一种基于航空器交互关系的空域复杂性栅格化评价方法
1.本发明属于空中交通管理技术领域，特别涉及一种基于航空器交互关系的空域复杂性栅格化评价方法。
背景技术：
2.空中交通复杂性评价是空中交通管制工作负荷评价的基础，对空中交通运行安全和效率具有非常重要的意义。当前空中交通复杂性评价方法主要有基于交通密度的评价和基于动态密度的评价。其中基于交通密度的评价方法无法考虑由于航空器之间运行态势差异而造成的不同复杂程度。基于动态密度的评价方法需要针对多种复杂性因素人工赋权，易受人为因素影响。且两种方法难以处理大规模历史数据，不利于使用大范围长时间历史数据作为计算样本以此反映某空域的长期运行状态，并提高计算结果的准确程度和可用性。
技术实现要素：
3.为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于航空器交互关系的空域复杂性栅格化评价方法。
4.为了达到上述目的，本发明提供的基于航空器交互关系的空域复杂性栅格化评价方法包括按顺序进行的下列步骤：
5.步骤1)载入航空器运行轨迹数据：从空中交通管理数据存储系统载入航空器实际运行数据，从中提取出起飞机场、降落机场、机型、实际起飞时刻、实际降落时刻以及航空器实际飞经路径的时间戳、经度、纬度、高度、速度、航向和爬升率在内的数据，然后存入数据库；
6.步骤2)设置待测时域-空域参数：设置待测时域的起止时间；设置待测空域各边界点的经纬度坐标、空域内可允许航空器运行的高度范围；
7.步骤3)对待测空域进行栅格化处理：根据步骤2)中设置的待测空域各边界点的经纬度坐标和空域内可允许航空器运行的高度范围，使用多个长宽均为ls、高度为hs的密铺长方体形栅格对上述待测空域进行划分而获得多个栅格，并确定出各栅格的边界坐标数据；
8.步骤4)对待测时域进行片段化处理：以时间段ts为单位对上述待测时域进行划分而获得多个时段；
9.步骤5)筛选某时段某栅格途经的航空器集合：选择步骤3)、4)中划分所得的某时段某栅格，根据步骤1)中载入的航空器实际飞经路径的时间戳、经度、纬度及高度数据，筛选出在该时段内途径该栅格的航空器而作为航空器集合；航空器进离栅格的时间以分钟计，对航空器进入栅格的时刻减去缓冲时间δt1，对航空器离开栅格的时刻加上缓冲时间δt2；
10.步骤6)判断航空器集合内的航空器是否存在时刻重叠：遍历步骤5)所得的航空器集合，逐一选择任意两架航空器作为一个航空器组，判断各航空器组的通过时间是否存在
交叉重叠，若存在，将该航空器组对于该栅格的潜在交互关系值设为1，否则设为0；
11.步骤7)判断航空器间是否发生空间交互：遍历步骤6)所得的潜在交互关系值为1的航空器组，根据步骤1)载入的航空器实际飞经路径的时间戳、经度、纬度及高度数据和步骤3)确定的栅格的边界坐标数据，逐分钟判断各航空器组内航空器间是否存在水平交互、垂直交互、速度交互的情况；若存在水平交互的情况，则将该航空器组在该时刻的水平交互值设为1，否则设为0；若存在垂直交互的情况，则将该航空器组在该时刻的垂直交互值设为1，否则设为0；若存在速度交互的情况，则将该航空器组在该时刻的速度交互值设为1，否则设为0；
12.步骤8)计算该时段该栅格内航空器总交互持续时长：遍历步骤7)所得的各时刻各航空器组的水平交互值、垂直交互值和速度交互值，分别进行求和后，即得到该时段该栅格的水平交互持续时长、垂直交互持续时长和速度交互持续时长；再将水平交互持续时长、垂直交互持续时长和速度交互持续时长相加而得到该时段该栅格的航空器总交互持续时长；
13.步骤9)计算该时段该栅格内航空器运行时间：根据步骤5)所得在该时段途径该栅格的航空器集合、步骤1)载入的航空器实际飞经路径的时间戳、经度、纬度及高度数据、步骤3)确定的栅格边界坐标数据，检索出航空器集合内各航空器进离该栅格的时刻，并计算各航空器在该栅格内运行的持续时间；将航空器集合内各航空器运行的持续时间相加，即得到该时段该栅格内航空器运行时间；
14.步骤10)计算该时段该栅格的栅格交互指数：由步骤8)所得的该时段该栅格的航空器总交互持续时长，除以步骤9)所得的该时段该栅格内航空器运行时间，即得到该时段该栅格的栅格交互指数；
15.步骤11)计算该时段的空域交互指数：按照步骤8)所得的某时段某栅格内航空器总交互持续时长和步骤9)所得的航空器运行时间的计算方法，计算该时段内各栅格的航空器总交互时长和运行时间，并将各栅格的航空器总交互时长和运行时间分别求和而得到该时段空域交互时长和该时段空域运行时间；然后将上述该时段空域交互时长除以该时段空域运行时间，即得到该时段的空域交互指数；
16.步骤12)计算待测空域在该时段的空域复杂度：按照步骤10)所得的某时段某栅格的栅格交互指数的计算方法，计算该时段内各栅格的栅格交互指数并求和；然后将求和结果与步骤11)所得的该时段的空域交互指数相乘，即得到该时段的空域复杂度；
