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融合空域下基于ADS-B IN的无人机防撞研究

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安全与环境学报 2024年第7期24卷 2508-2516页

作者：王莉莉闵幸兴中国民航大学空中交通管理学院天津300300

基于无人机未来融入国家空域系统的发展趋势,针对无人机数量增多导致与有人机之间碰撞风险增大的问题,根据ADS-B IN的优势和特点,提出了一种融合空域下,无人机利用ADS B IN进行冲突探测和解脱的模型。模型中依据飞行器的具体参数划设了... 详细信息

基于无人机未来融入国家空域系统的发展趋势,针对无人机数量增多导致与有人机之间碰撞风险增大的问题,根据ADS-B IN的优势和特点,提出了一种融合空域下,无人机利用ADS B IN进行冲突探测和解脱的模型。模型中依据飞行器的具体参数划设了有人机的安全区和保护区,并利用几何法设置潜在碰撞风险判定标准和解脱完成标准,根据最小机动和最快解脱原则,无人机在空域内进行实时探测并对可能产生冲突的有人机主动避让,在避让过程中分别考虑了速度解脱、航向解脱、速度和航向混合解脱三种解脱策略。在实际运行场景中,同时考虑了风对航空器速度和航向的影响,进行了风速修正。设置三种运行场景进行了仿真试验,仿真结果满足最低安全间隔的要求。为进一步验证模型的优势,另与传统的人工势场方法进行了仿真对比。以上两种结果均证实了模型的可靠性和优越性,未来可用于降低管制员工作负荷,提高空域整体安全性。

关键词：安全工程冲突解脱几何法无人机航空安全

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基于二维云模型的进近管制系统安全风险评估

重庆交通大学学报（自然科学版） 2024年第7期43卷 94-103页

作者：张兆宁史卓晨中国民航大学空中交通管理学院天津300300

进近管制系统的安全运行是确保民航运输安全的关键。安全风险评估是风险管理的基础,其可以提升安全风险管理效率,提高系统整体运行的安全性。同时考虑安全风险因素和安全风险事件,从管制员风险、设备风险、气象环境风险、管制环境风险... 详细信息

进近管制系统的安全运行是确保民航运输安全的关键。安全风险评估是风险管理的基础,其可以提升安全风险管理效率,提高系统整体运行的安全性。同时考虑安全风险因素和安全风险事件,从管制员风险、设备风险、气象环境风险、管制环境风险和管理风险等5大方面建立进近管制系统安全风险评估指标体系;通过二维云模型得到某进近管制系统的安全风险等级为Ⅲ级并与一维云模型对比,证明评估模型具有有效性。将组合赋权的方法与改进的层次分析法和CRITIC法作对比分析,结果表明:组合赋权的方法不仅减少了主观随意性,还中和了主客观权重的不足;使用组合赋权-二维云模型进行进近管制系统安全风险评估结果更加准确。

关键词：交通运输工程安全风险评估进近管制系统指标体系二维云模型最小二乘法

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大规模飞机排班问题研究综述

交通信息与安全 2024年第1期42卷 1-10,27页

作者：张宝成冉博文中国民航大学空中交通管理学院天津300300

飞机排班是航班计划的关键环节,直接影响民航运输的安全和经济效益。随着中国机队规模的稳步扩张,大规模飞机排班问题的研究愈发迫切;然而,早期基于连接网络或时空网络的机型指派模型及侧重运营收益、维修需求或鲁棒性的飞机排班问题模... 详细信息

