遗传算法在空域流量管理决策辅助中应用前景和研究

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1、遗传算法在空域流量管理决策辅助中应用前景和研究摘要：文章针对民航空中交通管理专业中近年来发展迅猛的流量管理辅助决策系统,分析了使用遗传算法进行初始控制方案集合的计算的优点与不足，以及使用前景。关键词：空中交通管制；空域；航路、航线；遗传算法;流量管理近年来，随着民航业的快速发展，航班的迅猛增加，旅客运营量的飞速提升，空域资源与运营需求的矛盾凸显。空中交通管制，是为了保障飞行安全和顺畅而生，因此，当其所负责的管制空域或者终端区飞机数量出现超过管制员指挥和保障能力时，就会出现高风险指数，为了保障安全和顺畅，需要将这种风险控制在可接受范围之内，于是空域流量管理便由此而生。大家都知道，

2、在一个管制空域内，同时存在与该空域内的飞机数量，和一段时间将要进入或退出该空域的飞机数量，决定了该管制空域在一段时间内的压力，当压力超过或者预计超过管制部门的负荷能力时，“流控”便应运而生，但是，如何科学地建立针对空域或者终端区流量管理方法，是近年来迫切需要解决的问题，在民航大力发展SMS系统建设的同时，目前有许多基于风险控制理论的空域流量管理辅助决策系统正在被开发，但是在确定最初的控制方案集合方面，即在求解该优化问题最初的解集时，大部分系统采用了传统的经验数据作为初始解集使用，这对于系统的可扩展性以及全局优化的可兼容性其实非常不利。在这里，我提出利用遗传算法来帮助在空域流量管

3、理决策辅助过程中，代替管制员的经验数据寻找初始流量控制方案的想法。首先，假设某管制空域，由数个终端机场，以及数条航路航线构成。将这个空域的所有进出口统一进行编号，为ADCBE等5个进出口，那么该空域对应的进口点5个，出口点5个，用小编号1表示入口，则入口有Al、BkCl、DI、El,同样以小编号2表示出口，则出口有A2、B2.C2、D2、E2等5个，总共为10个进出点。当使用风险评估来对该空域做流量管理决策时，我们通常是依靠管制员的工作经验来判断，换言之，并数据化的规则依据，一般情况下，比如上述空域，管制员是通过经验提出针对上述10个进出口点提出流量管理决策，到单纯的减少飞机数

4、量的目的。利用计算机使用遗传算法可以帮助完成这一工作，并且这项技术在该领域拥有非常宽广的拓展空间。作者将上述10个进出口按照开放等级来划分，以表示其控制程度，类似于开关效应，通过控制所有开关的开放大小来控制整个系统中的压力和流量。那么首先需要使用三位二进制编码来表示开关大小，从000开始，到111结束，代表着6个级别的开关范围，从完全关闭到无限制开放。同样按照ABCDE的顺序，将入口放在前面进行排序，那么该空域的进出口无限制状态可以被二进制码表示为：111111111111111111111111111111那么假设，目前管制空域风险压力为P,可接受风险压力为P0,目前已经打算

5、采取一定的流量控制措施，预计其各个进出口开关的状态为：101111001010111110110010111001这组编码，就是遗传算法中的“数字染色体”。作者目的在于，希望通过这样的控制方法，在一段时间内尽可能的将P控制在P0以下。接下来，需要创建100个(或者更多)随机编码组作为基因组，他们每一个，都代表着一种候选的流量控制方法。这个集合被称作初代基因组，而初代基因组里面，有可能包含着最好的解决方案，但有很大一部分估计是根本不可行的方案，接下来要做的工作就是选择适应度函数来对这个基因组的每一个染色体进行适应度评价，接着使用“轮盘法”来对其进行杂交和变异操作，其流程如下：(1

6、)检查每个染色体，看它的可行性如何，并相应的为它分配一个适应性分数。(1)从当前群体中选出两个成员，选出的概率与适应性分数成正比。(2)选择杂交率，从每个选中的染色体中的一个随机确定的点上进行杂交。(3)按照预定的变异率，通过对被选染色体的位的循环，把相应的位实进行翻转。(4)重复2,3,4,知道100个成员的新群体被创建出来。例如，系统随机选出两组编码：(1)101111001010111110110010111001(2)111101001001110111111111110101这里我们使用单点交叉法，在中间的空格位进行杂交后，得到新的两个编码：(1)1011110010

7、10111111111111110101(2)111101001001110110110010111001其中第一个按照变异概率在第4位进行了变异，即翻转(0和1互换):101011001010111111111111110101如果把这个编码按照前面所述的编码规则翻译过来，就是新的代表10个进出口的控制方法。在遗传算法的应用中，杂交率以及变异率和适应度函数是遗传算法中最为重要，但也最难确定的关键性技术问题，到目前为止世界上还没有快速有效的该值的确定规则，杂交率太小，系统将难以“向前搜索”，