一种融合运行空域全周期容流规划、调控与闭环评估集成系统的制作方法

本发明涉及航空，具体涉及一种融合运行空域全周期容流规划、调控与闭环评估集成系统。

背景技术：

1、随着低空空域逐步开放、城市空中交通快速发展以及无人机物流配送规模持续扩大，融合运行空域内的航空器类型、数量和运行模式呈现急剧增长态势，对空域容量流量管理提出了前所未有的更高要求。然而，现有空域容流管理系统在架构设计上存在以下三方面的固有缺陷，严重制约了其应对上述挑战的能力。

2、其一，系统架构割裂导致跨层级协同困难。 在现有技术中，容量规划、流量分配与运行调控分属不同的功能模块，各模块独立开发、独立运行，彼此之间缺乏统一的数据中台进行有效衔接。这种割裂式架构使得预测模型、决策逻辑和数据标准在各层级之间难以统一，战略层的容量评估结果无法有效传递至预战术层的时隙分配，预战术层的分配方案亦缺乏向战术层调控指令的平滑过渡机制，导致各层级决策相互脱节，无法形成全局最优的容流管理策略。

3、其二，开环决策机制导致调控措施无法自动验证与优化。 现有系统的决策流程止于调控指令的下发，指令执行后的实际效果缺乏实时反馈回路进行验证。策略调整完全依赖管制员的人工经验判断，无法自动评估调控措施是否达到了预期效果，也无法据此优化后续决策。尤其在容量评估环节，现有技术以历史统计数据为主要依据，无法实时感知天气变化、空域限制调整、特殊活动等动态因素对容量的瞬时影响，导致容量预测结果与实际运行状态偏离度较大。基于此类预测制定的流量限制措施往往出现两极分化：限制过紧造成容量资源浪费，航空器未能充分利用可用空域；限制过松则无法有效防止拥堵，安全隐患随之增加。

4、其三，事后评估模式导致响应严重滞后。受上述两方面缺陷的综合影响，预战术层制定的流量分配方案在战术执行阶段频繁失效，调控效果评估却普遍采用事后分析模式，需在调控措施执行完成后15至30分钟才能生成评估报告。这一滞后使得调控过程中出现的偏差无法被及时发现和修正，由此造成的效率损失在事后评估报告生成时已成为既定事实，无法挽回。

5、综上，现有技术亟待一种能够贯通战略-预战术-战术全周期、具备实时闭环反馈能力的容流规划、调控与评估一体化解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了弥补现有技术的不足，提供了一种融合运行空域全周期容流规划、调控与闭环评估集成系统。

2、为实现上述目的，本发明提供一种融合运行空域全周期容流规划、调控与闭环评估集成系统，包括：

3、统一数据中台，用于汇聚来自监视系统、飞行计划系统、气象系统、空域管理系统的多源异构数据，建立统一的数据标准和时空基准，为各功能模块提供数据服务；

4、战略规划模块，与所述统一数据中台连接，用于根据历史运行数据、季节性规律、重大活动安排生成覆盖未来数个小时时间窗口的中长期容量规划方案，包括各容量区的最大允许运行架次、推荐流速、限制条件清单；

5、预战术分配模块，与所述战略规划模块和所述统一数据中台连接，用于接收各空域用户提交的运行申请，将战略层的容量约束与用户需求进行匹配优化，生成覆盖未来若干小时时间窗口的时隙分配方案，并对潜在冲突进行预检测和消解；

6、数字孪生引擎，与所述统一数据中台连接，用于构建与物理空域高保真的虚拟镜像，包括三维空域数字模型构建、实时航迹同步映射、容量区占用状态更新、气象影响域推演，为规划、调控、评估提供统一的仿真推演环境；

7、战术调控模块，与所述数字孪生引擎连接，用于接收所述数字孪生引擎推送的实时态势镜像，基于航迹预测结果进行冲突探测，对存在潜在冲突的航空器生成调控指令，包括航迹调整、高度层变更、速度调制，并下发至相关航空器或地面站；

