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动态数据驱动的航班延误预测研究

上传者:高荣山
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动态数据驱动的航班延误预测研究

第36卷第3期武汉理工大学学报(交通科学与工程版)

JournalofWuhanUniversityofTechnology

(TransportationScience&Engineering)

V01.36No.3

2012年6月Juoe2012

动态数据驱动的航班延误预测研究*

陈海燕1’

王建东"

徐涛2’

南京210016)天津300300)

(南京航空航天大学计算机科学与技术学院”(中国民航大学计算机科学与技术学院”

摘要:航班运行过程的动态性导致延误实时预测成为难题.动态数据驱动方法为其提供了一种解

决方案.该方法能将航班运行实时数据动态加人延误预测过程中,使预测结果更准确可靠.以预测

连续进港航班的降落延误为例,对航班之间的延误传递过程进行分析,建立相应的状态空间模型;

给出动态数据驱动的航班延误预测框架及预测过程.在航班运行历史数据上进行的多个实验表明:该方法能获得较高的预测准确度和良好的预测稳定性.

关键词:动态数据驱动应用系统;航班延误预测}参数估计;数据同化;卡尔曼滤波

中图法分类号:U8;TP391

DOI:10.3963/j.issn.2095—3844.2012.03.006

近lOa来,国内外学者针对航班延误原因、

此,美国国家科学基金会于2000年提出全新的仿真预测分析系统——DDDAS[3],旨在将仿真和实验有机结合起来,使仿真可以在执行过程中动态地从实际系统接收数据并做出响应,而仿真结果可以动态地控制实际系统的运行,指导测量的进行.

目前,DDDAS在交通运输领域的已有一些应用成果.Fujimoto等H1基于一种微观城市地面交通仿真模型,根据所采集到的实时交通流数据来优化信号控制、确定当前地面交通状态及预测未来状态.Huang【5’重点研究了在轨道交通中如何在仿真过程中不断利用实测数据对预测模型进行校验以获得更精确可靠的预测输出.Wang[63提出了~种基于随机宏观高速公路交通流模型和扩展卡尔曼滤波技术的实时高速公路交通状态估计器.在空中交通领域,Hyatt【73给出了一种航班延误预测DDDAS框架和实时数据采集方法.

从上述研究中可以总结出,要应用动态数据

驱动方法进行系统状态预测必须解决2个关键问

传播模型u]及如何减少延误[23等问题进行了研究.目前,常用的航班延误预测方法一般采用确定性模型。势必会忽略一些重要的随机因素,如突发事件.因此,对航班延误实时预测毫无意义.

航班延误实时预测本质上是一个动态系统状

态估计问题.本文将仿真领域最新研究成果——

动态数据驱动应用系统(dynamic

datadrivenap—

plicationsystem,DDDAS)范型用于航班延误的

实时预测,对连续进港航班延误波及问题进行分析和建模,基于系统状态空间模型构建了一种动态数据驱动的航班延误预测框架,并用某枢纽机场的历史航班运行数据验证该方法的有效性.

DDDAS应用问题

传统的系统仿真方法是将早期测量得到的静

态数据输入到系统模型中预测现在或未来系统的变化.然而,由于早期测量数据并不能及时和准确的反映动态系统的实时变化情况,仿真的结果往往与实际测量结果相差甚远,导致预测失败.为

收稿日期:201i-12-10

题:(1)预测模型.根据系统行为特征建立一个可计算的预测模型。能反映系统状态之间的关系,及系统状态与可测数据之间的关系,(2)数据同化.

陈海燕(1979-);女.博士生,讲师,主要研究领域为数据挖掘、仿真与建模、系统分析与集成

‘国家“863”高科技项目(批准号:2006AAl2A106).国家自然科学基金重点项目(批准号:6】139002)资助

464

武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2012年第36卷

根据模型性质确定一种数据同化算法,能将动态实测数据融合到模型预测中,达到更新预测结果

的目的.

