(guī)則策略為利用窗口技術將待規(guī)劃航班集合劃分為多個航班子集，在對多個所述航班子集進行求解的過程中，將前一航班子集的解作為后一航班子集的附加約束條件，重復對各個所述航班子集進行求解，直到確定出所述待規(guī)劃航班集合中所有航班對應的航線。

在本發(fā)明實施例提供的終端管制區(qū)的航線規(guī)劃裝置中，通過預先建立終端區(qū)航線優(yōu)化模型，將獲取到的參數(shù)輸入至該終端區(qū)航線優(yōu)化模型，使用目標函數(shù)和多個約束條件從時間和空間上綜合分析終端管制區(qū)各個航班對應的進離場航線，從而實現(xiàn)高效、準確地為各個航班規(guī)劃進離場航線，提高終端管制區(qū)空域利用率，減少航班延誤；進一步的，設定了與航班預期行為有關的邊界參數(shù)，在利用利用預先建立終端區(qū)航線優(yōu)化模型來為終端管制區(qū)的各個航班規(guī)劃航線時，使用該邊界參數(shù)來約束航班對應的航線，從而保證在存在不確定性因素時仍使得確定處于的航線是無沖突的；更進一步的，在對終端區(qū)航線優(yōu)化模型中的目標函數(shù)和多個約束條件方程進行求解時引入三個規(guī)則策略，采用引入的規(guī)則策略可以快速獲得一個初始解，以縮小求解范圍，然后再進一步確定增量解，這樣可以減少二進制變量的計算量，從而縮短確定航線的時間。

本發(fā)明實施例所提供的終端管制區(qū)的航線規(guī)劃裝置可以為設備上的特定硬件或者安裝于設備上的軟件或固件等。本發(fā)明實施例所提供的裝置，其實現(xiàn)原理及產(chǎn)生的技術效果和前述方法實施例相同，為簡要描述，裝置實施例部分未提及之處，可參考前述方法實施例中相應內(nèi)容。所屬領域的技術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施例中的對應過程，在此不再贅述。在本發(fā)明所提供的實施例中，應該理解到，所揭露裝置和方法，可以通過其它的方式實現(xiàn)。以上所描述的裝置實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，實際實現(xiàn)時可以有另外的劃分方式，又例如，多個單元或組件可以結(jié)合或者可以集成到另一個系統(tǒng)，或一些特征可以忽略，或不執(zhí)行。另一點，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，即可以位于一個地方，或者也可以分布到多個網(wǎng)絡單元上?？梢愿鶕?jù)實際的需要選擇其中的部分或者全部單元來實現(xiàn)本實施例方案的目的。另外，在本發(fā)明提供的實施例中的各功能單元可以集成在一個處理單元中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個單元中。所述功能如果以軟件功能單元的形式實現(xiàn)并作為獨立的產(chǎn)品銷售或使用時，可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質(zhì)中?；谶@樣的理解，本發(fā)明的技術方案本質(zhì)上或者說對現(xiàn)有技術做出貢獻的部分或者該技術方案的部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該計算機軟件產(chǎn)品存儲在一個存儲介質(zhì)中，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，服務器，或者網(wǎng)絡設備等)執(zhí)行本發(fā)明各個實施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質(zhì)包括：U盤、移動硬盤、只讀存儲器(ROM，Read-Only Memory)、隨機存取存儲器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質(zhì)。應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋，此外，術語“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重要性。

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