asmgcs航空器滑行路由规划及三维仿真研究.docx

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南京航空航天大学博士学位论文
摘 要
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
I
A-SMGCS 航空器滑行路由规划及三维仿真研究
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 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