基于Petri网与遗传算法的航空器滑行初始路径规划

为支持先进机场场面活动引导与控制系统(A-SMGCS,advanced surface movement guidance and control system)实施航空器滑行的精确引导,将场面分为滑行道交叉口和直线段等典型运行单元,利用改进的扩展赋时库所Petri网,建立了场面运行模块化模型;采用该模型进行染色体编码,并考虑场面运行管制规则,提出了染色体合法性检测与修复算法,以及染色体交叉和变异算法.基于首都国际机场01号跑道实际运行数据,用本文模型和算法进行了多个航班滑行初始路径规划,研究结果表明:与节点-路段类模型相比,本文模型能更充分地描述场面管制规则约束,可避免生成违反管制规则的路径;本文算法的每个航班初始路径规划耗时小于10 s,符合A-SMGCS的要求;由于考虑了航空器滑行速度调整特征,更符合场面运行的实际情况.      

面向冲突避免的航空器场面滑行引导方法

为避免大型高密度机场航空器之间可能发生的冲突,提出了一种基于混杂系统结构的滑行引导方案.建立了航空器滑行连续动力学模型和航空器在滑行道直线段、交叉口运行的离散事件动态系统模型,通过场面运行观测器建立了连续状态到离散状态的映射.采用禁止状态线性不等式约束和禁止状态逻辑互斥约束,描述场面运行模型应遵循的控制规范,并给出满足控制规范的离散控制器设计方法.最后建立了运行模型中可控变迁的使能状态到场面冲突控制策略的映射.通过助航灯光沙盘控制系统的验证表明,该滑行引导方法能及时对可能冲突的航空器采取恰当的控制策略,并实时生成航空器滑行操纵指令,能有效避免航空器滑行冲突.     

基于冲突回避的动态滑行路径算法

为解决机场场面航空器滑行路径分配问题,在时间依赖最短路径算法的基础上,提出了基于冲突回避的动态滑行路径分配算法.根据机场场面交通的实际情况,定义了3种不同类型的滑行冲突以及航空器的滑行优先级.给出了在不同类型冲突和不同滑行优先级情况下的滑行道时间延误函数.仿真实验表明,当跑道运行飞机达到32架次/h时,与固定路径相比,动态路径运行的航空器平均滑行时间减少了3 min/架次,航班延误减少了3.5 min/架次.     

场面航空器滑行时空协同优化模型

引入双层规划方法, 研究了场面航空器在滑行道系统中的滑行调度问题; 考虑了成本与冲突对场面航空器运行效率和安全的影响, 以航空器推出延迟时间与滑行路径作为决策变量, 以航空器在滑行道系统中滑行过程无冲突与场面航空器的总滑行距离最短为目标函数, 构建了场面航空器滑行时空协同优化模型; 针对航空器滑行道调度问题的特点, 设计了适用于航空器滑行时空协同优化模型的双层规划算法, 以降低场面航空器滑行距离和等待时间; 为了验证航空器滑行时空协同优化模型及算法的有效性, 对比了先到先服务调度方案的计算结果, 分析了滑行等待时间与滑行距离对场面航空器运行效率的影响。研究结果表明: 场面航空器滑行时空协同优化模型与先到先服务的航空器调度方案相比, 保证了航空器滑行过程无冲突, 将16架次航空器的总滑行距离从40 690 m降至37 700 m, 降低了8%;航空器平均运行时间为254 s, 提升了滑行道系统的整体运行效率; 在复制组数为100与变异概率为0.4的条件下, 采用场面航空器滑行时空协同优化模型能够在412 s内获得最优解, 求解效率与收敛性显著。可见, 采用场面航空器时空协同优化模型在保障航空器滑行安全的前提下, 能有效提高场面航空器滑行调度效率, 降低航空器运行成本, 能够为繁忙机场滑行道调度提供决策支持。      

A-SMGCS航空器场面滑行路由实时调整策略

为解决运行阶段场面滑行路由调整计算量大,难以满足A-SMGCS系统实时性需求的问题,建立了面向机场滑行资源的着色Petri网模型,提出把路由抽象成航空器对路段的访问优先级,通过降低优先级对延迟航空器进行惩罚实现路由调整.对调整优先级后可能导致的两类场面滑行冲突:对头冲突和循环等待冲突,通过分析模型中链路和回路等特殊结构特性,给出无冲突滑行充分条件及优先级调整策略.算例研究表明:本文方法能有效实现滑行路由无冲突调整,算法耗时小于10 s,满足A-SMGCS系统对路由规划时间的要求,控制规则简单,适用于实时控制.      

