一种基于冲突检测的滑行道路径优化方法
【技术领域】：
[0001] 本发明设及一种基于冲突检测的滑行道路径优化方法，属于民航技术领域。
【背景技术】：
[0002] 我国民航业发展迅速，机场跑道数量增加，航空器地面运行路径日趋复杂，滑行道 是机场场面运行的关键资源。合理规划航空器的滑行路径，同时避免滑行过程中可能遇到 的冲突对保障航空器滑行安全、航班顺利起降有重要意义。因此，基于冲突检测的滑行道路 径优化是机场场面运行规划的重要内容之一。
[0003] 当前关于机场场面运行的研究，多偏向于跑道优化调度和停机位合理分配，运用 各种定量方法对场面运行系统进行分析与规划，而滑行作为一个中间过程略显薄弱；此外， 有些研究虽然对航空器的滑行路径进行了优化，但是由于没有考虑航空器运行的方向，没 有整合冲突避免策略，在航空器滑行过程中留下隐患。针对该问题，国内外学者进行了大量 研究，W下各举一例予W说明。
[0004] 2010年，董天圣、彭舰提出了一种基于遗传算法的滑行调度策略，该策略首先使用 遗传算法确定各航班经过交叉点的顺序，再根据上一步得到的顺序求解具体的滑行路径， 反复迭代，逐步优化，直到得出满意解。第一阶段解决航班交叉点的定序问题，第二阶段的 滑行道调度计划生成问题转换成线性规划问题，极大地提高了求解速度。文中，给定机场滑 行道布局，通过求解各航班经过交叉点的时间，确定使得总体滑行时间最小或总体滑行代 价最小的滑行路径。滑行代价可由航班机型、运行成本、燃油消耗、旅客人数等多因素决定， 采用遗传算法对目标进行求解，该算法能有效提高求解效率，降低求解时间。该研究中只是 单纯的根据航空器通过节点的时间来规划滑行路径，旨在使航空器尽早完成滑行过程，降 低滑行代价；而没有很好地考虑滑行过程中可能存在的冲突问题，没能很好的保障滑行过 程中的安全，是需要改进和完善的地方，[董天圣彭舰.基于遗传算法的机场滑行调度优化 策略[J].计算机应用，2010, 30 (2) : 482-485.]。
[0005] 2009年，Gillian Clare、Arthur化chards对机场跑道调度和航空器滑行路 径进行了双优化，该研究中，对可能存在的冲突问题进行二进制变量的定义，W航空器总 的滑行时间最小为目标函数，运用松弛算法建立MILP方程，在计算初期不考虑航空器冲 突问题，接下来每计算一次就加上一个约束条件，迭代多次之后得到最优解，同时结合滚 动时域策略，提高求解效率。约束条件包括；初始路径和时间约束，滑行路径约束，滑行 时间约束等。然而，该研究在使用滚动时域策略时，参数的设定具有很大的变动性，只有 选择合适恰当的参数，才可能得到优化的路径，使得该研究的结果具有偶然性，有待于 力口弓虽该算、法的稳定性，[Clare G,民ichards A, Sharma S.民ecedin咨 horizon, iterative optimization of taxiway routing and runway scheduling[C]//Proceedings of the AIAA Guidance, Navigation and Control Conference, Chicago, USA. 2009.]。
[0006] 航空器在滑行过程中，可能发生臥下s类冲突：交叉点冲突、对头冲突、追尾冲突。 交叉点冲突是指：有大于等于两架的航空器陆续请求通过一个相同的滑行道交叉点，且相 隔时间不符合规定的最小安全间隔；对头冲突是指：在同一滑行道上，两架航空器预先规 定的滑行路径发生重叠，且运行方向相反，可能发生相撞；追尾冲突是指；在同一滑行道 上，两架航空器预先规定的滑行路径发生重叠，且运行方向相同，位于运行方向后方的航空 器滑行速度大于前方航空器，可能发生追尾。本发明专利在综合考虑交叉点冲突、对头冲突 和追尾冲突的基础上，在确保航空器冲突避免的前提下，应用改进的A*算法规划最短滑行 路线，最终得到合理安全优化的滑行路径。
【发明内容】
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[0007] 本发明提供一种基于冲突检测的滑行道路径优化方法，在航空器滑行过程中，对 可能存在的交叉点冲突、对头冲突、追尾冲突进行检测，在冲突避免的基础上，采用改进的 A*算法对滑行路径进行优化。该方法充分考虑到航空器在滑行过程中可能遇到的冲突问 题，在避免冲突，保障安全的前提下，实现滑行路径最短的目标，进而提高机场场面运行的 效率。
[000引本发明采用如下技术方案；一种基于冲突检测的滑行道路径优化方法，其包括如 下步骤：
[0009] 步骤 1.