17.步骤13)计算待测时域-空域的平均复杂度：按照步骤4)所得的时段和步骤12)所述的空域复杂度计算方法，分别计算各时段的空域复杂度，然后求平均值，即得到待测空域的平均复杂度；
18.步骤14)计算空域复杂性的空间均衡度：按照步骤10)所述的某时段某栅格的栅格交互指数的计算方法，以及步骤2)设置的待测时域的起止时间，计算待测时域内各时段各栅格的栅格交互指数，并计算每一时段内各栅格的栅格交互指数的方差，随后取各时段的方差最大值，即为待测时域-空域内空域复杂性的空间均衡度；
19.步骤15)计算空域复杂性的时间均衡度：按照步骤12)所述的某时段的空域复杂度的计算方法，分别计算该待测时域内各时段的空域复杂度，并计算各时段的空域复杂度的方差，即为待测时域-空域内空域复杂性的时间均衡度。
20.在步骤7)中，所述判断航空器间是否存在水平交互的方法是：遍历步骤6)所得的
存在时刻重叠的航空器组，对于两航空器的重叠时段，查询步骤1)所述的航空器实际飞经路径的时间戳、经度、纬度及高度数据，逐分钟检索各航空器的水平航向，在t时刻航空器a、b均处于栅格k中，其航向分别以h
t
(a，k)、h
t
(b，k)表示；设航向夹角阈值为h0，若航向夹角大于等于航向夹角阈值，即|h
t
(a，k)-h
t
(b，k)|≥h0，则认为两航空器在t时刻存在水平交互，即t时刻该航空器组对应的水平交互值为1。
21.在步骤7)中，所述判断航空器间是否存在垂直交互的方法是：遍历步骤6)所得的存在时刻重叠的航空器组，对于两航空器的重叠时段，查询步骤1)所述的航空器实际飞经路径的时间戳、经度、纬度及高度数据，逐分钟检索各航空器的爬升率，在t时刻航空器a、b均处于栅格k中，其爬升率分别以v
t
(a，k)、v
t
(b，k)表示；航空器的爬升率正阈值以v0表示、负阈值以-v0表示，若航空器的爬升率大于等于爬升率正阈值v0，则认为该航空器处于爬升状态；若爬升率小于等于爬升率负阈值-v0，则认为该航空器处于下降状态；否则认为该航空器处于平飞状态。检测两航空器的垂直飞行状态，若垂直飞行状态不同，则认为两航空器存在垂直交互，即t时刻该航空器组对应的垂直交互值为1。
22.在步骤7)中，所述判断航空器间是否存在速度交互的方法是：遍历步骤6)所得的存在时刻重叠的航空器组，对于两航空器的重叠时段，查询步骤1)所述的航空器实际飞经路径的时间戳、经度、纬度及高度数据，逐分钟检索各航空器的速度，在t时刻航空器a、b均处于栅格k中，其速度分别以s
t
(a，k)、s
t
(b，k)表示；两航空器的速度差异阈值以s0表示，若两航空器的速度差异大于等于速度差异阈值s0，即|s
t
(a，k)-s
t
(b，k)|≥s0，则认为两航空器在t时刻存在速度交互，即t时刻该航空器组对应的速度交互值为1。
23.在步骤10)中，所述某时段某栅格的栅格交互指数计算方法是：假定步骤3)中将该时划分成m个时段，将空域划分成n个栅格，将步骤8)所得的第i时段内各时刻各航空器组对该第j栅格的水平、垂直、速度交互时长分别求和，即为该栅格在该时段内的水平、垂直、速度交互时间，分别以表示；栅格内航空器总交互时长以表示，其为栅格的水平、垂直、速度交互时间之和，即该时段该栅格内航空器运行时间以表示，栅格交互指数以通过栅格内航空器交互持续时长除以栅格内航空器运行时间计算，即
24.在步骤11)中，所述某时段的空域交互指数计算方法是：假定步骤3)中将该时域划分成m个时段，将空域划分成n个栅格，则第i时段内第j栅格的航空器交互持续时长为第i时段内第j栅格的航空器运行时间为该时段的空域交互指数adi为该时段各栅格的航空器交互持续时长之和除以各栅格内航空器运行时间之和，即
25.在步骤12)中，所述某时段的空域复杂度计算方法是：假定步骤3)中将该时域划分成m个时段，将空域划分成n个栅格，则第i时段内第j栅格的栅格交互指数为该时段的空域交互指数为adi；该时段空域复杂度ci为该时段各栅格的栅格交互指数之和乘以该时段的空域交互指数，即
26.在步骤13)中，所述待测时域-空域的平均复杂度计算方法是：假定步骤3)中将该时域划分成m个时段，将空域划分成n个栅格，第i时段的空域复杂度为ci；则该时域-空域的平均复杂度为各时段的空域复杂度的平均值，即
27.在步骤14)中，所述空域复杂度的空间均衡度计算方法是：假定步骤3)中将该时域划分成m个时段，将空域划分成n个栅格，第i时段内第j栅格的栅格交互指数为则该时段各栅格交互指数的平均值各栅格交互指数的方差可分别计算，待测时域-空域内空域复杂性的空间均衡度为各时段方差的最大值，即c
a_s
＝max
1≤i≤m
si
di
。
28.在步骤15)中，所述空域复杂度的时间均衡度计算方法是：假定步骤3)中将该时域划分成m个时段，将空域划分成n个栅格，第i时段的空域复杂度为ci；该时域-空域内的平均复杂度为c；则待测时域-空域内空域复杂性的时间均衡度值为各时段空域复杂度的方差，即
