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动态路网环境下的路径优化算法研究

系统仿真学报 2024年第8期36卷 1969-1981页

作者：解鑫胡小兵周航中国民航大学电子信息与自动化学院天津300300 中国民航大学安全科学与工程学院天津300300 中国民航大学中欧航空工程师学院天津300300

为解决真实动态路网环境下,静态路径优化(static path optimization,SPO)方法和传统动态路径优化(dynamic path optimization,DPO)方法由于频繁实时优化计算,规划路径过程中容易出现绕路、折返、计算复杂度高等问题,提出基于涟漪扩散算... 详细信息

为解决真实动态路网环境下,静态路径优化(static path optimization,SPO)方法和传统动态路径优化(dynamic path optimization,DPO)方法由于频繁实时优化计算,规划路径过程中容易出现绕路、折返、计算复杂度高等问题,提出基于涟漪扩散算法(ripple-spreading algorithm,RSA)的重启协同进化路径优化(restart co-evolutionary path optimization,RCEPO)方法。将路径优化过程与路网环境的动态变化过程相结合,提升了路径优化效果。仅当路网环境的动态变化超出预测范围时才进行路径的重新优化计算,降低了计算复杂度。实验结果表明:在动态路网环境下,该方法的实际行进轨迹长度和行进时间相较于传统DPO方法分别缩短了17%和12%。有效解决了真实动态路网环境下路径优化问题。并且通过机器狗实验,验证了该方法的实用性和有效性。

关键词：路径优化动态环境协同进化涟漪扩散算法:不确定性

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黏性对液滴偏心撞击旋转壁面铺展特性的影响

航空学报 2024年第16期45卷 109-123页

作者：杨文张鑫玺汪翔宇刘川扬张云波中国民航大学中欧航空工程师学院天津300300

液滴撞击旋转壁面广泛存在于工程实践中,如在航空领域发生的发动机吸雨吸冰现象,这些现象会导致发动机性能下降甚至引发安全问题,因此研究液滴撞击旋转壁面具有重要意义。搭建并开展液滴撞击旋转圆盘实验并用高速相机采集图像,在保持液... 详细信息

液滴撞击旋转壁面广泛存在于工程实践中,如在航空领域发生的发动机吸雨吸冰现象,这些现象会导致发动机性能下降甚至引发安全问题,因此研究液滴撞击旋转壁面具有重要意义。搭建并开展液滴撞击旋转圆盘实验并用高速相机采集图像,在保持液滴尺寸、撞击速度、表面张力和撞击位置不变的情况下,研究了转速和黏性对液滴偏心撞击后铺展规律的影响。通过后处理液滴铺展动态图片,定量获取液滴沿径向和切向铺展数据。实验结果表明,液滴径向-切向铺展动态模式在旋转邦德数和旋转雷诺数下划分出4个区域:撞击惯性力-黏附力、撞击惯性力-黏附力/黏滞力过渡、撞击惯性力/离心力过渡-黏附力、撞击惯性力-黏滞力。径向上撞击惯性力主导模式下,最大径向铺展因子随奥内佐格数和旋转邦德数增大而减小,且在回缩阶段径向铺展因子与无量纲时间t/(Oh·T)满足−1/3幂次标度律。切向上黏附力主导模式下,液滴切向铺展速率与无量纲时间t/(Oh·T)满足2/3幂次标度律;切向上黏滞力主导模式下,切向铺展存在最大铺展因子。

关键词：液滴撞击旋转壁面黏性转速偏心撞击铺展因子

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改进灰狼算法在搬运机器人轨迹规划中的应用

机械科学与技术 2024年第3期43卷 394-401页

作者：张攀刘雨晗张威中国民航大学航空工程学院天津300300 民航航空公司人工智能重点实验室广州510470 中国民航大学安全科学与工程学院天津300300 中国民航航空地面特种设备研究基地天津300300

为提高托盘式搬运机器人的运行稳定性,提出一种基于改进灰狼算法的机器人加速度最优轨迹规划方法。针对灰狼算法局部收敛、寻优性能不足等问题,引入Logistic-Tent混沌映射,优化初始种群;引入差分优化算法,提高全局搜索能力;引入淘汰进... 详细信息

为提高托盘式搬运机器人的运行稳定性,提出一种基于改进灰狼算法的机器人加速度最优轨迹规划方法。针对灰狼算法局部收敛、寻优性能不足等问题,引入Logistic-Tent混沌映射,优化初始种群;引入差分优化算法,提高全局搜索能力;引入淘汰进化机制,优化种群结构,从而全面提升优化性能。仿真结果表明,对比标准灰狼算法和粒子群算法,改进灰狼算法在不同类型的测试函数中具有更好的收敛速度和算法精度;在搬运机器人轨迹规划的应用中,经过该算法优化后的机器人最大关节角加速度下降了44.11%,大幅提高了运行稳定性。

