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空中交通CPS结构特性及韧性评估

北京航空航天大学学报 2024年第4期50卷 1187-1196页

作者：王兴隆魏奕雯贺敏中国民航大学空中交通管理学院天津300300

针对空中交通体系结构复杂、耦合性强、脆弱性高的特点,为缓解因受扰导致的级联失效现象,对其结构韧性进行研究。建立了空中交通信息物理系统(CPS)模型,提出同层度与层间度、同层介数与层间介数等指标,分析级联失效过程;提出空中交通CP... 详细信息

针对空中交通体系结构复杂、耦合性强、脆弱性高的特点,为缓解因受扰导致的级联失效现象,对其结构韧性进行研究。建立了空中交通信息物理系统(CPS)模型,提出同层度与层间度、同层介数与层间介数等指标,分析级联失效过程;提出空中交通CPS韧性的概念,并采用定量评估方法对受损能力和恢复能力进行度量;对比不同扰动-恢复策略下的空中交通CPS表现,制定最佳恢复策略,提高受扰时的韧性。以华东地区空中交通CPS为例进行分析,结果表明:空中交通CPS网络度分布服从幂率分布,介数服从指数分布;在基于介数度值扰动下,采用介数恢复策略可以有效提高受扰时空中交通CPS的韧性。

关键词：信息物理系统级联失效扇区网络航路网络空中交通CPS韧性

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激光雷达探测中基于贝叶斯网络的飞机尾流反演

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激光与光电子学进展 2024年第4期61卷 394-405页

作者：谷润平鹿彤魏志强中国民航大学空中交通管理学院天津300300

尾流是飞机飞行时的必然产物,对航空安全有重大威胁,还限制着航空效率和容量的提升,飞机尾流涡核的精准辨识是动态缩减尾流间隔的前提,目前晴空尾涡探测的主要工具是相干多普勒激光雷达(CDL)。针对使用激光雷达进行飞机尾流探测中受限... 详细信息

尾流是飞机飞行时的必然产物,对航空安全有重大威胁,还限制着航空效率和容量的提升,飞机尾流涡核的精准辨识是动态缩减尾流间隔的前提,目前晴空尾涡探测的主要工具是相干多普勒激光雷达(CDL)。针对使用激光雷达进行飞机尾流探测中受限于雷达时空分辨率和背景风场的影响导致的识别和反演尾流关键参数误差较大这一问题,提出一种在激光雷达探测数据基础上基于贝叶斯网络(BN)和均方误差(MSE)构建的尾涡参数反演模型。搭建大气背景风和湍流环境,并将其叠加到模拟的尾涡速度场上,得到用于训练模型的仿真数据集。实验结果表明:所提算法能够得到误差较小的参数反演结果(仿真算例中涡核位置偏差在2 m以内,环量偏差在5%以内);在实际算例中,所提算法与传统算法相比,反演速度场均方误差显著降低(平均超过50%)。本研究可用于机场实时尾涡监测,对尾涡间隔标准制定有重要意义。

关键词：激光雷达航空安全飞机尾涡贝叶斯网络尾涡特征参数反演模型

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基于自主改航的交叉航班流预先冲突解脱研究

西南交通大学学报 2024年

作者：王莉莉刘鑫宇中国民航大学空中交通管理学院

航路交叉口的管制调配一直是影响空管效率的核心问题，以往研究多是针对少量架次航空器进行分析，本论文在基于航迹运行（Trajectory Based Operations， TBO）环境下，基于自主改航，对航路交叉口处交叉航班流的预先冲突解脱方法进行... 详细信息

航路交叉口的管制调配一直是影响空管效率的核心问题，以往研究多是针对少量架次航空器进行分析，本论文在基于航迹运行（Trajectory Based Operations， TBO）环境下，基于自主改航，对航路交叉口处交叉航班流的预先冲突解脱方法进行研究。首先，基于航空器间水平安全间隔，转换计算航空器过交叉口时应保持的最小纵向时间间隔；其次，提出占用时间窗概念，建立基于占用时间窗的冲突检测模型，并考虑航班流通过时间最短制定综合通行原则判定冲突中需要改航的航空器；最后，针对航班流通行中传统启发式算法时效性不足的问题，利用转弯角限制缩减可行解空间，并建立以改航时间最短为目标的改航点搜索模型，提高了求解速度和搜索精度。以中国东北部典型高空扇区为例，验证所提方法在实际交叉航路运行下的有效性。仿真结果表明，所提冲突解脱方法的多米诺效应指数（Domino Effect Parameter，DEP）相较于调速解脱方法降低了18.2%，且调速解脱总用时为所提方法的1.6倍，所提方法对空域稳定性的影响更小，解脱效率更高。