航班延误状态空间模型

2.1延误问题分析

由于同一时间跑道只能供一架飞机使用,连续进港的相邻两航班之间的存在延误波及问题.在计划紧凑的情况下,若前行航班发生延误,会引起链式反应,将延误影响传播到后行航班.设飞机在发出准备降落就绪信号前产生的延误为已知的累积延误,在发出准备降落就绪信号后产生的延误为降落延误,两者之和为该航班的进港延误.设进港延误为d,降落延误为z,累积延误为口,波及延误为P,前后行飞机之间存在最小飞机间隔时

间为m,两飞机间缓冲时间为b,/T/包含在b中,

且必须得到满足.前行飞机对后行飞机的延误波

及产生过程见图1.

耐行E机

,酉_r乜口L

计划进港日抽J

f.鼙4.韭港时词

62

.盟;-

_

一凶一

●,

西

7●

m.

.乌

西

.卅.

厦。1:

图1延误波及产生过程

可见,当d,大于b。和m之差时,为确保最小飞机间隔,后行飞机将产生波及延误P。,后行飞机的降落延误可表示为

Z2=P2+如=Z1+口1一b2+m+£2

(1)

式中:e2为降落过程中由其他随机因素引起的延误.

2.2状态空间模型

通过上节对航班降落延误问题的分析,可将

系统状态空间模型表示为如下分段线性模型:f

fzFl+ak--l—b±+z}l+口}1≥

m+“+"Wk

b^一m

{以一1

@’

。+。。+叫。

z≮。+口卜,<以一优

【Y^=zI+仇

(3)

其中:式(2)为过程方程;式(3)为观测方程;zt为第k个航班的降落延误;口t为第A个航班的累积延误;坟为第k个航班的计划间隔;m为最小飞机间隔,按规定执行;Y。为观测值;m,仇为过程噪声和观测噪声池为随机延误.由于影响航班降

落的因素较复杂,且各种因素与航班延误之间的关系很难用数学模型表示,因此,“不能直接计算得到.这里可采用智能数据挖掘算法,从历史数据中学习到随机因素的影响模式,估计出当前情况下的岛;若遇极端情况,如空中管制、恶劣天气等,可直接参考专家意见.关于岛的计算已由另文发表[8],本文不再展开讨论.

动态数据驱动的航班延误预测

3.1动态数据驱动的航班延误预测系统框架基于状态空间模型构造出动态数据驱动的航

班延误预测框架见图2.

l圄圄圄曰

匡擀爵

系统

———’————————一l

状态空问预测值

模型

-----—.-——_—___..J’、l

Il司化l

——————————',L—————_J

数据采集与处理

8吣1

图2

动态数据驱动的航班延误预测框架

该框架由4个主要模块组成:(1)数据采集与处理模块.完成实时数据的采集和处理,为参数估计和数据同化提供输入数据;(2)参数估计模块.根据实时数据估计状态空间模型中吼,b。,伽。,仇,e。等参数在当前条件下的取值;(3)系统

状态空间模型.根据过程方程所描述的前后行航

班降落延误之问的关系,计算出后行航班降落延误的先验估计值作为数据同化的输入;(4)数据同化模块.用实际测量的结果来更新或优化模型预测的结果,目前可用卡尔曼滤波[91或粒子滤波[1叩方法实现数据同化,前者适用于线形系统状态估计,后者适用于非线性非高斯系统的状态估计.

3.2基于卡尔曼滤波的状态预测

对线性状态空间模型{瓤一竺“。十肌,基l儿2/'/Xk十h

于卡尔曼滤波的状态估计和预测过程为:

1)初始化状态初值甄及其协方差Po.

2)时间更新

根据‰一。,只一-计算瓤和P。

的先验估计

缸lpl—A工pl

(4)

第3期陈海燕,等:动态数据驱动的航班延误预测研究

465

n【pl—Pbl+Q

(5)表2均方根误差随连续航班数量的变化

式中:G=Var(Wk).

3)测量更新

当新的观测值Y。到达时,更

从表2可以看出:连续航班数量对预测准确

(6)

新工。’i。,R。,得到瓤和P。的后验估计

瓤=‰l}_l+K^(弘一HrⅢ_1)

度的影响不大,动态数据驱动的延误预测方法有

式中:K为卡尔曼增益,计算方法为

Kk=P女【^一lHl(HP^p1H1R^)_1

(7)

较好的稳定性.

式中:风一Var(h).

4)重复2),3)预测不断向前推进.