关键词：搬运机器人轨迹规划加速度灰狼算法

面向跑道检测的视觉着陆系统设计与功能危险性评估

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电光与控制 2024年

作者：董磊刘嘉琛陈曦史欣茹王鹏中国民航大学科技创新研究院中国民航大学安全科学与工程学院中国民航大学中欧航空工程师学院

随着机器视觉技术的快速发展，诸多航空安全机构、科研组织以及领军企业正在积极开展飞机视觉着陆系统（Visual Landing System， VLS）的研制、试飞与认证工作。本文首先研究VLS的基本工作原理与运行概念，提出了一种基于YOLOv5网络架... 详细信息

随着机器视觉技术的快速发展，诸多航空安全机构、科研组织以及领军企业正在积极开展飞机视觉着陆系统（Visual Landing System， VLS）的研制、试飞与认证工作。本文首先研究VLS的基本工作原理与运行概念，提出了一种基于YOLOv5网络架构的机场跑道检测模型，并在着陆进近跑道检测（Landing Approach Runway Detection， LARD）数据集上对模型进行仿真验证；接下来，列出包括跑道检测在内的所有功能，在考虑机器学习模型不确定性与泛化差距的基础上，确定各功能失效状态并按其影响严重程度进行分类，给出用于验证失效状态相关安全性需求的方法。研究表明，执行跑道检测功能的YOLOv5模型准确率、召回率及mAP＿0.5分别达到95%、96%和98%，功能危险性评估结果可为视觉着陆系统的研制及智能航电系统的功能定义与失效状态分析提供思路与借鉴。

关键词：跑道检测功能危险性评估(FHA) YOLOv5 智能航电系统失效状态

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基于空间距离改进的航线网络级联失效模型

安全与环境学报 2024年第5期24卷 1864-1871页

作者：李航李炎培中国民航大学安全科学与工程学院天津300300

为准确分析航线网络在多种干扰事件影响下的级联失效过程,首先,对以往研究的节点过载、节点状态识别和节点负载-容量关系三个部分进行整合,引入容量参数α、β和过载系数γ,建立一个综合性的航线网络级联失效模型;在此基础上,考虑实际... 详细信息

为准确分析航线网络在多种干扰事件影响下的级联失效过程,首先,对以往研究的节点过载、节点状态识别和节点负载-容量关系三个部分进行整合,引入容量参数α、β和过载系数γ,建立一个综合性的航线网络级联失效模型;在此基础上,考虑实际空间距离因素,对传统的全局负载重分配策略进行改进,提出以丧失运输功能的机场为圆心、实际k倍平均航线里程为半径的圆形负载重分配策略。然后,以国内航线网络为例,开展随机、蓄意两种攻击策略下的仿真。结果表明:基于空间距离的负载重分配策略更具有普适性,即传统全局负载重分配策略仅是其中一个特例;同时,航线网络级联失效结果与负载分配半径密切相关,确定合理的负载分配半径,对缓解航线网络级联失效影响有重要意义。

关键词：安全工程航线网络空间距离级联失效圆形负载重分配策略

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多层次人为因素耦合关联挖掘量化方法

安全与环境学报 2024年第10期24卷 3931-3938页

作者：王菲茵刘笑辰汪磊中国民航大学安全科学与工程学院天津300300

提出了一种多层次人为因素耦合关联挖掘量化方法,以民航领域不安全事件为例进行验证,旨在弥补人为因素分析过程中缺少层次间耦合关联定量分析的不足。首先,融合人的因素分析与分类系统(Human Factors Analysis and Classification Syste... 详细信息

提出了一种多层次人为因素耦合关联挖掘量化方法,以民航领域不安全事件为例进行验证,旨在弥补人为因素分析过程中缺少层次间耦合关联定量分析的不足。首先,融合人的因素分析与分类系统(Human Factors Analysis and Classification System,HFACS)模型和飞行专家访谈对不安全事件多层次耦合原因进行细化;然后,基于灰色关联度分析(Grey Relation Analysis,GRA)理论量化事件深层影响因素与多类不安全行为之间的关联;最后,挖掘导致多类不安全行为的重要影响因素。为验证模型的适用性与解释性,以民航不安全事件为例,结果表明:个人准备及机组资源管理、操作者状态、监督不充分对技能差错、习惯性违规、偶然性违规产生重大影响,以上因素主要通过直接影响整体差错和违规,形成不安全行为,致使民航不安全事件发生;未纠正已有问题、资源管理、监督违规对知觉差错产生重要影响,组织过程、环境因素、监督不充分对决策差错产生关键影响,多数现有措施并未针对知觉差错和决策差错的防控。研究探索了民航不安全事件致因机理,可为制定更加针对性的风险防控措施提供客观定量的理论参考。

关键词：安全工程人为因素耦合关联不安全事件致因机理民航安全

STPA和CREAM方法在飞行冲突调配人因差错研究中的应用

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安全与环境学报 2024年第5期24卷 1886-1893页

