● 摘要
随着航空运输业的快速发展和空中交通总量的持续增加，有限的可用空域资源和空中交通流量快速增长之间的矛盾日益凸显，空中交通拥堵现象日益严峻，飞行冲突以及危险接近事故征候频繁，不仅严重威胁空域安全，而且制约了航空运输的可持续发展。目前空管系统基于空域扇区分区管控，运行方式以粗放式经验管理为主，导致战略方法主要采用飞行流量调配，以流量匹配扇区容量为主，缺乏航路网络内长期飞行冲突的有效调控。此外，尽管各个扇区管制单元针对短期飞行冲突采用战术方法进行解脱，然而这些局部的、孤立分散的方法单纯依靠“头痛医头，脚痛医脚”的方式难以最大程度保证空中交通系统的运行安全。
基于四维航迹运行在欧美航空发达国家各自的下一代航空运输系统规划与建设中被列为未来空中交通管理系统的关键突破点。其中核心内容就是面向四维航迹运行的冲突解脱技术，通过对航班四维航迹的优化调控，不仅可以实现全国范围内大批次航班飞行全程无冲突，而且可以有效提升空域运行效率，减少航班延误，降低管制负荷。因此，近年来备受国际空管学术界和工业界的关注。
然而，面向四维航迹运行的多飞行器冲突解脱是一类高维度、约束条件强耦合、多目标、非线性的复杂工程优化问题，现有方法难以高效解决。本文结合空中交通管理实际运行阶段，构建“启发式知识挖掘—战略飞行冲突消解—战术冲突解脱”的协同飞行冲突解脱框架。首先基于空中交通各要素构建航路网络的交通动力学模型，提出战略飞行冲突消解的全局指导策略以及启发式知识；进而构建基于启发式知识引导的战略飞行冲突消解双层优化模型：第一层构建飞行流量调配模型，通过均衡扇区网络内飞行流量缓解拥堵的方式从根本上减少飞行冲突的可能性；第二层构建航路网络飞行冲突消解模型，最大程度消除航班四维航迹冲突；最后研究多飞行器战术冲突解脱方法，对局部航路探测到的飞行冲突进行实时高效调控；并运用中国航路网运行的真实数据对相关技术方案进行仿真验证，为构建面向四维航迹运行大规模飞行冲突解脱的系统解决方案奠定理论与技术基础。
论文的主要研究内容及创新性工作包括：
1、针对航路网络中大范围空域大批次航班飞行安全间隔难以保持的难题，综合考虑空中交通系统关键要素，结合中国航路网络真实运行数据，引入飞机行为和实际空间约束，建立了既能够反映航班运行微观特性，又能描述飞行流量演化过程宏观特性的中国航路网络交通动力学模型。研究了航路网络内大批次航班飞行动态特性，基于空间欧式距离与边介数等要素特征提出了均衡飞行流量的航班飞行路径选择策略，为设计航路网络中战略飞行冲突消解方法提供了领域知识前提。
2、针对航路网络内大规模飞行冲突难以高效调控的难题，基于启发式知识构建战略飞行冲突消解双层优化模型。首先构建了兼顾扇区网络飞行流量均衡、航班成本的飞行流量调配双目标优化模型，支持航班地面等待、路径选择等调控策略，以此缓解拥堵、从根本上减少飞行冲突。然后进一步构建了兼顾航班飞行安全间隔保持、航班成本的飞行冲突消解双目标优化模型，消除航路网络内飞行冲突，以此保证运行安全，降低管制负荷。
3、针对战略飞行冲突消解双层优化模型大规模、强耦合以及计算复杂度为NP Hard的难题，基于多岛并行智能计算构建双层协同优化框架。第一层采用多岛并行优化框架，并提出了种群之间个体左右概率迁移拓扑。第二层在每个种群中针对性的设计了多目标协同并行进化框架，采用分而治之的策略将大规模复杂问题化简为若干子问题并行求解。并且引入基于空间欧式距离与边介数的航班飞行路径选择策略，作为启发式知识生成高质量初始解，减少搜索空间。基于中国航路网络实际运行数据的仿真验证表明：本文所提算法可有效解决战略飞行冲突消解每层优化模型，且性能优于经典多目标进化算法。
4、针对多飞行器战术冲突解脱难以兼顾时效性与有效性的难题，基于飞行器动力学特性设计飞行器冲突解脱路径集合，并构建最小化飞行冲突以及冲突解脱成本的数学模型，综合考虑现有集中式与分布式冲突解脱方法的优点，设计了兼顾经济性与安全性的集中分布式战术冲突解脱方法。首先针对问题复杂度高、关联变量强耦合的特点，分析多飞行器之间的内在关联，基于飞行冲突设计飞行器动态分组策略，构建全局分布式、局部集中式的并行优化框架。然后针对局部子组内部飞行器，设计高效算法进行集中优化。采用密集飞行经典场景进行仿真验证：本文所提方法可以有效实现多飞行器的实时冲突解脱，且性能优于多种现有冲突解脱方法。
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