结束语

本文提出了一种动态数据驱动的航班延误预

实验及结果分析

本文在Matlab平台上进行了一系列实验,实

测方法.该方法能在利用系统状态空间模型进行先验预测的同时,将采集到的有关航班运行过程的各种实时数据反馈到预测过程中,用于动态地更新延误预测值.实例研究证明所提出的动态数据驱动的航班延误预测方法具有较高的预测准确

度,且受被测连续航班数量的影响很小.这就为机

验数据来源于国内某枢纽机场航班运行历史记录.实验从不同角度展开,在验证动态数据驱动航班延误预测能力的同时,还验证了噪声、连续预测步数等因素对预测准确度的影响.

实验1考察动态数据驱动航班延误预测的

场或航空公司预测未来航班的执行、制定减少航班延误的相关决策及进一步的机场环境预测提供了有力支持.

参考文献

准确度,以及噪声方差R,Q取不同值时对预测结

果的影响.图3显示了对50架连续进港航班进行

降落延误预测的结果.

[1]Abdelghany

for

\亘烈剖

EE

KF,ShahSS,RainaS,eta1.Amodel

projectingflightdelaysduringirregularoperation

AirTransport

conditions[J].Journalof

ment,2004,10(6):385—394.

Manage

[2]AhmadBeygiS.CohnA,LappM.Decreasingairline

delaypropagation

by

re-allocating

scheduled

slack

[J].1IE[33

Darema

Transactions,2010,42(7):478—489.F.Dynamicdata

on

drivenapplicationsystems

[R].NSFWorkshop

cation

DynamicDataDrivenAppli—

Systems,March,2000.

R,Suh

[4]HunterM,Fujimoto

tionof

real—time

W,eta1.Aninvestiga—

driventransportation

dynamicdata

simulation[C]ffProceedingsofthe2006WinterSim

ulation

Conference.Washington,DC,USA:IEEE,

421.

auto—

均方根误差/min

(R.Q)

2006:1414—1

先验估计

(1.I)

预测值

2.656

[5]Huang

Y,SeckMD,VerbraeckA.Towards

6.35555.17246.5458

matedmodelcalibrationandvalidationinrailtransit

(1,4)(1.9)

1.00461.213

simulation[C]}}Procedia

1259—1265.

Computer

Sciencel,2010:

(0.01,9)8.9540.00992.292

(4,9)8.3408

[63Wang

Y,Papageorgiou

freewaytraffic

M,MessmerA,eta1.An

state

adaptiveestimator[J].Auto—

由表1可见,融合实时观测数据能明显提高预测的准确度;(R,Q)取值对预测准确度有重大

影响.

[73

matica,2009(45):10—24.Hyatt

cast—an

R,BansalD,ChakrabortyS,eta1.Flightairlineflightdelaypredicting

DDDAS[c]∥

on

实验2考察预测不同数量连续航班时预测准确度的变化,均方根误差见表2.

Proceedingsof2007InternationalSymposiumtributedComputingandApplication

to

Dis—

Business,En—

466

武汉理工大学学报(交通科学与工程版)

Science.WuhanChina,HubeiScience

2012年第36卷

8ineeringand[9]KalmanRE,BucyR.Newresultsinlinearfiltering

andTechnologyPress,2007:85—88.andprediction

problems[J].JournalofBasicEngi—

Is]Chen

Y,WangJD,XuT.Modelingofflightde—

on

neering 1961,83(1):95—108.

laystate-spacemodelbased

genetic

EMalgorithm[10]BolvikenE,AcklamPJ,ChristophersenN,eta1.

state

[J].TransactionsofNanjingUniversityofAeronau—tics&Astronautics.201I.28(3):276—281.

Montecarlofiltersfornon—linear

estimation

[J].Automatica,2001,37(2):177—183.

