留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于熵权改进-TOPSIS法的扇区复杂度评估方法

蒋薇 李印凤

蒋薇, 李印凤. 基于熵权改进-TOPSIS法的扇区复杂度评估方法[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(6): 142-151. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.06.016
引用本文: 蒋薇, 李印凤. 基于熵权改进-TOPSIS法的扇区复杂度评估方法[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(6): 142-151. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.06.016
JIANG Wei, LI Yinfeng. An Entropy Weighting-improved TOPSIS Method for Sector Complexity Evaluation[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(6): 142-151. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.06.016
Citation: JIANG Wei, LI Yinfeng. An Entropy Weighting-improved TOPSIS Method for Sector Complexity Evaluation[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(6): 142-151. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.06.016

基于熵权改进-TOPSIS法的扇区复杂度评估方法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.06.016
基金项目: 

江苏省自然科学基金青年基金项目 BK20170157

详细信息
    作者简介:

    蒋薇(1997—),硕士研究生. 研究方向:空域规划与管理. E-mail:javionwei@163.com

    通讯作者:

    李印凤(1982—),博士,副教授. 研究方向:空中交通管理. E-mail:liyinfeng@ncst.edu.cn

  • 中图分类号: V355

An Entropy Weighting-improved TOPSIS Method for Sector Complexity Evaluation

  • 摘要: 扇区复杂度评估是开展空域规划、制定空域资源调配策略的关键和基础,为解决复杂度评估多因素耦合影响及现有评估方法简单和主观性问题,研究提出基于熵权改进-TOPSIS法的扇区复杂度评估方法。针对扇区运行特点,从空域静态结构、交通运行状态、动态限制情况3个维度,新构了包括航路结构、航空器潜在冲突、恶劣天气等8个具体量化指标,形成了全面反映空域扇区复杂度的多维评估指标体系。运用高斯分布异常值检测处理方法,消除了极端异常值对评估的影响,结合熵权法客观权重计算的优势,建立了更贴近扇区实际运行情况、符合主观认知的基于熵权改进-TOPSIS法的扇区复杂度评估方法。本研究以北京区域扇区为例进行验证分析,以均衡扇区复杂度为标准,分别从多扇区间横向对比和单扇区不同时段对比2个场景对扇区复杂度进行评估分析,并与专家评估结果进行了对比验证。结果表明:2个场景的复杂度均处于不均衡状态,说明当前北京区域空域资源分配在时间和空间这2个维度均存在一定的失衡,依据评估结果,可针对性的开展空域结构调整与交通流优化工作。相较于专家经验评估结果,本方法评估结果与专家主观认知吻合度高达80%,验证了本文方法的可行性、准确性和有效性,相较于专家评估方法,本文方法具有可量化、客观性强、计算便捷等优势。

     

  • 图  1  扇区复杂度评估指标体系

    Figure  1.  Sector complexity evaluation index system

    图  2  扇区及扇区内航路示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of sectors and routes within sectors

    图  3  航路及航路交叉点示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of air route and intersection of air routes

    图  4  航路及航路交叉角示意图

    Figure  4.  Schematic diagram of air route and air route intersection angle

    图  5  航空器运行姿态示意图

    Figure  5.  Schematic diagram of aircraft operation attitude

    图  6  航空器潜在冲突类型示意图

    Figure  6.  Schematic diagram of potential conflict types of aircraft

    图  7  某典型日31个扇区复杂度指标对比图

    Figure  7.  Comparison chart of complexity index of 31 sectors of a typical day

    图  8  典型日北京10扇复杂度指标值小时对比图

    Figure  8.  Comparison chart of complexity index values in Beijing 10 sector of a typical day

    图  9  熵权-改进TOPSIS方法计算结果

    Figure  9.  Calculation results of entropy weight-improved TOPSIS meth

    表  1  航空器机型分类表

    Table  1.   Aircraft type classification table

    MTOW/kg 航空器类型 包括机型
    13 600 重型机(H) A322、A333、A342、A343、A344、A345、等
    7 000~13 600 中型机(M) B733、B735、B736、B737、B738、B739、等
    <7 000 轻型机(L) B350、BE10、BE20、BE30等
    下载: 导出CSV

