基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的空中交通擁擠評(píng)價(jià)方法研究

路佳文 孫琪

摘 要：空中交通擁擠的識(shí)別是一個(gè)需要深入研究的問(wèn)題。結(jié)合國(guó)內(nèi)空中交通擁擠情況日益嚴(yán)重的現(xiàn)狀，在參照道路交通擁擠識(shí)別方法的研究基理論上，加入空中交通的特性，構(gòu)建了基于終端區(qū)的空中交通擁擠識(shí)別體系，其中通過(guò)對(duì)衡量指標(biāo)的分析，在此基礎(chǔ)上引入飛行延誤時(shí)間和管制員工作負(fù)荷兩個(gè)新的指標(biāo)，之后依據(jù)擁擠指標(biāo)對(duì)擁擠態(tài)勢(shì)進(jìn)行了等級(jí)劃分，通過(guò)構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)終端區(qū)空中交通擁擠態(tài)勢(shì)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的初步識(shí)別，為空中交通安全評(píng)估和管理決策提供依據(jù)。

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

一、研究背景及意義

近年來(lái)，伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的快速提升，民用航空空中交通迅猛發(fā)展，與之而來(lái)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(kāi)放的不平衡，從而導(dǎo)致了空中交通擁擠現(xiàn)象的日益嚴(yán)重?？罩薪煌〒頂D已經(jīng)導(dǎo)致了一系列嚴(yán)重的交通問(wèn)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(shí)間和航班延誤增大，降低航空公司經(jīng)濟(jì)效益；飛行沖突增加、管制調(diào)配難度加大，增加管制員負(fù)荷，導(dǎo)致運(yùn)行效率低下；飛行器污染物排放增多，加劇對(duì)環(huán)境的污染程度等。這些問(wèn)題已經(jīng)成為空中交通進(jìn)一步發(fā)展的一大桎梏，成為我們當(dāng)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(gè)方面，一方面是交通量過(guò)大，另一方面是則是交通情況復(fù)雜。

要研究空中交通擁擠特性，就要建立相應(yīng)的擁擠等級(jí)。結(jié)合道面擁擠評(píng)估及前人對(duì)空中交通擁擠的評(píng)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(gè)等級(jí)。

（1）暢通狀態(tài)

空中交通暢通是指航路上飛機(jī)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(nèi)飛機(jī)數(shù)量增加，飛行間隔有所減少，飛機(jī)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(fù)雜性較低，

（3）輕微擁擠狀態(tài)

飛機(jī)之間的跟馳現(xiàn)象加強(qiáng)，交通流存在不穩(wěn)定性，當(dāng)出現(xiàn)干擾時(shí)，部分飛機(jī)受到影響，會(huì)進(jìn)行降速、調(diào)高、改變航向或機(jī)動(dòng)盤(pán)旋等待等措施。

（4）擁擠狀態(tài)

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

三、基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的終端區(qū)交通擁擠評(píng)價(jià)體系

（一）擁擠指標(biāo)選取

本章采用飛行延誤、管制員工作負(fù)荷以及飽和度來(lái)作為終端區(qū)的擁擠評(píng)價(jià)參數(shù)指標(biāo)。而對(duì)于一個(gè)終端區(qū)而言，它的容量是一定的，因此可以將飽和度簡(jiǎn)化為交通量參數(shù)。

（1）管制員工作負(fù)荷

該指標(biāo)能在一定程度上反應(yīng)航空器在空域內(nèi)的飛行復(fù)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(fù)荷越大，表明飛行秩序越差，飛機(jī)之間存在許多沖突，而這一對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)的空中交通擁擠情況越嚴(yán)重。

（2）交通量

交通量指的是某時(shí)間內(nèi)進(jìn)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(shí)間內(nèi)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(nèi)的不穩(wěn)定因素也會(huì)隨之增大，空域交通環(huán)境越復(fù)雜，可調(diào)控的空間范圍越小，越容易引發(fā)空中交通擁擠問(wèn)題。而反之，交通量越小，航路相對(duì)穩(wěn)定，可調(diào)控范圍越大，航路發(fā)生擁擠的可能性也會(huì)降低。其計(jì)算公式如下：

Q=N/T

其中Q為單位時(shí)間內(nèi)空域的交通量；N為一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)入的航空器數(shù)量；T為觀測(cè)時(shí)間。

