动态航迹推测方法

应用大圆航迹和等角航迹原理,融合雷达、电报等动态数据,研究了动态航迹推测算法,以及该算法在航空器飞行轨迹预测、航空器过航路点时间预测和空中交通流量动态统计预测等方面的应用。利用广州机场的实际航班数据,将动态航迹推测算法与经验时间累加法进行了对比研究,发现动态航迹推测算法符合航空器运行规则,其误差在±0 5 min之内,能及时修正航空器的飞行轨迹,反应灵敏。结果表明动态航迹推测方法能更好地预测未来短时期内空域使用情况,是一种为空中交通战术流量管理提供准确数据的有效方法。     

基于轨迹谱聚类的终端区盛行交通流识别方法

为了改善终端空域扇区和进离场航线对实际空中交通的流量及空间分布的适用性,研究了从大量航空器飞行轨迹中识别主要交通流的方法.在分析飞行轨迹空间特征的基础上,建立了基于3D网格的轨迹间相似性模型.利用谱聚类算法对终端区飞行轨迹样本进行聚类划分,提出了一种基于轨迹聚类核密度估计的盛行交通流和异常轨迹的识别方法,用于从空管雷达记录的飞行轨迹中识别出盛行交通流的实验.实验研究结果表明:该方法将1 476条轨迹划分为5个聚类,识别出5个盛行交通流,且识别结果未受到异常轨迹的影响.      

基于轨迹压缩的航空器飞行轨迹聚类研究

为准确掌握终端区航空器飞行模式,有效评估、优化飞行程序,首先,针对飞行轨迹点的时空特性,提出基于时间比的自上向下算法压缩轨迹;其次,结合轨迹点的速度和航向特征,建立基于多维属性特征的轨迹相似性模型;最后,应用禁忌粒子群(TSPSO)算法改进和优化模糊C-均值聚类(FCM)算法,并结合终端区的真实飞行轨迹数据对改进聚类算法进行验证.结果表明:轨迹压缩技术极大地降低了计算开销;与传统的FCM算法相比,改进后的聚类算法可以得到更优的满意解,提高飞行轨迹聚类效果.     

基于转弯点聚类的航空器飞行轨迹分析

为满足进场航线设计适应实际运行需求,在分析实际运行航迹数据特征基础上,提出了通过转弯点聚类策略分析航空器飞行轨迹的方法.并设计基于转弯点最长公共子序列的航迹聚类模型,同时给出了改进的平均轨迹构建算法,实现了盛行交通流的识别.将该方法应用于上海浦东机场进港航班雷达轨迹分析,仿真结果表明,提出的方法可以有效地从庞杂的雷达轨迹信息中识别盛行交通流.     

分布式MAS 在飞行冲突解脱中的应用研究

在自由飞行的环境下,为解决飞行冲突探测与解脱（conflict detection and resolution,CDR）问题,提出一种基于高度层、航向和速度调配的综合解脱方法,并将多 agent 系统(multi-agent system, MAS) 的分布式技术与启发式算法相结合,进行问题求解. 首先设计了分布式MAS框架结构,然后建立了飞行冲突探测模型,高度层调配模型及航向、速度调配模型,最后,综合运用了基于合同网协议的分布式算法和自适应遗传算法进行问题求解.仿真实验表明,所设计的MAS框架是可行的,同时分布式算法和自适应遗传算法的综合应用能很快找到基于高度层、航向和速度分配的近似最优解,为CDR问题提供了新的解决思路.     

基于流量和滑动窗的空中交通管理动态排序算法

在空中交通流量管理的战术管理中，机场飞机的降落与起飞的动态管理是其重要的内容。本文提出了基于滑动窗和机场降落／起飞混合流量的排序算法，该算法以达到机场最大混合流量为目标进行排序。考虑到计算的繁杂性，采用了滑动窗的方法来减少计算量。并对机场混合流量进行了仿真计算，仿真结果证明所提算法具有有效性和实用性。     

空域扇区概率交通需求预测模型

为预测空域扇区在未来一定时段内的交通需求及其变化规律,基于简化的空域运行网络结构,从不确定性角度分析了航空器飞行时间对空域扇区交通需求预测的影响,针对航空器进入、离开扇区和在扇区内飞行过程的随机性,给出了相应概率分布函数.在此基础上,建立了空域扇区概率交通需求预测模型,设计了启发式算法.对实际航班数据的仿真结果表明:本文模型和算法预测时段10:00~11:00扇区发生拥挤,比传统的确定性方法预测的拥挤时段减少了30 min,避免了在时段9:30~10:00采取不必要的流量管理措施,降低了该时段管制员的工作负荷.     