关键词：空中交通管制基于航迹运行交叉航班流冲突检测与解脱

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考虑擦机尾动态限制角的起飞抬轮过程优化

北京航空航天大学学报 2024年

作者：庄南剑杨雪雅谷润平中国民航大学空中交通管理学院

为了防止擦机尾的发生，同时优化起飞抬轮过程，将抬轮过程中擦机尾角的变化考虑在内，建立计算飞机俯仰角、机尾离地高度等性能参数的抬轮阶段动力学模型。以波音737-800为例，探究抬轮速率变化对抬轮段距离的影响，对比擦机尾动态限... 详细信息

为了防止擦机尾的发生，同时优化起飞抬轮过程，将抬轮过程中擦机尾角的变化考虑在内，建立计算飞机俯仰角、机尾离地高度等性能参数的抬轮阶段动力学模型。以波音737-800为例，探究抬轮速率变化对抬轮段距离的影响，对比擦机尾动态限制角和擦机尾固定限制角这两种抬轮方式的差异，分析动态限制角的优势。结果表明，大多数情况下，该机型最优抬轮速率范围为2.5～3.0°/s。总体而言，相比于固定限制角，使用动态限制角的抬轮段距离减小约10%，从抬轮到离地的时间缩短约10%。最后，有关后机身长度和起落架高度的飞机设计提出建议，即后机身长度(m)的选取与起落架高度(cm)应是相匹配的，选取比值约为5.0，若采用擦机尾动态限制角抬轮方式，比值应略微增大。该研究可为飞行员提供抬轮操作参考，改善飞机的起飞性能，在防止擦机尾的同时，提高飞机载重。

关键词：航空运输起飞性能擦机尾抬轮速率动态限制角

自由空域环境下多无人机进场三维航迹规划研究

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北京航空航天大学学报 2024年

作者：王建忠梁飞达中国民航大学空中交通管理学院

自由空域环境下，针对城市空间环境运行的多无人机进场环节，提出了一种考虑区域避拥堵的多机无冲突航迹规划方法，保证无人机安全高效进场运行，提高空域利用效率。首先，对进场空间范围进行定义；其次，采用栅格法对三维空间运行环境... 详细信息

自由空域环境下，针对城市空间环境运行的多无人机进场环节，提出了一种考虑区域避拥堵的多机无冲突航迹规划方法，保证无人机安全高效进场运行，提高空域利用效率。首先，对进场空间范围进行定义；其次，采用栅格法对三维空间运行环境进行离散化处理，引入栅格占用时间概念，将无人机视为动态障碍物，构建以飞行时间最小为目标的无冲突航迹规划模型；然后，设计基于三维拥堵权值地图的改进A*算法，求解避拥堵的多无人机飞行航迹；最后，在不同障碍物环境下，面向10、15、20架次的无人机进场情景进行仿真分析。结果表明，在复杂障碍物环境下，与A*算法相比，改进算法在代价权重系数为（0.4，0.6）时牺牲0.96%的飞行时间即可减少52%的拥堵区域数量，优化效果明显，验证了模型和算法的可行性和有效性。

关键词：无人机航迹规划栅格占用时间 A*算法拥堵权值地图

基于ICA-LSTM的空中交通相依网络复杂度预测

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复杂系统与复杂性科学 2024年

作者：齐雁楠王新彤吴祚禹中国民航大学空中交通管理学院

针对空中交通复杂度预测问题，通过构建空中交通相依网络提取交通数据的非线性时空动态特征，提出一种ICA-LSTM预测模型，提高了预测的准确性。首先，根据复杂网络理论，以飞机和管制扇区为研究对象，建立飞行-管制空中交通相依网络；... 详细信息

针对空中交通复杂度预测问题，通过构建空中交通相依网络提取交通数据的非线性时空动态特征，提出一种ICA-LSTM预测模型，提高了预测的准确性。首先，根据复杂网络理论，以飞机和管制扇区为研究对象，建立飞行-管制空中交通相依网络；从“点-线-面”三个维度选取网络特征指标，采用因子分析方法提取指标的公因子，建立空中交通复杂度模型；通过建立空中交通数据时空序列，采用独立成分分析（ICA）提取数据样本特征，建立ICA-LSTM空中交通复杂度预测模型。采用北京终端区ADS-B运行数据进行了实例验证，结果表明，模型对空中交通复杂度进行有效预测，与传统的LSTM和SVM模型相比，ICA-LSTM预测模型预测精度更高。

