季節(jié) 王超學(xué)
摘 要: 航班總量的持續(xù)增長使得航班安全保障的壓力不斷加大。在空域資源有限、航空管制工作繁重的大型國際機(jī)場(chǎng),航班動(dòng)態(tài)信息的準(zhǔn)確、可靠性將為制定有效地管制調(diào)配措施提供有力的依據(jù)。為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)特定區(qū)域中某個(gè)航路點(diǎn)在某一時(shí)間段的航班流量,給管制人員提供參考,便于提前靈活、合理地制定管制策略,避免空域資源浪費(fèi),為各級(jí)決策部門制定發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃提供重要依據(jù)?;诓煌桨嗔髁啃畔⒃唇⒔M合預(yù)測(cè)模型,通過遺傳算法對(duì)組合模型的權(quán)重值進(jìn)行優(yōu)化,并根據(jù)西安管制區(qū)域構(gòu)建出了空域流量預(yù)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)架。
關(guān)鍵詞: 空中交通; 航班動(dòng)態(tài); 流量預(yù)測(cè); 組合預(yù)測(cè); 遺傳算法
中圖分類號(hào):TP302.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1006-8228(2014)03-27-03
0 引言
隨著改革開放和國家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,中國民航迎來了空前的發(fā)展機(jī)遇[1]。根據(jù)民航總局2003年至2012年民航機(jī)場(chǎng)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)公報(bào)顯示,我國民航發(fā)生了翻天覆地的變化。2003年,民航國內(nèi)通航機(jī)場(chǎng)126個(gè)(不含香港和澳門),定期航班通航城市125個(gè);2012年,我國境內(nèi)民用航空機(jī)場(chǎng)共有183個(gè),定期航班通航城市178個(gè)[2]。在民航業(yè)整體運(yùn)營中起到關(guān)鍵作用的空管部門所掌握的數(shù)據(jù)、信息是否準(zhǔn)確十分重要。空域流量預(yù)測(cè)系統(tǒng)是一套能夠適應(yīng)當(dāng)前和今后空管自動(dòng)化體系發(fā)展要求的信息處理系統(tǒng)。本文結(jié)合空域流量預(yù)測(cè)系統(tǒng)在西安管制區(qū)域內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用,對(duì)如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)特定區(qū)域中某個(gè)航路點(diǎn)在某一時(shí)間段的航班流量進(jìn)行分析、探討,為空管人員提前、靈活、合理地制定管制策略,避免空域資源浪費(fèi),以及為各級(jí)決策部門制定發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃提供重要依據(jù)。
1 空域流量預(yù)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)、應(yīng)用的必要性
空中交通管理是民用航空運(yùn)輸業(yè)安全的核心。高度的信息化管理為航空器安全起飛和著陸,使航空器之間保持安全的飛行間隔起到了不可忽視的保障作用。近年來,國家對(duì)西部經(jīng)濟(jì)的有力扶持促進(jìn)了西安區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,西安咸陽國際機(jī)場(chǎng)作為全國第八大國際機(jī)場(chǎng),其航班年增長量排到了全國第四位。目前,西安管制區(qū)域受到了一些因素的限制,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)在某一時(shí)間段內(nèi)或空域內(nèi)的航班過于集中和擁堵的現(xiàn)象。這些因素包括:周邊管制區(qū)域限制,終端的排序要求,管制區(qū)內(nèi)雷達(dá)覆蓋及通訊設(shè)備使用效果欠佳,西安咸陽國際機(jī)場(chǎng)停機(jī)位數(shù)量、地面保障能力有限,以及區(qū)域內(nèi)復(fù)雜天氣的影響等,這些不利因素導(dǎo)致了飛行沖突頻繁、管制調(diào)配難度增大、航班延誤等問題。這不僅增加了空管的工作負(fù)荷,給航空公司帶來了不必要的經(jīng)濟(jì)損失,同時(shí)也引起了旅客滿意度下降等多種負(fù)面影響。因此,提高區(qū)域內(nèi)空中交通管制工作容量和質(zhì)量成為難題,科學(xué)地實(shí)行空中交通流量的監(jiān)控和管理是解決問題的關(guān)鍵。
