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
专利汇可以提供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专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 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。，下面是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专利的具体信息内容。
1.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模块，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LiLi 均分，水平离散度为a，离散节点为l1,l2, ’
…,la； 以一定的概率phoz选择水平方向节点li，在此基础上，构造垂直离散；将梯度EjEj均分，垂直离散度为b，离散节点为e1,e2, …,eb；按一定概率pver选择垂直方向节点ej为新的航路点pi+1；
提出负反馈因子re=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Rdep作为悬空限制区，构造以航段qjqj+1为中心，上下宽300m，长| qjqj+1|的矩形保护区；qj、qj+1表示航段qjqj+1的起点和终点；
假设进场航线Rarr与离场航线Rdep在水平面上具有交叉点z，交叉点所在航段为pipi+1和qjqj+1，梯度分别为ra和rd；若pi=(xa,ya,ha)，qj=(xd,yd,hd)，xa,ya,ha、xd,yd,hd 分别表示进场、离场航线起点的横、纵坐标和相对高度；pj、pj+1表示航段pjpj+1的起点和终点； darr和ddep分别为航段起点pi和qj与交叉点水平距离，则交叉点处航线垂直间隔dz=|ha+darrra-hd+ddeprd|；
若dz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子系统中显示出来。
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
技术领域
背景技术
目前，国内终端区进离场航线均采用人工设计方法，不但设计效率较低，且设计方案合理性缺乏科学验证，很难兼顾安全性和经济性等相互冲突的设计目标。研究满足安全、经济等多目标要求的自动化进离场航线优化方法具有非常重要的意义。
发明内容
块，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：
a、 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；
b、 设置蚂蚁数量为x，迭代次数为t ；
c、 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LiLi均分，水平离散度为a，离散节点为l1,l2, ’
…,la； 以一定的概率phoz选择水平方向节点li，在此基础上，构造垂直离散；将梯度EjEj均分，垂直离散度为b，离散节点为e1,e2, …,eb；按一定概率pver选择垂直方向节点ej为新的航路点pi+1；
d、提出负反馈因子re=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；
e、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：
a、 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；
b、将已设计的离场航线Rdep作为悬空限制区，构造以航段qjqj+1为中心，上下宽300m，
长| qjqj+1|的矩形保护区；qj、qj+1表示航段qjqj+1的起点和终点；
c、 假设进场航线Rarr与离场航线Rdep在水平面上具有交叉点z，交叉点所在航段
为pipi+1和qjqj+1，梯度分别为ra和rd；若pi=(xa,ya,ha)，qj=(xd,yd,hd)，xa,ya,ha、xd,yd,hd分别表示进场、离场航线起点的横、纵坐标和相对高度；pj、pj+1表示航段pjpj+1的起点和终点；darr和ddep分别为航段起点pi和qj与交叉点水平距离，则交叉点处航线垂直间隔
dz=|ha+darrra-hd+ddeprd|；
d、若dz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子系统中显示出来。
线优化设计。
附图说明
图3，是3D进离场航线网络结果；
图4，是本发明的系统总体拓扑结构图。
具体实施方式
目标函数
(1)水平剖面的经济性满意度
航线总长度是影响进离场航线水平剖面经济性的主要因素。假设航线R有m个航段，
起点pe=(xe,ye,he),终点qs=(xs,ys,hs),其中，xe, ye，xs，ys分别是起点和终点的横、纵坐标，he，hs是高度坐标。将航线R第i个航段Si= pipi+1投影到二维平面,得到对应长度di=| ’ ’
pi pi+1 |。定义d为航线R投影总长度，计算如(1)式：
(1)
为了保证航线运行经济性，定义dmin是在不考虑限制空域条件下，航线R 从起点至终点
的最短直线距离，选取dmin为航线投影长度参照基准，计算如下式：
(2)
为评价水平剖面经济性满意程度，保证航线投影总长度d尽可能接近dmin,本文建立航
线R 水平剖面经济性隶属函数，如(3)式。
在垂直剖面上，最优爬升模型按照7%梯度尽可能快地爬升至巡航高度；而最优下降模
型选择3%梯度飞行。为满足航空器自身性能要求，同时期望优化出最经济剖面，航线梯度
应尽可能贴近最优垂直剖面。
面贴近度隶属函数为：
(4)
其中r0表示最优爬升/下降梯度，dd表示与对应最优爬升/下降梯度的偏差程度，h
代表飞机爬升/下降高度，h1和h2分别表示航线最高爬升点和最高下降点。
各航段最优梯度之和。则整个航线R 垂直剖面隶属函数如式(6)所示。
(1)航段安全越障
航段越障是指民用航空器沿进离场航线飞行时，需要与各个地面限制区接近而保持足
够的垂直距离。假设飞机飞行高度为hb，当前飞行阶段的最小超障余度为MOC（Minimum
Obstacle Clearance）。终端区内地面限制区B={b1,b2,…,bj,bg},其中bj=(xj,yj,hj)，
xj,yj,hj 分别表示障碍物的横、纵坐标和相对高度。航段 起点pi=(xi,yi,hi),终点
pi+1=(xi+1,yi+1,hi+1)。
需要计算bj的垂直超障余度hMOC，如式(7)所示。
(2)避障
终端区内高大限制区是民用航空器不可逾越的障碍物，因此，设计航线时必须避开该
类限制区，同时保持足够的水平距离d0。需要说明的是，在计算航线与高大限制区的距离
时，需要计算航线的每个航段与高大限制区的距离。假设某个限制区的顶点序列o1,o2,…
ok,…,oK按顺时针方向排列；航线R的航段Si=(pi,pi+1)， ok与Si或其延长线的垂直交点为ppij，定义
(9)
则顶点ok与Si水平距离为:
(10)
航线R 与高大限制区的距离取所有航段与限制区距离的最小值，即
(11)
其中:RRA为限制区使用空域；m为进/离场航段数；K 为高大限制区顶点数。
(3)可飞性约束
航线可飞性是航线平滑程度的指标。为了满足民用航空器机动性能和旅客舒适度要
求，上一航段与下一航段偏转角rq应满足式(13)。
对距离确定设计方案满意程度。本文根据设计的目标侧重不同，采取加权求和的方法优化
策略，在满足约束条件下最大限度地实现每个目标最优化，如式(14)所示：
(14)
针对上述的进离场航线网络三维优化模型，本发明采用改进蚁群算法来求解模型，从
而获得进离场航线网络三维优化结果。
(15)
按(15)式依次优化航线，进离场航线间形成2个交叉点z1,z2，计算交叉点处垂直间隔
分别为2342m，169m，易知交叉点z2不满足最小垂直间隔要求。更新水平方向信息素启发航线绕飞，如图2所示，绕飞后交叉点出现明显位移，达到航线交叉点处最小垂直间隔要求。
图3给出了进离场航线三维显示图。
一个服务器1，服务器1的硬盘中安装空域导航数据库，用于向客户端提供空域结构、
飞航路航线、限制区、危险区、禁区、障碍物、导航数据服务。
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