基于改进蚁群算法的终端区进离场航线网络三维优化方法

摘要

本发明涉及一种基于改进蚁群算法的终端区进离场航线网络3D优化方法，该方法通过计算机系统辅助实现，系统中包括一个进离场航线网络优化子系统，进离场航线网络优化子系统用作进离场航线网络优化方法的实现平台；本发明首先为针对独立航线的优化问题，提出了先水平方向再垂直方向的航路点概率搜索方法，通过负反馈因子控制水平信息素更新，实现了在终端空域3D空间的路径搜索蚁群算法，分析得到进离场航线的优化次序原则，逐步优化各航线，最终实现航线网络的总体优化；在保证航线安全性、经济性的同时，该算法不受航线数量影响，运行效率明显提高。

主权项

基于改进蚁群算法的终端区进离场航线网络三维优化方法，通过计算机系统辅助实现，所述计算机系统主要由客户端/服务器（C/S）模式构成，计算机系统包括空域导航数据库、空域建模子系统、飞行计划编制子系统和显示与交互系统，其特征在于，计算机系统中还包括运行在一个客户端的进离场航线网络优化子系统，用作终端区进离场航线网络三维优化方法的实现平台；所述进离场航线网络优化子系统包括可视图模块、独立航线优化模块和航线网络优化模块；可视图模块是根据终端空域内终端管制区、高大限制空域特征有效地划分终端空域网格，建立可视图模型；独立航线优化模块是应用Dijstra算法构建航线初始解，利用改进蚁群算法优化出满足安全性与经济性的独立航线；航线网络优化模块是在独立航线优化模块基础上，考虑航线交通流量与交叉航线垂直安全间隔，提出次序优化方法，实现终端区内多条航线网络的优化设计；所述终端区进离场航线网络三维优化方法，包括如下步骤：步骤1：在空域建模子系统中输入终端管制区数据，进/离场航线优化起止点，跑道，机场基准点，限制空域数据；步骤2：在进离场航线网络优化子系统的可视图模块中，以高大限制区顶点为起点，终端管制空域G为边界，将终端区空域划设为由MAKLINK线构成的网格图；高大限制区是指水平范围为凸多边形，垂直范围从地面延伸至高空10000m以上，飞机无法在其升限内飞越只能选择绕飞的限制区、禁区、危险区；步骤3：在进离场航线网络优化子系统的独立航线优化模块中，实现满足安全性与经济性的独立航线，具体步骤如下：在给定进/离场航线起止点和高度条件下，利用Dijstra算法在以MAKLINK线中点为解空间搜索一条可行航线R₀，构建航线初始解，MAKLINK线上点集序列构成航线解空间；设置蚂蚁数量为x，迭代次数为t；将航路点的搜索解空间划分为水平剖面和垂直剖面两部分，提出一种先水平后垂直的航路点搜索规则；水平剖面将MAKLINK线L_iL_i^’均分，水平离散度为a，离散节点为l₁,l₂, …,l_a； 以一定的概率p_hoz选择水平方向节点l_i，在此基础上，构造垂直离散；将梯度E_jE_j^’均分，垂直离散度为b，离散节点为e₁,e₂, …,e_b；按一定概率p_ver选择垂直方向节点e_j为新的航路点p_i+1；提出负反馈因子r_e=1/Dl更新不满足约束条件的信息素，Dl表示航线平均长度；根据水平剖面航线经济性与垂直剖面贴近度计算定量评价值，评估航线满意程度；提出利用航线超障约束和可飞性约束分段构建航线评价函数，描述水平剖面和垂直剖面目标函数可行性；循环选取较优航线且满足航线评价函数的航线，优化出最优独立航线；步骤4：在进离场航线网络优化子系统的航线网络优化模块中，考虑离场航线优先、交通流量大航线优先原则，以及航线间交叉冲突间隔要求，实现进离场航线三维网络的优化：在飞行计划编制子系统中获取航线交通流量，首先优化离场航线，按照交通流量从大到小依次优化，再以此方法优化进场航线；将已设计的离场航线R_dep作为悬空限制区，构造以航段q_jq_j+1为中心，上下宽300m，长| q_jq_j+1|的矩形保护区；q_j、q_j+1表示航段q_jq_j+1的起点和终点；假设进场航线R_arr与离场航线R_dep在水平面上具有交叉点z，交叉点所在航段为p_ip_i+1和q_jq_j+1，梯度分别为r_a和r_d；若p_i=(x_a,y_a,h_a)，q_j=(x_d,y_d,h_d)，x_a,y_a,h_a、x_d,y_d,h_d分别表示进场、离场航线的航段起点的横、纵坐标和相对高度；p_j、p_j+1表示航段p_jp_j+1的起点和终点； d_arr和d_dep分别为航段起点p_i和q_j与交叉点水平距离，则交叉点处航线垂直间隔d_z=|h_a+d_arrr_a‑h_d+d_depr_d|；若d_z小于保护区间隔，该交叉点不符合进场下降和起飞离场航空器之间垂直间隔大于300m要求，按照步骤3重新进行搜索；依次优化出最优进/离场航线，最终实现航线网络的优化设计；步骤5：优化的进离场航线三维网络在显示与交互系统中显示出来。