張兆寧,張瑩瑩,冀姍姍
(1.中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院,天津 300300;2.中國(guó)民用航空華東地區(qū)空中交通管理局飛行服務(wù)中心,上海 200335)
大面積航班延誤為機(jī)場(chǎng)、空管、航空公司等民航單位帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。目前,造成大面積航班延誤的原因較多,如惡劣天氣、空域繁忙、機(jī)場(chǎng)設(shè)施故障、軍事活動(dòng)等,都會(huì)造成機(jī)場(chǎng)或航線的容量下降,從而產(chǎn)生容量和流量需求之間的矛盾,導(dǎo)致空中交通網(wǎng)絡(luò)流系統(tǒng)(ATNFS,air traffic network flow system)發(fā)生擁堵。若能預(yù)先向流量管理部門(mén)發(fā)布擁堵等級(jí),則可提前采取相應(yīng)措施,進(jìn)行流量控制,提高ATNFS 的運(yùn)行效率。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用不同方法進(jìn)行空中交通狀態(tài)預(yù)測(cè)。在國(guó)外,Tu 等[1]使用統(tǒng)計(jì)方法分析空中交通延誤的長(zhǎng)、短期模式;Rehwald 等[2]提出了機(jī)場(chǎng)交通擁堵的概念,即進(jìn)離場(chǎng)和扇區(qū)流量需求與容量不匹配的狀態(tài);Lee 等[3]使用多元線性回歸分析方法創(chuàng)建預(yù)測(cè)模型,對(duì)由天氣導(dǎo)致的交通擁堵變化進(jìn)行評(píng)估;文獻(xiàn)[4-5]針對(duì)航班延誤預(yù)測(cè)問(wèn)題,先后提出了基于長(zhǎng)短時(shí)記憶法的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型和一種結(jié)合天氣數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型,后者可預(yù)測(cè)由惡劣天氣條件引起的航空公司延誤;Liu 等[6]利用隨機(jī)森林算法構(gòu)建了交通擁堵預(yù)測(cè)模型;文獻(xiàn)[7]提出一種預(yù)測(cè)和評(píng)估機(jī)場(chǎng)到達(dá)運(yùn)行狀態(tài)的方法,研究結(jié)果表明,對(duì)機(jī)場(chǎng)延誤和擁堵影響最大的因素包括到達(dá)過(guò)程的飽和程度、時(shí)間段和氣象條件。
在國(guó)內(nèi),李善梅等[8]針對(duì)機(jī)場(chǎng)擁擠問(wèn)題,提出基于聚類(lèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的擁擠等級(jí)預(yù)測(cè)模型;徐肖豪等[9]總結(jié)了空中交通擁擠預(yù)測(cè)的方法和模型,并對(duì)未來(lái)的研究方向和熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行分析;黃榮順等[10]針對(duì)機(jī)場(chǎng)擁擠問(wèn)題,提出基于多元線性回歸和支持向量機(jī)方法的擁擠預(yù)測(cè)模型;丁輝等[11]針對(duì)空域擁堵?tīng)顟B(tài),提出使用堆疊自編碼網(wǎng)絡(luò)的擁堵預(yù)測(cè)模型,但未將其應(yīng)用到實(shí)際數(shù)據(jù)中;王莉莉等[12]針對(duì)突發(fā)事件下的短期空中交通流量調(diào)度問(wèn)題,使用動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)流方法進(jìn)行研究;張兆寧等[13]從機(jī)場(chǎng)和航線角度對(duì)空中交通網(wǎng)絡(luò)流系統(tǒng)的擁堵進(jìn)行研究。
綜上所述,對(duì)于空中交通擁堵預(yù)測(cè)的研究多是針對(duì)空中交通某單元,如扇區(qū)、機(jī)場(chǎng)、某航段等,且對(duì)于擁堵和擁擠的區(qū)分不明顯。實(shí)際上,空中交通擁擠是一種常態(tài),常常出現(xiàn)在流量高峰時(shí)段或機(jī)場(chǎng)、扇區(qū)等空中單元受到輕微干擾時(shí)。而擁堵使機(jī)場(chǎng)、扇區(qū)等空中交通單元的容量大幅下降,從而導(dǎo)致流量需求和實(shí)際容量遠(yuǎn)不匹配的狀態(tài),造成機(jī)場(chǎng)大面積航班延誤??罩薪煌〒矶略斐傻暮蠊葥頂D嚴(yán)重得多。若只從機(jī)場(chǎng)、扇區(qū)等單元開(kāi)展研究,則研究角度比較微觀,不能從宏觀角度把握擁堵的發(fā)展態(tài)勢(shì)。因此,有必要從ATNFS 角度進(jìn)行擁堵預(yù)測(cè)研究。
