基于神經(jīng)網(wǎng)絡的空中交通擁擠評價方法研究

路佳文 孫琪

摘 要：空中交通擁擠的識別是一個需要深入研究的問題。結合國內空中交通擁擠情況日益嚴重的現(xiàn)狀，在參照道路交通擁擠識別方法的研究基理論上，加入空中交通的特性，構建了基于終端區(qū)的空中交通擁擠識別體系，其中通過對衡量指標的分析，在此基礎上引入飛行延誤時間和管制員工作負荷兩個新的指標，之后依據(jù)擁擠指標對擁擠態(tài)勢進行了等級劃分，通過構建BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型對終端區(qū)空中交通擁擠態(tài)勢進行快速、準確的初步識別，為空中交通安全評估和管理決策提供依據(jù)。

關鍵詞：終端區(qū)；空中交通；擁擠；判別指標；BP神經(jīng)網(wǎng)絡

一、研究背景及意義

近年來，伴隨著我國經(jīng)濟實力的快速提升，民用航空空中交通迅猛發(fā)展，與之而來的是在空域資源有限的條件下，日益增多的空中交通需求與空域容量開放的不平衡，從而導致了空中交通擁擠現(xiàn)象的日益嚴重。空中交通擁擠已經(jīng)導致了一系列嚴重的交通問題，如：飛行間隔降低，飛行安全性下降；擁擠造成燃油消耗增加，飛行時間和航班延誤增大，降低航空公司經(jīng)濟效益；飛行沖突增加、管制調配難度加大，增加管制員負荷，導致運行效率低下；飛行器污染物排放增多，加劇對環(huán)境的污染程度等。這些問題已經(jīng)成為空中交通進一步發(fā)展的一大桎梏，成為我們當下亟待解決的一大難題。

二、空中交通擁擠特性分析

空中交通擁擠主要表現(xiàn)在兩個方面，一方面是交通量過大，另一方面是則是交通情況復雜。

要研究空中交通擁擠特性，就要建立相應的擁擠等級。結合道面擁擠評估及前人對空中交通擁擠的評估方法，基于交通流的不同狀態(tài)，可以將空中交通分為暢通、穩(wěn)定、輕微擁擠、擁擠等四個等級。

（1）暢通狀態(tài)

空中交通暢通是指航路上飛機很少，交通流量較小，飛行間隔較大，飛行速度可以保持在較大或正常的水平，

（2）穩(wěn)定狀態(tài)

空域內飛機數(shù)量增加，飛行間隔有所減少，飛機之間出現(xiàn)一定的跟馳現(xiàn)象，但是交通秩序依舊良好，交通復雜性較低，

（3）輕微擁擠狀態(tài)

飛機之間的跟馳現(xiàn)象加強，交通流存在不穩(wěn)定性，當出現(xiàn)干擾時，部分飛機受到影響，會進行降速、調高、改變航向或機動盤旋等待等措施。

（4）擁擠狀態(tài)

飛機之間出現(xiàn)了明顯的跟馳現(xiàn)象，飛機流波動較大，容易受到外界因素的干擾，造成大量飛機的機動飛行甚至滯留，飛機密度很大，飛行情況復雜，飛行沖突增加，交通效率很低。

三、基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的終端區(qū)交通擁擠評價體系

（一）擁擠指標選取

本章采用飛行延誤、管制員工作負荷以及飽和度來作為終端區(qū)的擁擠評價參數(shù)指標。而對于一個終端區(qū)而言，它的容量是一定的，因此可以將飽和度簡化為交通量參數(shù)。

（1）管制員工作負荷

該指標能在一定程度上反應航空器在空域內的飛行復雜特征。在其他條件一定的情況下，管制員管制頻率越大，管制工作負荷越大，表明飛行秩序越差，飛機之間存在許多沖突，而這一對應時間內的空中交通擁擠情況越嚴重。

（2）交通量

交通量指的是某時間內進入某一終端區(qū)的飛行器的總數(shù)量，可以從宏觀角度反映出終端區(qū)一定時間內的航班規(guī)模，即交通流的密集程度。一定條件下，交通量變大，航路內的不穩(wěn)定因素也會隨之增大，空域交通環(huán)境越復雜，可調控的空間范圍越小，越容易引發(fā)空中交通擁擠問題。而反之，交通量越小，航路相對穩(wěn)定，可調控范圍越大，航路發(fā)生擁擠的可能性也會降低。其計算公式如下：

Q=N/T

其中Q為單位時間內空域的交通量；N為一段時間內進入的航空器數(shù)量；T為觀測時間。

（3）飛行延誤

飛行延誤能反映出飛機的局部沖突情況。在一定條件下，飛行延誤越大，需要飛機做出的機動就越多，局部空域的空中交通越復雜。假設所有的飛機類型相同，速度一定，不受風向風速等條件影響，通過觀測飛機從某一位置報告點飛往另一位置報告點的時間來統(tǒng)計飛行延誤。

