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基于复杂度加权的Voronoi图扇区边界划分研究

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第32卷第3期 中国民航大学学报 JOURNAL 0F CIVIL AVIATION UNIVERSITY OF CHINA V0l_32 No.3 2014年6月 June 2014 基于复杂度加权的Voronoi图扇区边界划分研究 王莉莉 ,胡 婧 ,高 峥 (1.中国民航大学空中交通管理学院,天津 300300;2.民航天津空管分局,天津300300) 摘 要:管制员工作负荷是影响空域容量的主要因素。扇区划分的目标在于均衡管制员工作负荷,减轻管制压力,增 加空域容量。应用加权Voronoi图分割法确定空域扇区基本单元,不同于先前主观性测量的方法,提出了以 复杂度均衡为原则建立扇区规划模型,采用生长算法对空域中的扇区单元进行优化组合,最终找到了最优 扇区边界。并通过对厦门低空管制空域实际数据进行仿真计算,结果验证了本文提出的扇区划分方法的合 理性。 关键词:加权Vomnoi图;空中交通复杂度;生长算法;扇区边界 中图分类号:V355 文献标志码:A 文章编号:1674—5590(2014)03—0023—04 Research of sector boundary demarcation based on weighted complexity Voronoi diagram WANG Li—li ,HU , ,GA0 e (1.College ofAir嘲c Management,CAUC,Tiujian 300300,China; 2.Tiujian ATM Sub—Bureau ofCAAC,Tianjin 300300,China) Abstract:The controller workload is the main factor affecting the airspace capacity.To balance controller workload,re— duce regulatory pressure and increase airspace capacity,a sector plan method based on weighted Voronoi dia— gram is proposed.This method is applied to determine the basic sector unit of the airspace sector,unlike the previous subjective measuring method,sector planning model is established based on complexity equalization principle,then using the growing algorithm tO optimize combination of airspace sector units,ultimately the optimal sector boundary is found.And through the simulation of actual data in Xiamen low altitude controlled airspace,the results verify the rationality of the proposed sector boundary demarcation method. Key words:weighted Voronoi diagram;air trafifc complexity;growing algorithm;sector boundary 空域管理部门通常将空域划分为若干个扇区,每 一个重要课题。 国内外很多研究人员对最优扇区划分问题进行 个扇区设立一个管制席位,进行空中交通的指挥和协 调工作。近年来,随着民航业的迅猛发展以及飞行运 行总架次的Et益增长,空中交通管制员在其管辖范围 内指挥的飞机数量越来越多,管制员的工作负荷越来 越大,致使空中交通管制系统面临着越来越严峻的挑 战,对飞行安全带来不利影响。有些扇区的管制员工 了研究:首先,国际民航组织(ICAO)颁布了“DO— RATASK”和“MBB”管制员评估法,此类方法是通过对 管制员工作负荷的分类以及一定的时间间隔观察管 制员的活动来确定工作负荷[ -21;Huy Trandac等通过 建立平面的Voronoi多边形和采用启发式优化算法, 确定了二维扇区划分结果嘲;2003年,韩松臣、张明提 出了以导航台、航线交叉点和空域边界上的航路点为 作负荷量较少,而有些扇区的管制员工作负荷量却很 大,扇区的管制员工作负荷不均衡的原因在于目前扇 区的划分缺乏科学合理的规划,因此,如何在划分扇 节点的蜕变的Voronoi图,应用模拟退火算法获得优 化的扇区边界线_4 ;2009年,中国民航大学的戴福青 区时进行综合优化,确保空域划分的科学、合理和有 效,成为民航空中交通管制领域不少学者研究关注的 收稿日期:2013—04—07:修回日期:2013—05—27 提出了基于Power图和空中交通复杂度的多机场划设 基金项目:国家自然科学基金项目(61179042);高校基本科研业务费专项(ZXH 2012L005) 作者简介:王莉莉(1973~),女,陕西兴平人,副教授,博士,主要研究方向为空域规划、空中交通管理 第32卷第3期 王莉莉,胡婧,高峥:基于复杂度加权的Voronoi图扇区边界划分研究 一25一 态的复杂程度进行客观的描述,能较好地兼顾扇区空 域资源的灵活使用和管制员工作负荷影响,实现扇区 资源的有效利用。 