基于剖分网格模型的空域预先冲突消解方法及系统

本发明涉及空域管理，特别涉及一种基于剖分网格模型的空域预先冲突消解方法及系统。

背景技术：

1、空域冲突是指两个及以上的空域在时空维度上存在交叠或距离过近的情况。随着现代空中交通运输业的发展，空管系统面临的压力随之增大。现有的空管系统中空域冲突检测虽然发挥着重要作用，但其性能却有待提升。空域冲突的消解则是指通过调整空域对象的时空参数信息来消除交叠或距离过近的情况。对于空域冲突检测的研究开始于20世纪40年代～50年代，目前使用的方法主要分为两类，一类是几何浮点计算，如图1中的(a)所示，即通过每个空域使用计划所确定空域的边界范围进行交叉判定。该方法虽然可以准确计算得到空域冲突及其范围，但对于大规模的冲突检测存在计算量大、算法复杂度高、计算时间长、求解效率低下等问题。第二类是基于剖分网格模型的冲突检测，如图1中的(b)所示，该方法使用统一的剖分网格框架对各空域对象进行离散剖分，通过判断网格的冲突占用情况来检测空域对象是否存在冲突。该方法的冲突检测算法复杂度受空域对象数量影响较小，而受剖分网格的大小、检测区域范围等因素影响较大，适合大规模空域对象的冲突检测。

2、对于空域冲突消解，需要对存在冲突的空域使用在经度、维度、高度、时间四个方向进行适量的修正，以达到冲突消解的目的。现有方法大多采用遗传算法来求解各空域对象修正量的大小，以满足修正后不产生新的空域冲突、修正幅度应尽可能小等约束条件。对于遗传算法而言，在其求解空域冲突消解问题时，存在如下缺点：(1)当空域对象数量增多时，会导致遗传算法中个体的编码过长，导致在算法求解过程中需要较大的初始种群数量才能进行求解，过大的种群数量意味着每一代个体的遗传、变异等流程耗时较大，进而导致收敛速度较慢等问题。(2)遗传算法的求解结果具有一定的随机性，并不能保证每次收敛结果都能够满足修正幅度应尽可能小等约束。如，中国专利(cn202010179940.7)提出的一种基于栅格模型的大规模空域使用计划冲突检测与解脱方法，通过对连续空域进行栅格离散并数字化编码实现高效的冲突检测，针对冲突的空域使用计划，基于遗传算法设计了4维平移空域冲突解脱算法。该方法一方面存在编码数量庞大、平移过程中需要频繁进行编码解码操作等问题，另一方面存在求解结果质量不稳定、求解效率较慢等问题。又如，中国专利(cn202311238426.6)提出的一种基于智能优化的空域预先冲突消解方法，在nsga-iii算法架构的基础上结合所提编/解码方法和惩罚函数，求解冲突消解方案，该方案在冲突消解的过程中考虑了调整手段优先级、任务空域重要性、调整空域数量和调整空域幅度等需求，消解结果可行度更高。但是该方法仍是采用遗传算法进行求解，存在超参数不易选择、求解结果质量不稳定、求解效率较慢等问题。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种基于剖分网格模型的空域预先冲突消解方法及系统，用以解决现有空域冲突消解质量不稳定、效率慢等的问题。

2、按照本发明所提供的设计方案，一方面，提供一种基于剖分网格模型的空域预先冲突消解方法，包含：

3、获取空域时空范围的时空描述参数，基于四叉树的递归剖分方法对空域时空范围对应的地表平面区域进行网格剖分，建立网格空间与有序整数的连续映射关系，并通过对空域对象及其缓冲区的网格化处理来建立空域对象描述模型，其中，时空描述参数包括空域形状、空域高度及空域使用时间；

4、根据空域对象各维度方向的冲突检测条件，基于空域对象描述模型计算各空域对象之间在时间方向、高程方向和水平方向的冲突情况，并形成空域对象冲突组集合，其中，冲突情况利用空域时空范围内各空域对象存在时空需求冲突的冲突对来描述；