預(yù)測(cè)學(xué)運(yùn)用觀察、歸納、演繹、推理等分析方法,運(yùn)用數(shù)學(xué)模型和試驗(yàn)方法,根據(jù)客觀的歷史資料、實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),研究客觀事物的發(fā)展趨勢(shì)和規(guī)律,從而在技術(shù)上保證預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。需求預(yù)測(cè)是預(yù)計(jì)未來在運(yùn)輸系統(tǒng)內(nèi)或?qū)嵤┲锌赡軙?huì)有多少交通量或客(貨)運(yùn)輸量。預(yù)測(cè)的目的在于研究和掌握事物的發(fā)展規(guī)律,最終使人們對(duì)事物的未來發(fā)展有一個(gè)估計(jì)和推斷[3]。要合理安排空域需要預(yù)測(cè)流量、制作預(yù)案?,F(xiàn)行的航班統(tǒng)計(jì)與流量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的生成采用人工手段、在數(shù)據(jù)處理能力、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)效性、流量預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性等方面均有所欠缺??沼蛄髁款A(yù)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā),可使流量預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確地幫助空中交通管制員獲得未來時(shí)段內(nèi)的飛行流量變化、預(yù)先做好計(jì)劃和預(yù)案、降低盲目飛行流量管理對(duì)航班正常率的影響、有準(zhǔn)備地應(yīng)對(duì)重大和突發(fā)事件,為管理部門制定更有效、合理的飛行計(jì)劃提供參考數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)緩解空域流量擁堵、完善流量控制預(yù)案、提高管制工作安全運(yùn)行能力的目的。
2 基于遺傳算法的流量組合預(yù)測(cè)模型研究
組合預(yù)測(cè)方法是基于一個(gè)基本假設(shè),即只用一種方法不能夠精確地描述出預(yù)測(cè)過程和預(yù)測(cè)結(jié)果,多個(gè)方法的組合可以彼此彌補(bǔ)各自模型存在的不足,可以說,組合預(yù)測(cè)法同時(shí)聚集了多種單個(gè)預(yù)測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn),其預(yù)測(cè)效果明顯地優(yōu)于單個(gè)預(yù)測(cè)方法。在利用組合模型預(yù)測(cè)流量的時(shí)候,首先,以誤差方差之和最小為目標(biāo)建模;其次,要根據(jù)不同預(yù)測(cè)方法的特點(diǎn)進(jìn)行綜合分析建模;最后,應(yīng)用適合的優(yōu)化算法確定預(yù)測(cè)模型各參數(shù)的權(quán)重,以保證預(yù)測(cè)結(jié)果的精確性[4]。組合算法的關(guān)鍵是如何準(zhǔn)確地確定各種預(yù)測(cè)方法的加權(quán)系數(shù),最優(yōu)的加權(quán)系數(shù)可以充分利用各單項(xiàng)預(yù)測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)使組合預(yù)測(cè)效果達(dá)到最佳[5]。
遺傳算法(Genetic Algorithm)是模擬達(dá)爾文的遺傳選擇和自然淘汰的生物進(jìn)化過程的計(jì)算模型,它是由美國Michigan大學(xué)J.Holland教授于1975年首先提出來的。GA是一種通過模擬自然進(jìn)化過程搜索最優(yōu)解的方法,它具有大規(guī)模并行隨機(jī)搜索能力,尋優(yōu)能力強(qiáng),收斂速度快,適合解決復(fù)雜的全局優(yōu)化問題, 在解決空中交通管理問題中也有成功的應(yīng)用[6-7]。
本文以西安地區(qū)空域AR03扇區(qū)2012年8月份30天的航班流量為樣本數(shù)據(jù)(包括航班時(shí)刻表、PLN報(bào)文、管制經(jīng)驗(yàn)信息數(shù)據(jù)),應(yīng)用遺傳算法,按照組合預(yù)測(cè)算法的思路,對(duì)流量組合預(yù)測(cè)模型的權(quán)重值進(jìn)行優(yōu)化,其參數(shù)設(shè)置如表1所示。
表1 遺傳算法參數(shù)值的設(shè)置
[參數(shù)名稱\&參數(shù)值\&交叉算法\&單點(diǎn)交叉\&群體規(guī)模\&100\&變量個(gè)數(shù)\&3\&適應(yīng)度函數(shù)\&\&最大迭代次數(shù)\&500\&各個(gè)體生存概率\&\&交叉概率\&0.3\&變異概率\&0.25\&]