终端区飞机排序的混合人工鱼群算法

为了保障飞行安全,对终端区着陆飞机进行有效的排序,建立了以航班延误总时间最小为目标函数的规划模型,以人工鱼群算法为基础,融合了遗传算法的选择操作和模拟退火算法的依概率接受的思想,形成混合人工鱼群算法,对着陆飞机排序问题进行了仿真计算,并与先到先服务算法、模拟退火算法以及蚁群算法进行了对比研究。仿真结果表明:与先到先服务相比,使用人工鱼群算法使得单跑道、双跑道延误分别减少了9·3%和48·0%,计算时间小于3s;与蚁群算法和模拟退火算法相比,求解的延误与时间最小,因此,提出的混合算法可行。     

基于BADA及航空器意图的四维航迹预测

为了提高航空器四维轨迹预测的准确性,提出了基于航空器性能数据以及航空器意图的四维航迹预测方法.通过统计分析航空器实际雷达轨迹数据,根据水平轨迹、高度和速度剖面等构建了航空器意图模型.采用航空器意图模型与航空器动力与运动学模型相结合的方法,考虑气象因素,基于性能数据设计了四维航迹预测模型.以国内某机场进场航班ACA025与CES2161为例进行了模拟,将预计到达时刻与实际到达时刻的误差作为评价指标,结果表明:本文提出的算法可以将通过航路点时刻的误差控制在30 s以内.      

离场航迹降噪优化设计的多目标智能方法

为满足新一代空管系统中离场航迹优化设计时降低噪声影响和减少飞行成本的需要,进行了离场航迹的多目标优化设计方法研究.结合飞行动力学和运动学模型,建立了符合民航飞机离场飞行阶段特征的航迹分段模型,提出了应用状态矩阵和控制矩阵准确表示航迹的数学方法.基于模糊理论建立航迹噪声影响、飞行成本和空中导航约束的满意度评价函数,提出了3种启发式搜索规则和动态领域搜索方法来改进模拟退火算法.仿真结果表明,在绕飞限制空域的前提下,降噪和减少飞行成本的目标无法同时达到最优;离场航迹多目标优化后的总体满意度比仅考虑降噪时提高了4.3%.      

机场塔台管制仿真系统核心计算模块的建模及实现

本文主要研究了塔台仿真模拟机空中部分的核心计算模型,介绍了塔台仿真系统的主要结构,重点详细阐述了仿真计算核心的设计,仿真模型的建立,以及实现流程。同时,为了使系统更加灵活,程序可扩展性更强,能够满足复杂大型机场模拟需求,根据飞行阶段的特点和飞行机动形式,分别建立模型进行仿真计算,从而使模拟飞行更加真实。     

空域扇区流量与拥塞预测的概率方法

为了提高扇区流量预测准确度、减小扇区拥塞预测的虚警率,分析了影响空中交通的随机因素,建立了航空器进入扇区时刻、穿越扇区飞行时间和离开扇区时刻的概率分布模型.利用进入、离开扇区时刻的累积分布函数,计算航空器占用扇区的概率,并在此基础上,提出了基于Monte Carlo仿真的扇区拥塞预测概率方法.算例仿真结果表明:与确定型拥塞预测方法相比,采用概率预测方法可将拥塞时段比例的平均值从42%减少到33%.     

离场航空器四维航迹预测及不确定性分析

为了加速基于轨迹运行概念的实施,提出了基于连续动态模型与离散动态模型的航迹预测方法,并将航空器离场分为起飞与爬升两个阶段,实现离场航空器四维轨迹预测.通过深入分析模型构建、航空器意图、初始状态、性能参数以及环境信息等因素,降低了四维航迹预测的不确定性,提高了预测精度.以国内执飞ZSPD-ZUCK的CQH8867航班为实例进行验证,考虑了起飞质量、爬升顶点信息以及风速风向等对航迹预测的影响,以位置误差与时间误差作为评价指标,研究结果表明:本文提出的算法可以将到达离港点时刻的误差控制在1 min以内,满足空中交通管理的需求.      

面向群体行驶场景的时空信息融合车辆轨迹预测

将车辆间时空交互信息融入卷积社会池化网络中,提出了一种面向群体行驶场景的有人驾驶车辆轨迹预测模型;使用长短时记忆(LSTM)网络预测群体车辆速度,基于此预测值计算群体车辆间的速度差;构造LSTM编码器捕捉群体车辆行驶轨迹的时间序列特征,设计卷积社会池化网络提取群体车辆间的空间依赖关系,使用LSTM解码器预测未来车辆各种动作的出现概率和相应轨迹,将具有最高出现概率的动作及其轨迹作为最终轨迹预测结果;使用真实轨迹数据集对所构建模型进行了参数标定和性能验证,测试了不同轨迹编解码与速度预测方法对模型性能的影响,确定了最优模型结构。计算结果表明：相较于历史速度,使用预测速度计算速度差作为模型输入可将均方根误差(RMSE)降低19.45%;相较于门控循环神经网络,使用LSTM进行速度预测可将RMSE降低4.91%;相较于原始卷积社会池化网络,所提出模型的轨迹预测误差在RMSE与负似然对数2个指标上分别降低了20.32%和21.04%,明显优于其他卷积社会池化网络变体;所提出模型与原始卷积社会池化网络计算耗时差距约3 ms,能够满足实时应用要求。     

