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- A-SMGCS航空器滑行路由规划及三维仿真研究
- 作者： 唐勇 来源： 南京航空航天大学 年份： 2016 文献类型 ： 学位论文 关键词： 空中交通管理 A SMGCS 滑行路由规划 实时路由调整 三维仿真 多Agent系统 Petri网
- 描述： 随着航空运输业的高速发展,机场场面交通量不断增大,机场规模更加庞大、结构更加复杂,雨雾等低能见度天气对场面运行的影响也日益增大,场面运行不安全事故频发和运行效率低下问题逐渐突出,机场越来越成为制约航空运输进一步发展的瓶颈。传统依靠管制员人工管理场面运行的方式已经无法适应大型机场的运行要求,为了解决场面运行安全与效率问题,国际民航组织提出先进场面活动引导与控制系统(Advanced Surface Movement Guidance and Control System,A-SMGCS)概念,利用各种场面监视新技术和计算机自动控制手段实现对场面运行的自动化管理。路由规划作为A-SMGCS定义的四项基本功能之一,是保障航空器在场面进行安全、高效和有序活动的重要手段。同时,A-SMGCS作为一个与安全直接相关的大型复杂系统,在投入实际运行前必须进行大量的三维仿真测试和验证,并且路由规划结果的合理性也可以通过三维仿真得到直观验证。本文主要针对A-SMGCS航空器滑行路由规划问题和A-SMGCS三维仿真问题(包括三维航迹仿真和三维场面活动仿真)展开研究。深入分析了A-SMGCS航空器滑行路由规划问题和A-SMGCS三维仿真问题的研究现状、发展趋势及其最新研究成果,系统介绍了A-SMGCS研究基础,对A-SMGCS概念、发展历史、功能需求、国内外研究现状等进行了详细介绍。研究了航空器滑行路由规划NP难问题,提出一种基于空闲时间窗的路由规划方法,解决滑行路由优化性和计算量之间的矛盾。首先,提出一种滑行资源图模型对场面滑行区进行建模,解决了现有的有向图模型过于简单无法充分刻画场面运行过程、Petri网模型过于复杂增大了路由规划计算量问题。其次,按飞行计划为航空器设置滑行优先级,按优先级顺序依次规划路由,后规划的路由不破坏已有路由,利用滑行路段的空闲时间窗进行规划。每次只需为一架航空器规划滑行路由,降低了问题求解难度;通过搜索空闲时间窗获得路由使得场面交通均衡分布,保证了路由规划的整体优化性。分析了空闲时间窗特性,指出空闲时间窗可达性条件和避免同步资源交换冲突条件。其次,应用多Agent系统方法,设计了航空器滑行路由规划多Agent系统,把建立、维护和搜索空闲时间窗图的复杂集中式求解过程,简化为通过路由管理Agent、航空器Agent和资源节点Agent相互协作,实现对场面路由规划问题的分布式求解。最后,利用Anylogic开发了航空器滑行路由规划多Agent系统,并进行了仿真实验,结果表明与固定预选滑行路径算法相比,航空器平均滑行时间显著减少且规划的航空器越多节省平均滑行时间效果越明显。研究了航空器滑行路由实时优化调整策略问题,提出一种基于优先级的滑行路由调整方法,解决运行阶段路由计划调整实时性和优化性之间的矛盾。首先,把航空器按规划时间窗通过路段抽象成航空器对各个路段的访问优先级,通过对延迟航空器进行惩罚降低其访问优先级避免延迟传播,减少对路由计划整体优化性的影响;只需要调整航空器访问滑行路段的优先级次序,不需要重新计算航空器访问滑行路段的时间窗,减少了计算量,保证了路由调整的实时性。其次,分析了通过改变优先级调整路由计划可能导致的两类场面滑行冲突:对头冲突和循环等待冲突。提出一种面向机场滑行资源的着色Petri网模型对场面运行过程进行建模,通过分析模型中链路和回路等特殊结构的状态特性,判断改变优先级是否会导致滑行冲突。