表1模型中航班時(shí)刻表、PLN報(bào)和管制員工作經(jīng)驗(yàn)權(quán)重應(yīng)用遺傳算法分別評(píng)估為0.203、0.286、0.511。表2列出了該扇區(qū)某月30天流量的實(shí)際值以及分別用根據(jù)航班時(shí)刻表預(yù)測(cè)、PLN報(bào)文預(yù)測(cè)和管制員經(jīng)驗(yàn)信息預(yù)測(cè)所得出的預(yù)測(cè)值。以當(dāng)月1日為例:(0.203×679+0.286×698+0.511×692)≈690,即組合預(yù)測(cè)表明,在這一天該機(jī)場(chǎng)將會(huì)有690架飛機(jī)進(jìn)、離場(chǎng)。表2中各縮寫的意義為:SLZ-實(shí)際流量值;LYZ-流量預(yù)測(cè)值;WC%-流量誤差百分比([LYZ-SLZ]/SLZ*100%)。
表2 各種預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)結(jié)果的比較
[時(shí)間\&SLZ\&航班時(shí)刻表預(yù)測(cè)\&PLN報(bào)文預(yù)測(cè)\&管制經(jīng)驗(yàn)信息預(yù)測(cè)\&組合預(yù)測(cè)\&LYZ\&WC%\&LYZ\&WC%\&LYZ\&WC%\&LYZ\&WC%\&0801\&687\&679\&1.164\&698\&1.161\&692\&0.728\&690\&0.364\&0802\&677\&670\&1.034\&685\&1.182\&685\&1.182\&681\&0.548\&0803\&709\&703\&0.846\&717\&1.128\&702\&0.987\&705\&0.518\&0804\&685\&680\&0.730\&693\&1.168\&690\&0.730\&688\&0.401\&0805\&638\&631\&1.097\&643\&0.784\&641\&0.47\&639\&0.086\&0806\&616\&610\&0.974\&623\&1.136\&621\&0.812\&618\&0.367\&0807\&670\&678\&1.194\&676\&0.896\&667\&0.448\&672\&0.294\&0808\&672\&680\&1.190\&679\&1.042\&673\&0.149\&676\&0.628\&0809\&694\&691\&0.432\&706\&1.729\&696\&0.288\&697\&0.374\&0810\&678\&665\&1.917\&689\&1.622\&671\&1.032\&673\&0.747\&0811\&682\&673\&1.320\&697\&2.199\&676\&0.88\&679\&0.381\&0812\&671\&662\&1.341\&683\&1.788\&678\&1.043\&674\&0.512\&0813\&635\&624\&1.732\&643\&1.260\&630\&0.787\&631\&0.643\&0814\&675\&662\&1.926\&681\&0.889\&679\&0.593\&675\&0.067\&0815\&685\&673\&1.752\&695\&1.460\&692\&1.022\&687\&0.318\&0816\&678\&689\&1.622\&695\&2.507\&686\&1.18\&689\&1.575\&0817\&698\&686\&1.719\&708\&1.433\&690\&1.146\&693\&0.787\&0818\&686\&681\&0.729\&693\&1.020\&689\&0.437\&688\&0.222\&0819\&675\&663\&1.778\&686\&1.630\&679\&0.593\&676\&0.125\&0820\&624\&633\&1.442\&629\&0.801\&628\&0.641\&630\&0.903\&0821\&679\&670\&1.325\&685\&0.884\&672\&1.031\&674\&0.727\&0822\&689\&681\&1.161\&697\&1.161\&684\&0.726\&686\&0.468\&0823\&694\&680\&2.017\&703\&1.297\&699\&0.720\&694\&0.054\&0824\&699\&690\&1.288\&706\&1.001\&704\&0.715\&700\&0.201\&0825\&706\&693\&1.841\&713\&0.992\&701\&0.708\&701\&0.688\&0826\&674\&667\&1.039\&679\&0.742\&678\&0.593\&675\&0.157\&0827\&679\&670\&1.325\&681\&0.295\&678\&0.147\&676\&0.395\&0828\&688\&678\&1.453\&695\&1.017\&692\&0.581\&689\&0.088\&0829\&699\&690\&1.288\&705\&0.858\&695\&0.572\&696\&0.487\&0830\&686\&681\&0.729\&692\&0.875\&689\&0.437\&687\&0.193\&平均誤差\&1.324\&1.243\&0.733\&0.458\&]