29.本发明的有益效果是：评价方法简单易用，不受人为因素影响，可实现空中交通复杂性的快速量化评价。本方法在接入航空器历史航迹数据和待测时域-空域数据后，基于某时段各航空器在待测空域内的飞行交互关系，对该待测空域的空中交通复杂性进行评价，无需人工干预、性能可靠，是一种准确、快速地通过大规模历史航迹数据对空域中交通态势复杂性进行量化评价的方法。可以弥补当前技术和方法的不足，为新一代空中交通系统建设提供基础。
附图说明
30.图1为本发明提供的基于航空器交互关系的空域复杂性栅格化评价方法流程图；
31.图2为本发明实施例中的待测空域栅格划分示意图；
32.图3为本发明实施例中的航空器运行状态垂直方向示意图；
33.图4为本发明实施例中的航空器运行状态水平方向示意图。
具体实施方式
34.以下结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
35.如图1所示，本发明提供的基于航空器交互关系的空域复杂性栅格化评价方法包括按顺序进行的下列步骤：
36.步骤1)载入航空器运行轨迹数据：从空中交通管理数据存储系统载入航空器实际运行数据，从中提取出起飞机场、降落机场、机型、实际起飞时刻、实际降落时刻以及航空器实际飞经路径的时间戳、经度、纬度、高度、速度、航向和爬升率在内的数据，然后存入数据库；
37.步骤2)设置待测时域-空域参数：设置待测时域的起止时间；设置待测空域各边界点的经纬度坐标、空域内可允许航空器运行的高度范围；
38.步骤3)对待测空域进行栅格化处理：根据步骤2)中设置的待测空域各边界点的经纬度坐标和空域内可允许航空器运行的高度范围，使用多个长宽均为ls、高度为hs的密铺长方体形栅格对上述待测空域进行划分而获得多个栅格，并确定出各栅格的边界坐标数据；
39.步骤4)对待测时域进行片段化处理：以时间段ts为单位对上述待测时域进行划分而获得多个时段；
40.步骤5)筛选某时段某栅格途经的航空器集合：选择步骤3)、4)中划分所得的某时段某栅格，根据步骤1)中载入的航空器实际飞经路径的时间戳、经度、纬度及高度数据，筛选出在该时段内途径该栅格的航空器而作为航空器集合；航空器进离栅格的时间以分钟计，对航空器进入栅格的时刻减去缓冲时间δt1，对航空器离开栅格的时刻加上缓冲时间δt2；
41.所述航空器进入、离开栅格的缓冲时间的设置方法是：由于实际运行中航空器进入或离开某栅格的时间不一定为整数分钟时刻，可能为该分钟内的某秒，为便于后续步骤6)中判断各航空器是否存在时刻重叠，因此将其进离栅格的时间按分钟数取整，将进入栅格的时间向上取整，将离开栅格的时间向下取整；且由于航空器在进离栅格时，其运行信息将在两栅格间进行交接，管制员需根据此信息对空域内既有航空器进行调整与处理，因此在航空器进入某栅格前以及离开某栅格后的较短时间内，其对于该栅格的影响仍然存在；综合以上原因，对于航空器进入栅格的时刻减去缓冲时间δt1，离开栅格的时刻加上缓冲时间δt2，这样便于衡量某航空器对于某栅格的总影响时间。
42.步骤6)判断航空器集合内的航空器是否存在时刻重叠：遍历步骤5)所得的航空器集合，逐一选择任意两架航空器作为一个航空器组，判断各航空器组的通过时间是否存在交叉重叠，若存在，将该航空器组对于该栅格的潜在交互关系值设为1，否则设为0；
43.步骤7)判断航空器间是否发生空间交互：遍历步骤6)所得的潜在交互关系值为1的航空器组，根据步骤1)载入的航空器实际飞经路径的时间戳、经度、纬度及高度数据和步骤3)确定的栅格的边界坐标数据，逐分钟判断各航空器组内航空器间是否存在水平交互、垂直交互、速度交互的情况；若存在水平交互的情况，则将该航空器组在该时刻的水平交互值设为1，否则设为0；若存在垂直交互的情况，则将该航空器组在该时刻的垂直交互值设为1，否则设为0；若存在速度交互的情况，则将该航空器组在该时刻的速度交互值设为1，否则设为0；
44.所述判断航空器间是否存在水平交互的方法是：遍历步骤6)所得的存在时刻重叠的航空器组，对于两航空器的重叠时段，查询步骤1)所述的航空器实际飞经路径的时间戳、经度、纬度及高度数据，逐分钟检索各航空器的水平航向，在t时刻航空器a、b均处于栅格k中，其航向分别以h
t
(a，k)、h
t
(b，k)表示；设航向夹角阈值为h0，若航向夹角大于等于航向夹角阈值，即|h
t
(a，k)-h
t
(b，k)|≥h0，则认为两航空器在t时刻存在水平交互，即t时刻该航空器组对应的水平交互值为1。
45.所述判断航空器间是否存在垂直交互的方法是：遍历步骤6)所得的存在时刻重叠的航空器组，对于两航空器的重叠时段，查询步骤1)所述的航空器实际飞经路径的时间戳、经度、纬度及高度数据，逐分钟检索各航空器的爬升率，在t时刻航空器a、b均处于栅格k中，其爬升率分别以v