基于DES监控理论的滑行道对头冲突控制策略

为克服场面开环控制模式难以应对随机事件的缺陷,提出场面运行闭环控制框架.基于DES(离散事件系统)监控理论,研究A-SMGCS(先进机场场面引导与控制系统)滑行道对头冲突控制,建立了面向滑行道物理布局的扩展受控Petri网模型.利用航空器滑行路径序列得到精简滑行模型,并考虑环路和环路链,给出无对头冲突的充分必要条件,提出了滑行道对头冲突避免控制策略以及相应的控制律决策算法.算例仿真试验表明,本文提出的策略能根据场面状态实时识别对头冲突并实现冲突避免.     

离场航空器滑行时间预测研究

为准确预测离港航班滑行时间,结合北京首都国际机场实际运行情况,分析航空器滑行距离、场面滑行航空器数量(进,离港)、跑道运行模式对航班滑行时间的影响;并运用DBSCAN算法按每小时航班流量对机场运行时间段进行分类;根据分类结果建立多元回归模型,分别采用传统统计学和机器学习(Lasso回归)预测航空器离场滑行时间.结果表明:与传统统计学多元线性回归模型相比,机器学习交叉训练集下模型的预测准确度较高,预测与实际误差值在5 min内的占87％.研究结果可用于大型机场实际运行航班滑行时间预测.     

基于跑道出口滑行道选择的机场滑行路径优化

为更好的研究航空器在机场滑行路径优化问题,对航空器在着陆后滑行运动过程进行分析,选择最优的跑道出口滑行道脱离跑道,并结合滑行冲突约束条件建立航空器滑行路径优化模型,采用基于改进遗传算法的滑行路径优化算法对模型进行求解。算例分析结果表明:航空器的全局滑行时间减少,着陆航空器对于跑道的占用时间减少,可见算法可行。     

A-SMGCS机场场面运行控制的Petri网建模

以基本网模型为基础,阐述典型运行单元精细化模块构建方法与替代规则,生成场面精细化模型.采用航空器后续滑行路径对托肯进行着色以完成航空器建模,并给出精细化模型与航空器模型集成的方法,实现场面资源的动态竞争建模.以首都机场部分场面运行控制过程建模为例,验证所提建模方法的有效性和适用性.     

机场航空器地面滑行时间优化研究

提出航空器地面滑行优化研究,目的是在保证地面飞行安全的前提下,通过生产资源的合理调度和优化配置,提高设施资源的利用率,从而提高经济效益.本文简单地阐述了机场系统功能区的组成,提出了将机场地面系统视为带节点和弧的机场网络图结构,并简要介绍了飞机滑行的基本规则和在这一过程中可能出现的三种滑行冲突.核心内容是建立了系统的飞机滑行路径优化模型.将飞机的安全间隔、滑行规则和这三类冲突避免作为约束条件,研究进、出港航班滑行路径的优化问题.并以天津滨海国际机场为例,利用实际航班时刻数据进行算例分析,把优化结果与实际滑行时间进行对比,验证了该模型的可行性和优越性.     

一个鲁棒性冲突解脱轨迹规划模型

针对固定航路飞行条件下高密度运行空域多航空器实时冲突解脱轨迹规划问题,为了获取高空风场数值及增强航空器冲突解脱轨迹的鲁棒性,根据航空器的运行状态构建了高空风场线性和非线性滤波模型.采用模型预测控制理论,通过将预测模型的校正过程转化为高空风场数值的滤波过程,在给各航空器设定解脱优先权重及考虑两类解脱变量物理约束条件的前提下,从航空器的动态协同特性出发,构造能够反映控制输入量优劣的指标函数,提出一种能够适应空域环境变化的冲突解脱航迹在线滚动规划方案.算例分析表明,所提出的在线解脱轨迹规划方案可行有效.     

