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机场节点失效下的航空器备降场规划

吴明功;蒋旭瑞;温祥西;聂党民;涂从良

【摘要】为了缓解重点机场节点失效带来的航空网络运行不畅、空中相撞风险增

加等问题,需要对航线中运行的航空器进行备降场规划.分析了机型、航空器位置、

节点容量、机场配置、航线密度等因素与代价之间的关系,建立了航空器分配优化

模型,确立了距离和空中相撞风险两方面的优化目标,最后选用基于递变权重系数的

蝙蝠算法对多目标问题求解.实验以北京——上海航线为例,结果表明提出的模型和

算法较合理,可以调节参数来满足不同需求,求出的最优解相比传统方法更能有效降

低代价.

【期刊名称】《火力与指挥控制》

【年(卷),期】2018(043)011

【总页数】6页(P58-63)

【关键词】备降场规划;节点失效;蝙蝠算法;多目标

【作者】吴明功;蒋旭瑞;温祥西;聂党民;涂从良

【作者单位】空军工程大学空管领航学院,西安710051;空军工程大学空管领航学

院,西安710051;空军工程大学空管领航学院,西安710051;空军工程大学空管领航

学院,西安710051;空军工程大学空管领航学院,西安710051

【正文语种】中文

【中图分类】V217

0引言

在当前世界总体形势稳定、局部冲突不断的背景下，机场由于自然灾害或战争引起

非正常运行的现象在全球已逐渐普遍。如果重要节点失效，又不能有效调节网络的

运行，就容易导致局部甚至整个网络的级联失效。这对于当地的政治经济稳定影响

较大，并且制约了地区发展。因此，在节点失效的情况下，如何合理进行流量规划，

选择合适的备降场具有重要的研究意义。

目前，在复杂网络领域，对网络的负载重分配问题研究较为广泛。文献[1-2]提出

了最近邻负荷再分配策略，当网络中某一节点发生故障，故障节点的负荷会分配给

与其直接相连的节点。文献[3]构建了一个可调负荷区域的模型，节点发生故障后

会把自身负荷分配给以自身为中心的一个区域内，区域的大小是可以调节的。并且

调节区域大小，能够改变网络的鲁棒性。以上文献虽涉及到负荷的重分配，但对每

个节点分配负荷的数量以及原则没有阐述清楚。对于这些缺陷，Yang等[4]提出了

一种基于度的节点处理能力分配策略，其中总的节点处理能力是固定的，每个节点

分配到的处理能力与节点的度成比例。Cao等[5]设计了一种动态的自适应的节点

处理能力分配机制，每个节点的处理能力与这个节点所接收到的数据包的个数成比

例。文献[6]提出了两种模型，在这两种模型中，每个节点的处理能力分别根据节

点的度和介数来分配。文献[7]结合网络节点负载实时动态信息，提出了一种负载

动态重分配策略，根据节点的度与节点实时处理效率计算节点的权重，按节点权重

从高到低的排序进行负载分配，同时选取一定比例的失效节点暂停工作，待其功能

恢复后自行处理负载。这些研究虽然比较细致地描述了负载分配机制，但在分配的

时候只是考虑了网络中节点的基本性质，缺乏对实际网络中节点特点的数学抽象化。

在航空学界，学者对于备降机场的选择也具有一定的研究。文献[8]分析了备降机

场最低天气标准的意义，提出了可选备降机场的概念，对选择备降机场的安全可行

性做出了说明，但是缺乏定量分析。文献[9]针对大型枢纽机场到场航班的备降场

分配问题，以备降总时间最小为优化目标，提出基于线性规划的备降场分配模型，

该文献虽然对问题进行了数学模型分析，但是优化目标单一，因此，缺乏准确性。

在以往研究的基础上，为解决传统方法泛化和优化目标单一的局限，本文基于航空

实际，考虑了机型、航空器位置、节点容量、机场配置、航线密度等众多因素与代

价之间的关系，从距离与空中相撞风险两方面的代价入手，进行数学分析建模，确

定两个优化目标，最后通过基于递变权重系数的蝙蝠算法进行求解。

1问题描述

航空网络节点失效后航空器备降场规划的实质是：根据航空器的类型，以及航空器

在航线中所处位置，科学地计算选择某机场节点所需要产生的代价，通过合理规划

航空器的备降场，使网络总代价最小化。首先要区分所要进行规划的是多个对象还

是单个对象，单个对象即一架航空器的备降机场选择只需要计算对所有可选机场的

代价，然后比较就可以决策，而多个对象即多架航空器的备降机场选择考虑的是全

局而不是局部的代价，本文针对的是多个对象。其次要确定计算哪些方面的代价，

每种代价的重要度以及需要考虑的因素。下面提出解决方法的具体过程。

2航空器分配优化模型构建

2.1基本假设

本文的理论基础是复杂网络[10]，因此，需要构建航空网络拓扑模型，考