t
(a，k)、v
t
(b，k)表示；航空器的爬升率正阈值以v0表示、负阈值以-v0表示，若航空器的爬升率大于等于爬升率正阈值v0，则认为该航空器处于爬升状态；若爬升率小于等于爬升率负阈值-v0，则认为该航空器处于下降状态；否则认为该航空器处于平飞状态。检测两航空器的垂直飞行状态，若垂直飞行状态不同，则认为两航空器存在垂直交互，即t时刻该航空器组对应的垂直交互值为1。
46.所述判断航空器间是否存在速度交互的方法是：遍历步骤6)所得的存在时刻重叠的航空器组，对于两航空器的重叠时段，查询步骤1)所述的航空器实际飞经路径的时间戳、经度、纬度及高度数据，逐分钟检索各航空器的速度，在t时刻航空器a、b均处于栅格k中，其速度分别以s
t
(a，k)、s
t
(b，k)表示；两航空器的速度差异阈值以s0表示，若两航空器的速度差异大于等于速度差异阈值s0，即|s
t
(a，k)-s
t
(b，k)|≥s0，则认为两航空器在t时刻存在速度交互，即t时刻该航空器组对应的速度交互值为1。
47.步骤8)计算该时段该栅格内航空器总交互持续时长：遍历步骤7)所得的各时刻各航空器组的水平交互值、垂直交互值和速度交互值，分别进行求和后，即得到该时段该栅格的水平交互持续时长、垂直交互持续时长和速度交互持续时长；再将水平交互持续时长、垂直交互持续时长和速度交互持续时长相加而得到该时段该栅格的航空器总交互持续时长；
48.步骤9)计算该时段该栅格内航空器运行时间：根据步骤5)所得在该时段途径该栅格的航空器集合、步骤1)载入的航空器实际飞经路径的时间戳、经度、纬度及高度数据、步骤3)确定的栅格边界坐标数据，检索出航空器集合内各航空器进离该栅格的时刻，并计算各航空器在该栅格内运行的持续时间；将航空器集合内各航空器运行的持续时间相加，即得到该时段该栅格内航空器运行时间；
49.步骤10)计算该时段该栅格的栅格交互指数：由步骤8)所得的该时段该栅格的航空器总交互持续时长，除以步骤9)所得的该时段该栅格内航空器运行时间，即得到该时段该栅格的栅格交互指数；
50.所述某时段某栅格的栅格交互指数计算方法是：假定步骤3)中将该时划分成m个时段，将空域划分成n个栅格，将步骤8)所得的第i时段内各时刻各航空器组对该第j栅格的水平、垂直、速度交互时长分别求和，即为该栅格在该时段内的水平、垂直、速度交互时间，分别以表示；栅格内航空器总交互时长以表示，其为栅格的水平、垂直、速度交互时间之和，即该时段该栅格内航空器运行时间以表示，栅格交互指数以通过栅格内航空器交互持续时长除以栅格内航空器运行时间计算，即
51.步骤11)计算该时段的空域交互指数：按照步骤8)所得的某时段某栅格内航空器总交互持续时长和步骤9)所得的航空器运行时间的计算方法，计算该时段内各栅格的航空器总交互时长和运行时间，并将各栅格的航空器总交互时长和运行时间分别求和而得到该时段空域交互时长和该时段空域运行时间；然后将上述该时段空域交互时长除以该时段空域运行时间，即得到该时段的空域交互指数；
52.所述某时段的空域交互指数计算方法是：假定步骤3)中将该时域划分成m个时段，将空域划分成n个栅格，则第i时段内第j栅格的航空器交互持续时长为第i时段内第j栅格的航空器运行时间为该时段的空域交互指数adi为该时段各栅格的航空器交互持续时长之和除以各栅格内航空器运行时间之和，即
53.步骤12)计算待测空域在该时段的空域复杂度：按照步骤10)所得的某时段某栅格的栅格交互指数的计算方法，计算该时段内各栅格的栅格交互指数并求和；然后将求和结
果与步骤11)所得的该时段的空域交互指数相乘，即得到该时段的空域复杂度；
54.所述某时段的空域复杂度计算方法是：假定步骤3)中将该时域划分成m个时段，将空域划分成n个栅格，则第i时段内第j栅格的栅格交互指数为该时段的空域交互指数为adi；该时段空域复杂度ci为该时段各栅格的栅格交互指数之和乘以该时段的空域交互指数，即
55.步骤13)计算待测时域-空域的平均复杂度：按照步骤4)所得的时段和步骤12)所述的空域复杂度计算方法，分别计算各时段的空域复杂度，然后求平均值，即得到待测空域的平均复杂度；
56.所述待测时域-空域的平均复杂度计算方法是：假定步骤3)中将该时域划分成m个时段，将空域划分成n个栅格，第i时段的空域复杂度为ci；则该时域-空域的平均复杂度为各时段的空域复杂度的平均值，即
57.步骤14)计算空域复杂性的空间均衡度：按照步骤10)所述的某时段某栅格的栅格交互指数的计算方法，以及步骤2)设置的待测时域的起止时间，计算待测时域内各时段各栅格的栅格交互指数，并计算每一时段内各栅格的栅格交互指数的方差，随后取各时段的方差最大值，即为待测时域-空域内空域复杂性的空间均衡度；此数值越高，表明待测时域-空域内各栅格的栅格交互指数差异越大，空间均衡度越弱；