应急机场土质道面疲劳变形特性模型试验

为分析应急机场快速修建工程的合理道面结构形式,采用人工加载和道面电液伺服疲劳试验机加载2种方式,对由压实土基、稳定土基层（底基层）和功能性面层组成的典型道面结构疲劳变形特性进行了模型试验.研究了土质道面结构的累积塑性变形、回弹弯沉和弯沉盆曲线随飞机荷载、施加荷载频率和荷载作用次数的变化情况及其平面分布规律.试验结果表明:累积塑性变形随加载频率增大而增大,累积塑性变形与加载次数呈对数关系;弯沉盆曲线形状类似“S”型曲线,可采用四次曲线方程进行拟合;道面结构的早期整体回弹模量增长较快,7~60 d龄期内整体回弹模量可达200~500 MPa,在数万次通行次数下,土质道面的回弹弯沉小于1 mm,表明提出的土质道面结构形式能够满足应急机场强时效性的要求.      

基于行程多路径的航空公司航班频率优化

将航空运输网络抽象为多层级网络结构, 构建了确定航空公司某一城市对某条路径航班频率的两阶段规划模型: 第一阶段从旅客选择行为的角度, 考虑旅客对旅行时间、过站时间、计划延误时间、票价等因素的价值感知, 构建旅客旅行负效用函数, 进而基于多项式Logit模型构建计算旅客选择某个航空公司某个城市对某条路径概率的旅客路径选择模型; 第二阶段从航空公司的角度, 以总收益最大化为目标函数, 基于行程多路径, 并考虑航空公司总运力限制, 尽可能地让每条路径的运力供给等于需求, 构建了确定路径航班频率的线性规划模型; 提出了求解两阶段模型的迭代算法。研究结果表明: 提出的算法能够在8次迭代之后达到收敛, 可以在较短的时间内得到最优解; 随着算法的收敛, 构建的两阶段规划模型在航线存在市场竞争且整体运力不足的情况下优先将运力安排到收益最高的航线上, 提升航空公司整体收益; 对于包含多个航节的航线, 构建的两阶段模型更能体现旅客选择行为在航班频率配置中发挥的作用; 对于包含一个航节的航线, 需求随航班频率的变动幅度较小, 随着迭代次数的增加, 需求航班频率弹性系数逐渐变小, 对于包含多个航节的航线, 在航线总需求一定的情况下, 需求随航班频率的变动幅度较大, 由于市场竞争存在航班频率不变需求骤减的情形。可见, 所提出的模型和算法能够有效提升航空公司收益。      

机场道面混凝土冻融破坏评价指标

为了研究中国北方寒冷地区机场道面混凝土冻融破坏的评价指标,制作了3种不同抗冻性能的混凝土试件,采用快速冻融试验机对混凝土试件进行了冻融破坏试验,并用动弹仪DT-10W测试了试件的动弹性模量,分析了不同冻融循环次数作用下试件相对动弹性模量、压折强度、质量损失及表面剥落的变化规律,给出了机场道面混凝土冻融破坏的临界值。试验结果表明:随着冻融循环次数的增加,试件的压折强度均有不同程度的下降,其中抗折强度的损失较大,且试件表面剥落面积及深度增大,质量损失对试件表面平整度的影响严重。根据试件在冻融过程中相对动弹性模量与抗折强度损失、表面剥落与质量损失的规律,建议以300次快速冻融循环后混凝土试件相对动弹性模量不小于75%(抗折强度损失率不大于46%)和质量损失率小于1.0%(中等剥落)作为机场道面混凝土冻融破坏的评价指标。     

平行双跑道机场净空障碍物评定

对军用机场净空规格进行了分析,建立了单跑道和平行双跑道机场净空区障碍物限制面的数学模型.在此数学模型的基础上,使用ArcGIS系列软件建立平行双跑道机场净空限制面三角网高程模型,并进行三维显示,将数字高程模型与平行双跑道机场地形图相叠加,对军用平行双跑道机场净空障碍物进行了评定.分析结果表明:障碍物O1、O2、O3三点...     

地震疏散路径规划算法

重大地震条件下,交通网络具有明显的结构变动性,传统最短路算法生成的疏散路径难以满足其在疏散安全性、可通行性、通行能力约束和应变性的要求．为了解决这一问题,在具有通行能力约束的路径规划（CCRP）算法基础上,考虑了上述有关要求,提出了一种地震疏散路径规划算法．该算法的特色在于：（1）引入惩罚函数以满足应急疏散路径对安全性和可通行性方面的要求;（2）将突发交通拥堵点作为虚拟疏散原点纳入到动态路径规划过程,以增加对突发交通拥堵的快速疏散能力．实证表明,所提出的算法可将疏散交通流分配到危险性较低、可通行性较好的路径上,并满足路径的通行能力约束,而且对突发交通拥堵具有必要的应变能力,能较好地满足地震疏散路径规划的需要．