城市低空物流无人机飞行计划预先调配.pdf

第 卷第期 年月系统工程与电子技术 文章编号：（）网址：收稿日期：；修回日期：；网络优先出版日期：。网络优先出版地址：基金项目：国家自然科学基金（）资助课题通讯作者引用格式：张洪海，任真苹，冯讴歌，等城市低空物流无人机飞行计划预先调配系统工程与电子技术，（）：犚犲 犳 犲 狉 犲 狀 犮 犲犳 狅 狉犿犪 狋：，（）：城市低空物流无人机飞行计划预先调配张洪海，任真苹，冯讴歌，王非，刘?（南京航空航天大学民航学院，江苏 南京 ）摘要：针对城市环境下物流无人机（，）飞行计划调配问题，以运输成本和延误成本最小为目标，建立多约束物流飞行计划预先调配模型。考虑货物类型优先级、物流公司优先级和配送时间优先级提出综合优先级，设计了基于综合优先级的飞行计划预先调配算法求解。以校园配送为仿真环境进行验证，模型和算法能够生成无冲突的飞行时刻表，实现飞行计划预先差异化调配。实验结果表明，综合优先级调配与传统任务优先调配、先到先服务调配相比，每条飞行计划的成本分别降低了 和 ；当综合优先级权重组合为、和 时，每条飞行计划的成本最低为 元，调配结果最佳。关键词：航空运输；飞行计划调配；综合优先级；物流无人机中图分类号：文献标志码：犇犗犐：犔狅 犵 犻 狊 狋 犻 犮 狊狌 狀犿犪 狀 狀 犲 犱犪 犲 狉 犻 犪 犾狏 犲 犺 犻 犮 犾 犲犳 犾 犻 犵 犺 狋狆 犾 犪 狀狆 狉 犲 犪 犾 犾 狅 犮 犪 狋 犻 狅 狀犻 狀狌 狉 犫 犪 狀犾 狅狑 犪 犾 狋 犻 狋 狌 犱 犲犪 犻 狉 狊 狆 犪 犮 犲 ，（犆狅 犾 犾 犲 犵 犲狅 犳犆 犻 狏 犻 犾犃狏 犻 犪 狋 犻 狅 狀，犖犪 狀 犼 犻 狀犵犝狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔狅 犳犃犲 狉 狅 狀 犪 狌 狋 犻 犮 狊犪 狀犱犃狊 狋 狉 狅 狀 犪 狌 狋 犻 犮 狊，犖犪 狀 犼 犻 狀犵 ，犆犺 犻 狀 犪）犃犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：（），犓犲 狔狑狅 狉 犱 狊：；（）引言无人机物流运输近年逐渐兴起，在末端配送过程中不受地面交通状况的局限，具备时间短、效率高等优势，可发展为未来城市空中交通“最后一公里”物流配送的主力。无人机在飞行任务获批起飞时刻后才能执行任务，因此飞行管制部门应考虑飞行计划预先调配，以避免空域使用和时间冲突，确保飞行安全。国内外学者对城市低空物流无人机与飞行计划管理进行过研究。在城市空中交通发展方面，文献指出未来将会有大量电推进垂直起降型航空器服务于全球低空市场的发展。文献认为未来城市空中交通的全球发展规模在第期张洪海等：城市低空物流无人机飞行计划预先调配 年预计达到 万亿美元。文献认为无人机将作为城市低空物流市场的主力服务于“最后一公里”配送，预计 年将满足亿单运输需求。文献分析了墨尔本的城市交通方式，结果表明城市空中交通因其时间优势未来将拥有较大市场。在低空物流无人机运行方面，文献考虑了无人机在人道主义物流最后一英里配送中的应用，提出一种通过无人机将轻型救援物品（如疫苗、纯净水等）运送到受灾地区的优化模型。文献提出利用无人机完成医疗保健运输更加及时、高效和经济，设计了无人机医疗网络运输的决策模型。文献关注了无人机在物流配送中区别于普通地面物流的基本特征，考虑无人机飞行时间、装载能力、货物重量对飞行能力的影响，提出一种混合整数线性规划公式和任务分配启发式算法，并通过数值示例进行测试。文献研究了无人机在人口稠密的城市环境中的运行风险，利用空间模拟系统进行风险评估。文献指出越来越多的物流公司都在研究使用无人机进行快递交付，针对无人机投送的容量限制问题，提出一种混合元启发式方法，仿真结果证实了所提算法的有效性。文献 考虑权重系数、时间窗约束、无人机约束等建立了无人机物流任务分配模型，采用改进粒子群优化算法求解，仿真结果表明该算法能够有效解决无人机物流任务分配问题。