58.所述空域复杂度的空间均衡度计算方法是：假定步骤3)中将该时域划分成m个时段，将空域划分成n个栅格，第i时段内第j栅格的栅格交互指数为则该时段各栅格交互指数的平均值各栅格交互指数的方差可分别计算，待测时域-空域内空域复杂性的空间均衡度为各时段方差的最大值，即c
a_s
＝max
1≤i≤m
si
di
。
59.步骤15)计算空域复杂性的时间均衡度：按照步骤12)所述的某时段的空域复杂度的计算方法，分别计算该待测时域内各时段的空域复杂度，并计算各时段的空域复杂度的方差，即为待测时域-空域内空域复杂性的时间均衡度；此数值越高，表明待测时域-空域内各时段的空域复杂度差异越大，时间均衡度越弱。
60.所述空域复杂度的时间均衡度计算方法是：假定步骤3)中将该时域划分成m个时段，将空域划分成n个栅格，第i时段的空域复杂度为ci；该时域-空域内的平均复杂度为c；则待测时域-空域内空域复杂性的时间均衡度值为各时段空域复杂度的方差，即
61.实施例：
62.本实施例提供的基于航空器交互关系的空域复杂性栅格化评价方法包括按顺序进行的下列步骤：
63.步骤1)载入航空器运行轨迹数据：从空中交通管理数据存储系统载入的航空器实际运行数据如表1所示。本实施例中共有18架航空器，航空器实际运行数据包括各航空器在当前时刻的经度、纬度、高度、速度、航向和爬升率。
64.步骤2)设置待测时域-空域参数：待测时域的起止时间为00:00:00-00:06:00，待测空域数据如表2所示。待测空域信息包括空域经纬度坐标和高度范围。
65.步骤3)对待测空域进行栅格化处理：本实施例中栅格的长和宽ls均设置为20海里，高度hs设置为1000米；待测空域被划分成4个栅格，即n＝4，分别编号为i、ii、iii、iv，如图2所示。
66.步骤4)对待测时域进行片段化处理：本实施例中时间段ts设置为3分钟，待测时域被划分成2个时段，即m＝2；
67.步骤5)筛选某时段某栅格途经的航空器集合：本实施例中缓冲时间δt1设置为1分钟，缓冲时间δt2设置为1分钟；经筛选，共有16架航空器位于待测时域-空域内，编号分别为f01-f16；航空器运行数据如表3所示，航空器运行态势如图3、图4所示。
68.步骤6)对航空器集合内两架航空器间是否存在时刻重叠进行判断：经判断，航空器f01-f04处于同一栅格，存在时刻重叠；航空器f05-f08处于同一栅格，存在时刻重叠；航空器f09-f12处于同一栅格，存在时刻重叠；航空器f13-f16处于同一栅格，存在时刻重叠。各时刻各栅格的航空器时刻重叠关系如表4-1至表4-6表示。
69.步骤7)判断存在时刻重叠的航空器间是否发生交互：各时刻各栅格的航空器交互关系类型如表5-1至表5-6所示。其中水平交互以h表示，垂直交互以v表示，速度交互以s表示；速度差异阈值s0设置为35千米/时，水平航向夹角阈值h0设置为20度，爬升率正阈值v0设置为20米/秒。
70.步骤8)计算该时段该栅格内航空器交互持续时长：各时刻各栅格内航空器间两两交互关系数量如表6-1至表6-6所示；统计各时刻各航空器数据后，本实施例所示各时段各栅格的航空器交互持续时长如表7所示。
71.步骤9)计算该时段该栅格内航空器运行时间：各时段各栅格内航空器运行时长如表8所示。
72.步骤10)计算该时段该栅格的栅格交互指数；各时段各栅格的栅格交互指数统计表如表9所示。
73.步骤11)计算该时段的空域交互指数：各时段的空域交互指数如表10所示。
74.步骤12)计算待测空域在该时段的空域复杂度：
75.第i时段的空域复杂度
76.第ii时段的空域复杂度
77.步骤13)计算待测时域-空域的平均复杂度：
78.步骤14)计算空域复杂度的空间均衡度：c
a_s
＝max
1≤i≤2
si
di
＝0.248。
79.步骤15)计算空域复杂度的时间均衡度：
80.表1航空器运行数据表
81.航空器编号经度纬度高度(m)速度(km/h)航向(度)爬升率(m/s)01120
°
02
′
00
″
e40
°
18
′
00
″
n4800800090002120
°
08
′
00
″
e40
°
13
′
00
″
n4800750090003120
°
08
′
00
″
e40
°
11
′
00
″
n4500725270004120
°
05
′
00
″
e40
°
15
′
00
″
n41007400452005120
°
15
′
00
″
e40
°
16
′
00
″
n4500780270006120
°
17
′
00
″
e40
°
08
′
00
″
n48008200900
07120
°
19
′
00
″
e40
°
11
′
00
″
n4600725225-2008120
°
15
′
00
″
e40
°
12
′
00
″
n41007400452009120
°
02
′
00
″
e40
°
07
′
00
″
