基于時(shí)間序列的航路隨機(jī)交通流復(fù)雜度研究
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
杜實(shí)，宋憲勇
(中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院，天津300300)
【摘要】本文參照數(shù)學(xué)算法復(fù)雜度模型并對(duì)其作出改進(jìn)，建立了基于時(shí)間序列的航路交通流復(fù)雜度模型，給出了算法復(fù)雜度和近似熵復(fù)雜度兩種模型的算法步驟，在短時(shí)和長時(shí)兩個(gè)方面，從管制員的角度分析實(shí)時(shí)交通流并掌握交通流的復(fù)雜度，從而為發(fā)出正確的管制指令、合理安排航路流量提供參考。通過運(yùn)用Matlab．模擬經(jīng)過某航路的航空器速度，仿真生成了兩種不同狀況下復(fù)雜度變化的情況。結(jié)果表明，該模型對(duì)緩解交通擁擠，分析交通流復(fù)雜度具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。
【關(guān)鍵詞】航路；隨機(jī)交通流；算法復(fù)雜度；近似熵復(fù)雜度；仿真
1 引言
隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人民生活水平日益提高，人們?cè)絹碓蕉嗟剡x擇乘坐飛機(jī)出行，航路上的飛機(jī)流量不斷增加，導(dǎo)致有限的空域資源變得更加擁擠，為了確保航班的安全運(yùn)行，有時(shí)需要采取流量控制�？茖W(xué)正確地安排空中交通流量，是保證航班正點(diǎn)和安全運(yùn)行的必要條件。然而，空中交通系統(tǒng)是一個(gè)開放的、非線性復(fù)雜的巨系統(tǒng)，涉及的影響因素很多，很難通過建立統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型將所有因素融合在一起研究。
對(duì)于交通流復(fù)雜度的研究，國內(nèi)外一些專家學(xué)者取得了一定的成果。國外方面，Landry等人提出基于時(shí)間度量流量管理的概念，并提出了基于時(shí)間度量方法的分布式時(shí)間排列方法，Prevot等人提出基于時(shí)間度量的航跡推測(cè)問題，Steven Lent等人提出基于時(shí)間度量的凍結(jié)區(qū)概念，驗(yàn)證了排序系統(tǒng)的可行性。國內(nèi)方面，趙嶷飛等在現(xiàn)有航路流量控制方法上提出一種改進(jìn)的控制方法，胡明華基于實(shí)時(shí)航路交通流量的統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)，研究多種約束條件下的尾流間隔策略和動(dòng)態(tài)排序策略。
本文采用數(shù)學(xué)算法原理，根據(jù)空中交通的實(shí)際情況，研究航路上隨機(jī)交通流的復(fù)雜度，并從短時(shí)和長時(shí)兩個(gè)方面分析交通流復(fù)雜度的變化趨勢(shì)，改進(jìn)了算法復(fù)雜度和近似熵模型，通過Matlab仿真得到了反映兩種算法復(fù)雜度對(duì)應(yīng)的特征曲線，得出的結(jié)論對(duì)于管制員實(shí)時(shí)分析預(yù)測(cè)交通流的復(fù)雜度具有一定的指導(dǎo)意義。
2 航路交通流復(fù)雜度模型
2.1 算法復(fù)雜度模型
算法復(fù)雜度模型是由Lempel和Ziv提出來的，他們把一有限長序列的復(fù)雜度定義為隨該序列長度增加而產(chǎn)生新模式的速度，并給出了復(fù)雜度的算法。獲取算法復(fù)雜度值并表達(dá)其特征，要求取相對(duì)較長的序列，若所取序列多次重復(fù)以前的序列段，即包含的周期成分多，則該序列的復(fù)雜度就較低；相反，若所取序列較少重復(fù)以前的序列段，即包含的周期成分少，則該序列的復(fù)雜度就較高。利用算法復(fù)雜度的這個(gè)特點(diǎn)，本文根據(jù)空中交通運(yùn)行的實(shí)際情況，提出模型假設(shè)條件，將算法復(fù)雜度模型改進(jìn)，使其適用于空中交通服務(wù)航路。
2.2改進(jìn)的航路交通流算法復(fù)雜度模型
由參考文獻(xiàn)[7]，根據(jù)航路上航空器的運(yùn)行情況，提出以下模型假設(shè)條件：
1．選取航路一個(gè)航段的一個(gè)高度層，航空器隨機(jī)地通過該航段入口；
2．重、中、輕三種類型的航空器按照其默認(rèn)的巡航速度出現(xiàn)，具體速度控制指令由管制員根據(jù)具體航空器性能和航路交通活動(dòng)情況發(fā)出；
3．飛行員嚴(yán)格按照飛行計(jì)劃和管制員發(fā)出的指令飛行；