只在不导致冲突的情况下才能调整优先级,否则保持优先级不变,等待延迟的高优先级航空器先通过滑行路段。最后,给出航空器无冲突滑行充分条件及优先级调整策略,并通过算例仿真对调整策略的有效性进行了验证,结果表明算法控制规则简单,适于实时控制。研究了三维航迹仿真问题,提出以Google Earth为航迹仿真平台,利用Google Earth提供的COM API接口进行嵌入式二次开发,利用KML语言描述航空器三维航迹,并与Google Earth免费提供的地形数据、卫图数据和航图数据等GIS数据进行集成显示,实现航空器在全球任意位置的三维航迹仿真,简化了开发难度,节约了开发费用。为解决COM API开放接口有限,不能在嵌入的三维地图窗口中控制鼠标和键盘的问题,提出利用钩子编程技术截获鼠标、键盘消息进行处理,实现对三维航迹的操作控制功能。以ADS-B为监视数据源对仿真系统进行了测试,结果表明开发的三维航迹仿真系统能直观有效仿真航空器三维航迹。研究了三维场面活动仿真问题,提出以开源模拟飞行器Flight Gear为场景仿真平台,以实时ADS-B监视数据为驱动,设计了一个Linux平台下的机场场面活动三维仿真系统。系统以成都双流国际机场为原型进行机场布局设计,航空器、航站楼、塔台三维建模,地形数据生成,对真实机场环境进行了完整建模。由于ADS-B监视数据缺少航空器姿态信息,提出了一种根据位置数据推算出姿态信息的新方法。首先把ADS-B监视数据进行航迹卡尔曼滤波,然后根据航空器前后两个位置的空间连线矢量计算飞行姿态。通过Flight Gear多机网络数据接口导入航空器位置数据与姿态数据驱动航空器模型运动,实现了对航空器运动的六自由度仿真。仿真结果表明,该系统能逼真、准确仿真机场场面三维活动情况。由于完全基于开源软件设计,低成本实现了对场面活动的实时三维仿真。
- A-SMGCS航空器滑行路由规划及三维仿真研究
- 作者： 唐勇 来源： 南京航空航天大学 年份： 2016 文献类型 ： 学位论文 关键词： 空中交通管理 A SMGCS 滑行路由规划 实时路由调整 三维仿真 多Agent系统 Petri网
- 描述： 随着航空运输业的高速发展,机场场面交通量不断增大,机场规模更加庞大、结构更加复杂,雨雾等低能见度天气对场面运行的影响也日益增大,场面运行不安全事故频发和运行效率低下问题逐渐突出,机场越来越成为制约航空运输进一步发展的瓶颈。传统依靠管制员人工管理场面运行的方式已经无法适应大型机场的运行要求,为了解决场面运行安全与效率问题,国际民航组织提出先进场面活动引导与控制系统(Advanced Surface Movement Guidance and Control System,A-SMGCS)概念,利用各种场面监视新技术和计算机自动控制手段实现对场面运行的自动化管理。路由规划作为A-SMGCS定义的四项基本功能之一,是保障航空器在场面进行安全、高效和有序活动的重要手段。同时,A-SMGCS作为一个与安全直接相关的大型复杂系统,在投入实际运行前必须进行大量的三维仿真测试和验证,并且路由规划结果的合理性也可以通过三维仿真得到直观验证。本文主要针对A-SMGCS航空器滑行路由规划问题和A-SMGCS三维仿真问题(包括三维航迹仿真和三维场面活动仿真)展开研究。深入分析了A-SMGCS航空器滑行路由规划问题和A-SMGCS三维仿真问题的研究现状、发展趋势及其最新研究成果,系统介绍了A-SMGCS研究基础,对A-SMGCS概念、发展历史、功能需求、国内外研究现状等进行了详细介绍。研究了航空器滑行路由规划NP难问题,提出一种基于空闲时间窗的路由规划方法,解决滑行路由优化性和计算量之间的矛盾。首先,提出一种滑行资源图模型对场面滑行区进行建模,解决了现有的有向图模型过于简单无法充分刻画场面运行过程、Petri网模型过于复杂增大了路由规划计算量问题。