n3600800090010120
°
09
′
00
″
e40
°
09
′
00
″
n3900775270011120
°
05
′
00
″
e40
°
02
′
00
″
n32007500452012120
°
09
′
00
″
e40
°
04
′
00
″
n3200800135-1013120
°
00
′
00
″
e40
°
06
′
00
″
n3800700135-1014120
°
17
′
00
″
e40
°
09
′
00
″
n3900750270015120
°
13
′
00
″
e40
°
02
′
00
″
n34007250452016120
°
16
′
00
″
e40
°
03
′
00
″
n3600800090017120
°
03
′
00
″
e40
°
22
′
00
″
n3300750135-1018120
°
23
′
00
″
e40
°
04
′
00
″
n3800700900
82.表2待测空域信息表
83.经度范围120
°
00
′
00
″
e-120
°
20
′
00
″
e纬度范围40
°
00
′
00
″
n-40
°
20
′
00
″
n高度范围3000米-5000米
84.表3待测空域内航空器运行数据表
[0085][0086]
表4-1航空器潜在交互统计表——第ⅰ时段第0-1分钟
[0087][0088]
表4-2航空器潜在交互统计表——第ⅰ时段第1-2分钟
[0089][0090]
表4-3航空器潜在交互统计表——第ⅰ时段第2-3分钟
[0091][0092]
表4-4航空器潜在交互统计表——第ⅱ时段第3-4分钟
[0093][0094]
表4-5航空器潜在交互统计表——第ⅱ时段第4-5分钟
[0095][0096]
表4-6航空器潜在交互统计表——第ⅱ时段第5-6分钟
[0097][0098]
表5-1航空器交互类型统计表——第ⅰ时段第0-1分钟
[0099][0100]
表5-2航空器交互类型统计表——第ⅰ时段第1-2分钟
[0101][0102]
表5-3航空器交互类型统计表——第ⅰ时段第2-3分钟
[0103][0104]
表5-4航空器交互类型统计表——第ⅱ时段第3-4分钟
[0105][0106]
表5-5航空器交互类型统计表——第ⅱ时段第4-5分钟
[0107][0108]
表5-6航空器交互类型统计表——第ⅱ时段第5-6分钟
[0109][0110]
表6-1航空器交互数量统计表——第ⅰ时段第0-1分钟
[0111][0112]
表6-2航空器交互数量统计表——第ⅰ时段第1-2分钟
[0113][0114]
表6-3航空器交互数量统计表——第ⅰ时段第2-3分钟
[0115][0116]
表6-4航空器交互数量统计表——第ⅱ时段第3-4分钟
[0117][0118]
表6-5航空器交互数量统计表——第ⅱ时段第4-5分钟
[0119][0120]
表6-6航空器交互数量统计表——第ⅱ时段第5-6分钟
[0121][0122]
表7各栅格内航空器交互时长统计表
[0123] 第ⅰ号栅格第ⅱ号栅格第ⅲ号栅格第ⅳ号栅格第0-1分钟2000第1-2分钟2202第2-3分钟11161113第ⅰ时段合计15181115 第ⅰ号栅格第ⅱ号栅格第ⅲ号栅格第ⅳ号栅格第3-4分钟7161113第4-5分钟2062第5-6分钟0000第ⅱ时段合计9161915 第ⅰ号栅格第ⅱ号栅格第ⅲ号栅格第ⅳ号栅格待测时域合计24342830
[0124]
表8各栅格内航空器运行时长统计表
[0125] 第ⅰ号栅格第ⅱ号栅格第ⅲ号栅格第ⅳ号栅格第ⅰ时段合计8766第ⅱ时段合计5586待测时域合计13121412
[0126]
表9各栅格交互指数统计表
[0127][0128]
表10空域交互指数计算
[0129] 航空器交互时长航空器运行时长空域交互指数第ⅰ时段15+18+11+15＝578+7+6+6＝2757/27＝2.111第ⅱ时段9+16+19+15＝595+5+8+6＝2459/24＝2.458待测时域合计24+34+28+30＝11613+12+14+12＝51116/51＝2.275
技术特征：
1.一种基于航空器交互关系的空域复杂性栅格化评价方法，其特征在于：所述基于航空器交互关系的空域复杂性栅格化评价方法包括按顺序进行的下列步骤：步骤1)载入航空器运行轨迹数据：从空中交通管理数据存储系统载入航空器实际运行数据，从中提取出起飞机场、降落机场、机型、实际起飞时刻、实际降落时刻以及航空器实际飞经路径的时间戳、经度、纬度、高度、速度、航向和爬升率在内的数据，然后存入数据库；步骤2)设置待测时域-空域参数：设置待测时域的起止时间；设置待测空域各边界点的经纬度坐标、空域内可允许航空器运行的高度范围；步骤3)对待测空域进行栅格化处理：根据步骤2)中设置的待测空域各边界点的经纬度坐标和空域内可允许航空器运行的高度范围，使用多个长宽均为l
