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基于复杂性的多扇区移交策略优化

交通运输系统工程与信息 2023年第1期23卷 284-294页

作者：王红勇张加豪许平中国民航大学空中交通管理学院天津300300

现有多扇区移交间隔管理研究往往忽视扇区复杂性,可能出现扇区局部复杂性不均衡等问题,对空域造成一定安全隐患。本文充分考虑多个管制扇区复杂程度,提出一种新的管制移交间隔优化方法。首先,基于扇区之间复杂性的相互影响关系,建立大... 详细信息

现有多扇区移交间隔管理研究往往忽视扇区复杂性,可能出现扇区局部复杂性不均衡等问题,对空域造成一定安全隐患。本文充分考虑多个管制扇区复杂程度,提出一种新的管制移交间隔优化方法。首先,基于扇区之间复杂性的相互影响关系,建立大型区域管制中心多扇区网络模型。其次,提出航空器进入多扇区边界时刻调整,航空器进入各个扇区时刻调整以及航空器高度层重新配备等3种策略,建立以多扇区复杂性的均值、均衡程度和航空器总延误为目标的移交策略优化模型,并采用多目标遗传算法进行求解。最后,基于北京区域管制中心(ZBAAAR)的实际运行数据进行仿真分析。结果表明:3种策略可使复杂性均值分别降低2.2%,2.8%,6.0%,可使复杂性均衡程度分别提高1.76%,1.83%,1.38%,基于航空器进入时刻控制的两种策略导致航班平均延误时间分别为-295 s和-214 s,验证了模型及算法的有效性。

关键词：航空运输空中交通复杂性多扇区复杂性多管制扇区移交策略

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基于航空器自主运行的空中交通复杂性建模

交通运输系统工程与信息 2022年第2期22卷 305-312,321页

作者：王红勇郭宇鹏中国民航大学空中交通管理学院天津300300

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... 详细信息

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。

关键词：航空运输空中交通复杂性自由航路空域航空器自主保持间隔运行空中交通管理

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编队飞行中基于危险区域的后机最优位置研究

交通运输系统工程与信息 2022年第5期22卷 300-308页

作者：温瑞英刘文瀚王红勇中国民航大学空中交通管理学院天津300300

编队飞行是实现民航绿色发展的重要措施之一。在前机尾涡危险区域分析的基础上,科学确定后机最优位置是编队飞行的关键。首先,以随机两阶段尾涡消散模型为基础,利用Hallock-Burnham涡模型和诱导滚转力矩系数模型分析后机诱导滚转力矩系... 详细信息

编队飞行是实现民航绿色发展的重要措施之一。在前机尾涡危险区域分析的基础上,科学确定后机最优位置是编队飞行的关键。首先,以随机两阶段尾涡消散模型为基础,利用Hallock-Burnham涡模型和诱导滚转力矩系数模型分析后机诱导滚转力矩系数的演变规律。然后,基于设定的安全阈值,给出前机尾涡危险区域,并考虑飞行高度、速度和风对危险区域的影响。最后,基于后机不同位置处的燃油流量减少率,得出编队飞行中后机最优位置。研究结果表明:后机诱导滚转力矩系数随着前、后机之间横向距离的增加,呈先增后减再增的趋势;随纵向距离的增加,呈先缓慢减小后快速减小的趋势;高度越高、速度越小,诱导滚转力矩系数的峰值越高。飞行高度越高、速度越小,前机初始尾涡的危险区域越大;随着纵向距离的增加,危险区域不断减小,并随涡核的下沉不断下降。侧风使危险区域发生偏离,侧风越大,偏离程度越大。顺风会增加危险区域的纵向距离,顶风则与之相反。两架B737-800飞机在12000 m高度以0.78马赫数进行编队飞行时,前、后机纵向距离3000 m处,无风情况下后机最优位置为横向距离30 m或-30 m、垂直距离29 m,此时燃油流量减少率为7.01%。相较于无风,左侧风20 m·s^(-1)下,燃油流量减少率和垂直距离不变,横向距离增加;顺风20 m·s^(-1)下,燃油流量减少率增加,横向距离不变,垂直距离减少;顶风20 m·s^(-1)下,燃油流量减少率减小,横向距离不变,垂直距离增加。

