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飞行危险天气下的航班改航路径规划研究

李雄  
【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。


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