在實(shí)際工作中,空中交通流量管理部門(mén)需要對(duì)ATNFS 的擁堵態(tài)勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè),才能更好地采取控制措施。擁堵發(fā)生的原因主要是流量需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于容量,因此,從二者的關(guān)系入手預(yù)測(cè)擁堵?tīng)顟B(tài)。主要包括3方面內(nèi)容:①ATNFS 的容量、實(shí)際流量和流量需求的關(guān)系;②ATNFS 的狀態(tài)分類(lèi)、評(píng)價(jià)指標(biāo)和確定預(yù)測(cè)指標(biāo);③建立基于GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的ATNFS 擁堵預(yù)測(cè)模型。
ATNFS 擁堵是指其中的機(jī)場(chǎng)和航線容量下降,導(dǎo)致其不能滿足流量需求而發(fā)生航班延誤、取消、返航和備降等現(xiàn)象。不同于ATNFS 擁擠,擁堵是指實(shí)際的流量接近容量,造成的交通滯留現(xiàn)象。一般情況下,系統(tǒng)內(nèi)的航班都是按航班計(jì)劃安排的,且正常情況下航班計(jì)劃不會(huì)超過(guò)機(jī)場(chǎng)和航線的容量,流量需求不會(huì)猛增。若發(fā)生擁堵,必定是系統(tǒng)內(nèi)機(jī)場(chǎng)或扇區(qū)的容量下降,從而導(dǎo)致其不能滿足流量需求。因此,需從實(shí)際流量、容量和流量需求的角度對(duì)ATNFS 的狀態(tài)進(jìn)行分類(lèi)。
ATNFS 容量C 是指在一定可接受的延誤條件下,在給定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)中能安全運(yùn)行的最大航班架次,包括航線飛行的航班,機(jī)場(chǎng)內(nèi)起飛、降落和滑行的航班,但不包括機(jī)場(chǎng)內(nèi)尚未起飛的航班。實(shí)際流量F 是指在給定時(shí)間內(nèi)ATNFS 中運(yùn)行的實(shí)際航班數(shù),包括實(shí)際進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)航線和機(jī)場(chǎng)的航班數(shù)量,但不包括機(jī)場(chǎng)內(nèi)尚未起飛的航班。流量需求FD是指給定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)中預(yù)計(jì)運(yùn)行的航班架次,包括正在運(yùn)行的航班架次和預(yù)計(jì)進(jìn)入系統(tǒng)的航班架次。根據(jù)三者關(guān)系將ATNFS 的狀態(tài)分為4 類(lèi):正常、擁擠、擁堵和堵塞。
1)正常
機(jī)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)和航線容量都可滿足流量需求,幾乎所有航班都能正常運(yùn)行。三者關(guān)系基本滿足FD≈F <C。在無(wú)意外情況發(fā)生時(shí),機(jī)場(chǎng)和航線容量沒(méi)有下降,各航班按照正常航班計(jì)劃運(yùn)轉(zhuǎn),ATNFS 穩(wěn)定運(yùn)行。
2)擁擠
系統(tǒng)中某些機(jī)場(chǎng)或航線容量稍有下降,或系統(tǒng)流量需求和管制負(fù)荷增大,同時(shí)系統(tǒng)中出現(xiàn)延誤航班,但ATNFS 基本能維持正常運(yùn)行。航班高峰時(shí)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)擁擠,但當(dāng)大面積航班延誤開(kāi)始結(jié)束時(shí),系統(tǒng)通行能力開(kāi)始恢復(fù),大量延誤的航班開(kāi)始放行,此時(shí)系統(tǒng)中的實(shí)際流量會(huì)大于航班計(jì)劃,這同樣屬于擁擠狀態(tài)。此時(shí)三者關(guān)系基本滿足FD≈F≈C。若系統(tǒng)處于擁擠狀態(tài),流量管理部門(mén)應(yīng)該及時(shí)采取措施,以避免擁擠程度加深,造成更嚴(yán)重的后果。
3)擁堵
系統(tǒng)內(nèi)某些重要機(jī)場(chǎng)或航線容量長(zhǎng)時(shí)間嚴(yán)重下降,導(dǎo)致這些機(jī)場(chǎng)或航線不能滿足流量需求,但能運(yùn)行,同時(shí)出現(xiàn)大量航班滯留、延誤、取消、返航、備降等情況,系統(tǒng)中實(shí)際運(yùn)行的航班數(shù)會(huì)遠(yuǎn)小于計(jì)劃航班數(shù),即流量需求。當(dāng)發(fā)生大面積航班延誤時(shí)會(huì)出現(xiàn)擁堵?tīng)顟B(tài),此時(shí)三者關(guān)系基本滿足FD>F ≈C。在此狀態(tài)下,應(yīng)當(dāng)及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)的流量分布,以免某些機(jī)場(chǎng)或航線容量飽和,導(dǎo)致出現(xiàn)完全不能執(zhí)行航班的情況。