关键词：航空运输最优编队位置快速仿真计算模型尾涡流场编队飞行危险区域

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考虑潜在冲突的进离场航班协同排序

交通运输系统工程与信息 2023年第5期23卷 312-320页

作者：王建忠丁小芹王树伟中国民航大学空中交通管理学院天津300300 民航天津空中交通管理分局天津300300

考虑进离场排序中潜在冲突引起的管制员工作负荷增加以及排序结果的可执行性等问题,本文提出基于多目标时间索引模型的进离场航班排序方法。用潜在冲突时间长度来表征管制员解决冲突的负荷大小。以延误时间和解决冲突负荷最小为目标函数... 详细信息

考虑进离场排序中潜在冲突引起的管制员工作负荷增加以及排序结果的可执行性等问题,本文提出基于多目标时间索引模型的进离场航班排序方法。用潜在冲突时间长度来表征管制员解决冲突的负荷大小。以延误时间和解决冲突负荷最小为目标函数,引入时间索引模型,将时间段离散化为一定步长的时隙,为每架航班分配着陆、起飞时隙,而非固定的时间点,从而提高排序结果的可执行性。根据模型的具体特征,设计遗传算法,利用天津滨海国际机场数据,求解验证模型的有效性。实验结果表明:模型在各种权重组合下,对减少航班总延误时间和管制员解决潜在冲突的负荷均有良好的优化效果;在权重组合为0.2-0.8的条件下,相比于实际运行情况和先到先服务策略,航班延误的优化率为11.25%和11.87%,管制员解决冲突负荷的优化率为28.70%和37.90%;权重组合为0.1-0.9时,航班延误的优化率为9.70%和10.34%,管制员解决冲突负荷的优化率达到45.37%和52.42%。因此,模型在减少航班延误的同时也极大程度上减少了潜在冲突时间,降低了管制员的工作负荷,提高了终端区的运行效率和安全。

关键词：航空运输时间索引模型遗传算法进离场排序空中交通管理

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基于语谱图的管制员疲劳状态检测研究

航空工程进展 2023年

作者：杨昌其冯筱晴张雨萱蔡子牛中国民航飞行学院空中交通管理学院

在现阶段利用陆空通话语音对管制员的疲劳状态的研究中，大多只考虑了语音在时域或频域的变化，而忽视了疲劳会同时在时域与频域上产生影响。本文将三种疲劳状态下的陆空通话语音分别转化为可同时反应时域与频域特性的语音频谱图像，利... 详细信息

在现阶段利用陆空通话语音对管制员的疲劳状态的研究中，大多只考虑了语音在时域或频域的变化，而忽视了疲劳会同时在时域与频域上产生影响。本文将三种疲劳状态下的陆空通话语音分别转化为可同时反应时域与频域特性的语音频谱图像，利用灰度共生矩阵（GLCM）提取四维典型的特征参数，对比管制员在不同状态下特征参数的变化情况，确认所选特征具有较好的区分度，将所选特征作为管制员疲劳检测模型的输入特征进行检测。结果表明：利用语谱图特征结合传统特征作为输入特征的检测准确率最高，达到95.49%，较单一使用传统特征的检测准确率高出4%；管制员疲劳状态的变化会直观地反映在语谱图上，并会对其特征值产生影响，利用这种影响对管制员疲劳状态进行检测，可以得到良好的检测结果。

关键词：管制员疲劳检测语谱图灰度共生矩阵机器学习

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随机森林算法在擦机尾事件预测中的应用研究

安全与环境学报 2024年

作者：卢飞宋佳佳中国民航大学空中交通管理学院

为实现对擦机尾事件的预测，提出一种以非超限飞行数据为基础，运用随机森林算法建立擦机尾事件预测模型。首先，以B737–800机型的数据为基础，根据对着陆运行过程及擦机尾形成机理的分析得出影响着陆擦机尾事件的特征参数。然后，利... 详细信息