    表  2  原始航路数据示例

    Table  2.   Original route data example

    航线代号 该段航路起点报告点 起点经度 起点纬度 该段航路终点报告点 终点经度 终点纬度 磁航向角(/°) 航段距离/km
    A1 BUNTA E1092342 N165000 P97 E1100716 N171803 56 93
    A1 P97 E1100716 N171803 LENKO E1101800 N172457 56 23
    A1 LENKO E1101800 N172457 IKELA E1121442 N183942 56 248
    A202 SIKOU E1113000 N205036 ISBIG E1105430 N203839 250 65
    A202 ISBIG E1105430 N203839 SAMAS E1102942 N203018 251 46
    下载: 导出CSV

    表  3  部分飞行计划数据匹配雷达航迹数据汇总表

    Table  3.   Some flight plan data match radar track data summary table

    航班号 机型 入扇时间 出扇时间 高度/m 实际过点时间 航路点7 航路点7时间 航路点8 航路点8时间 航路点9 航路点9时间
    CSN6256 A321 2021-07-16 19:10:00 2021-07-16 19:22:00 10 088.88 2021-07-16 19:10:10 IGPAS 2021-07-16 19:08:00 OSRUR 2021-07-16 19:11:00 TMR 2021-07-16 19:12:00
    CSN6256 A321 2021-07-16 19:10:00 2021-07-16 19:22:00 10 088.88 2021-07-16 19:10:20 IGPAS 2021-07-16 19:08:00 OSRUR 2021-07-16 19:11:00 TMR 2021-07-16 19:12:00
    CSN6256 A321 2021-07-16 19:10:00 2021-07-16 19:22:00 10 088.88 2021-07-16 19:10:30 IGPAS 2021-07-16 19:08:00 OSRUR 2021-07-16 19:11:00 TMR 2021-07-16 19:12:00
    $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$
    CSN6256 A321 2021-07-16 19:10:00 2021-07-16 19:22:00 10 088.88 2021-07-16 19:15:10 IGPAS 2021-07-16 19:08:00 OSRUR 2021-07-16 19:11:00 TMR 2021-07-16 19:12:00
    CSN6256 A321 2021-07-16 19:10:00 2021-07-16 19:22:00 10 088.88 2021-07-16 19:15:20 IGPAS 2021-07-16 19:08:00 OSRUR 2021-07-16 19:11:00 TMR 2021-07-16 19:12:00
    $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$
    下载: 导出CSV

    表  4  部分气象与航迹数据融合表

    Table  4.   Fusion table of partial meteorological and track data

    Lon/(°) Lat/(°) Height/km 时间 经度(/°) 纬度(/°) 时间 雷达反射率R /dBZ
    116.61 39.49 7.8 20210715230909 116.59 39.40 0716000000 29
    116.70 39.47 7.8 20210715231049 116.69 39.40 0716000000 49
    117.08 39.48 7.8 20210715234543 117.00 39.40 0716000000 40
    113.75 36.20 7.8 20210715234727 113.69 36.20 0716000000 12
    117.61 38.90 9.8 20210715230334 117.59 38.90 0716000000 30
    117.74 38.80 9.8 20210715230224 117.69 38.80 0716000000 17
    116.74 39.49 7.8 20210715230925 116.69 39.40 0716000000 45
    116.41 39.07 8.4 20210715234737 116.40 39.10 0716000000 41
    下载: 导出CSV

    表  5  某典型日扇区复杂度指标量化结果汇总表

    Table  5.   Summary of quantization results of sector complexity index of a typical day