文献 提出基于改进人工势场 快速扩展随机树算法，以实现无人机在物流配送中准确、快速的路径规划。文献 使用牛顿运动定律和伽利略自由落体评估无人机碰撞概率密度，通过路径规划保证无人机避开人口密集区域。在飞行计划调配方面，文献 阐述了采用直接法和插值法划设调配区域的预先飞行调配系统，辅助管制员自动生成调配建议。文献 设计了由安全高效的空域调度系统构成的路径规划模型和路径查找算法，可避免航班申请的冲突。文献 考虑综合优先级的影响建立飞行计划调配模型，提出一种飞行计划调配方法。文献 研究了一种飞行计划调配系统来动态申请、批复和监视空域，通航用户依托系统可与管理部门进行信息交流。文献 提出一种基于飞行计划集中处理的预战术飞行流量预测方法，利用飞行计划预测航空器航迹进而预测航路点流量。文献 以网络交通流的运营成本最小为目标，通过调配飞行计划估计航空器最佳计划到达时间。文献 提出一种空中交通航路系统模型以解决飞行中调度问题。文献 提出一种飞行序列分配模型，以解决不同航空公司飞行计划在安全标准时间表上的冲突。文献 针对协调拥挤机场网络的时刻分配问题，考虑时刻请求的优先级、最短周转时间等，提出一种启发式方法为每个机场生成可行且连贯的时隙。文献 考虑到高峰时段低优先级机场需要让位高优先级机场的出发活动，提出一种双目标整数规划模型，以解决较低优先级航班的起飞调度问题。借鉴航班时刻分配的有关研究，文献 分析了双目标资源约束调度来解决战略机场时刻分配问题，提出一种新型混合启发式算法，并以希腊机场的实际时隙数据验证了所提算法的准确性。文献 介绍了一种协助人工进行初始时隙分配的优化决策支持工具，该工具在可接受的时间内生成有效的时隙解决航班分配问题。文献 研究了阻塞缓解策略，提出一种航班时隙分配模型和解决方案，通过调度时刻来缓解机场拥堵。文献 提出一种考虑时刻调度效率和公平性的双目标机场时刻调度模型，研究了考虑历史时隙使用权和不考虑历史时隙使用权的机制下时隙调度效率 公平的权衡，以实现航班时隙调度。文献 在文献 的基础上提出了考虑效率、公平性和航空公司偏好的多目标两阶段时刻分配机制。文献 提出一种整数线性规划模型，通过周转时间限制飞机轮转，用于在欧洲范围内优化机场时刻分配。文献 提出一种符合全球航班时刻指南的优化模型，将机场时刻分配给航空公司。目前，面向低空物流无人机的研究多集中于任务分配与路径规划，面向飞行计划的研究集中于飞行调度，和管理系统 ，但面向低空无人机运输中飞行计划调配流程的研究较少。无人机飞行计划预先调配可从高度、航路和时间的角度出发，由于调整高度和航路存在局限，一是城市低空可供调整的飞行空间有限，往往不允许无人机产生大幅度空间变动；二是无人机电量、承重等性能有限，执行任务的空间变动会降低运输效率。因此，本文研究基于实际运输需求，从时间调整的角度出发，以飞行计划成本最低为调配目标，建立无人机飞行计划预先调配模型，设计考虑综合优先级的飞行计划预先调配算法求解，生成无冲突的时刻表，为飞行任务排序后分配起飞时刻，以实现飞行计划的预先调配。飞行计划预先调配问题建模 问题描述与相关假设某城市片区的物流配送点，利用无人机装载小批量货物运输至收货点，货物运输过程拟采用可垂直起降的充电旋翼无人机，无人机任务执行完毕后返回配送中心。现有配送点对即将执行的飞行任务向管制部门提交飞行申请，为保证城市空域范围内无人机避免冲突有序飞行，管制部门需要在空域使用前进行飞行计划审批与飞行时刻调配，尽可能确保飞行安全。本模型的主要假设如下：物流配送点和各个收货点的位置已知；每架无人机需要从配送点的不同起降点出发，沿既定航路飞往收货点，完成其配送任务后返回配送点；每个起降点有多架无人机等待起飞，每架无人机单次只服务一对起降点；无人机满电状态出发，飞行速度预先设定，出发后不再接受新的任务安排。城市低空物流无人机配送模式如图所示。系统工程与电子技术第 卷图城市低空物流无人机配送模式 无人机飞行计划预先调配模型 决策变量无人机飞行计划预先调配的实质是对每条飞行任务依据综合优先级排序后，依次分配一组无冲突的飞行时刻，无人机按照分配的时刻执行。