4．不考慮外界環(huán)境引起的偏航問題，也不考慮通信、導(dǎo)航和監(jiān)視誤差引起的航跡偏差；
5．航空器在航路上飛行，不考慮航路外其他航空器的影響。
根據(jù)以上算法復(fù)雜度模型假設(shè)條件，得到如下改進(jìn)算法復(fù)雜度模型的步驟：
Step 1：某航路上隨機(jī)地產(chǎn)生n架航空器的速度值，記為序列Y (y1y2，…，y。)，定義0-1重置序列S(s1s2，…，s。)，規(guī)定當(dāng)y．的值大于Y序列的均值時(shí)，S，記為1，否則記為0，于是得到0一1重置序列S；
Step 2：設(shè)變量c(x)為S序列的復(fù)雜度，S、Q分別代表兩個(gè)序列，其中主序列為S，SQ表示將S、Q兩個(gè)序列拼接得到的總序列，刪去SQ序列每項(xiàng)的最后一個(gè)字符得到SQn，SQn的所有不同序列組成的集合表示為：0（SQ7t）。
4算例仿真
本文從航空器的速度變化人手，研究隨機(jī)時(shí)間序列的航路交通流復(fù)雜度。模擬從某終端區(qū)進(jìn)入航路的航班流的速度，假設(shè)每兩分鐘有一架航空器飛過該航路入口進(jìn)入該航段，管制員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行速度的調(diào)配，主要考慮航空器的機(jī)型和密度進(jìn)行速度控制。用Matlab軟件根據(jù)航空器的機(jī)型設(shè)定相關(guān)的條件，隨機(jī)生成300組數(shù)據(jù)，模擬從早上8:00到晚上18:00的某航路航空器速度的變化范圍，如圖1所示。
由文獻(xiàn)[8]可知，算法復(fù)雜度的值需要達(dá)到一定的數(shù)據(jù)長度才能獲得穩(wěn)定，為了探求該數(shù)據(jù)長度，本文設(shè)步長為30，即從開始每次增加30個(gè)隨機(jī)數(shù)據(jù)來計(jì)算算法復(fù)雜度，設(shè)常數(shù)L為5，得到圖2步長遞增的算法復(fù)雜度。由圖可以發(fā)現(xiàn)，航段一開始的復(fù)雜度變化不定，隨著流量的逐漸增加，管制員對(duì)航段流量的變化情況逐漸熟悉，隨著時(shí)間的推移，航段復(fù)雜度趨于穩(wěn)定。
改進(jìn)的算法復(fù)雜度模型對(duì)于長時(shí)間的預(yù)測(cè)比較準(zhǔn)確，當(dāng)樣本隨機(jī)數(shù)足夠多時(shí)，算法復(fù)雜度會(huì)趨于穩(wěn)定。改進(jìn)的近似熵模型可以描述短時(shí)交通流的變化狀態(tài)，即使隨機(jī)樣本數(shù)只有100個(gè)，也能準(zhǔn)確地刻畫不同步長近似熵的變化情況。我們?nèi)〔介L為10，取前200分鐘的航路交通流量數(shù)據(jù)為樣本，得到圖3步長遞增的近似熵復(fù)雜度。
由圖3可知，改進(jìn)的近似熵復(fù)雜度模型所得出的結(jié)果與改進(jìn)的算法復(fù)雜度模型得出的結(jié)果一致，而且所需的樣本數(shù)更少。
5結(jié)論
本文利用改進(jìn)的算法復(fù)雜度和近似熵復(fù)雜度，給出了兩種改進(jìn)的復(fù)雜度模型，并使其適用于飛行活動(dòng)管理領(lǐng)域，用Matlab產(chǎn)生300架航空器隨機(jī)的速度值，模擬真實(shí)的航路情況，仿真得到了航路上航空器的速度變化曲線圖，因?yàn)闄C(jī)型的原因，航空器速度差異雖然比較大，但基本符合真實(shí)的管制運(yùn)行情況。依據(jù)改進(jìn)的算法復(fù)雜度和近似熵復(fù)雜度得出了不同步長下的復(fù)雜度值，并得出以下結(jié)論。
(1)不同時(shí)間的交通流序列存在明顯的差異，兩種改進(jìn)的模型可以定量地分析航路交通流復(fù)雜度。
(2)改進(jìn)的算法復(fù)雜度模型將交通流劃分為區(qū)間，提高了特征分類聚集程度，減少了特殊情況的干擾。
(3)改進(jìn)的算法復(fù)雜度模型適用于樣本數(shù)較多的交通流序列，能夠客觀地反映各個(gè)時(shí)間段的交通流復(fù)雜度；而改進(jìn)的近似熵復(fù)雜度模型適用于樣本數(shù)較少的交通流序列，對(duì)交通流的短時(shí)波動(dòng)可以很好地做出預(yù)測(cè)。
真實(shí)管制環(huán)境的流量密度存在差異，所以得到的結(jié)果與真實(shí)交通流復(fù)雜度存在一定的偏差。今后的研究將在本文研究基礎(chǔ)上，研究三維航路網(wǎng)的交通流復(fù)雜度，并且考慮外界因素和不同機(jī)型對(duì)航路交通流復(fù)雜度的影響，使空中交通流復(fù)雜度的研究結(jié)果更加趨近于實(shí)際的管制環(huán)境，進(jìn)一步對(duì)管制員的管制活動(dòng)起到更加有效的指導(dǎo)作用。