    扇区名称 $F_1^i$ $F_2^i$ $F_3^i$ $F_4^i$ $F_5^i$ $F_6^i$ $F_7^i$ $F_8^i$
    ACC01 0.818 3.312 3.148 0.181 0.782 0.279 0.206 1.000
    ACC02 0.740 0.238 1.221 1.063 0.988 0.844 0.213 0.002
    ACC03 0.856 0.217 1.079 2.198 3.465 2.472 0.474 0.003
    $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$ $\vdots$
    ACC30 0.933 0.189 0.869 3.448 0.527 0.968 0.519 0.001
    ACC31 0.744 0.347 0.869 2.496 0.580 0.966 2.145 0.001
    下载: 导出CSV

    表  6  2个场景的扇区复杂度排名结果

    Table  6.   Sector complexity ranking results of two scenes

    分类 专家结果 本文方法
    复杂度按从高到低排序(扇) 复杂度按从低到高排序(扇) 复杂度按从高到低排序(扇) 复杂度按从低到高排序(扇)
    多扇区 23 05 19 05
    12 04 23 11
    19 11 06 04
    06 18 12 22
    26 08 26 02
    28 15 17 08
    25 02 03 20
    03 14 28 13
    10 13 01 21
    09 20 25 14
    北京10个扇区不同时段 20:00—21:00 04:00—05:00 22:00—23:00 04:00—05:00
    16:00—17:00 00:00—01:00 15:00—16:00 03:00—04:00
    15:00—16:00 05:00—06:00 20:00—21:00 02:00—03:00
    18:00—19:00 01:00—02:00 16:00—17:00 00:00—01:00
    19:00—20:00 02:00—03:00 23:00—24:00 05:00—06:00
    13:00—14:00 03:00—04:00 18:00—19:00 11:00—12:00
    17:00—18:00 06:00—07:00 17:00—18:00 09:00—10:00
    14:00—15:00 07:00—08:00 13:00—14:00 21:00—22:00
    22:00—23:00 21:00—22:00 12:00—13:00 01:00—02:00
    12:00—13:00 08:00—09:00 10:00—11:00 06:00—07:00
    下载: 导出CSV
  • [1] PUECHMOREL S, DELAHAYA D. New trends in air traffic complexity[C]. 2009 ENRI Internation-al Workshop on ATM/ CNS (EIWAC), Tokyo, Japan: Electronic Navigation Research Institute, 2009.
    [2] PRANDINI M, PUTTA V, HU J. A probabilistic measure of air traffic complexity in 3D airspace[J]. International Journal of Adaptive Control and Signal Processing, 2010, 24(10): 813-829. doi: 10.1002/acs.1192
    [3] HONG Y, KIM Y, LEE K. Conflict management in air traffic control using complexity map[J]. Journal of Aircraft, 2015, 52 (5): 1524-1534. doi: 10.2514/1.C032987
    [4] WANG L L. Research on the classification of air route intersections in the airspace of China[J]. Transportation Research Board, 2019, 2673(2): 243-251. doi: 10.1177/0361198118825452
    [5] HILBURN B. Cognitive complexity in air traffic control: a literature review[J]. Center for Human Performance Research, 2004(4): 1-80.
    [6] KOPARDEKAR P, SCHWARTZ A, MAGYARITS S, et al. Airspace complexity measurement: an air traffic control simulation analysis[J]. International Journal of Industrial Engineering, 2009, 16(1): 61-70.
    [7] XIAO M M, ZHANG J, CAI K Q, et al. ATCEM: a synthetic model for evaluating air traffic complexity[J]. Journal of Advanced Transportation, 2016, 50(3): 315-325. doi: 10.1002/atr.1321
    [8] LI B Y, DU W B, ZHANG Y, et al. A deep unsupervised learning approach for airspace complexity evaluation[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2022, 23(8): 11739-11751. doi: 10.1109/TITS.2021.3106779
    [9] 张进, 胡明华, 张晨. 空中交通管理中的复杂性研究[J]. 航空学报, 2009, 30(11): 2132-2142. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKXB200911020.htm