设犐表示所有飞行任务集合，犻表示集合中一条飞行任务；犑表示所有可分配时刻集合，犼表示集合中一组飞行时刻。因此，调配模型决策变量狓犻 犼表达式为狓犻 犼，第犻条任务分配第犼组时刻，烅烄烆其他（）综合优先级飞行计划调配优先级主要包括货物类型优先、物流公司优先和配送时间优先。货物类型优先是指为紧急程度高的任务优先分配时刻，物流公司优先是指为顾客满意度高 的物流公司优先分配时刻，配送时间优先是指为顾客期望送达时间早的任务优先分配时刻。因此，本文提出的综合优先级由货物类型优先级、物流公司优先级和配送时间优先级这三部分组成，优先级取值由飞行任务决定，分别给予每个部分不同的权重。在进行无人机飞行计划调配时，每条任务的综合优先级犻描述为犻犻犮犻狊犻狋，犻犐（）式中：犻犮表示货物类型优先级；犻狊表示物流公司优先级；犻狋表示配送时间优先级；、和分别表示种优先级在综合优先级中的作用大小，且有。进行实验时，为了避免不同优先级之间取值范围的量级差别，对每种优先级数值采用 标准化方法，使其取值落在，之间，表达式为 （）式中：和 分别表示每种优先级的最大值和最小值；表示每种优先级的实际值；表示每种优先级归一化后的值。目标函数（）运输成本在实际货物配送过程中，基于无人机物流运输的经济性，追求较低的运输成本是飞行计划预先调配的重要目标之一，运输成本是指无人机在配送过程中产生的费用，包括电池能耗、折旧维护等费用，表达式为犆犻犐犼犑狓犻 犼（犻）犆犱狇犻犱犻（）式中：狇犻表示第犻条任务的货物重量；犱犻表示第犻条任务中配送点至收货点的距离；犻 表示第犻条任务标准化后的综合优先级；犆犱表示无人机单位距离单位载重的成本。（）延误成本配送点申请的飞行任务包含顾客期望送达时间段的信息，无人机获得时刻后要在既定时间窗内完成任务，追求较低的延误成本也是飞行计划预先调配的重要目标之一，延误成本是指实际送达时间超出期望送达时间而产生的成本，表达式为犆犻犐犼犑狓犻 犼（犻）犆狆（，犜犻 犼 犜犿）（）式中：犆狆表示无人机单位时间延误的成本；犜犻 犼 表示第犻条任务分配的第犼组时刻的到达时间；犜犿表示顾客可接受的最长等待时间。综上所述，本模型的目标函数飞行计划成本犆表示为 犆犻犐犼犑狓犻 犼（犻）犆犱狇犻犱犻犆狆（，犜犻 犼 犜犿）（）约束条件（）空域可用时间每条飞行任务的起飞时间和返回时间不得超出空域允许使用的时间范围，即犜 狓犻 犼犜犻 犼 狓犻 犼犜犻 犼 狓犻 犼犜犻 犼 犜 ，犻犐；犼犑（）式中：犜犻 犼 表示第犻条任务分配的第犼组时刻的起飞时间；犜犻 犼 表示第犻条任务分配的第犼组时刻的返回时间；犜 表示空域允许使用的最早开始时间；犜 表示空域允许使用的最晚结束时间。（）起飞时间间隔同一起降点连续起飞的两架无人机须保持安全间隔，即狓犻 犼（犜犻，犼 犜犻 犼 ）犜 ，犻犐；犼犑（）狓犻 犼（犜犻，犼 犜犻 犼 ）犜 ，犻犐；犼犑（）式中：犜 表示起降点连续两架无人机的起飞时间间隔；犜犻 犼 表示第犻条任务分配的第犼组时刻的在收货点完成配送后的返程时间。（）到达时间间隔同一起降点连续到达的两架无人机须保持安全间隔，即狓犻 犼（犜犻，犼 犜犻 犼 ）犜 ，犻犐；犼犑（）狓犻 犼（犜犻，犼 犜犻 犼 ）犜 ，犻犐；犼犑（）式中：犜 表示起降点连续两架无人机的到达时间间隔。第期张洪海等：城市低空物流无人机飞行计划预先调配 （）交叉时间间隔前后依次经过同一航路交叉点的无人机须保持安全间隔，即狓犻 犼犜犻 犼 犜犻 犼 （犜犻，犼 犜犻，犼 ）犜 ，犻犐；犼犑（）式中：犜犻 犼 表示第犻条任务分配的第犼组时刻下，无人机从收货点出发至交叉点的飞行时间；犜 表示连续安全经过交叉点的两架无人机的交叉时间间隔。（）唯一性每条任务只能分配到一组时刻，每组时刻最多被一条任务占用，即犻犐狓犻 犼，犼犑（）犼犑狓犻 犼，犻犐（）（）待分配任务数量待分配任务的数量不能超过可用飞行时刻的数量，即犻犐狓犻 犼犆犪，犻犐；犼犑（）式中：犆犪表示时刻表可用飞行时刻的最大数量。