本文關(guān)鍵詞：A-SMGCS航空器滑行路由規(guī)劃及三維仿真研究

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【摘要】：隨著航空運(yùn)輸業(yè)的高速發(fā)展,機(jī)場場面交通量不斷增大,機(jī)場規(guī)模更加龐大、結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,雨霧等低能見度天氣對場面運(yùn)行的影響也日益增大,場面運(yùn)行不安全事故頻發(fā)和運(yùn)行效率低下問題逐漸突出,機(jī)場越來越成為制約航空運(yùn)輸進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。傳統(tǒng)依靠管制員人工管理場面運(yùn)行的方式已經(jīng)無法適應(yīng)大型機(jī)場的運(yùn)行要求,為了解決場面運(yùn)行安全與效率問題,國際民航組織提出先進(jìn)場面活動引導(dǎo)與控制系統(tǒng)(Advanced Surface Movement Guidance and Control System,A-SMGCS)概念,利用各種場面監(jiān)視新技術(shù)和計算機(jī)自動控制手段實(shí)現(xiàn)對場面運(yùn)行的自動化管理。路由規(guī)劃作為A-SMGCS定義的四項(xiàng)基本功能之一,是保障航空器在場面進(jìn)行安全、高效和有序活動的重要手段。同時,A-SMGCS作為一個與安全直接相關(guān)的大型復(fù)雜系統(tǒng),在投入實(shí)際運(yùn)行前必須進(jìn)行大量的三維仿真測試和驗(yàn)證,并且路由規(guī)劃結(jié)果的合理性也可以通過三維仿真得到直觀驗(yàn)證。本文主要針對A-SMGCS航空器滑行路由規(guī)劃問題和A-SMGCS三維仿真問題(包括三維航跡仿真和三維場面活動仿真)展開研究。深入分析了A-SMGCS航空器滑行路由規(guī)劃問題和A-SMGCS三維仿真問題的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及其最新研究成果,系統(tǒng)介紹了A-SMGCS研究基礎(chǔ),對A-SMGCS概念、發(fā)展歷史、功能需求、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀等進(jìn)行了詳細(xì)介紹。研究了航空器滑行路由規(guī)劃NP難問題,提出一種基于空閑時間窗的路由規(guī)劃方法,解決滑行路由優(yōu)化性和計算量之間的矛盾。首先,提出一種滑行資源圖模型對場面滑行區(qū)進(jìn)行建模,解決了現(xiàn)有的有向圖模型過于簡單無法充分刻畫場面運(yùn)行過程、Petri網(wǎng)模型過于復(fù)雜增大了路由規(guī)劃計算量問題。其次,按飛行計劃為航空器設(shè)置滑行優(yōu)先級,按優(yōu)先級順序依次規(guī)劃路由,后規(guī)劃的路由不破壞已有路由,利用滑行路段的空閑時間窗進(jìn)行規(guī)劃。每次只需為一架航空器規(guī)劃滑行路由,降低了問題求解難度;通過搜索空閑時間窗獲得路由使得場面交通均衡分布,保證了路由規(guī)劃的整體優(yōu)化性。分析了空閑時間窗特性,指出空閑時間窗可達(dá)性條件和避免同步資源交換沖突條件。其次,應(yīng)用多Agent系統(tǒng)方法,設(shè)計了航空器滑行路由規(guī)劃多Agent系統(tǒng),把建立、維護(hù)和搜索空閑時間窗圖的復(fù)雜集中式求解過程,簡化為通過路由管理Agent、航空器Agent和資源節(jié)點(diǎn)Agent相互協(xié)作,實(shí)現(xiàn)對場面路由規(guī)劃問題的分布式求解。最后,利用Anylogic開發(fā)了航空器滑行路由規(guī)劃多Agent系統(tǒng),并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明與固定預(yù)選滑行路徑算法相比,航空器平均滑行時間顯著減少且規(guī)劃的航空器越多節(jié)省平均滑行時間效果越明顯。研究了航空器滑行路由實(shí)時優(yōu)化調(diào)整策略問題,提出一種基于優(yōu)先級的滑行路由調(diào)整方法,解決運(yùn)行階段路由計劃調(diào)整實(shí)時性和優(yōu)化性之間的矛盾。首先,把航空器按規(guī)劃時間窗通過路段抽象成航空器對各個路段的訪問優(yōu)先級,通過對延遲航空器進(jìn)行懲罰降低其訪問優(yōu)先級避免延遲傳播,減少對路由計劃整體優(yōu)化性的影響;只需要調(diào)整航空器訪問滑行路段的優(yōu)先級次序,不需要重新計算航空器訪問滑行路段的時間窗,減少了計算量,保證了路由調(diào)整的實(shí)時性。