4)堵塞
系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)重要機(jī)場(chǎng)或航線容量長(zhǎng)時(shí)間嚴(yán)重下降,開(kāi)始出現(xiàn)某些機(jī)場(chǎng)和航線容量飽和的情況,即不能容納除了緊急航班外的其他航班。當(dāng)發(fā)生暴雪、雷雨天氣等特殊原因?qū)е潞骄€和機(jī)場(chǎng)容量下降時(shí),會(huì)出現(xiàn)堵塞的狀態(tài)。此時(shí)三者的關(guān)系基本滿足FD >F≈C。此時(shí)的流量需求FD和容量C的差遠(yuǎn)大于擁堵?tīng)顟B(tài)。若有些機(jī)場(chǎng)或航線容量下降為0,或未能及時(shí)采取措施,則會(huì)出現(xiàn)此狀態(tài)。
在航班延誤預(yù)測(cè)問(wèn)題研究中,常用兩類(lèi)預(yù)測(cè)方法:①回歸法,即對(duì)延誤時(shí)間等變量的預(yù)測(cè);②分類(lèi)法,即對(duì)延誤程度的劃分。為從宏觀上對(duì)大面積航班延誤進(jìn)行預(yù)測(cè),從ATNFS 角度出發(fā),采用這兩種預(yù)測(cè)方法:回歸(連續(xù)輸出,輸出變量是一個(gè)連續(xù)的值,表示擁堵度)和分類(lèi)(二分類(lèi)預(yù)測(cè),擁堵或不擁堵)。找出影響系統(tǒng)擁堵的變量并利用其進(jìn)行預(yù)測(cè),通過(guò)利用過(guò)去和當(dāng)前時(shí)段的狀態(tài)變量,預(yù)測(cè)下一時(shí)段的狀態(tài)變量,即短期預(yù)測(cè)。
為了預(yù)測(cè)是否會(huì)發(fā)生擁堵,建立擁堵預(yù)測(cè)指標(biāo)。事實(shí)上,當(dāng)發(fā)生擁堵時(shí),流量需求遠(yuǎn)大于實(shí)際流量;當(dāng)不擁堵時(shí),系統(tǒng)容量基本可以滿足流量需求,實(shí)際流量基本等于流量需求。故用流量需求和實(shí)際流量給出擁堵的評(píng)價(jià)指標(biāo)擁堵度,表示為
事實(shí)上,當(dāng)FD和F兩者相差不大時(shí),系統(tǒng)的狀態(tài)可能只是擁擠,不會(huì)發(fā)生擁堵,而當(dāng)實(shí)際流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于流量需求時(shí)才發(fā)生擁堵。因此,定義一個(gè)閾值α,當(dāng)D≥α 時(shí),認(rèn)為系統(tǒng)發(fā)生了擁堵,否則不擁堵,α 應(yīng)根據(jù)不同系統(tǒng)而確定。
根據(jù)擁堵度的定義,圍繞流量需求和實(shí)際流量建立預(yù)測(cè)指標(biāo)。
1)某時(shí)段t的流量需求
FD(t)=A(t)+P(t)
式中:A(t)為截止到t時(shí)段初累計(jì)延誤的航班架次;P(t)為t時(shí)段計(jì)劃的航班架次,表示當(dāng)前時(shí)刻系統(tǒng)的流量需求。一般航班需求越大,該時(shí)段的負(fù)荷越大,越容易產(chǎn)生擁堵。
2)累計(jì)延誤航班變化率
累計(jì)延誤航班變化率表示的是累計(jì)延誤未執(zhí)行的航班架次變化情況,即
ω(t)=A(t)/A(t-1)
若累計(jì)延誤航班變化率ω(t)<1,說(shuō)明累計(jì)延誤的航班數(shù)減少,下一時(shí)段發(fā)生擁堵的概率會(huì)減小。
3)上時(shí)段容量變化
上時(shí)段容量變化表示t的上時(shí)段容量恢復(fù)情況,即
ε(t-1)=FD(t-1)/P(t-1)一般航班計(jì)劃是根據(jù)容量制定的,若FD和P兩者相差不大,說(shuō)明該時(shí)段系統(tǒng)的容量正在恢復(fù),航班延誤會(huì)減少,可減小下一時(shí)段的擁堵情況。
4)某時(shí)段容量變化
某時(shí)段容量變化表示t時(shí)段的容量恢復(fù)情況,即
ε(t)=FD(t)/P(t)