蚁群算法在解决空中交通飞行冲突中的应用

本文主要研究了蚁群算法在解决空中交通冲突问题中的应用。首先对空中交通冲突解决问题的研究背景以及研究现状进行了系统的概述,随后建立了相关的数学模型,将空中交通飞行冲突问题转化为有约束的非线性整数规划问题,并设计了基于蚁群算法的求解思路。最后的仿真计算证明该方法在较短时间内能提供多种不同的有效的冲突解决方案。     

基于航空器自主运行的空中交通复杂性建模

针对航空器自主运行模式的空中交通运行态势评估问题，本文重构了基于分布式空中交通管理系统的空中交通复杂性评价方法，并仿真验证了该方法在航空器冲突探测和自主航迹规划中的应用。首先，基于自由航路空域和航空器自主运行模式定义了空中交通复杂性，在通过三维空域栅格模型量化航空器时空位置的基础上，构建复杂度计算模型以反映航空器位置、航向、 航速对空域各栅格的实时复杂性影响；其次，基于实际管制扇区(ZSSSAR01)及高度层，分别模拟自由航路与固定航路运行模式，对比两者空中交通复杂度时空分布差异；并结合自由航路运行模式，在空中交通复杂性与航空器冲突指标(冲突率、冲突比例)相关性分析的基础上，研究空域复杂度阈值确定方法；最后，初步探究基于空域复杂度阈值进行航空器自主航迹调整的方法，评估其运行效果。仿真实验结果表明：自由航路运行模式相对固定航路运行模式可显著降低空域最大复杂度值(平均降幅119%)；模型计算得到，空中交通复杂度与空域中航空器冲突指标有强相关性 (相关系数大于0.90)；基于复杂度和复杂度阈值的航迹调整策略具备一定可行性。     

基于飞行跟驰模型的纵向安全间隔计算方法

为了精确计算飞机飞行的纵向安全间隔,分析了纵向间隔的影响因素,利用管制员和飞行员的反应时间统一度量人为因素对纵向安全间隔的影响,根据反应时间建立了飞机飞行跟驰模型。通过量化反应时间对纵向安全间隔的影响,提出了考虑反应时间的安全间隔计算方法。仿真计算结果表明:在航路飞行阶段,相近飞机的纵向间隔小于3·0km为纵向危险接近,为了保证跟驰飞行安全,纵向间隔最小应为3·6km。可见模型和方法是可行的,能够为飞行间隔标准的制定提供理论依据。     

基于雷达的多机冲突检测与调配

为防止空中飞机危险接近,保障飞行安全,提高管制员对飞行冲突的预见性和调配飞行冲突的能力,建立了基于雷达的坐标系,提出了预测多机飞行冲突的水平检测和预测冲突时间段的方法.研究表明：在水平投影面上,如果飞机Ai的保护区与飞机Aj的阴影交叉,将发生水平冲突;如果同时发生垂直冲突,那么飞机Ai和Aj将发生飞行冲突,需要在雷达监控下,通过改变航向、速度和飞行高度以避免飞行冲突.但若水平冲突和垂直冲突的时间段不交叉,则飞机Ai和Aj没有冲突,可以保持现有（平飞、下降或上升）状态飞行.仿真分析结果表明了检测和调配方法的正确性.     

基于BCOP的终端区四维航迹预测研究

简述了航迹预测的重要性和算法,对飞机进行受力分析和运动分析,建立了飞行航迹预测数学模型,提出了基于波音爬升程序（BCOP）的终端区四维航迹预测模型,使用波音爬升程序和MATLAB进行了算例仿真,仿真结果表明该模型简便易行,预测准确．     

车辆-有砟轨道-桥梁系统动力分析模型及验证

针对桥上有砟轨道,利用耦合动力学理论,建立了车辆-有砟轨道-桥梁系统动力分析模型,编制了仿真计算程序.通过与既有理论分析结果和软件计算结果的对比,对本文所建模型的正确性进行了验证.该模型可用于研究车辆、轨道和桥梁结构的动力相互作用,可用于对车辆运行的舒适性以及桥上有砟轨道结构的动力特性进行预测评价.