其次,按飞行计划为航空器设置滑行优先级,按优先级顺序依次规划路由,后规划的路由不破坏已有路由,利用滑行路段的空闲时间窗进行规划。每次只需为一架航空器规划滑行路由,降低了问题求解难度;通过搜索空闲时间窗获得路由使得场面交通均衡分布,保证了路由规划的整体优化性。分析了空闲时间窗特性,指出空闲时间窗可达性条件和避免同步资源交换冲突条件。其次,应用多Agent系统方法,设计了航空器滑行路由规划多Agent系统,把建立、维护和搜索空闲时间窗图的复杂集中式求解过程,简化为通过路由管理Agent、航空器Agent和资源节点Agent相互协作,实现对场面路由规划问题的分布式求解。最后,利用Anylogic开发了航空器滑行路由规划多Agent系统,并进行了仿真实验,结果表明与固定预选滑行路径算法相比,航空器平均滑行时间显著减少且规划的航空器越多节省平均滑行时间效果越明显。研究了航空器滑行路由实时优化调整策略问题,提出一种基于优先级的滑行路由调整方法,解决运行阶段路由计划调整实时性和优化性之间的矛盾。首先,把航空器按规划时间窗通过路段抽象成航空器对各个路段的访问优先级,通过对延迟航空器进行惩罚降低其访问优先级避免延迟传播,减少对路由计划整体优化性的影响;只需要调整航空器访问滑行路段的优先级次序,不需要重新计算航空器访问滑行路段的时间窗,减少了计算量,保证了路由调整的实时性。其次,分析了通过改变优先级调整路由计划可能导致的两类场面滑行冲突:对头冲突和循环等待冲突。提出一种面向机场滑行资源的着色Petri网模型对场面运行过程进行建模,通过分析模型中链路和回路等特殊结构的状态特性,判断改变优先级是否会导致滑行冲突。只在不导致冲突的情况下才能调整优先级,否则保持优先级不变,等待延迟的高优先级航空器先通过滑行路段。最后,给出航空器无冲突滑行充分条件及优先级调整策略,并通过算例仿真对调整策略的有效性进行了验证,结果表明算法控制规则简单,适于实时控制。研究了三维航迹仿真问题,提出以Google Earth为航迹仿真平台,利用Google Earth提供的COM API接口进行嵌入式二次开发,利用KML语言描述航空器三维航迹,并与Google Earth免费提供的地形数据、卫图数据和航图数据等GIS数据进行集成显示,实现航空器在全球任意位置的三维航迹仿真,简化了开发难度,节约了开发费用。为解决COM API开放接口有限,不能在嵌入的三维地图窗口中控制鼠标和键盘的问题,提出利用钩子编程技术截获鼠标、键盘消息进行处理,实现对三维航迹的操作控制功能。以ADS-B为监视数据源对仿真系统进行了测试,结果表明开发的三维航迹仿真系统能直观有效仿真航空器三维航迹。研究了三维场面活动仿真问题,提出以开源模拟飞行器Flight Gear为场景仿真平台,以实时ADS-B监视数据为驱动,设计了一个Linux平台下的机场场面活动三维仿真系统。系统以成都双流国际机场为原型进行机场布局设计,航空器、航站楼、塔台三维建模,地形数据生成,对真实机场环境进行了完整建模。由于ADS-B监视数据缺少航空器姿态信息,提出了一种根据位置数据推算出姿态信息的新方法。首先把ADS-B监视数据进行航迹卡尔曼滤波,然后根据航空器前后两个位置的空间连线矢量计算飞行姿态。通过Flight Gear多机网络数据接口导入航空器位置数据与姿态数据驱动航空器模型运动,实现了对航空器运动的六自由度仿真。仿真结果表明,该系统能逼真、准确仿真机场场面三维活动情况。由于完全基于开源软件设计,低成本实现了对场面活动的实时三维仿真。
- 基于Petri网的A-SMGCS航空器滑行路由与冲突监控理论研究
- 作者： 朱新平 来源： 南京航空航天大学 年份： 2016 文献类型 ： 学位论文 关键词： SMGCS 滑行路由 冲突监控 Petri网 空中交通管制 机场 A
