恶劣天气下基于改航策略的空中交通流量管理理论方法研究

恶劣天气是威胁航空运输安全导致航班延误的重要原因。通过航班改航策略，实现恶劣天气下安全、持续飞行已成为国际民航领域的研究前沿和热点。本项目首次提出对恶劣天气下基于改航策略的空中交通流量管理理论进行深入、系统研究。本项目从恶劣天气影响区域划设、改航路径规划和基于改航策略的流量管理方法三方面展开研究。影响区域划设研究，包括恶劣天气对航线正常飞行的影响、静态影响区域划设方法和动态影响区域划设方法；改航路径规划研究，包括静态影响区域改航路径规划和动态影响区域改航路径规划；流量管理方法研究，包括恶劣天气对容量影响模型、考虑改航策略的航班起飞优化模型和方法、终端区到达航班优化模型和方法、航路扇区流量管理模型和方法。本项目的研究，有助于建立恶劣天气改航规划的理论方法，丰富和完善流量管理理论体系；有助于为恶劣天气的飞行提供安全保障，实现航空运输的持续畅通，因此，具有重要的理论意义和应用价值。

恶劣天气下基于改航策略的空中交通流量管理理论方法研究，是国家自然科学基金的面上项目（批准号：60972006），执行年限为2010年1月至2012年12月，资助经费36万元。项目已全面完成了计划书中要求的研究内容，圆满达到了预期的研究目标，其内容和成果均超出了原计划的要求。. 项目按计划书的要求，从恶劣天气影响区域划设及预测、改航路径规划和基于改航策略的流量管理方法三方面进行了深入、系统地研究。. 影响区域划设及预测方面：（1）研究了恶劣天气的分类和特征提取，采用模糊聚类和遗传算法对雷暴云团分类；采用可变形模型与形状分解相结合的方法，研究了对流云团形态特征的提取和表示。（2）研究了恶劣天气影响区域的划设，以优化原理为依据，提出了凸多边形、最小外接矩形、最小面积椭圆、最小外接圆四种划设静态受限区的方法。（3）研究了恶劣天气影响区域的预测，综合考虑自身走向、移向同运动趋势的关系，给出雷暴受限区的形状演变和移动规律，进行后续预测。. 改航路径规划方面：（1）研究了静态改航路径规划方法，提出了基于几何算法的改航路径规划；研究了基于多目标遗传算法的航班改航路径规划方法；将人工势场和遗传、人工鱼群算法相结合, 应用于改航路径规划问题中。（2）研究了动态改航路径规划方法，考虑云团位置的变化，建立一种基于Markov 链的动态不确定性改航规划模型, 利用遗传算法概率化的寻优求解，使改航距离和绕飞次数都有改进。. 基于改航策略的流量管理方面：（1）研究了改航策略与多种流量管理问题结合的方法，综合改航和地面等待策略的流量管理方法研究；（2）建立了基于改航策略的空中交通流量管理不确定规划模型，采用基于自适应可变长度编码集的遗传算法进行求解；（3）建立了基于改航策略到达航班优化调度模型，采用改进遗传算法对模型进行求解；（4）研究了基于改航策略的扇区流量管理。. 项目超计划研究的内容：（1）基于预测天气的空域容量评估，将概率预测天气转换为概率评估容量；（2）改航路径评价，建立了5个指标，采用层次分析法进行评估；（3）流量管理中航路资源分配模型研究，建立了时隙-高度层协同分配模型。. 项目研究成果：发表论文21篇，其中期刊18篇，会议3篇，EI检索12篇；培养博士生4人，2人已毕业；培养硕士生6人，5人已毕业。研究成果已经提供给民航局空管局运行中心参考应用。