飞机排班是航班计划的关键环节,直接影响民航运输的安全和经济效益。随着中国机队规模的稳步扩张,大规模飞机排班问题的研究愈发迫切;然而,早期基于连接网络或时空网络的机型指派模型及侧重运营收益、维修需求或鲁棒性的飞机排班问题模型,在问题规模、约束条件数量等方面往往受限,不能满足大规模飞机排班需求。本文在分析各类排班问题关联性和局限性的基础上,归纳了大规模一体化飞机排班问题的模型及其求解算法,分析了各算法的适用范围、优势和不足,并发现:分阶段排班模型无法保证全局最优解,一体化飞机排班模型更具有实际意义;精确算法理论上可保证求得最优解,但运算复杂、耗时长、模型分解难度大;启发式算法计算速度快,步骤简单,但无法保证求解的质量和算法的稳定性。在此基础上,进一步提出了未来大规模一体化飞机排班问题的研究方向:①问题建模方面,可在优化航线网络结构的同时,综合考虑航线需求、时间均衡调度和个性化机组指派等因素,建立一体化飞机排班集成模型,以解决现有模型的局限性;②问题求解方面,可以将Benders分解和列生成算法相结合,将整个问题分解为相对简单的主问题和子问题的组合,减少求解难度;也可将精确算法和启发式算法相结合,在保证求解精度的前提下尽量减少运算耗时,提高求解效率。

关键词：航空运输飞机排班整数规划机型指派 Benders分解列生成算法

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基于Transformer-GRU网络的4D航迹预测

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重庆交通大学学报（自然科学版） 2024年第6期43卷 94-101页

作者：翟文鹏宋一峤张兆宁中国民航大学空中交通管理学院天津300300

航空器的4D航迹预测作为基于航迹运行(TBO)的关键技术之一具有非常重要的意义。基于Transformer-GRU(T-GRU)网络,提出了一种新的航迹预测方法,结合Adamax优化器实现了4D航迹预测。利用Transformer网络的自注意力机制对输入序列进行建模... 详细信息

航空器的4D航迹预测作为基于航迹运行(TBO)的关键技术之一具有非常重要的意义。基于Transformer-GRU(T-GRU)网络,提出了一种新的航迹预测方法,结合Adamax优化器实现了4D航迹预测。利用Transformer网络的自注意力机制对输入序列进行建模,通过GRU网络获取时序数据的特征;对原始航迹数据进行重采样插值和中值滤波等预处理,以便消除数据缺失和异常值等对预测的影响;通过E E、E AT、E CT、E A等误差指标对实验结果进行评价,并与其他常用的航迹预测方法进行对比。研究结果表明:与传统深度学习方法相比,基于T-GRU网络的4D航迹预测模型在航迹预测中具有更高的准确性和鲁棒性。

关键词：交通工程空中交通管理 TBO 4D航迹预测深度学习

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基于注视特征的多因素飞行冲突探测策略研究

中国安全生产科学技术 2024年第7期20卷 179-185页

作者：杨越马博凯中国民航大学空中交通管理学院天津300300

为研究不同空域复杂性条件下的飞行冲突探测策略,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,基于马尔科夫链的注视平稳分布概率和兴趣区注视时长分布特征,判断被试所采用的冲突探测策略并分析不同... 详细信息

为研究不同空域复杂性条件下的飞行冲突探测策略,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,基于马尔科夫链的注视平稳分布概率和兴趣区注视时长分布特征,判断被试所采用的冲突探测策略并分析不同策略下的任务绩效指标。研究结果表明:在汇聚角度较大、最小间距更接近告警间隔的实验场景中,被试多采用距离-速度比(DV)策略;在汇聚角度较小、最小间距较小、航空器速度相同的实验场景中,被试多采用认知运动外推(CME)策略。多数情况下,采用CME策略判断飞行冲突的反应时更短、正确率更高。研究结果可为提高冲突探测的感知和预判能力提供参考。

关键词：冲突探测注视特征马尔科夫链认知运动外推(CME) 距离-速度比(DV) 任务绩效

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面向智能视频监控的空中交通管制员图像分割

安全与环境学报 2024年第1期24卷 206-212页

作者：王超董杰陈含露中国民航大学空中交通管理学院天津300300

为解决复杂场景下空中交通管制员检测与分割精度低、鲁棒性差的问题,提出一种基于掩码区域卷积神经网络(Mask Region-based Convolutional Neural Networks, Mask R-CNN)的管制员图像分割模型ATC Mask R-CNN(ATC Mask Region-based Conv... 详细信息