（3）飛行延誤

飛行延誤能反映出飛機(jī)的局部沖突情況。在一定條件下，飛行延誤越大，需要飛機(jī)做出的機(jī)動(dòng)就越多，局部空域的空中交通越復(fù)雜。假設(shè)所有的飛機(jī)類(lèi)型相同，速度一定，不受風(fēng)向風(fēng)速等條件影響，通過(guò)觀測(cè)飛機(jī)從某一位置報(bào)告點(diǎn)飛往另一位置報(bào)告點(diǎn)的時(shí)間來(lái)統(tǒng)計(jì)飛行延誤。

（二）終端區(qū)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立

本文采用交通量（飽和度）、管制員工作負(fù)荷以及飛行延誤三個(gè)飛行參數(shù)作為擁擠衡量指標(biāo)，所以輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為3；輸出的結(jié)果應(yīng)當(dāng)是擁擠等級(jí)，擁擠等級(jí)我們分為1-4，所以輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為1。

一般來(lái)說(shuō)，三層網(wǎng)絡(luò)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(xué)關(guān)系： 。

因此，可大致判斷所設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(gè)定值，需要不斷的調(diào)整以適應(yīng)實(shí)際訓(xùn)練的驗(yàn)證，直到達(dá)到學(xué)習(xí)訓(xùn)練的最佳效果

基于灰色聚類(lèi)方法來(lái)判斷空中交通擁擠等級(jí)，以此獲取可以用于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的樣本數(shù)據(jù)。

四、終端區(qū)空中交通擁擠識(shí)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(dá)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(fù)荷等重要參數(shù)指標(biāo)。

通過(guò)對(duì)終端區(qū)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并參考相關(guān)資料文獻(xiàn)，確定各聚類(lèi)指標(biāo)的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，如表4.2所示。

根據(jù)白化權(quán)函數(shù)得出灰色聚類(lèi)系數(shù)，得到擁擠識(shí)別結(jié)果

（二）計(jì)算結(jié)果

用灰色聚類(lèi)將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將得到的聚類(lèi)數(shù)據(jù)結(jié)果作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(fù)荷為三個(gè)輸入量，以灰色聚類(lèi)判別的擁擠等級(jí)為輸出量，代入構(gòu)建的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行訓(xùn)練，其訓(xùn)練結(jié)果如下：

數(shù)值1-4分別對(duì)應(yīng)了空中交通的四個(gè)擁擠等級(jí)，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(shì)一致，除了個(gè)別數(shù)據(jù)外，判別等級(jí)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(jì)，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(zhǔn)確度高達(dá)到91%，能夠比較快速準(zhǔn)確的進(jìn)行擁擠態(tài)勢(shì)的初步判別。

五、總結(jié)展望

空中交通擁擠識(shí)別是一個(gè)龐大復(fù)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(shí)中的擁擠問(wèn)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(diǎn)不足：

（1）適用范圍小，只涉及終端區(qū)的空中交通擁擠識(shí)別，沒(méi)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(méi)有考慮突發(fā)因素對(duì)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(biāo)雖然改善，但是仍然不能將擁擠帶來(lái)的影響表征到每一架航空器上，決策管理需要整體調(diào)劑，而不能簡(jiǎn)便調(diào)節(jié)以改善飛行環(huán)境。因此，需要更多的衡量指標(biāo)來(lái)豐富空中交通擁擠識(shí)別體系，使其更加具化。

（4）由于無(wú)法獲取大量的真實(shí)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(lái)看模型的準(zhǔn)確性很高，但是仍需要大量數(shù)據(jù)的驗(yàn)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(wèn)題，也是航空公司與交通管制部門(mén)的平衡問(wèn)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(wèn)題。因此，不同的目標(biāo)對(duì)決策也有很大的影響。

空中交通擁擠問(wèn)題是一個(gè)長(zhǎng)期的、復(fù)雜的系統(tǒng)工程性問(wèn)題，需要運(yùn)用不同的學(xué)科交叉完善，以新的思路、新的方法來(lái)對(duì)其進(jìn)行探究，為空中交通管理提供強(qiáng)大的理論依據(jù)和方法支撐，以此來(lái)豐富、完善空中交通擁擠理論體系。

作者簡(jiǎn)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.