（二）終端區(qū)BP神經(jīng)網(wǎng)絡的建立

本文采用交通量（飽和度）、管制員工作負荷以及飛行延誤三個飛行參數(shù)作為擁擠衡量指標，所以輸入層節(jié)點數(shù)為3；輸出的結果應當是擁擠等級，擁擠等級我們分為1-4，所以輸出層節(jié)點數(shù)為1。

一般來說，三層網(wǎng)絡隱層神經(jīng)元的數(shù)量p與輸入層的神經(jīng)元數(shù)量n，輸出層m之間存在著近似的數(shù)學關系： 。

因此，可大致判斷所設計的神經(jīng)網(wǎng)絡的隱層神經(jīng)元數(shù)量為7。但是隱層神經(jīng)元數(shù)量不是一個定值，需要不斷的調整以適應實際訓練的驗證，直到達到學習訓練的最佳效果

基于灰色聚類方法來判斷空中交通擁擠等級，以此獲取可以用于BP神經(jīng)網(wǎng)絡訓練的樣本數(shù)據(jù)。

四、終端區(qū)空中交通擁擠識別

（一）數(shù)據(jù)處理

表4.1列出20組華東管制區(qū)某一終端區(qū)的雷達顯示數(shù)據(jù)，每3min一組，包括模型中所涉及的交通量、飛行延誤以及管制員工作負荷等重要參數(shù)指標。

通過對終端區(qū)大量數(shù)據(jù)進行分析，并參考相關資料文獻，確定各聚類指標的分類標準，如表4.2所示。

根據(jù)白化權函數(shù)得出灰色聚類系數(shù)，得到擁擠識別結果

（二）計算結果

用灰色聚類將數(shù)據(jù)進行處理，將得到的聚類數(shù)據(jù)結果作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型的樣本數(shù)據(jù)，以歸一化后的交通量、飛行延誤及管制員工作負荷為三個輸入量，以灰色聚類判別的擁擠等級為輸出量，代入構建的BP神經(jīng)網(wǎng)絡中進行訓練，其訓練結果如下：

數(shù)值1-4分別對應了空中交通的四個擁擠等級，即暢通、穩(wěn)定、輕微擁擠、擁擠。從圖表可以看出輸出值與樣本數(shù)據(jù)的變化趨勢一致，除了個別數(shù)據(jù)外，判別等級大致相同，其中圖顯示了誤差的變化情況，從中我們能直觀的看出判別不一致的情況。經(jīng)統(tǒng)計，圖中共288組數(shù)據(jù)，其中26組數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大誤差，262組數(shù)據(jù)吻合，判別準確度高達到91%，能夠比較快速準確的進行擁擠態(tài)勢的初步判別。

五、總結展望

空中交通擁擠識別是一個龐大復雜的研究課題，前人雖然已經(jīng)做了許多研究努力，但是現(xiàn)實中的擁擠問題依舊存在且越演越烈，需要我們不斷地加以研究、完善。本文存在以下幾點不足：

（1）適用范圍小，只涉及終端區(qū)的空中交通擁擠識別，沒有考慮其他飛行階段的擁擠情況。不同的飛行階段其飛行特征不同，空中交通擁擠影響因素也是不同的。

（2）本文的研究都是建立在理想的氣象條件及飛行條件下的，沒有考慮突發(fā)因素對空中交通擁擠造成的影響，即突發(fā)性交通擁擠。

（3）衡量指標雖然改善，但是仍然不能將擁擠帶來的影響表征到每一架航空器上，決策管理需要整體調劑，而不能簡便調節(jié)以改善飛行環(huán)境。因此，需要更多的衡量指標來豐富空中交通擁擠識別體系，使其更加具化。

（4）由于無法獲取大量的真實空中交通數(shù)據(jù)，本文的算例分析只采用了一百多組數(shù)據(jù)，雖然在這些數(shù)據(jù)的表現(xiàn)來看模型的準確性很高，但是仍需要大量數(shù)據(jù)的驗證支撐。

（5）空中交通擁擠管理除了受到擁擠本身的影響，還受到人的選擇行為的影響。空中交通擁擠不僅是流量與容量之間的平衡問題，也是航空公司與交通管制部門的平衡問題，是飛行效益最大化與交通環(huán)境最優(yōu)化之間的平衡問題。因此，不同的目標對決策也有很大的影響。

空中交通擁擠問題是一個長期的、復雜的系統(tǒng)工程性問題，需要運用不同的學科交叉完善，以新的思路、新的方法來對其進行探究，為空中交通管理提供強大的理論依據(jù)和方法支撐，以此來豐富、完善空中交通擁擠理論體系。

作者簡介：

路佳文，出生年月：1994.03，性別：男，民族：漢，籍貫（精確到市）：山西省晉城市.