Research

on

theDynamicData—drivenPredictionforFlightDelay

ChenHaiyan”WangJiandon91’XuTa02’

(CollegeofComputerScienceandTechnology,NanjingUniversity

ofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)”

(CollegeofComputerScienceandTechnology,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin

300300,China)2’

Abstract:Flightdelaypredictionremainscratingprocess.Tosolve

an

importantresearchtopicdue

to

thedynamicsinflightop—

area

thisproblemdynamic

data—drivenapproachfromcontrol

to

wasintro—

accurate

dueed,wherereal—timedatawascollectedandinjectedintothepredictionprocessandreliableresult.Ingationwasanalyzed

to

case

get

more

ofpredictingthelandingdelaysofcontinuousarrivalflights,delaypropa—

state

establishthecorresponding

space

on

model.Thendynamicdata—drivenpre—thisarchitecturewerepresented.Sever-

dictionarchitectureforflightdelayandthepredictionstepsalexperimentswerecarried

out

on

thehistoricflightdata

not

to

validatetheperformanceofthissolution.

to

Resuhsshowthat:theaccuracyishigh,anditis

sensitive

thenumberofcontinuousarrival

flights.Therefore,thesolutionhasgoodpredictivestabilityandreliability.

o“”o…々…o…o…o……—o…o目_…ot_——…oH。om‘,dq●^E,,目。如o●“

Key

words:dynamicdata’drivenapplicationsystem;flightdelaysprediction;parameterestimation;da—

ta

assimilation;Kalmanfilter

(上接第462页)

Research

on

theRelationshipBetweenGradingCurveTrend

andAirVoidsinAsphalt

Mixtures

xu

Huinin911

TanYiqiu”LiXiaomin2’MaShaajun”

(SchoolofTransportationScience

andEngineering,HarbinInst.oJ。Tech.,Harbin

150090,China)"

(GansuProvincialCommunicationsPlanningSurveyandDesig刀Institute,Lanzhou

730030,China)2’

Abstract:Thispaperinvestigatedtheinfluenceofgrading

curve

trend

on

theairvoidsinasphaltmix—

an

tures.Atotalof11asphaltmixtureswithdifferentgradingwerestudied.The

test

curve

traitsand

asphaltbindercontent

on

dataillustratedthattheaggregategradationhad

significantinfluence

the

airvoidsinasphaltmixtures.Withthefineaggregatechangingfromfinetocoarse.airvoidsincreasedgradually.Theairvoidswastheleastwhenthe

tyaggregate

coarse

aggregategrading

nearsto

themaximumdensi—

to

grading,andwasthemostwhenthe

coarse

aggregate

to

grading

nears

theupperlimit.

With

theaidofranksumtest,thesensitivityofairvoids

thechangeofaggregategradingwasstud—

coarse

led.Theresultspresentedthatinasphaltmixturesthechangeofanyofthe

gregate

aggregate,fineag—

and4.75mmpercentpassingaffectedtheairvoids.Thefindingalsoindicatedthatthevaria—

to

tionoffineaggregatewasthemostsignificantfactorKeywords:grading

curve

thechangeofairvoidsinasphaltmixtures.

test

trend;asphaltmixture;airvoids;ranksum

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动态数据驱动的航班延误预测研究

作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):

陈海燕, 王建东, 徐涛, Chen Haiyan, Wang Jiandong, Xu Tao

陈海燕,王建东,Chen Haiyan,Wang Jiandong(南京航空航天大学计算机科学与技术学院 南京210016), 徐涛,Xu Tao(中国民航大学计算机科学与技术学院 天津300300)

武汉理工大学学报(交通科学与工程版)

Journal of Wuhan University of Technology(Transportation Science & Engineering)2012,36(3)

参考文献(10条)

1.Abdelghany K F;Shah S S;Raina S A model for projecting flight delays during irregular operationconditions[外文期刊] 2004(06)

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5.Huang Y;Seck M D;Verbraeck A Towards auto mated model calibration and validation in rail transitsimulation 2010

6.Wang Y;Papageorgiou M;Messmer A An adaptive freeway traffic state estimator 2009(45)7.Hyatt R;Bansal D;Chakraborty S Flight cast-an airline flight delay predicting DDDAS 2007

8.Chen H Y;Wang J D;Xu T Modeling of flight delay state-space model based on genetic EM algorithm[期刊论文]-Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics 2011(03)9.Kalman R E;Bucy R New results in linear filtering and prediction problems 1961(01)

10.B(o)lviken E;Acklam P J;Christophersen N Monte carlo filters for non-linear state estimation[外文期刊] 2001(02)

引用本文格式:陈海燕.王建东.徐涛.Chen Haiyan.Wang Jiandong.Xu Tao 动态数据驱动的航班延误预测研究[期刊论文]-武汉理工大学学报(交通科学与工程版) 2012(3)

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