5、基于空域冲突组集合建立用于冲突消解的空域对象移动代价模型和驳回代价模型，并通过线性组合构建冲突消解代价函数，以利用深度优先搜索方法对冲突消解代价函数进行求解并获取冲突消解方案。

6、作为本发明基于剖分网格模型的空域预先冲突消解方法，进一步地，基于四叉树的递归剖分方法对空域时空范围对应的地表平面区域进行网格剖分，包含：

7、利用四个正四边形将空域时空范围对应的水平空间范围进行网格剖分，得到空域范围的第一层级剖分网格；将第一层级各剖分网格划分为四个相同的子网格，得到空域范围的第二层级剖分网格，依次类推，直至获取预设剖分规则下空域范围的最大层级剖分网格。

8、作为本发明基于剖分网格模型的空域预先冲突消解方法，进一步地，建立网格空间与有序整数的连续映射关系，包含：

9、获取空域范围内二维平面方向上的区间最大值、最小值及最大层级剖分网格大小，依据空域范围内各点对象坐标并采用行扫描线的空间填充曲线建立最大层级剖分网格与有序整数之间的连续映射关系，将有序整数作为最大层级各剖分网格对应编码。

10、作为本发明基于剖分网格模型的空域预先冲突消解方法，进一步地，对空域对象及其缓冲区网格化处理，包含：

11、按照空域对象形状将空域对象划分为多边形空域对象和其他类型空域对象并进行网格化，其中，针对多边形空域对象，使用射线追踪算法获取多边形空域对象矢量边界网格化结果，使用外部填充的种子扫描线填充算法获取多边形空域对象面数据网格化结果；针对其他类型空域对象，对该空域对象边界进行采样，并在边界采样后，将其他类型空域对象转换为多边形空域对象，并使用射线追踪算法和种子扫描线填充算法进行网格化处理基于采样结果与剖分网格的交集来确定该空域对象的网格化结果；

12、依据空域对象形状获取空域对象位置集合，沿着空域对象边线向外侧扩展指定缓冲距离，得到对应缓冲区边界，并依据空域对象缓冲区外边界位置集合所围成的区域网格和空域对象缓冲区内边界位置集合所围成的区域网格得到空域对象缓冲区网格化结果。

13、作为本发明基于剖分网格模型的空域预先冲突消解方法，进一步地，空域对象描述模型利用六元组(h,gs,gb,t,hc,tc)表示，其中，h为目标空域高程范围，t为目标空域使用时间，gs为描述空域对象位置形状的网格化集合，gb为描述空域对象安全间隔范围的缓冲区网格化集合，hc,tc分别为空域范围中高程维度、时间维度的安全距离。

14、作为本发明基于剖分网格模型的空域预先冲突消解方法，进一步地，根据空域对象各维度方向的冲突检测条件，基于空域对象描述模型计算各空域对象之间在时间方向、高程方向和水平方向的冲突情况，包含：

15、基于冲突检测条件在时间方向、高程方向及水平方向对空域对象进行冲突检测，其中，冲突检测条件包括：将两个空域对象时间区间中心间距小于等于两者在时间方向恰好不相交时的时间区间中心间距的情形设定为时间方向上存在冲突，将两个空域对象高度区间中心间距小于等于两者在高度方向恰好不相交时的高度区间中心间距的情形设定为高程方向上存在冲突；将两个空域对象实体部分或实体部分与缓冲区之间的网格集合存在重合区域的情形设定为水平方向上存在冲突；

16、依据冲突检测结果并利用relu函数构建时空冲突检测模型，以利用时空冲突检测模型获取空域范围内各空域对象存在时空需求冲突的冲突对。

17、作为本发明基于剖分网格模型的空域预先冲突消解方法，进一步地，形成空域对象冲突组集合，包含：

18、基于冲突对得到冲突对中各空域对象之间的冲突关系，利用图论方法将构建冲突组的问题转变为图中划分连通图的问题，利用生成森林算法求解连通图，以获取对应空域冲突组集合，并将所述空域冲突组集合表示为且满足a为空域对象集合。