关键词：空中交通相依网络网络复杂度独立成分分析(ICA) LSTM

垂直起降机场运行任务规划模型与容量估算方法

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北京航空航天大学学报 2024年

作者：魏志强肖鑫隆中国民航大学空中交通管理学院

本文主要针对eVTOL（电动垂直起降）在垂直起降机场的运行任务规划与容量估算问题，首先通过对垂直起降机场布局结构的梳理，绘制出运行任务网络图；然后考虑eVTOL在垂直起降机场内的起降、滑行与保障任务，基于多商品流模型，引入网络... 详细信息

本文主要针对eVTOL（电动垂直起降）在垂直起降机场的运行任务规划与容量估算问题，首先通过对垂直起降机场布局结构的梳理，绘制出运行任务网络图；然后考虑eVTOL在垂直起降机场内的起降、滑行与保障任务，基于多商品流模型，引入网络内各节点进入时刻、离开时刻，构建出运行任务规划模型，以时间区间内最优任务规划为优化目标，将节点占用时间作为约束；之后以典型起降机场为例使用Python+Gurobi进行编程求解，对机场容量及影响因素进行计算分析。结果表明：构建出的任务规划模型具有可行性。在影响垂直起降机场容量因素方面，当起降坪利用率低时，增加1登机口能增加垂直起降机场3架次容量，并能为垂直起降机场提供100s容量韧性；而当登机口利用率低时，增加1起降坪，能为垂直起降机场提供7架次容量；通过缩短30s起降时长能为垂直起降机场提供平均3架次容量。研究有助于未来估算垂直起降机场容量，并为eVTOL在垂直起降机场的运行调度提供一种建模思路。

关键词：城市空中交通垂直起降机场多商品流模型任务规划容量估算

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多因素飞行冲突探测中的认知负荷评估方法

北京航空航天大学学报 2024年

作者：杨越马博凯程龙中国民航大学空中交通管理学院

管制员认知负荷的实时监测与评估对空管系统的安全运行具有重要意义。基于雷达管制仿真实验平台搭建不同空域复杂性条件下的冲突探测场景，设计最小间距（MD）×汇聚角度(CA)×速度特性(SC)的被试内三因素重复测量实验方案，应用多因素... 详细信息

管制员认知负荷的实时监测与评估对空管系统的安全运行具有重要意义。基于雷达管制仿真实验平台搭建不同空域复杂性条件下的冲突探测场景，设计最小间距（MD）×汇聚角度(CA)×速度特性(SC)的被试内三因素重复测量实验方案，应用多因素方差分析研究不同复杂性因素的影响效应以及被试生理指标的变化规律；在此基础上，采用随机森林（RF）、支持向量机（SVM）和长短期记忆网络（LSTM）3种机器学习算法对被试的认知负荷进行评估。研究表明：注视点总数(NrF)等9项生理指标可以有效表征不同MD水平下的认知负荷特性；基于单模态眼动信号的SVM模型评估精度为94.69%，高于单模态心电信号评估模型（RF=74.25%、SVM=83.59%、LSTM=74.68%）和眼动+心电双模态信号评估模型（RF=88.46%、SVM=93.28%、LSTM=91.58%），删除强相关的特征指标会在一定程度影响模型性能。

关键词：冲突探测认知负荷眼动指标心电指标机器学习模型性能

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面向多无人机物流配送的双层任务规划方法

北京航空航天大学学报 2024年

作者：王飞杨清平中国民航大学空中交通管理学院

多无人机任务协同规划与配送路径规划是城市无人机物流配送的核心内容，两者相互耦合，需要进行一体化研究。为保障安全、高效完成多无人机物流配送任务，首先采用栅格法对三维城市超低空间进行环境建模，阐述了栅格危险度计算方法。其... 详细信息

多无人机任务协同规划与配送路径规划是城市无人机物流配送的核心内容，两者相互耦合，需要进行一体化研究。为保障安全、高效完成多无人机物流配送任务，首先采用栅格法对三维城市超低空间进行环境建模，阐述了栅格危险度计算方法。其次构建了一种无人机配送线路以及航迹协同规划的双层规划模型，在上层模型中，考虑无人机载重及最大航程约束，以延迟惩罚代价最小为目标，引入遗传算法来确定无人机配送顺序；在下层模型中，考虑无人机性能约束，以时效性代价最小、无人机高度变化以及栅格危险度最小为目标，提出一种改进的粒子群优化算法，求解无人机飞行路径。最后进行了算例仿真分析，结果表明与PSO、ICPSO相比，CIPSO总代价分别下降了65.00%和38.41%，说明本文构建的模型与算法是可行的和有效的。

关键词：物流无人机任务分配路径规划双层规划模型改进粒子群算法