- 描述： 建立空地一体化的空中交通管理系统，实现无缝隙空管运行，是新一代民用航空运输系统的战略目标之一。先进场面活动引导和控制系统（Advanced Surface Movement Guidance andControl Systems，A-SMGCS）通过监视场面活动目标（航空器和车辆）并展开管制决策，可支持实现机场范围内的无缝隙运行，将在未来空管系统中扮演重要角色。在A-SMGCS模块化实施方案中，滑行路由模块为活动目标提供无冲突滑行轨迹，冲突监控模块防止活动目标违背场面运行管制规则，因而成为A-SMGCS的关键核心模块。但目前A-SMGCS滑行路由和冲突监控研究多针对特定机场展开，缺乏通用性理论。鉴于此，本文建立了人在环路的A-SMGCS场面运行递阶控制结构，将滑行路由和冲突监控集中到统一的层次化结构中，并引入Petri网建模理论和分析方法对它们分别展开研究，形成了较为系统、完善的A-SMGCS滑行路由与冲突监控理论，为A-SMGCS实施提供具有通用性的理论指导。本文主要研究工作包括：提出了包含“滑行路径初始规划”、“滑行路由动态指派”、“滑行路由实时更新”三个阶段的滑行路由规划机制，并对各个阶段分别进行场面运行建模和相应的路由规划算法研究，建立了A-SMGCS滑行路由理论。其中，滑行路径初始规划阶段，在划分场面活动区典型运行单元的基础上，提出了一种场面运行单元扩展赋时库所Petri网(Extended Timed Place Petri Net, ETPPN)，建立了场面ETPPN模型，并给出了基于该模型的滑行路径初始规划方法。场面ETPPN模型库所定义了对应场面单元的管制规则约束，避免了以往活动区节点-路段类模型对管制规则约束描述能力的不足，并引入重构机制实现模型结构的动态调整，实时体现场面运行条件的变化，以支持基于该模型进行初始路径规划的可持续性。然后利用遗传算法并采用ETPPN模型中的变迁激发序列编码染色体，设计了染色体合法性检测与修复算法，以保证所得初始滑行路径的实用性，最终实现滑行路径的初始规划，为航班场面滑行提供多条备选的初始路径。滑行路由动态指派阶段，提出一种场面运行时间窗约束Petri网（Time Windows ConstraintPetri Net,TWCPN）并用于建立场面TWCPN模型，基于该模型给出了一种滑行路由动态指派方法，实现新加入场面运行航班的滑行路由指派，同时调整其它正在滑行航班的路由。场面TWCPN模型库所定义了对应的单元占用时间窗，可以准确描述航空器滑行对交叉口单元的阶段性占用过程。在该模型基础上，以实现路由规划阶段的冲突避免为目标，设计了模型行为演变算法并求解得到可行滑行路由；然后采用单亲遗传算法，用可行滑行路由编码染色体，以最小化航班滑行成本为目标，求解最优或次优滑行路由并完成滑行路由动态指派，避免了以往基于场面运行运筹学模型一味追求最优解、参数多且求解复杂，难以满足实时场面运行的缺陷。滑行路由实时更新阶段，分析了场面运行不确定性特征，并提出一种集成场面态势监测的滑行路由实时更新方法，然后依据该方法针对航班滑行轨迹相对于指派路由推迟占用某一场面运行单元的情形，设计了对应的路由更新算法。所给滑行路由实时更新方法，将优化与反馈结合，采用实时获取的场面态势信息来驱动路由更新，并利用针对不同情形设计的路由更新算法完成滑行路由实时更新。在路由更新算法设计时，针对A-SMGCS监测到航班结束对某一场面运行单元的占用，以及A-SMGCS监测到场面运行的各种不确定情形，分别采用常态路由更新算法和非常态路由更新算法进行路由更新，克服了以往每隔一个固定时段才更新滑行路由，难以实时应对场面各种不确定事件的不足。提出了基于虚拟单元划分和分散协调的冲突监控机制，给出了实现该机制的滑行冲突闭环控制框架，并对框架中的冲突预测与避免、冲突探测与解脱进行实施方案、场面运行建模和控制器设计研究，最终建立了A-SMGCS冲突监控理论。