2.1.1 空中交通复杂度的数据统计 本文根据影响空中交通复杂度的因素,结合扇区 的结构特征建立了空中交通复杂度模型,尝试使用结 合扇区飞机流量的空中交通复杂度标准来作为评估 标准,间接反映扇区容量。复杂度只限于交通状况本 身的特性,与以往管制员工作负荷的统计不同,避免 了管制员指挥飞行器时的个体差异,具有客观性。 扇区单元复杂度用以下4个元素进行衡量: 1)飞行速度的变化:航空器以不同航速在飞行时 会造成管制员的工作强度。如在程序飞行中当前后航 空器之间的飞行速度相差大于80 km/h时,飞行间隔 为2 min,而如果速度小的航空器在前,速度大的在后 同高度飞行时,应保证在到达着陆机场上空或者改变 高度层以前要有10 min的纵向间隔,这给管制员造成 的不同的工作难度,可表示为 ∑∑l — — 一 式中:W 为飞行速度权系数; , 为不同航速的航空 器通过扇区单元的时间;T为航空器平均穿越扇区单 元所用的时间。 2)飞行状态的变化:飞行状态一般有起飞、降落 和飞越,管制员对其中任何单一的状态调配都比它们 的混合状态简单;因为调配所发指令数不同,工作强 度不一样,可表示为 ∑∑∑ n n wf 』』 ~ (2) 式中:彬,为飞行状态权系数; , , 为航空器在3种 飞行状态下通过扇区单元所需要的时间;T为航空器 平均穿越扇区单元所用的时间; n n 表示航空器 在混合状态下穿越扇区所用时间。 3)飞机类型的不同[81:调度同一类型的飞机要比 调度不同类型飞机容易很多。所以每个扇区单元的复 杂度值要考虑飞机类型权重系数 。。根据尾流间隔把 飞机分为重型机、中型机和轻型机,可表示为 ∑∑∑ n n 7 叩= 』 ~ (3) 式中: , , 为3种航空器在同一时段内穿越扇区所 需时间;T为航空器平均穿越扇区单元所用的时间。 4)天气情况的不同:气象条件的不同会给管制员 在调配工作方面带来不同的难度。天气越恶劣,航空 器在通过一片扇区时管制员需要投入工作的时间和 精力越多。所以空中交通复杂度要考虑天气情况权重 系数。设天气情况权重系数为 。其中恶劣天气情况 有颠簸、积冰、雷暴、风切变等,可表示为 ∑I 一71 = 丁 (4) 式中: 为不同恶劣天气情况下航空器通过扇区所用 时间;T为航空器平均穿越扇区单元所用的时间。 2.1.2 空中交通复杂度计算 以导航台为中心的扇区单元的空中交通复杂度 值为 TC=W +Ws+W +W (5) 据上述数据统计,计算出在一天24小时内厦门 管制底层空域各扇区单元空中交通复杂度,如图4所 示。图中2号扇区靠近厦门进近,所以复杂度值大;3 号、4号扇区单元复杂度值也较大,因为靠近福州进 近;5号、6号、7号、8号和11号扇区单元远离进近所 以复杂度值较小;靠近武夷山进近的9、10号扇区复 杂度值也较大;1、12号扇区因为航路网结构复杂,所 以复杂度值也较大。 2.1.3扇区单元管制员工作负荷 =TC×N (6) 式中: 为扇区单元管制员工作负荷;TC为空中交 通复杂度值;Ⅳ为通过扇区单元的航空器架次数。 以扇区12单元为例,在11点到l4点的高峰时 段内,空中交通复杂度值TC为1_3,而在这个高峰时 期该扇区单元的流量Ⅳ为18,工作负荷 为23.4。 根据空中交通复杂度值的计算间接算出厦门管 制底层空域各扇区单元管制员工作负荷,如图5所示。 空中交通复杂度统计值 图4扇区单元各小时段内的空中交通复杂度值 Fig.4 Air trafifc complexity of sector unit in each period 一30一 中国民航大学学报 2014年6月 信噪比时具有较好的估计性能。 参考文献: 【1】BYRON M K,CHARLES E S.Aviation Weather Information Require— ments Study,NASA/CR一2000-210288[R].NASA Report,2000. 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[4】韩松臣,胡明华,蒋[5】韩松臣,张[6 张6]『7]李兵.扇区容量与管制员工作负荷的关系研究 杂度计算中综合众多的因素来得到更准确的权值;另 方面对未来空域复杂度的变化没有做出一定的预 测判断,这些都值得进一步的研究。 一『Jj.空中交通管理,2000(6):42—45. 明.依据管制工作负荷的扇区优化新方法[JJ.南京航 空航天大学学报,2004,36(1):91—96. 明.管制扇区的最优划分方法研究[JJ_南京航空航天大学学报, 铮.终端区扇区划设方法研究【D].天津:中国民航大学,2009. 2004,(3):308—312. 参考文献: 『l】1 PAWLAK W S,GOEL V,ROTHENBERG D B,et a1.Comparision of Algorithms for the Dynamic Resectorization of Airspace[C]//AIAA Gut— dance Navigation,and Control Conference and Exhibit.Reston,VA: American Institute of Aeronautics and Astronautics,1998:67—74. [8】戴福青,洪兰收.空域交通复杂度计算方法研究【J].中国民航大学 学报,2010,28(3):1-4. [9]何毅.空中交通复杂度参数模型研究[D].上海:同济大学,2007. (责任编辑:党亚茹) 

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