其次,分析了通過改變優(yōu)先級調(diào)整路由計劃可能導(dǎo)致的兩類場面滑行沖突:對頭沖突和循環(huán)等待沖突。提出一種面向機(jī)場滑行資源的著色Petri網(wǎng)模型對場面運(yùn)行過程進(jìn)行建模,通過分析模型中鏈路和回路等特殊結(jié)構(gòu)的狀態(tài)特性,判斷改變優(yōu)先級是否會導(dǎo)致滑行沖突。只在不導(dǎo)致沖突的情況下才能調(diào)整優(yōu)先級,否則保持優(yōu)先級不變,等待延遲的高優(yōu)先級航空器先通過滑行路段。最后,給出航空器無沖突滑行充分條件及優(yōu)先級調(diào)整策略,并通過算例仿真對調(diào)整策略的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明算法控制規(guī)則簡單,適于實(shí)時控制。研究了三維航跡仿真問題,提出以Google Earth為航跡仿真平臺,利用Google Earth提供的COM API接口進(jìn)行嵌入式二次開發(fā),利用KML語言描述航空器三維航跡,并與Google Earth免費(fèi)提供的地形數(shù)據(jù)、衛(wèi)圖數(shù)據(jù)和航圖數(shù)據(jù)等GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行集成顯示,實(shí)現(xiàn)航空器在全球任意位置的三維航跡仿真,簡化了開發(fā)難度,節(jié)約了開發(fā)費(fèi)用。為解決COM API開放接口有限,不能在嵌入的三維地圖窗口中控制鼠標(biāo)和鍵盤的問題,提出利用鉤子編程技術(shù)截獲鼠標(biāo)、鍵盤消息進(jìn)行處理,實(shí)現(xiàn)對三維航跡的操作控制功能。以ADS-B為監(jiān)視數(shù)據(jù)源對仿真系統(tǒng)進(jìn)行了測試,結(jié)果表明開發(fā)的三維航跡仿真系統(tǒng)能直觀有效仿真航空器三維航跡。研究了三維場面活動仿真問題,提出以開源模擬飛行器Flight Gear為場景仿真平臺,以實(shí)時ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)為驅(qū)動,設(shè)計了一個Linux平臺下的機(jī)場場面活動三維仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)以成都雙流國際機(jī)場為原型進(jìn)行機(jī)場布局設(shè)計,航空器、航站樓、塔臺三維建模,地形數(shù)據(jù)生成,對真實(shí)機(jī)場環(huán)境進(jìn)行了完整建模。由于ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)缺少航空器姿態(tài)信息,提出了一種根據(jù)位置數(shù)據(jù)推算出姿態(tài)信息的新方法。首先把ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)進(jìn)行航跡卡爾曼濾波,然后根據(jù)航空器前后兩個位置的空間連線矢量計算飛行姿態(tài)。通過Flight Gear多機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入航空器位置數(shù)據(jù)與姿態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動航空器模型運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)了對航空器運(yùn)動的六自由度仿真。仿真結(jié)果表明,該系統(tǒng)能逼真、準(zhǔn)確仿真機(jī)場場面三維活動情況。由于完全基于開源軟件設(shè)計,低成本實(shí)現(xiàn)了對場面活動的實(shí)時三維仿真。
【關(guān)鍵詞】：空中交通管理 A-SMGCS 滑行路由規(guī)劃 實(shí)時路由調(diào)整 三維仿真 多Agent系統(tǒng) Petri網(wǎng)
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V355
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-17
• 第一章 緒論17-28
• 1.1 研究背景和課題來源17-18
• 1.1.1 研究背景17-18
• 1.1.2 課題來源18
• 1.2 研究的目的和意義18-19
• 1.3 國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀19-24
• 1.3.1 航空器滑行路由規(guī)劃研究現(xiàn)狀19-22
• 1.3.2 航空器活動三維仿真研究現(xiàn)狀22-24
• 1.4 研究方案24-27
• 1.4.1 研究內(nèi)容24