8、闭环评估引擎，与所述战术调控模块和所述数字孪生引擎连接，用于在调控执行过程中实时采集效果数据，计算规划符合度、流量匹配度、调控及时性指标，当任一指标偏差超阈值时触发策略修正流程，将偏差诊断报告和优化建议反馈至对应层级。

9、进一步地，所述战略规划模块包括历史数据挖掘引擎、容量预测模型和多版本规划生成器；

10、所述历史数据挖掘引擎与所述统一数据中台连接，用于从所述统一数据中台提取历史运行数据，建立容量-天气-流量的关联模型；

11、所述容量预测模型与所述历史数据挖掘引擎连接，用于结合当前及预报天气、特殊活动、军事活动等输入，预测未来时间窗口内的各容量区可用容量；

12、所述多版本规划生成器与所述容量预测模型连接，用于根据不同假设条件生成乐观版本、基准版本、保守版本的容量规划方案，供决策者选择。

13、进一步地，所述预战术分配模块包括流量需求聚合器、时隙优化分配器和冲突预检测引擎；

14、所述流量需求聚合器用于将各空域用户的运行时隙申请按优先级和运行约束进行聚合；

15、所述时隙优化分配器与所述流量需求聚合器连接，用于建立以系统总吞吐量最大化为目标、容量约束和用户公平性为约束的数学规划模型，求解最优时隙分配方案；

16、所述冲突预检测引擎与所述时隙优化分配器连接，用于基于航迹预测结果对分配方案进行冲突仿真，识别潜在冲突并反馈至所述时隙优化分配器进行迭代消解。

17、进一步地，所述战术调控模块包括航迹规划器、冲突解脱决策器和指令下发接口；

18、所述航迹规划器与所述数字孪生引擎连接，用于在所述数字孪生镜像中对存在冲突风险的航空器生成避让航迹方案；

19、所述冲突解脱决策器与所述航迹规划器连接，用于在多个候选方案中选择综合代价最小的调控指令；

20、所述指令下发接口与所述冲突解脱决策器连接，用于将调控指令发送至航空器fms系统或地面站，并接收执行确认反馈。

21、进一步地，所述数字孪生引擎包括三维空域数字模型、实时航迹同步映射模块和航迹预测推演模块；

22、所述三维空域数字模型用于建立容量区的空间边界、飞行限制、高度层结构的三维几何表示；

23、所述实时航迹同步映射模块与监视系统连接，用于接收监视数据并将航空器实际位置、速度、航向同步至虚拟镜像；

24、所述航迹预测推演模块与所述实时航迹同步映射模块连接，用于基于当前态势和飞行计划预测未来航迹，支持5至30分钟的短期轨迹预报。

25、进一步地，所述闭环评估引擎包括效果监测模块、偏差分析模块和策略优化器；

26、所述效果监测模块用于实时计算规划符合度指标、流量匹配度指标、调控及时性指标，其中所述规划符合度指标用于表征规划架次与实际执行架次的偏差率，所述流量匹配度指标用于表征分配时隙与实际占用时隙的吻合率，所述调控及时性指标用于表征从冲突识别到调控完成的时间间隔；

27、所述偏差分析模块与所述效果监测模块连接，用于在指标超阈值时定位偏差来源，区分容量预测偏差、分配算法偏差、调控执行偏差；

28、所述策略优化器与所述偏差分析模块连接，用于根据偏差诊断结果生成策略修正建议，对于战术层可自行修正的偏差生成调控修正指令，对于涉及上层策略的偏差向所述战略规划模块或所述预战术分配模块发送调整请求。

29、进一步地，所述融合运行空域包括军民航空域融合运行场景和uam城市空中交通与传统民航协同运行场景。

30、在一种可选的实施方式中，战略规划模块在生成中长期容量规划方案时，所述容量预测模型采用以下步骤进行容量预测：从所述统一数据中台获取历史运行数据样本和当前气象预报数据；利用所述历史数据挖掘引擎建立容量-天气-流量的关联模型；将当前气象预报数据、特殊活动计划、军事活动限制输入所述容量预测模型；基于所述关联模型预测各容量区在未来时间窗口内的可用容量；输出包含乐观版本、基准版本、保守版本的多版本容量规划方案。