ATNFS 是一個(gè)復(fù)雜的人—機(jī)—環(huán)系統(tǒng),不僅包括復(fù)雜的空中交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),還有環(huán)境、人、設(shè)備設(shè)施等復(fù)雜因素,難以建立具體的擁堵預(yù)測(cè)模型,而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以很好地解決該問(wèn)題。數(shù)學(xué)理論證明,3 層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特別適合求解內(nèi)部機(jī)制復(fù)雜的問(wèn)題,但鑒于初始化的權(quán)值和閾值對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練影響較大,因此,采用遺傳算法(GA, genetic algorithm)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化以避免BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)局部極小問(wèn)題的產(chǎn)生。預(yù)測(cè)模型的輸入為FD(t)、ω(t)、ε(t-1)、ε(t),節(jié)點(diǎn)數(shù)為4,模型輸出為t時(shí)段內(nèi)的擁堵度值,節(jié)點(diǎn)數(shù)為1。具體建模過(guò)程如圖1 所示。
圖1 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型框架Fig.1 Framework of BP neural network prediction model
模型流程圖如圖2 所示。算法的具體步驟如下。
圖2 GA-BP 算法流程圖Fig.2 Flowchart of GA-BP algorithm
(1)確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使用Sigmoid 函數(shù),f(x)=1/(1+e-x)作為激勵(lì)函數(shù),計(jì)算隱藏層和輸入層。
(2)初始化,包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值ωi0、閾值bh0、種群P、交叉規(guī)模N、交叉概率Pc(一般取60%~100%)、變異概率Pm(一般取0.1%~10%)、種群規(guī)模n。
(3)設(shè)置適應(yīng)度函數(shù)fi,用誤差平方和Ei來(lái)衡量,即
式中:i為第i條染色體;k為輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù);yi,k為第i條染色體的預(yù)測(cè)輸出值;tk為實(shí)測(cè)值。
(4)選擇操作,使用概率值pi選擇網(wǎng)絡(luò)個(gè)體,即
(5)交叉操作,以交叉概率Pc對(duì)染色體Gk和Gl在第j基因位上進(jìn)行交叉操作,得到新的基因位Gkj和Glj,沒(méi)有進(jìn)行交叉操作的個(gè)體直接進(jìn)行復(fù)制,即式中b為[0,1]間的隨機(jī)數(shù)。
(6)變異操作,利用變異概率Pm突變產(chǎn)生新的染色體,選取第i個(gè)染色體的第j個(gè)基因aij進(jìn)行變異操作,即
式中:amax和amin分別為基因的最大值和最小值;r為[0,1]間的隨機(jī)數(shù);r1為隨機(jī)數(shù);g為當(dāng)前的迭代次數(shù);Gmax為最大迭代次數(shù)。
(7)將新個(gè)體插入到種群P,并計(jì)算新染色體的適應(yīng)度函數(shù)。判斷算法是否結(jié)束,若結(jié)束,則得到最優(yōu)結(jié)果,作為BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)權(quán)值和閾值;否則,返回步驟(4)。
(8)計(jì)算BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的代價(jià)函數(shù)獲得誤差。
(9)誤差反向傳播,更新權(quán)值和閾值。
(10)判斷算法是否達(dá)到計(jì)算精度或滿足最大迭代數(shù),若是,則使用訓(xùn)練好的模型進(jìn)行ATNFS 的擁堵預(yù)測(cè);若否,返回步驟(8)繼續(xù)訓(xùn)練。
以機(jī)場(chǎng)A為中心建立一個(gè)ATNFS。將與其航班數(shù)量最多的4 個(gè)機(jī)場(chǎng)作為系統(tǒng)內(nèi)其他機(jī)場(chǎng),如圖3 所示。其中:A、B、C、D、E代表機(jī)場(chǎng),1~15 代表航線,航線1 代表機(jī)場(chǎng)B除了與機(jī)場(chǎng)A、C、D、E連接的航線外其他所有航線匯總成的一條航線,航線3、5、7、15 同理。
圖3 以機(jī)場(chǎng)A 為中心的ATNFS 結(jié)構(gòu)Fig.3 ATNFS structure centered on airport A