s
、高度为h
s
的密铺长方体形栅格对上述待测空域进行划分而获得多个栅格，并确定出各栅格的边界坐标数据；步骤4)对待测时域进行片段化处理：以时间段t
s
为单位对上述待测时域进行划分而获得多个时段；步骤5)筛选某时段某栅格途经的航空器集合：选择步骤3)、4)中划分所得的某时段某栅格，根据步骤1)中载入的航空器实际飞经路径的时间戳、经度、纬度及高度数据，筛选出在该时段内途径该栅格的航空器而作为航空器集合；航空器进离栅格的时间以分钟计，对航空器进入栅格的时刻减去缓冲时间δt1，对航空器离开栅格的时刻加上缓冲时间δt2；步骤6)判断航空器集合内的航空器是否存在时刻重叠：遍历步骤5)所得的航空器集合，逐一选择任意两架航空器作为一个航空器组，判断各航空器组的通过时间是否存在交叉重叠，若存在，将该航空器组对于该栅格的潜在交互关系值设为1，否则设为0；步骤7)判断航空器间是否发生空间交互：遍历步骤6)所得的潜在交互关系值为1的航空器组，根据步骤1)载入的航空器实际飞经路径的时间戳、经度、纬度及高度数据和步骤3)确定的栅格的边界坐标数据，逐分钟判断各航空器组内航空器间是否存在水平交互、垂直交互、速度交互的情况；若存在水平交互的情况，则将该航空器组在该时刻的水平交互值设为1，否则设为0；若存在垂直交互的情况，则将该航空器组在该时刻的垂直交互值设为1，否则设为0；若存在速度交互的情况，则将该航空器组在该时刻的速度交互值设为1，否则设为0；步骤8)计算该时段该栅格内航空器总交互持续时长：遍历步骤7)所得的各时刻各航空器组的水平交互值、垂直交互值和速度交互值，分别进行求和后，即得到该时段该栅格的水平交互持续时长、垂直交互持续时长和速度交互持续时长；再将水平交互持续时长、垂直交互持续时长和速度交互持续时长相加而得到该时段该栅格的航空器总交互持续时长；步骤9)计算该时段该栅格内航空器运行时间：根据步骤5)所得在该时段途径该栅格的航空器集合、步骤1)载入的航空器实际飞经路径的时间戳、经度、纬度及高度数据、步骤3)确定的栅格边界坐标数据，检索出航空器集合内各航空器进离该栅格的时刻，并计算各航空器在该栅格内运行的持续时间；将航空器集合内各航空器运行的持续时间相加，即得到该时段该栅格内航空器运行时间；步骤10)计算该时段该栅格的栅格交互指数：由步骤8)所得的该时段该栅格的航空器总交互持续时长，除以步骤9)所得的该时段该栅格内航空器运行时间，即得到该时段该栅格的栅格交互指数；步骤11)计算该时段的空域交互指数：按照步骤8)所得的某时段某栅格内航空器总交
互持续时长和步骤9)所得的航空器运行时间的计算方法，计算该时段内各栅格的航空器总交互时长和运行时间，并将各栅格的航空器总交互时长和运行时间分别求和而得到该时段空域交互时长和该时段空域运行时间；然后将上述该时段空域交互时长除以该时段空域运行时间，即得到该时段的空域交互指数；步骤12)计算待测空域在该时段的空域复杂度：按照步骤10)所得的某时段某栅格的栅格交互指数的计算方法，计算该时段内各栅格的栅格交互指数并求和；然后将求和结果与步骤11)所得的该时段的空域交互指数相乘，即得到该时段的空域复杂度；步骤13)计算待测时域-空域的平均复杂度：按照步骤4)所得的时段和步骤12)所述的空域复杂度计算方法，分别计算各时段的空域复杂度，然后求平均值，即得到待测空域的平均复杂度；步骤14)计算空域复杂性的空间均衡度：按照步骤10)所述的某时段某栅格的栅格交互指数的计算方法，以及步骤2)设置的待测时域的起止时间，计算待测时域内各时段各栅格的栅格交互指数，并计算每一时段内各栅格的栅格交互指数的方差，随后取各时段的方差最大值，即为待测时域-空域内空域复杂性的空间均衡度；步骤15)计算空域复杂性的时间均衡度：按照步骤12)所述的某时段的空域复杂度的计算方法，分别计算该待测时域内各时段的空域复杂度，并计算各时段的空域复杂度的方差，即为待测时域-空域内空域复杂性的时间均衡度。2.根据权利要求1所述的基于航空器交互关系的空域复杂性栅格化评价方法，其特征在于：在步骤7)中，所述判断航空器间是否存在水平交互的方法是：遍历步骤6)所得的存在时刻重叠的航空器组，对于两航空器的重叠时段，查询步骤1)所述的航空器实际飞经路径的时间戳、经度、纬度及高度数据，逐分钟检索各航空器的水平航向，在t时刻航空器a、b均处于栅格k中，其航向分别以h
t
(a,k)、h
t
(b,k)表示；设航向夹角阈值为h0，若航向夹角大于等于航向夹角阈值，即|h
t
(a,k)-h
t
(b,k)|≥h0，则认为两航空器在t时刻存在水平交互，即t时刻该航空器组对应的水平交互值为1。3.根据权利要求1所述的基于航空器交互关系的空域复杂性栅格化评价方法，其特征在于：在步骤7)中，所述判断航空器间是否存在垂直交互的方法是：遍历步骤6)所得的存在时刻重叠的航空器组，对于两航空器的重叠时段，查询步骤1)所述的航空器实际飞经路径的时间戳、经度、纬度及高度数据，逐分钟检索各航空器的爬升率，在t时刻航空器a、b均处于栅格k中，其爬升率分别以v