作者：袁乐平吴昊中国民航大学安全科学与工程学院天津300300

为了研究管制员飞行冲突调配的人因差错问题,进而有效评估管制员解决飞行冲突的可靠性,以保障空中交通的安全运行,提出系统理论过程分析(System Theoretic Process Analysis, STPA)与认知可靠性与失误分析方法(Cognitive Reliability an... 详细信息

为了研究管制员飞行冲突调配的人因差错问题,进而有效评估管制员解决飞行冲突的可靠性,以保障空中交通的安全运行,提出系统理论过程分析(System Theoretic Process Analysis, STPA)与认知可靠性与失误分析方法(Cognitive Reliability and Error Analysis Method, CREAM)相结合的人因可靠性分析方法。首先,通过STPA方法构建系统控制模型,识别不安全控制行为(Unsafe Control Action, UCA)以及致因因素,找到管制员在调配飞行冲突过程中可能存在的差错行为;其次,基于CREAM扩展法对管制员的差错行为进行定量分析,得到管制员调配飞行冲突的人因失误概率。研究显示:使用该方法能够系统、全面地识别出管制员在调配飞行冲突过程中出现的差错行为,进而计算管制员飞行冲突调配的人因失误概率。实例分析表明该方法可以预测管制员在飞行冲突调配过程中的人因失误概率及可靠性,为管制员人因可靠性分析提供了新思路。

关键词：安全工程空中交通管制员飞行冲突系统理论过程分析(STPA) 认知可靠性与失误分析方法(CREAM) 人因可靠性

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航班延误传播模型研究

安全与环境学报 2024年第10期24卷 3839-3846页

作者：梁文娟连蓉蓉中国民航大学安全科学与工程学院天津300300

为研究航班延误传播规律,利用真实航班运行数据构建机场航班网络。基于易感-感染-免疫(Susceptible-Infected-Recovered,SIR)模型建立航班延误传播模型,选用梯度下降法求解模型参数;以最大连通子图比例(S)作为网络抗毁性指标,使用选择... 详细信息

为研究航班延误传播规律,利用真实航班运行数据构建机场航班网络。基于易感-感染-免疫(Susceptible-Infected-Recovered,SIR)模型建立航班延误传播模型,选用梯度下降法求解模型参数;以最大连通子图比例(S)作为网络抗毁性指标,使用选择性攻击和随机攻击策略分析抗毁性;将航班延误传播模型与长短期记忆(Long Short-Term Memory,LSTM)网络预测模型、马尔科夫模型进行延误预测比较,引用历史数据进行实例分析。结果表明:机场航班网络平均路径长度为2.387,聚类系数为0.58,度分布呈双幂率分布,具有小世界和无标度特性;随机攻击删除节点累计300个,S>0.5,网络抗毁性强,选择性攻击删除节点比例15%~20%,S=0,网络抗毁性差;航班延误传播模型平均绝对百分比误差(Mean Absolute Percentage Error,MAPE)分别与LSTM预测模型、马尔科夫模型相差4.41百分点、50.98百分点,具有更高精度。所提出的模型为航班延误提供了预测工具,为航空公司、机场等单位制定有效延误缓解措施提供参考。

关键词：安全工程复杂网络抗毁性易感-感染-免疫(SIR)模型马尔科夫模型

耦合结伴行为的航站楼人员疏散信息传递模型构建与分析

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安全与环境学报 2024年第10期24卷 3992-4000页

作者：程明陈霄中国民航大学安全科学与工程学院天津300300

为研究航站楼火灾情景下引导设施可用数量和结伴行为对人员疏散效率的影响,使用AnyLogic仿真软件搭建人员疏散信息传递模型和结伴行为模型的组合模型(IC模型)。设定人与环境、人与人之间的信息传递规则及人员携带信息后的决策方式,设计... 详细信息

为研究航站楼火灾情景下引导设施可用数量和结伴行为对人员疏散效率的影响,使用AnyLogic仿真软件搭建人员疏散信息传递模型和结伴行为模型的组合模型(IC模型)。设定人与环境、人与人之间的信息传递规则及人员携带信息后的决策方式,设计四种试验方案,使用对比分析方法分析有无结伴行为下引导设施折损率、人员结伴比例和人流密度对人员疏散效率的影响。结果表明,引导设施可用数量一定时,有结伴行为下的人员疏散效率相较于无结伴行为更低。有结伴行为下引导设施折损率在90%时疏散时间最长,为1 092.9 s。当引导设施可用数量一定时,行人结伴比例为20%、人流密度在0.2人/m^(2)时人员疏散效率最高。IC模型能够展示航站楼火灾情景下的信息传递现象及对疏散过程的影响,具有可靠性,可为机场应对此类事件的推演提供数据参考和支撑。

关键词：安全工程信息传递结伴行为引导设施航站楼