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基于VMD-MD-Clustering方法的航班延误等级分类

王兴隆 许晏丰 纪君柔

王兴隆, 许晏丰, 纪君柔. 基于VMD-MD-Clustering方法的航班延误等级分类[J]. 交通信息与安全, 2022, 40(3): 171-178. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.03.018
引用本文: 王兴隆, 许晏丰, 纪君柔. 基于VMD-MD-Clustering方法的航班延误等级分类[J]. 交通信息与安全, 2022, 40(3): 171-178. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.03.018
WANG Xinglong, XU Yanfeng, JI Junrou. Classification of the Level of Flight Delay Based on a VMD-MD-Clustering Method[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2022, 40(3): 171-178. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.03.018
Citation: WANG Xinglong, XU Yanfeng, JI Junrou. Classification of the Level of Flight Delay Based on a VMD-MD-Clustering Method[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2022, 40(3): 171-178. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.03.018

基于VMD-MD-Clustering方法的航班延误等级分类

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.03.018
基金项目: 

国家重点研发计划项目 2020YFB1600101

天津市教育委员会自然科学重点基金项目 2020ZD01

详细信息
    通讯作者:

    王兴隆(1979—),硕士,研究员. 研究方向:空域运行安全、空中交通流量管理.E-mail:xinglong1979@163.com

  • 中图分类号: V352

Classification of the Level of Flight Delay Based on a VMD-MD-Clustering Method

  • 摘要: 针对航班数量逐年增加导致的航班延误日益频繁问题,研究对航班延误等级分类的方法,从而为制定针对性措施,降低航班延误造成的损失提供理论基础。从时间、空间和效率3个方面确定航班延误时间、航班飞行时间、延误影响人数和航程这4个数值属性指标,以及过站是否经停、飞机载客量2个类属性指标,共计6个评估指标构建航班延误等级分类模型。提出了1种基于变分模态分解(VMD)、马氏深度(MD)函数和K-means数据聚类(Clustering)的航班延误等级分类方法(以下简称V-M-C方法)。V-M-C方法将非正态、非平稳的多维航班延误数据视作含噪声的信号序列进行处理,通过VMD降噪获得正态、稳定的多维信号数据;利用MD函数进行降维处理得到一维的稳定信号数据;使用K-means方法对得到的一维数据进行聚类,对航班延误等级分类。为确定航班延误等级分类精确性,采用带惩罚权重的支持向量机(SVM)对分类结果进行分析,可以在一定程度上提高V-M-C方法的普适性。以某大型枢纽机场某月的航班运行数据为例,只使用K-means算法的航班延误等级分类精度为81.9%,而V-M-C方法对航班延误等级分类精度可提升至95.41%。实验结果表明,V-M-C方法的分类准确率更高,能够帮助机场根据相应延误等级制定预案,保障航班整体运行正点率。

     