其中，滑行冲突预测与避免方面，提出了一种基于离散事件监控理论的冲突预测与避免实施方案，并给出了该方案中的场面运行过程离散建模方法，以及对头冲突预测与避免控制器的设计方法。在建模场面运行离散过程时，基于已划分的活动区典型运行单元，采用受控Petri网对其建模得到活动区受控Petri网模型，其控制库所可体现外界对场面运行的控制作用，然后采用航空器后续滑行路径对模型中托肯着色，以描述航空器的滑行意图，从而最终得到场面运行受控着色Petri网模型（Controlled Color Petri Net, CCPN）。进一步基于滑行道CCPN模型提出了航空器最小可控滑行路段的概念，并在与其相关的子模型中，依据面向冲突类型、基于产生式规则的冲突预测与避免控制器设计方法，提出了对头冲突预测与避免控制器设计算法，克服了以往基于路由规划提前避免滑行冲突，难以直接控制场面事件的不足。滑行冲突探测和解脱方面，提出了一种基于混杂模型的冲突探测与解脱实施方案，并给出了该方案中的场面运行过程混杂建模方法，以及交叉口冲突探测与解脱控制器的设计方法。定义一种扩展混杂Petri网（Extended Hybrid Petri Net, EHPN），建立场面EHPN模型。该模型中控制库所可体现外界对场面运行的控制作用，而定义在一般库所上的外界环境同步事件以及定义在有向弧上的变迁强制使能条件，则实现了对场面运行混杂状态的实时跟踪。基于所建交叉口EHPN模型，设计了交叉口滑行冲突探测与解脱控制器，通过离散性预警条件和连续性预警条件设计，减少虚警和误警出现的概率，并采用交叉口停止排灯来执行控制器决策的冲突解脱指令，可以直接引导飞行员操纵航空器滑行。
- 基于Petri网的A-SMGCS航空器滑行路由与冲突监控理论研究
- 作者： 朱新平 来源： 南京航空航天大学 年份： 2016 文献类型 ： 学位论文 关键词： SMGCS 滑行路由 冲突监控 Petri网 空中交通管制 机场 A
- 描述： 建立空地一体化的空中交通管理系统，实现无缝隙空管运行，是新一代民用航空运输系统的战略目标之一。先进场面活动引导和控制系统（Advanced Surface Movement Guidance andControl Systems，A-SMGCS）通过监视场面活动目标（航空器和车辆）并展开管制决策，可支持实现机场范围内的无缝隙运行，将在未来空管系统中扮演重要角色。在A-SMGCS模块化实施方案中，滑行路由模块为活动目标提供无冲突滑行轨迹，冲突监控模块防止活动目标违背场面运行管制规则，因而成为A-SMGCS的关键核心模块。但目前A-SMGCS滑行路由和冲突监控研究多针对特定机场展开，缺乏通用性理论。鉴于此，本文建立了人在环路的A-SMGCS场面运行递阶控制结构，将滑行路由和冲突监控集中到统一的层次化结构中，并引入Petri网建模理论和分析方法对它们分别展开研究，形成了较为系统、完善的A-SMGCS滑行路由与冲突监控理论，为A-SMGCS实施提供具有通用性的理论指导。本文主要研究工作包括：提出了包含“滑行路径初始规划”、“滑行路由动态指派”、“滑行路由实时更新”三个阶段的滑行路由规划机制，并对各个阶段分别进行场面运行建模和相应的路由规划算法研究，建立了A-SMGCS滑行路由理论。其中，滑行路径初始规划阶段，在划分场面活动区典型运行单元的基础上，提出了一种场面运行单元扩展赋时库所Petri网(Extended Timed Place Petri Net, ETPPN)，建立了场面ETPPN模型，并给出了基于该模型的滑行路径初始规划方法。场面ETPPN模型库所定义了对应场面单元的管制规则约束，避免了以往活动区节点-路段类模型对管制规则约束描述能力的不足，并引入重构机制实现模型结构的动态调整，实时体现场面运行条件的变化，以支持基于该模型进行初始路径规划的可持续性。