19、作为本发明基于剖分网格模型的空域预先冲突消解方法，进一步地，基于空域冲突组集合建立用于冲突消解的空域对象移动代价模型和驳回代价模型，包含：

20、设置时间、高程每次调整移动的最小间隔，依据剖分网格边长设置水平方向上每次调整移动的最小间隔，基于最小间隔构建单个空域对象冲突移动消解调整方案，得到包含多个空域对象的空域冲突组集合的移动消解方案；并基于空域对象驳回数量得到空域冲突组集合的驳回消解方案；

21、依据单个空域对象冲突移动消解调整方案中空域对象在时间、高程和水平方向上的移动距离计算该空域对象的移动代价，并基于单个空域对象的移动代价建立空域冲突组集合移动消解方案的移动代价；

22、依据空域对象申请高度范围、时间范围及其水平剖分网格集合计算其时空占用体积，基于驳回空域对象数量、驳回空域对象时空占用体积及驳回空域对象优先级建立空域冲突组集合的驳回代价模型。

23、作为本发明基于剖分网格模型的空域预先冲突消解方法，进一步地，利用深度优先搜索方法对冲突消解代价函数进行求解，包含：

24、依据冲突消解代价函数建立冲突消解策略搜索模型，并设置空间维度、时间维度和驳回方案的冲突消解顺序；

25、基于冲突消解策略搜索模型及冲突消解顺序，依据贪心策略的深度优先搜索方法优先在水平方向和高程方向的空间维度进行移动方案搜索，若无法通过空间维度移动消解冲突时，利用贪心策略的深度优先搜索方法在时间维度对空域冲突组的时间需求进行调整，若通过时间维度调整无法消解冲突时，则基于驳回代价模型并利用贪心策略的深度优先搜索方法获取空域冲突组冲突消解的最佳驳回方案。

26、再一方面，本发明还提供一种基于剖分网格模型的空域预先冲突消解系统，包含：网格剖分模块、冲突检测模块和冲突消解模块，其中，

27、网格剖分模块，用于获取空域时空范围的时空描述参数，基于四叉树的递归剖分方法对空域时空范围对应的地表平面区域进行网格剖分，建立网格空间与有序整数的连续映射关系，并通过对空域对象及其缓冲区的网格化处理来建立空域对象描述模型，其中，时空描述参数包括空域形状、空域高度及空域使用时间；

28、冲突检测模块，用于根据空域对象各维度方向的冲突检测条件，基于空域对象描述模型计算各空域对象之间在时间方向、高程方向和水平方向的冲突情况，并形成空域对象冲突组集合，其中，冲突情况利用空域时空范围内各空域对象存在时空需求冲突的冲突对来描述；

29、冲突消解模块，用于基于空域对象冲突组集合建立用于冲突消解的空域对象移动代价模型和驳回代价模型，并通过线性组合构建冲突消解代价函数，利用深度优先搜索方法对冲突消解代价函数进行求解，以获取冲突消解方案。

30、本发明的有益效果：

31、本发明基于四叉树的递归剖分方法对空域范围进行网格剖分，建立网格空间与有序整数的连续映射关系，结合典型空域在高度方向和时间方向形状不变的特点，可仅对空域对象的水平方向上的形状进行网格化处理，极大的减少了网格化结果中元素的数量，减低了存储压力，通过对编码整体加减特定数字来实现不同方向的平移操作，避免频繁的编码解码操作；利用空域对象描述模型在时间方向、高程方向和水平方向检测空域范围内各空域对象之间的时空冲突，并构建空域冲突组集合，在冲突消解的过程中考虑调整手段优先级、任务空域重要性、调整空域数量和调整空域幅度等需求以及不同需求间的优先关系，利用冲突消解模型并基于贪心策略的深度优先搜索方法来实现求解，效率快、质量稳定，在考虑多样化消解需求的情况下能够实现快速高效的大规模空域对象的冲突消解，具有较好的应用前景。