從表2可知,組合預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)誤差為0.458%,分別根據(jù)航班時(shí)刻表、PLN報(bào)文、管制員工作經(jīng)驗(yàn)信息進(jìn)行流量預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)誤差分別1.324%,1.243%,0.733%??梢娊M合預(yù)測(cè)值與實(shí)際流量值間的誤差最小,更接近實(shí)際航班流量。
圖1給出了四種預(yù)測(cè)算法的誤差比較,其中,組合預(yù)測(cè)誤差曲線總體上在其他三種算法誤差曲線下方,這也從側(cè)面說明通過組合預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)結(jié)果精度明顯優(yōu)于其他預(yù)測(cè)方法。(圖1中:SCH為基于航班時(shí)刻表預(yù)測(cè)結(jié)果;FPL主要為基于PLN報(bào)文預(yù)測(cè)結(jié)果;EXP為基于管制員經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果;COM為3種數(shù)據(jù)源組合預(yù)測(cè)結(jié)果。)
圖2是組合預(yù)測(cè)值與實(shí)際值比較,從圖2中可以看出,組合預(yù)測(cè)流量曲線幾乎與實(shí)際流量曲線相重疊,由此可看出組合預(yù)測(cè)流量與實(shí)際流量相當(dāng)接近。
圖1 四種預(yù)測(cè)算法誤差的比較
圖2 未考慮隨機(jī)因素時(shí)組合預(yù)測(cè)值與實(shí)際值比較
3 空域流量預(yù)測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)架
空域流量預(yù)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建不僅需要有效結(jié)合上述組合預(yù)測(cè)的模型算法,還應(yīng)明確預(yù)測(cè)的對(duì)象、內(nèi)容和目標(biāo)。通過對(duì)西安區(qū)域管制工作進(jìn)行需求調(diào)研和分析,其基本流量預(yù)測(cè)需求應(yīng)滿足如下功能。
⑴ 系統(tǒng)可以預(yù)測(cè)指定空域單元在未來某一時(shí)段內(nèi)的航班流量,并且,預(yù)測(cè)過程中要考慮隨機(jī)因素的影響,盡可能提高預(yù)測(cè)的實(shí)時(shí)性和精確度。
⑵ 系統(tǒng)的流量預(yù)測(cè)結(jié)果可以多種方式顯示輸出,比如柱狀圖、點(diǎn)圖、曲線圖和列表等。
⑶ 系統(tǒng)的相關(guān)查詢指標(biāo)應(yīng)用顏色、標(biāo)記等方式醒目標(biāo)識(shí)功能,為用戶提供便捷的使用界面,便于用戶對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析、對(duì)比和統(tǒng)計(jì)。例如,當(dāng)空域的航班流量超過空域服務(wù)容量時(shí)需要發(fā)出紅色告警。
⑷ 系統(tǒng)可以進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢,查看選定空域(航線、扇區(qū)、終端區(qū))、機(jī)場(chǎng)航班流量的分布與發(fā)展趨勢(shì),并可實(shí)現(xiàn)根據(jù)查詢條件對(duì)航班信息進(jìn)行篩選、排序等功能。
⑸ 系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)信息維護(hù)功能。操作人員可通過人機(jī)界面對(duì)相關(guān)航班流量信息進(jìn)行查詢、修改、保存、刪除等操作。
據(jù)此,設(shè)計(jì)空域流量預(yù)測(cè)系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。其模塊功能簡(jiǎn)述如下。
⑴ 參數(shù)管理塊,該模塊用于執(zhí)行流量預(yù)測(cè)前對(duì)預(yù)測(cè)參數(shù)的檢驗(yàn)、修正、保存等功能,完成預(yù)測(cè)前的初始化工作。
⑵ 流量預(yù)測(cè)模塊,即系統(tǒng)的核心模塊。該模塊完成進(jìn)港、離港、飛越、全部四種條件下的流量預(yù)測(cè)功能。
⑶ 報(bào)告點(diǎn)查詢模塊,該模塊根據(jù)用查詢?cè)O(shè)定的報(bào)告查詢條件和時(shí)間段,可查詢出選定報(bào)告點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的所有航班詳細(xì)信息,為管制人員提供航路報(bào)告點(diǎn)的航班流量信息,為制定流量管理策略提供參考依據(jù)。
⑷ 視圖模塊,該模塊完成流量預(yù)測(cè)結(jié)果的圖形顯示,主要包括四種圖形:時(shí)刻-架次圖、時(shí)刻-航班圖、時(shí)刻-點(diǎn)圖、時(shí)刻曲線圖,時(shí)間軸和圖形以柱狀、離散點(diǎn)狀、曲線三種表現(xiàn)形式繪制。