为实现对擦机尾事件的预测，提出一种以非超限飞行数据为基础，运用随机森林算法建立擦机尾事件预测模型。首先，以B737–800机型的数据为基础，根据对着陆运行过程及擦机尾形成机理的分析得出影响着陆擦机尾事件的特征参数。然后，利用袋外数据计算不同特征的重要性分数，以此为基础提取适用于随机森林预测的最优特征组合。最后，运用随机森林算法建立着陆擦机尾事件预测模型并与支持向量回归和长短期记忆网络模型对比。运用随机森林所建立的航空器擦机尾预测方法可以有效利用大量存在潜在价值的数据，实现对擦机尾风险告警的关口前移。结果表明：在着陆前7 s预测的情况下，所建模型测试集的决定系数在0.85以上，且在改变数据规模的情况下仍能保持预测精确率，相比支持向量回归和长短期记忆网络，该模型具有较好的拟合度和更高的预测精度，可为飞行员提供足够的反应时间来采取必要的措施，避免擦机尾事件的发生。

关键词：安全工程事故征候机器学习算法预测模型快速存储记录器(QAR)数据

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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

基于扎根理论‑贝叶斯网络的消费级无人机事故致因分析

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Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics 2022年第5期39卷 584-592页

作者：岳仁田韩蒙侯博文中国民航大学空中交通管理学院天津300300

为了降低日常使用场景中消费级无人机(Unmanned aerial vehicles,UAVs)的事故率,根据消费级无人机事故案例分析了事故致因。通过扎根理论提取事故致因因素,分析了这些因素之间的关系。构建了消费级无人机事故的贝叶斯网络。利用扎根理论... 详细信息

为了降低日常使用场景中消费级无人机(Unmanned aerial vehicles,UAVs)的事故率,根据消费级无人机事故案例分析了事故致因。通过扎根理论提取事故致因因素,分析了这些因素之间的关系。构建了消费级无人机事故的贝叶斯网络。利用扎根理论⁃贝叶斯网络,推断出坠落、空中碰撞、失踪和人身伤害4种类型事故的概率。通过对各因素的后验概率进行反向推理,得到了各事故概率最大的因果链。在分析每个因素的敏感性之后,相应地推断出网络中的关键节点。然后分析了消费级无人机事故的致因因素。结果表明,坠落事故概率最高,坠落事故与人身伤害概率最大因果链相关,作为结果节点的各类事故的敏感性分析结果不一致。

关键词：消费级无人机扎根理论贝叶斯网络关键节点事故致因

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面向自主运行的多航空器路径博弈协调

北京航空航天大学学报 2024年

作者：李克南杨凯琪郭宇鹏王红勇中国民航大学空中交通管理学院

针对自主运行模式下的航空器路径冲突问题，提出了一种基于分布式决策的多航空器路径博弈协调方法。该方法设计构建了自主运行航空器路径规划混合策略-演化博弈模型，分为两部分：基于混合策略博弈思想，通过剔除无法达到均衡状态的博... 详细信息

针对自主运行模式下的航空器路径冲突问题，提出了一种基于分布式决策的多航空器路径博弈协调方法。该方法设计构建了自主运行航空器路径规划混合策略-演化博弈模型，分为两部分：基于混合策略博弈思想，通过剔除无法达到均衡状态的博弈策略而缩减航空器路径博弈的解空间构成，极大简化博弈问题的求解过程；将该问题设定为不完全理性的演化博弈问题，进而设定各航空器路径选择偏好的演化规律，求解该演化博弈问题的均衡解。应用实际扇区结构和数据进行仿真实验，结果表明：执行自主运行模式的航空器，其平均路径长度仅增长9.15%，但是可以促进空中交通复杂度峰值降低30.15%，空域中得到高效利用的栅格数量增加26.46%。在模拟晴空湍流和座舱失压扰动环境下，该路径的抗扰动能力得到显著提升，受扰航空器数量分别下降32.39%和56.72%。

关键词：航空运输航空器自主运行路径规划博弈论混合策略纳什均衡空中交通管理