    ZHANG J, HU M H, ZHANG C. Complexity research in air traffic management[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2009, 30(11): 2132-2142. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKXB200911020.htm
    [10] GIANAZZA D. Forecasting workload and airspace configuration with neural networks and tree search methods[J]. Artificial Intelligence, 2010, 174(7): 530-549.
    [11] SURAKITBANHARN C, WEI P, LANDRY S, et al. Evaluation of stream air traffic operations by adapting dynamic density complexity measure[C]. 12th AIAA Aviation Technology, Integration, and Operations (ATIO) Conference and 14th AIAA/ISSMO Multidisciplinary Analysis and Optimization Conference, Indianapolis, Indiana: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2012.
    [12] 王红勇, 赵嶷飞, 王飞, 等. 空中交通管制扇区复杂度评估研究[J]. 交通运输系统工程与信息, 2013, 13(6): 147-153. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSXT201306023.htm

    WANG H Y, ZHAO B F, WANG F, et al. Research on complexity evaluation of air traffic control sector[J]. Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology, 2013, 13(6): 147-153. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSXT201306023.htm
    [13] ZHU X, CAO X B, CAI K Q. Measuring air traffic complexity based on small samples[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2017, 30(4): 1493-1505. doi: 10.1016/j.cja.2017.04.018
    [14] 贾铧霏. 基于复杂度分析的扇区划分研究[D]. 天津: 中国民航大学, 2017.

    JIA H F. Research on sector division based on complexity analysis[D]. Tianjin: Civil Aviation University of China, 2017. (in Chinese)
    [15] 王莉莉, 胡亚坤. 空中航路交叉点的复杂度分析[J]. 计算机仿真, 2019, 36(8): 51-56. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSJZ201908011.htm

    WANG L L, HU Y K. Complexity analysis of air route intersection[J]. Computer Simulation, 2019, 36(8): 51-56. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSJZ201908011.htm
    [16] 郝恩蕾. 基于管制工作复杂性的终端区改航策略研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2017.

    HAO E L. Research on terminal area rerouting strategy based on the complexity of control work[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2017. (in Chinese)
    [17] 王莉莉, 张兆宁. 空域规划与管理[M]. 北京: 科学出版社, 2019.

    WANG L L, ZHANG Z N. Airspace planning and management[M]. Beijing: Science Press, 2019. (in Chinese)
    [18] XIAO S M, LI Y F, SHANG R R, et al. Threshold analysis method for aircraft avoiding convective weather[J]. Journal of Mechanical Engineering, Automation and Control Systems, 2022, 3(1): 35-46. doi: 10.21595/jmeacs.2022.22575
    [19] 卿原, 张洪海, 张启钱, 等. 基于TOPSIS-GRA的空管航班正常管理绩效评价[J]. 航空计算技术, 2019, 49(6): 33-37. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKJJ201906008.htm

    QING Y, ZHANG H H, ZHANG Q Q, et al. Performance evaluation of air traffic control flight normal management based on TOPSIS-GRA[J]. Aviation Computing Technology, 2019, 49(6): 33-37. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKJJ201906008.htm
    [20] CHEN Z Y, SHEN D, REN Y J, et al. Airspace operation effectiveness evaluation based on q-rung orthopair probabilistic hesitant fuzzy GRA and TOPSIS[J]. Symmetry, 2022, 14 (2): 242-263. doi: 10.3390/sym14020242
    [21] 冯芝梅, 郭明洋, 贺玉龙, 等. 基于组合赋权-改进TOPSIS法的城市慢行三网融合评价方法[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(4): 163-172. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.04.017?viewType=HTML

    FENG Z M, GUO M Y, HE Y L, et al. A combined weighting-improved TOPSIS method for evaluating integration of urban greenway-waterfront road-municipal non-motorized transport network[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(4): 163-172. (in Chinese) doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.04.017?viewType=HTML
  • 加载中
图(9) / 表(6)
计量
  • 文章访问数:  206
  • HTML全文浏览量:  105
  • PDF下载量:  10
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-08-23
  • 网络出版日期:  2024-04-03

目录

    /

    返回文章
    返回