[流量預(yù)測(cè)邏輯功能層次圖][參數(shù)管理][流量預(yù)測(cè)][報(bào)告點(diǎn)查詢][視圖模塊][預(yù)測(cè)時(shí)間間隔\&飛行區(qū)域及航路點(diǎn)\&預(yù)測(cè)日期及時(shí)間段\&航班時(shí)間類型預(yù)測(cè)\&][進(jìn)港流量預(yù)測(cè)\&離港流量預(yù)測(cè)\&飛越流量預(yù)測(cè)\&全部飛行狀態(tài)預(yù)測(cè)\&][時(shí)刻架次視圖\&時(shí)刻航班視圖\&時(shí)刻點(diǎn)視圖\&時(shí)刻曲線圖\&][查詢條件編輯\&條件節(jié)點(diǎn)編輯\&報(bào)告點(diǎn)查詢\&]
圖3 系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖
空域流量預(yù)測(cè)系統(tǒng)可以根據(jù)流量管理的需要,選擇預(yù)測(cè)時(shí)段及空域信息(包括扇區(qū)范圍、航線、航路點(diǎn)與報(bào)告點(diǎn)位置)。之后對(duì)所選時(shí)段的航班信息包括航班時(shí)刻表、PLN報(bào)文、管制經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行調(diào)?。ㄆ渲袛?shù)據(jù)信息可以進(jìn)行人工錄入或修正),啟動(dòng)基于遺傳算法的流量組合預(yù)測(cè)程序,對(duì)航班信息優(yōu)化預(yù)測(cè),選擇輸出結(jié)果的信息類型如T-N(時(shí)刻-架次)、T-P(時(shí)刻-航班)。流量預(yù)測(cè)系統(tǒng)工作流程如圖4所示。
[流量預(yù)測(cè)開始] [選定預(yù)測(cè)區(qū)域、時(shí)間] [航班信息數(shù)據(jù)庫][基于遺傳算法的組合預(yù)測(cè)程序][選擇輸出信息類型(T-N、T-P)][預(yù)測(cè)結(jié)果輸出] [航線、航路點(diǎn)、
扇區(qū)數(shù)據(jù)庫][航班時(shí)刻表][PLN報(bào)文][管制經(jīng)驗(yàn)信息]
圖4 流量預(yù)測(cè)系統(tǒng)工作流程
流量預(yù)測(cè)系統(tǒng)部分預(yù)測(cè)功能簡(jiǎn)述如下。
⑴ 航班執(zhí)行狀態(tài)預(yù)測(cè):根據(jù)設(shè)定的預(yù)測(cè)項(xiàng)目(即航班執(zhí)行狀態(tài)中進(jìn)港、離港、飛越、全部四種狀態(tài)之一),預(yù)測(cè)出所有滿足執(zhí)行狀態(tài)條件的航班流量。
⑵ 航班時(shí)間類型預(yù)測(cè):根據(jù)航班的活動(dòng)狀態(tài)(起飛、落地、飛越)設(shè)定時(shí)間類型,即每種航班活動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的實(shí)際、預(yù)計(jì)、計(jì)劃、延時(shí)四種航班時(shí)刻為流量預(yù)測(cè)的分類尺度,預(yù)測(cè)出所有滿足時(shí)間類型條件要求的航班流量。
⑶ 流量預(yù)測(cè)結(jié)果查詢:對(duì)先前的流量預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行查詢,根據(jù)輸入的查詢條件(可以是單位航班號(hào)、起飛站、落地站、機(jī)型等信息)和查詢?nèi)掌谶x項(xiàng)(指當(dāng)天或當(dāng)前顯示)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行模糊查詢,并將查找結(jié)果顯示在列表區(qū)域中。
⑷ 流量預(yù)測(cè)歷史結(jié)果回放:將保存的歷史流量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)讀取出來進(jìn)行反序列化后,轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可識(shí)別的流量預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù),并以圖形形式顯示到繪圖區(qū)域。此功能用于管制人員對(duì)歷史預(yù)測(cè)場(chǎng)景進(jìn)行重現(xiàn),為其對(duì)歷史流量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)查詢、分析提供便利。
4 結(jié)束語
空域流量預(yù)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)是對(duì)西安空域的航班流量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)處理所展開的有益嘗試與探索。該系統(tǒng)的應(yīng)用不僅能夠減輕空中交通管制員的工作量和工作強(qiáng)度,對(duì)保障航班正常性和飛行安全,提高空管服務(wù)質(zhì)量也將起到積極地促進(jìn)作用。目前,該系統(tǒng)的各部分可拓展功能仍在進(jìn)一步完善之中,相信在不久的將來,它將在空管一體化的整體構(gòu)架中發(fā)揮更加重要的作用。
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