31、在一种可选的实施方式中，预战术分配模块在进行时隙优化分配时，所述时隙优化分配器采用以下步骤进行求解：接收各空域用户的运行时隙申请；根据用户优先级和运行约束对申请进行聚合排序；建立以系统总吞吐量最大化为目标的数学规划模型；设置容量约束条件，确保每个时隙的进入架次不超过该时隙可用容量；设置用户公平性约束条件，确保各用户的运行时隙分配满足协议要求；求解得到最优时隙分配方案；将所述方案发送至所述冲突预检测引擎进行验证。

32、在一种可选的实施方式中，战术调控模块在进行实时调控时，采用以下步骤执行：接收所述数字孪生引擎推送的实时态势镜像数据；利用航迹预测推演模块预测未来时间窗口内的航空器航迹；对预测航迹进行冲突探测，识别潜在冲突；当识别到潜在冲突时，触发航迹规划器生成多个候选避让方案；利用冲突解脱决策器评估各候选方案的综合代价，选择代价最小的方案作为调控指令；通过指令下发接口将调控指令发送至相关航空器或地面站；接收执行确认反馈，更新数字孪生镜像中的航迹状态。

33、在一种可选的实施方式中，闭环评估引擎在进行效果评估时，采用以下步骤执行：持续采集战术调控模块的执行数据和数字孪生引擎的实时态势数据；计算当前时段的规划符合度指标、流量匹配度指标、调控及时性指标；将各指标与预设阈值进行比对；当任一指标超出阈值时，触发偏差分析流程；利用偏差分析模块定位偏差来源，确定是容量预测偏差、分配算法偏差还是调控执行偏差；根据偏差来源生成相应的策略修正建议；对于战术层偏差，直接生成调控修正指令并下发执行；对于战略层或预战术层偏差，向对应模块发送调整请求；将偏差数据反馈至历史数据挖掘引擎，用于模型更新优化。

34、在一种可选的实施方式中，统一数据中台采用以下数据处理流程：接收来自监视系统的航空器位置、速度、航向数据；接收来自飞行计划系统的航班计划、运行申请数据；接收来自气象系统的实时气象观测和预报数据；接收来自空域管理系统的空域限制、容量区配置数据；对上述多源异构数据进行标准化处理，建立统一的数据格式和时空基准；根据各功能模块的数据请求，实时推送所需数据；维护历史数据仓库，供历史数据挖掘引擎调用。

35、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

36、本发明通过设置战略规划模块、预战术分配模块和战术调控模块（秒级响应）的三层架构，实现了从长期容量规划到实时运行调控的全时间尺度覆盖。三层模块之间经由统一数据中台实现数据贯通，经由闭环评估引擎实现策略反馈，形成了“规划→分配→调控→评估→修正”的完整管理闭环，从根本上解决了现有技术中因系统割裂导致各层级决策相互脱节、协同优化困难的问题。

37、本发明通过数字孪生引擎构建与物理空域高保真对应的虚拟镜像，使战略规划方案、预战术时隙分配方案和战术调控指令均可在数字空间中进行仿真验证，确认有效后再下发执行。这一“先验证后执行”的模式显著降低了直接在实际空域中试错所带来的运行风险，有效解决了现有技术中规划与执行之间缺乏状态反馈和效果预验机制的问题。

38、本发明通过闭环评估引擎在调控执行过程中持续采集效果数据，实时计算规划符合度、流量匹配度和调控及时性三项量化指标。当任一指标偏差超出预设阈值时，系统自动触发策略修正流程，偏差分析模块精准定位偏差来源（容量预测偏差、分配算法偏差或调控执行偏差），策略优化器据此生成修正建议并反馈至相应层级。由此，策略修正从传统的人工经验判断模式转变为系统自动决策模式，调控效果的评估与优化从事后分析转变为实时在线，响应时延由分钟级压缩至秒级。

39、本发明通过数字孪生引擎与闭环评估引擎的紧密耦合，使容量约束可精确下探至每一架次，实现空域容量的精细化管控。同时，策略修正的自动化使调控响应时延由传统方案的分钟级压缩至秒级，显著提升了系统对突发态势的快速响应能力。