[0010] (1)分析机场场面运行机理，简化滑行系统网络结构
[0011] 机场场面运行系统中包括跑道系统、停机位系统W及衔接跑道系统和停机位系统 的滑行道系统，将所述跑道系统、停机位系统W及滑行道系统抽象成由链路和节点组成的 几何网络图，网络中设滑行道和跑道作为弧，它们的交点W及起始点为节点，W此为基础进 行滑行路径规划；
[001引 似提出节点时刻表的概念，为冲突检测提供依据
[0013] 在冲突检测流程中，为每个节点设定一个时刻表，节点时刻表用W记录经过该节 点的航班数据，按照时刻的先后顺序存入时刻表，在第一个航班数据录入之后，后继的航班 则要检索整条路径，为冲突检测提供依据；
[0014] 步骤2.滑行道冲突分析，具体分析滑行过程中的冲突为交叉点冲突、对头冲突、 追尾冲突中的哪一种；
[0015] 步骤3.冲突检测流程分析
[0016] 首先，系统为将到达本场且已分配停机位的航班和在停机位上将要推出的航班按 照初步模型计算出初始路径；
[0017] 其次，在初始路径、滑行速度V、预计推出/脱离跑道时间、从n-1节点到n节点的 链路长度为1确定之后，计算各个航班通过初始路径上每一个节点的时刻t。，存入节点时刻 表；
[0018] 最后，航班通过该节点后，将该航班数据从时刻表中删除
[0019] t"=tn_、+L ; V
[0020] 步骤4 ;冲突解决
[0021] 当滑行路径中存在冲突时，航空器可W选择原地等待，当前航空器通过节点后再 通过，或者重新选择新的滑行路径；
[0022] 步骤5 ;应用改进的A*算法对滑行道路径进行优化 [002引 （1)A*算法寻找最短滑行路径
[0024] 设定一个估价函数r (n)
[0025] f (n) = g(n)+h' (n)
[0026] 其中f'（n);经过节点n的最优路径长度的一个估计；g(n);起点到节点n的实际 距离；h'（n):节点n到终点距离的一个估计，
[0027] (2)在最优路径的基础上，结合步骤3和步骤4,对滑行路径中可能存在的冲突进 行检测和排除，最终确定没有冲突的最优滑行路径。
[002引进一步地，所述步骤3中
[0029] -个航班中，初始路径经过的节点为n个，记为P。，起点为P。，从n = 1开始检索节 点P。的时刻表，设定时刻表中的时间为11，航班通过该节点的时间为t。，如果在时刻表中有 项目和本航班通过节点的时刻相差小于等于10s，则表示有冲突，若无冲突，则t = t+1，对 下一个节点进行检索
[0030]
【主权项】
1. 一种基于冲突检测的滑行道路径优化方法，其特征在于：包括如下步骤 步骤1. (1) 分析机场场面运行机理，简化滑行系统网络结构 机场场面运行系统中包括跑道系统、停机位系统以及衔接跑道系统和停机位系统的滑 行道系统，将所述跑道系统、停机位系统以及滑行道系统抽象成由链路和节点组成的几何 网络图，网络中设滑行道和跑道作为弧，它们的交点以及起始点为节点，以此为基础进行滑 行路径规划； (2) 提出节点时刻表的概念，为冲突检测提供依据 在冲突检测流程中，为每个节点设定一个时刻表，节点时刻表用以记录经过该节点的 航班数据，按照时刻的先后顺序存入时刻表，在第一个航班数据录入之后，后继的航班则要 检索整条路径，为冲突检测提供依据； 步骤2.滑行道冲突分析，具体分析滑行过程中的冲突为交叉点冲突、对头冲突、追尾 冲突中的哪一种； 步骤3.冲突检测流程分析 首先，系统为将到达本场且已分配停机位的航班和在停机位上将要推出的航班按照初 步模型计算出初始路径； 其次，在初始路径、滑行速度v、预计推出/脱离跑道时间、从n-1节点到η节点的链路 长度为1确定之后，计算各个航班通过初始路径上每一个节点的时刻tn，存入节点时刻表； 最后，航班通过该节点后，将该航班数据从时刻表中删除 I V 步骤4 :冲突解决 当滑行路径中存在冲突时，航空器可以选择原地等待，当前航空器通过节点后再通过， 或者重新选择新的滑行路径； 步骤5 :应用改进的A*算法对滑行道路径进行优化 (1) A*算法寻找最短滑行路径 设定一个估价函数f'（η) f (η) = g (n) +h' (η) 其中f'（η):经过节点η的最优路径长度的一个估计；g(n):起点到节点η的实际距离； h'（η):节点η到终点距离的一个估计， (2) 在最优路径的基础上，结合步骤3和步骤4,对滑行路径中可能存在的冲突进行检 测和排除，最终确定没有冲突的最优滑行路径。
2. 如权利要求1所述的基于冲突检测的滑行道路径优化方法，其特征在于：所述步骤3 中 一个航班中，初始路径经过的节点为η个，记为Pn，起点为Ptl，从η = 1开始检索节点Pn 的时刻表，设定时刻表中的时间为航班通过该节点的时间为tn，如果在时刻表中有项目 和本航班通过节点的时刻相差小于等于l〇s，则表示有冲突，若无冲突，则t = t+Ι，对下一 个节点进行检索
【专利摘要】本发明公开一种基于冲突检测的滑行道路径优化方法，其在航空器滑行过程中，对可能存在的交叉点冲突、对头冲突、追尾冲突进行检测，在冲突避免的基础上，采用改进的A*算法对滑行路径进行优化。该方法充分考虑到航空器在滑行过程中可能遇到的冲突问题，在避免冲突，保障安全的前提下，实现滑行路径最短的目标，进而提高机场场面运行的效率。
【IPC分类】G06Q10-04, G06Q50-30
【公开号】CN104537431
【申请号】CN201410783294
【发明人】周航, 蒋欣欣
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月16日