t
(a,k)、v
t
(b,k)表示；航空器的爬升率正阈值以v0表示、负阈值以-v0表示，若航空器的爬升率大于等于爬升率正阈值v0，则认为该航空器处于爬升状态；若爬升率小于等于爬升率负阈值-v0，则认为该航空器处于下降状态；否则认为该航空器处于平飞状态；检测两航空器的垂直飞行状态，若垂直飞行状态不同，则认为两航空器存在垂直交互,即t时刻该航空器组对应的垂直交互值为1。4.根据权利要求1所述的基于航空器交互关系的空域复杂性栅格化评价方法，其特征在于：在步骤7)中，所述判断航空器间是否存在速度交互的方法是：遍历步骤6)所得的存在时刻重叠的航空器组，对于两航空器的重叠时段，查询步骤1)所述的航空器实际飞经路径的时间戳、经度、纬度及高度数据，逐分钟检索各航空器的速度，在t时刻航空器a、b均处于栅格k中，其速度分别以s
t
(a,k)、s
t
(b,k)表示；两航空器的速度差异阈值以s0表示，若两航空器的速度差异大于等于速度差异阈值s0，即|s
t
(a,k)-s
t
(b,k)|≥s0，则认为两航空器在t
时刻存在速度交互，即t时刻该航空器组对应的速度交互值为1。5.根据权利要求1所述的基于航空器交互关系的空域复杂性栅格化评价方法，其特征在于：在步骤10)中，所述某时段某栅格的栅格交互指数计算方法是：假定步骤3)中将该时划分成m个时段，将空域划分成n个栅格，将步骤8)所得的第i时段内各时刻各航空器组对该第j栅格的水平、垂直、速度交互时长分别求和，即为该栅格在该时段内的水平、垂直、速度交互时间，分别以交互时间，分别以表示；栅格内航空器总交互时长以表示，其为栅格的水平、垂直、速度交互时间之和，即该时段该栅格内航空器运行时间以表示，栅格交互指数以通过栅格内航空器交互持续时长除以栅格内航空器运行时间计算，即6.根据权利要求1所述的基于航空器交互关系的空域复杂性栅格化评价方法，其特征在于：在步骤11)中，所述某时段的空域交互指数计算方法是：假定步骤3)中将该时域划分成m个时段，将空域划分成n个栅格，则第i时段内第j栅格的航空器交互持续时长为第i时段内第j栅格的航空器运行时间为该时段的空域交互指数ad
i
为该时段各栅格的航空器交互持续时长之和除以各栅格内航空器运行时间之和，即7.根据权利要求1所述的基于航空器交互关系的空域复杂性栅格化评价方法，其特征在于：在步骤12)中，所述某时段的空域复杂度计算方法是：假定步骤3)中将该时域划分成m个时段，将空域划分成n个栅格，则第i时段内第j栅格的栅格交互指数为该时段的空域交互指数为ad
i
；该时段空域复杂度c
i
为该时段各栅格的栅格交互指数之和乘以该时段的空域交互指数，即8.根据权利要求1所述的基于航空器交互关系的空域复杂性栅格化评价方法，其特征在于：在步骤13)中，所述待测时域-空域的平均复杂度计算方法是：假定步骤3)中将该时域划分成m个时段，将空域划分成n个栅格，第i时段的空域复杂度为c
i
；则该时域-空域的平均复杂度为各时段的空域复杂度的平均值，即9.根据权利要求1所述的基于航空器交互关系的空域复杂性栅格化评价方法，其特征在于：在步骤14)中，所述空域复杂度的空间均衡度计算方法是：假定步骤3)中将该时域划分成m个时段，将空域划分成n个栅格，第i时段内第j栅格的栅格交互指数为则该时段各栅格交互指数的平均值各栅格交互指数的平均值各栅格交互指数的方差可分别计算，待测时域-空域内空域复杂性的空间均衡度为各时段方差的最大值，即c
a_s
＝max
1≤i≤m
si
di
。10.根据权利要求1所述的基于航空器交互关系的空域复杂性栅格化评价方法，其特征在于：在步骤15)中，所述空域复杂度的时间均衡度计算方法是：假定步骤3)中将该时域划分成m个时段，将空域划分成n个栅格，第i时段的空域复杂度为c
i
；该时域-空域内的平均复
杂度为c；则待测时域-空域内空域复杂性的时间均衡度值为各时段空域复杂度的方差，即
技术总结
一种基于航空器交互关系的空域复杂性栅格化评价方法。其包括载入航空器运行轨迹数据、设置待测时域-空域参数、对待测空域进行栅格化处理、对待测时域进行片段化处理、筛选某时段某栅格途经的航空器集合、判断航空器集合内的航空器是否存在时刻重叠、判断航空器间是否发生空间交互、计算该时段该栅格内航空器总交互持续时长、计算该时段该栅格内航空器运行时间、计算该时段该栅格的栅格交互指数、计算该时段的空域交互指数、计算待测空域在该时段的空域复杂度、计算待测时域-空域的平均复杂度、计算空域复杂性的空间均衡度、计算空域复杂性的时间均衡度等步骤。本发明简单易用，不受人为因素影响，可实现空中交通复杂性的快速量化评价。量化评价。量化评价。