  • 图  1  航班延误等级分类流程图

    Figure  1.  Flow chart of flight delay classification

    图  2  K-means算法流程图

    Figure  2.  Flow chart of K-means algorithm

    图  3  延误时间序列重构对比图

    Figure  3.  Comparison chart of delay time series reconstruction

    图  4  延误航班数据深度值

    Figure  4.  Flight delay data depth value

    图  5  聚类有关指标折线图

    Figure  5.  Line chart of clustering related indicators

    图  6  延误信息雷达图

    Figure  6.  Radar chart of Delay information

    表  1  航班延误等级评价指标

    Table  1.   Evaluation index of flight delay level

    属性 评价指标 说明
    数值属性 航班延误时间T /min
                          T = Tataf - Tetaf
    式中:Tataf为航班f的实际起飞时间;Tetaf为航班f的预计起飞时间
    航班延误时间越长,航班延误成本越高,对后续航班造成的影响更大,波及延误更广,对机场、航空公司以及旅客产生直接的延误经济损失
    飞行时间Tf /min
                          Tf= Tataf-Tendf
    式中:Tendf为航班f到目的地机场的时间。
    飞行时间越长,油耗成本越高,若延误航班的飞行时间越长,则飞行中产生影响航班安全飞行和实际飞行时长的因素几率就越大,且可能导致航班需要过夜,增加延误成本。飞行时间从航空公司角度反映了延误程度
    延误影响人数N:航班f的实际载客量 延误影响人数越多,造成的旅客经济损失就越大,这种经济损失可描述为延误时间占用了旅客正常的工作时间,延误人数是从旅客角度评价延误程度
    航程d /km:航班f从起飞机场到目的机场的飞行距离 延误航班飞行距离越长,那么航班经过的管制扇区就相对越多,需要进行管制移交的次数就越多,受影响的管制员就越多,航程是从管制员角度考虑延误程度
    类属性 经停:航班f是否需要经停,经停为1,不经停为0 延误航班是否需要经停反映了受影响的机场个数,经停延误航班不仅对目的地机场产生影响同时也会影响经停机场,航班是否经停是从机场角度确定延误程度
    延误航班机型g:根据飞机执机机型不同可分为4类:
    g1:小机型,座位数100座以下;
    g2:中机型,座位数100座(含)以上,200座以下;
    g3:大机型,座位数200座(含)以上,400座以下;
    g4:超大机型,座位数400座(含)以上
    延误航班机型越大,所需尾流间隔也越大,恢复航班运行难度也相对较大,地面等待以及空中等待经济损失也越大,机型指标是从等待经济损失角度确定延误程度
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    表  2  航班延误实验数据(局部)

    Table  2.   Flight delay experimental data (local)

    延误时间/min 飞行距离/km 飞行时长/min 是否经停 机型 载客人数/人
    8 915 120 0 g3 159
    110 850 190 1 g2 128
    1 9 130 715 0 g3 301
    299 1 481 195 0 g1 65
    19 2 493 245 0 g2 159
    $ \vdots $ $ \vdots $ $ \vdots $ $ \vdots $ $ \vdots $ $ \vdots $
    7 1 111 105 0 g2 170
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    表  3  评价指标权重

    Table  3.   Evaluation index weight

    评价指标 权重值
    延误时间 0.5
    飞行距离 0.1
    飞行时间 0.1
    载客人数 0.3
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  • [1] 中国民用航空局. 2019年民航行业发展统计公报[EB/OL]. http://www.caac.gov.cn.

    Civil Aviation Administration of China. 2019 Civil aviation industry development statistics bulletin[EB/OL]. http://www.caac.gov.cn. (in Chinese)
    [2] HENRIQUES R, FEITEIRA I. Predictive modelling: Flight delays and associated factors, Hartsfield-Jackson atlanta international airport[J]. Procedia Computer Science, 2018(138): 638-645.
    [3] SUVOJIT M, SANKET B, RITANK K, et al. A statistical approach to predict flight delay using gradient boosted decision tree[C]. International Conference on Computational Intelligence in Data Science(ICCIDS), Chennai, India: IEEE, 2017.
    [4] YI D. Predicting flight delay based on multiple linear regression[J]. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2017(81): 172-198.
    [5] BIN Y, ZHEN G, SOBHAN A, et al. Flight delay prediction for commercial air transport: A deep learning approach[J]. Transportation Research Part E: Logistics and Transportation Review, 2019, 125(5): 203-221.
    [6] MITICIC M. Probabilistic flight delay predictions using machine learning and applications to the flight-to-gate assignment problem[J]. Aerospace, 2021, (8)6: 152-172.
    [7] SHI T, LAI J, GU R, et al. An improved artificial neural network model for flights delay prediction[J]. International Journal of Pattern Recognition and Artificial Intelligence, 2021, 35 (8): 146-158.
    [8] 曹悦琪, 贾奇. 基于Logistic模型的大面积航班延误预测方法研究[J]. 交通信息与安全, 2017, 35(1): 86-91. doi: 10.3963/j.issn.1674-4861.2017.01.011

    CAO Y Q, JIA Q. A forecasting method for large-scale flight delays based on a logistic model[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2017, 35(1): 86-91. (in Chinese) doi: 10.3963/j.issn.1674-4861.2017.01.011
    [9] 黄俊生, 广晓平. 航班延误恢复的建模与算法研究[J]. 交通运输系统工程与信息, 2018, 18(A1): 44-52. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSXT2018S1008.htm

    HUANG J S, GUANG X P. Study on modeling and algorithm for delay recovery of flight[J]. Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology, 2018, 18 (A1): 44-52. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSXT2018S1008.htm
    [10] 王语桐, 朱金福, 马思思. 基于支持向量回归和线性回归的航班延误组合预测[J]. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版), 2019, 43(3): 426-431. doi: 10.3963/j.issn.2095-3844.2019.03.010

