基于复杂网络的航路汇聚点布局优化方法研究.pdf

中国科学技术大学
硕士学位论文
基于复杂网络的航路汇聚点布局优化方法研究
姓名:陈才龙
申请学位级别:硕士
专业:计算机软件与理论
指导教师:曹先彬
2011-04
摘要
摘要
随着民航业的迅猛发展,现有航路网络已经不能满足日益增长的航空流量的
需要,有必要进行科学、高效的航路网络规划。其中,航路汇聚点的科学布局是
航路网络规划的核心问题,它旨在合理布局通信、导航和监视设施,科学分配和
使用空域资源,提高空中交通运输效能。目前解决航路汇聚点布局问题主要是从
航空公司的经济利益出发,追求飞行效率的最大化,在航空流量比较低的情况下,
能够取得令人满意的结果。然而一味追求最大的飞行效率可能会使航路网络陷入
拥堵;并且,随着中国民用航空事业的迅速发展,航空流量急剧增长,由此引发
的空域拥堵、航班延误问题已经变得越来越突出。对这些拥堵问题缺乏有效的处
理手段成为现有方法的主要瓶颈,空域拥堵已成为航路汇聚点布局问题里一个亟
待解决的难题。
本文针对航路汇聚点布局问题的特点,建立了航路网络交通流量模型,提出
了基于介数引导的单目标粒子群算法和引入空域容量的多目标粒子群算法。完成
的主要工作具体包括:
(1)现有基于飞行效率的航路汇聚点布局方法在获得最大飞行效率的同时,
可能导致航路网络陷入拥堵。针对该问题,本文首先通过航路网络交通流量的建
模分析,获得了指导航路汇聚点布局的启发式知识;然后在传统的单目标粒子群
算法框架下,将空域拥堵作为约束条件之一,综合得到的拥堵规则,提出了一种
基于介数引导的启发式粒子群算法来解决航路汇聚点布局问题,在保证航路网络
不出现拥堵的情况下追求飞行效率的最大化。
(2)现有将飞行效率作为唯一优化目标的航路汇聚点布局方法忽视了航路
网络一个重要的交通性能指标——空域容量,优化得到的航路网络随着航空流量
的增加很快便会陷入拥堵。针对该问题,本文提出一种引入空域容量的多目标粒
子群优化方法,同时优化飞行效率和空域容量。首先通过复杂网络建模,给出了
空域容量的一种定量描述方法;然后构建基于总航线花费和介数标准差的多目标
优化模型;最后采用多目标粒子群算法得到了航路汇聚点布局问题的非支配解
集。该方法兼顾飞行效率和空域容量,得到的航路网络面对航空流量的增长时能
有效地延缓空域拥堵的出现。

关键词:航路汇聚点布局问题复杂网络介数粒子群算法多目标优化
I
Abstract
ABSTRACT
With the rapid development of civil aviation, the existing air work
(ARN) can’t meet the growing needs of air traffic flow, so it is necessary to design the
ARN scientifically and efficiently. The Crossing Waypoints Location Problem (CWLP)
is a crucial problem in the optimal design of ARN, which is aimed at providing
reasonable layout munication, navigation and monitoring facilities,
distributing and using airspace resources scientifically, improving the air transport
efficiency. At present, people mainly solve CWLP from the economic viewpoint and
can get satisfactory results when the air traffic density is considerably low. However,
with the development of the civil air industry in China, airspace congestion and flight
delay has e more and more serious for increasing air traffic flow. Lacking of
effective treatments for these new problems es the main bottleneck of existing
methods, airspac