然后利用遗传算法并采用ETPPN模型中的变迁激发序列编码染色体，设计了染色体合法性检测与修复算法，以保证所得初始滑行路径的实用性，最终实现滑行路径的初始规划，为航班场面滑行提供多条备选的初始路径。滑行路由动态指派阶段，提出一种场面运行时间窗约束Petri网（Time Windows ConstraintPetri Net,TWCPN）并用于建立场面TWCPN模型，基于该模型给出了一种滑行路由动态指派方法，实现新加入场面运行航班的滑行路由指派，同时调整其它正在滑行航班的路由。场面TWCPN模型库所定义了对应的单元占用时间窗，可以准确描述航空器滑行对交叉口单元的阶段性占用过程。在该模型基础上，以实现路由规划阶段的冲突避免为目标，设计了模型行为演变算法并求解得到可行滑行路由；然后采用单亲遗传算法，用可行滑行路由编码染色体，以最小化航班滑行成本为目标，求解最优或次优滑行路由并完成滑行路由动态指派，避免了以往基于场面运行运筹学模型一味追求最优解、参数多且求解复杂，难以满足实时场面运行的缺陷。滑行路由实时更新阶段，分析了场面运行不确定性特征，并提出一种集成场面态势监测的滑行路由实时更新方法，然后依据该方法针对航班滑行轨迹相对于指派路由推迟占用某一场面运行单元的情形，设计了对应的路由更新算法。所给滑行路由实时更新方法，将优化与反馈结合，采用实时获取的场面态势信息来驱动路由更新，并利用针对不同情形设计的路由更新算法完成滑行路由实时更新。在路由更新算法设计时，针对A-SMGCS监测到航班结束对某一场面运行单元的占用，以及A-SMGCS监测到场面运行的各种不确定情形，分别采用常态路由更新算法和非常态路由更新算法进行路由更新，克服了以往每隔一个固定时段才更新滑行路由，难以实时应对场面各种不确定事件的不足。提出了基于虚拟单元划分和分散协调的冲突监控机制，给出了实现该机制的滑行冲突闭环控制框架，并对框架中的冲突预测与避免、冲突探测与解脱进行实施方案、场面运行建模和控制器设计研究，最终建立了A-SMGCS冲突监控理论。其中，滑行冲突预测与避免方面，提出了一种基于离散事件监控理论的冲突预测与避免实施方案，并给出了该方案中的场面运行过程离散建模方法，以及对头冲突预测与避免控制器的设计方法。在建模场面运行离散过程时，基于已划分的活动区典型运行单元，采用受控Petri网对其建模得到活动区受控Petri网模型，其控制库所可体现外界对场面运行的控制作用，然后采用航空器后续滑行路径对模型中托肯着色，以描述航空器的滑行意图，从而最终得到场面运行受控着色Petri网模型（Controlled Color Petri Net, CCPN）。进一步基于滑行道CCPN模型提出了航空器最小可控滑行路段的概念，并在与其相关的子模型中，依据面向冲突类型、基于产生式规则的冲突预测与避免控制器设计方法，提出了对头冲突预测与避免控制器设计算法，克服了以往基于路由规划提前避免滑行冲突，难以直接控制场面事件的不足。滑行冲突探测和解脱方面，提出了一种基于混杂模型的冲突探测与解脱实施方案，并给出了该方案中的场面运行过程混杂建模方法，以及交叉口冲突探测与解脱控制器的设计方法。定义一种扩展混杂Petri网（Extended Hybrid Petri Net, EHPN），建立场面EHPN模型。该模型中控制库所可体现外界对场面运行的控制作用，而定义在一般库所上的外界环境同步事件以及定义在有向弧上的变迁强制使能条件，则实现了对场面运行混杂状态的实时跟踪。基于所建交叉口EHPN模型，设计了交叉口滑行冲突探测与解脱控制器，通过离散性预警条件和连续性预警条件设计，减少虚警和误警出现的概率，并采用交叉口停止排灯来执行控制器决策的冲突解脱指令，可以直接引导飞行员操纵航空器滑行。