    WANG Y T, ZHU J F, MA S S. Combination forecast of flight delay based on support vector regression and linear regression[J]. Journal of Wuhan University of Technology (Transportation Science & Engineering), 2019, 43(3): 426-431. (in Chinese) doi: 10.3963/j.issn.2095-3844.2019.03.010
    [11] 丁建立, 孙玥. 基于LightGBM的航班延误多分类预测[J]. 南京航空航天大学学报, 2021, 53(6): 847-854. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NJHK202106003.htm

    DING J L, SUN Y. Multi-classification prediction of flight delay based on lightGBM[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, 2021, 53(6): 847-854. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NJHK202106003.htm
    [12] 姜雨, 陈名扬, 袁琪, 等. 基于时空图卷积神经网络的离港航班延误预测[J/OL]. 北京航空航天大学学报. (2012-10)[2021-12-27]. https://doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0415.

    JIANG Y, CHEN M Y, YUAN Q, et al. Departure flight delay prediction based on spation-temporal graph convolutional networks[J/OL]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics. (2012-10)[2021-12-27]. https://doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0415.
    [13] 刘继新, 杨光. 基于KNN的机场航班短期延误风险预测[J]. 重庆交通大学学报(自然科学版), 2021, 40(12): 12-18.

    LIU J X, YANG G. Short-time flight delay risk forecast based on KNN[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University (Natural Science), 2021, 40(12): 12-18. (in Chinese)
    [14] 朱代武, 陈泽晖, 刘豪. 基于DBN-SVM的航班延误内在模式分析[J]. 航空计算技术, 2022, 52(1): 36-40. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKJJ202201008.htm

    ZHU D W, CHEN Z H, LIU H. Internal pattern analysis of flight delay based on DBN-SVM[J]. Aeronautical Computing Technique, 2022, 52(1): 36-40. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKJJ202201008.htm
    [15] 罗凤娥, 王波, 李娜, 等. 基于数据挖掘技术的航班延误预测综述[J]. 科技和产业, 2020, 20(11): 75-80. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CYYK202011012.htm

    LUO F E, WANG B, LI N, et al. Research review of flight delay prediction based on data mining technology[J]. Science Technology and Industry, 2020, 20(11): 75-80. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CYYK202011012.htm
    [16] 游峰, 梁健中, 曹水金, 等. 面向多目标跟踪的密集行人群轨迹提取和运动语义感知[J]. 交通运输系统工程与信息, 2021, 21(6): 42-54+95. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSXT202106006.htm

    YOU F, LIANG J Z, CAO S J, et al. Dense pedestrian crowd trajectory extraction and motion semantic information perception based on multi-object tracking[J]. Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology, 2021, 21(6): 42-54+95. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSXT202106006.htm
    [17] DRAGOMIRETSKIY K, ZOSSO D. Two-dimensional variational mode decomposition[J]. IEEE Transaction On Signal Processing, 2015, 62(3): 531-544.
    [18] 车建国, 赵赛. 基于数据深度的过程工业故障检测方法[J]. 计算机工程与应用, 2020, 56(1): 265-271. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSGG202001037.htm

    CHE J G, ZHAO S. Fault detection method based on data depth for process industry[J]. Computer Engineering and Applications, 2020, 56(1): 265-271. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSGG202001037.htm
    [19] 孙灿飞, 王友仁, 沈勇, 等. 基于参数自适应变分模态分解的行星齿轮箱故障诊断[J]. 航空动力学报, 2018, 33(11): 2756-2765. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKDI201811022.htm

    SUN C F, WANG Y R, SHEN Y, et al. Fault diagnosis of planetary gearbox based on adaptive parameter variational mode decomposition[J]. Journal of Aerospace Power, 2018, 33(11): 2756-2765. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKDI201811022.htm
    [20] 王兴隆, 纪君柔, 石宗北. 加权K-prototype-粗糙集的航班延误等级划分研究[J]. 计算机仿真, 2021, 38(9): 70-75. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSJZ202109014.htm

    WANG X L, JI J R, SHI Z B. Flight delay classification based on weighted K-prototype-rough sets[J]. Computer Simulation, 2021, 38(9): 70-75. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSJZ202109014.htm
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  • 收稿日期:  2021-12-27
  • 网络出版日期:  2022-07-25

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