已知2018年7月某天6:00—18:00 機(jī)場(chǎng)A受臺(tái)風(fēng)天氣影響,10:00—20:00 機(jī)場(chǎng)B受雷雨天氣影響,獲取當(dāng)天5 個(gè)機(jī)場(chǎng)的航班數(shù)據(jù)。由于00:00—06:00的航班數(shù)量極少,在此不做考慮,從06:00 開(kāi)始到當(dāng)天24:00,以半小時(shí)為間隔,將時(shí)間段分為了36 個(gè)時(shí)間段,統(tǒng)計(jì)和計(jì)算每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的流量需求和實(shí)際流量,計(jì)算擁堵度值并進(jìn)行擁堵與否的分類(lèi)。在該系統(tǒng)中設(shè)置α=2,即當(dāng)D≥2時(shí),說(shuō)明系統(tǒng)是擁堵的。使用前27個(gè)(06:00—19:30)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù),后9 個(gè)(19:30—24:00)數(shù)據(jù)作為預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。
使用Matlab 進(jìn)行計(jì)算,此次預(yù)測(cè)模型的輸入層有4 個(gè)節(jié)點(diǎn)FD(t)、ω(t-1)、ε(t)、ε(t),輸出層有1 個(gè)節(jié)點(diǎn),隱藏層包含6 個(gè)節(jié)點(diǎn),訓(xùn)練迭代次數(shù)為100 次,訓(xùn)練精度達(dá)到0.000 01,學(xué)習(xí)率為0.1。遺傳算法的參數(shù)設(shè)定為最大迭代次數(shù)Gmax=10、種群規(guī)模n=30、交叉概率Pc=0.6,變異概率Pm=0.1。
經(jīng)計(jì)算,基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的預(yù)測(cè)結(jié)果如圖4 所示。
圖4 BP 和GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.4 Prediction results by BP and GA-BP neural networks
從圖4 可看出,所建立的ATNFS 擁堵情況仍然很明顯,這是由于雷雨天氣導(dǎo)致大量航班延誤,很多當(dāng)天計(jì)劃的航班沒(méi)有執(zhí)行,即流量需求一直較大,預(yù)測(cè)結(jié)果擁堵度值基本處于3 以上,一直處于擁堵?tīng)顟B(tài),說(shuō)明流量需求仍然遠(yuǎn)大于容量,這和實(shí)際擁堵情況基本相符,說(shuō)明模型能基本反映出擁堵趨勢(shì)。
使用3 種評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià),即平均絕對(duì)誤差(MAE,mean absolute error)、最大絕對(duì)誤差(MAXAE,maximum absoulte error)和均方根誤差(RMSE,root mean square error),對(duì)兩種算法的預(yù)測(cè)結(jié)果誤差進(jìn)行評(píng)價(jià),即
式中:yi為實(shí)測(cè)值;為預(yù)測(cè)值。
模型預(yù)測(cè)誤差如表1 所示。
表1 模型預(yù)測(cè)誤差Tab.1 Predicted error of the model
從表1 可看出,基于GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的3 種評(píng)價(jià)指標(biāo)預(yù)測(cè)誤差都比較小,且優(yōu)于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的訓(xùn)練結(jié)果,說(shuō)明該模型能較好地預(yù)測(cè)出擁堵度值。
文中分析了容量、實(shí)際流量和流量需求的關(guān)系,根據(jù)三者關(guān)系建立了預(yù)測(cè)指標(biāo),基于GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了ATNFS 的擁堵預(yù)測(cè)模型;通過(guò)遺傳算法對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行了優(yōu)化,提高了模型的準(zhǔn)確性;通過(guò)對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)的分析證明,所提出的預(yù)測(cè)模型效果較好,可用于ATNFS 的擁堵預(yù)測(cè),為空中交通流量管理部門(mén)提供了決策依據(jù)。
通過(guò)預(yù)測(cè)實(shí)際流量與流量需求對(duì)比來(lái)判斷是否擁堵,僅一個(gè)簡(jiǎn)單的二分類(lèi)。實(shí)際上,具體的擁堵程度分類(lèi)還有待進(jìn)一步研究,下一步工作重點(diǎn)將通過(guò)深度解讀更加豐富的指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)容量、實(shí)際流量和流量需求三者的關(guān)系,以獲得更加精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)效果。