• 1.4.2 技術(shù)路線24-25
• 1.4.3 章節(jié)安排25-27
• 1.5 本章小結(jié)27-28
• 第二章 A-SMGCS研究基礎(chǔ)28-49
• 2.1 概述28
• 2.2 A-SMGCS發(fā)展歷史28-30
• 2.3 SMGCS介紹30-32
• 2.3.1 運(yùn)行介紹30-31
• 2.3.2 提高目標(biāo)31-32
• 2.4 A-SMGCS概念32-33
• 2.5 A-SMGCS總體目標(biāo)33-34
• 2.6 A-SMGCS需求分析34-41
• 2.6.1 應(yīng)用需求34-35
• 2.6.2 功能需求35-38
• 2.6.3 性能需求38-41
• 2.7 A-SMGCS分級實(shí)施41-44
• 2.8 A-SMGCS研究現(xiàn)狀44-45
• 2.9 A-SMGCS研究層面45-48
• 2.10 本章小結(jié)48-49
• 第三章 A-SMGCS航空器滑行路由規(guī)劃方法49-70
• 3.1 概述49
• 3.2 問題描述49-50
• 3.3 基于空閑時間窗的路由規(guī)劃方法50
• 3.4 場面滑行區(qū)建模50-53
• 3.4.1“節(jié)點(diǎn)-邊”模型50-51
• 3.4.2 滑行資源圖模型51-53
• 3.5 航空器滑行路由規(guī)劃模型53-56
• 3.5.1 路由計劃53
• 3.5.2 空閑時間窗53-55
• 3.5.3 空閑時間窗圖55-56
• 3.6 基于多Agent的路由規(guī)劃算法56-65
• 3.6.1 多Agent系統(tǒng)介紹57-61
• 3.6.2 多Agent系統(tǒng)開發(fā)工具61-62
• 3.6.3 多Agent系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計62-63
• 3.6.4 Agent設(shè)計63-64
• 3.6.5 多Agent系統(tǒng)運(yùn)行過程64-65
• 3.7 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證65-69
• 3.7.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計65-68
• 3.7.2 結(jié)果分析68-69
• 3.8 本章小結(jié)69-70
• 第四章 A-SMGCS航空器滑行路由實(shí)時優(yōu)化策略70-89
• 4.1 概述70
• 4.2 問題描述70-71
• 4.3 基于優(yōu)先級的路由優(yōu)化調(diào)整方法71-72
• 4.4 路由優(yōu)先級實(shí)時優(yōu)化調(diào)整建模72-83
• 4.4.1 Petri網(wǎng)介紹72-79
• 4.4.2 航空器場面滑行沖突79-81
• 4.4.3 面向場面滑行資源的著色Petri網(wǎng)建模81-83
• 4.5 航空器無沖突滑行充分條件83-86
• 4.5.1 無對頭沖突的場面航空器滑行充分條件83
• 4.5.2 無循環(huán)等待沖突的航空器滑行充分條件83-86
• 4.5.3 無沖突的航空器滑行充分條件86
• 4.6 無沖突滑行路由實(shí)時優(yōu)化策略86
• 4.7 算例分析86-88
• 4.7.1 算例 186-87
• 4.7.2 算例 287-88
• 4.8 本章小結(jié)88-89
• 第五章 A-SMGCS三維仿真研究89-110
• 5.1 概述89
• 5.2 航空器三維航跡仿真89-100
• 5.2.1 Google Earth介紹90-92
• 5.2.2 鉤子編程介紹92-93
• 5.2.3 系統(tǒng)設(shè)計93-97
• 5.2.4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)97-100
• 5.3 航空器三維場面活動仿真100-109
• 5.3.1 Flight Gear介紹100-102
• 5.3.2 系統(tǒng)方案102-104
• 5.3.3 姿態(tài)計算104-106
• 5.3.4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)106-109
• 5.4 本章小結(jié)109-110
• 第六章 結(jié)論與展望110-112
• 6.1 主要結(jié)論及創(chuàng)新110-111
• 6.2 未來工作展望111-112
• 參考文獻(xiàn)112-121
• 致謝121-123
• 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文123-124

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