为解决复杂场景下空中交通管制员检测与分割精度低、鲁棒性差的问题,提出一种基于掩码区域卷积神经网络(Mask Region-based Convolutional Neural Networks, Mask R-CNN)的管制员图像分割模型ATC Mask R-CNN(ATC Mask Region-based Convolutional Neural Networks)。首先,构建管制员监控图像数据集(ATC Monitor Image Dataset, AMID)并用于模型训练、测试;其次,在主干网络中引入瓶颈注意力模块(Bottleneck Attention Module, BAM)以增强管制员特征提取,采取改进的柔性非极大值抑制算法(Soft Non-maximum Suppression, Soft-NMS)替代NMS算法进行候选框选取,提高对遮挡目标的检测分割;最后,基于AMID进行管制员图像分割试验。结果显示:ATC Mask R-CNN的精确率、召回率和平均精度分别为96.49%、95.62%和88.84%,表明了该方法的有效性。与Mask R-CNN相比,ATC Mask R-CNN有效降低了复杂场景的不利影响,更适用于管制员工作场景,可以为管制大厅安全管理自动化应用提供技术支撑。

关键词：安全工程智能视频监控复杂场景空中交通管制员实例分割

基于改进Event模型的多旋翼型eVTOL垂直间隔安全评估方法

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交通信息与安全 2024年第1期42卷 19-27页

作者：王兴隆王友杰中国民航大学空中交通管理学院天津300300

电动垂直起降飞行器(eVTOL)是1种新兴的交通工具,也是近年来研究的热点。受限于垂直定位精度低、穿越飞行风险隐患多等问题,eVTOL运行间隔标准难以确定,尚不具备实际应用条件。为探索该飞行器垂直间隔标准,针对多旋翼型eVTOL的底部较宽... 详细信息

电动垂直起降飞行器(eVTOL)是1种新兴的交通工具,也是近年来研究的热点。受限于垂直定位精度低、穿越飞行风险隐患多等问题,eVTOL运行间隔标准难以确定,尚不具备实际应用条件。为探索该飞行器垂直间隔标准,针对多旋翼型eVTOL的底部较宽、顶部逐渐变细的外形特性,改进了经典Event垂直碰撞模型,并提出了基于改进Event模型的多旋翼型eVTOL垂直间隔安全评估方法。该模型考虑了多旋翼型eVTOL的外形特征、导航精度、运行特点、定位误差、飞行速度特性及速度误差等因素,引入相对速度、侧向重叠概率、垂直重叠概率等计算模型参数,并将原长方体碰撞盒修正为圆台体碰撞盒,有效降低了计算冗余,提高了碰撞模型的精确性。以亿航216-S型多旋翼型eVTOL为例,计算了其在不同安全目标水平和不同导航精度下的最小垂直间隔,计算结果表明:①安全目标水平与导航精度的降低,都会导致最小垂直间隔的减少;②当安全目标水平为1×10^(-6)次/飞行小时且导航精度为RNP10时,最小垂直间隔可缩小至11 m;③当导航精度为RNP10且垂直间隔为11 m时,基于改进Event模型计算的碰撞风险比原模型降低了24.78%。研究结果表明,在计算多旋翼型eVTOL的碰撞风险中,引入圆台体碰撞盒的垂直间隔安全评估方法更加精确合理,能够为多旋翼型eVTOL垂直间隔标准制定提供理论支持。

关键词：飞行器运行安全多旋翼型eVTOL 垂直间隔碰撞风险模型安全目标水平

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考虑城市低空风场的小型无人机路径规划方法

北京航空航天大学学报 2024年

作者：赵嶷飞谷瑞嘉任新惠中国民航大学空中交通管理学院中国民航大学经济与管理学院

随着无人机在城市物流配送中的广泛应用，无人机航路运行安全逐渐引发关注。针对城市风场引发的无人机安全与效率问题，结合物流无人机运行特点，使用计算流体力学方法估计城市风场，从飞行安全、无人机速度变化、建筑物周边湍流区等角... 详细信息

随着无人机在城市物流配送中的广泛应用，无人机航路运行安全逐渐引发关注。针对城市风场引发的无人机安全与效率问题，结合物流无人机运行特点，使用计算流体力学方法估计城市风场，从飞行安全、无人机速度变化、建筑物周边湍流区等角度分析风场对无人机影响，构建路径规划模型，并提出改进的Theta*求解算法。以深圳市龙岗区中心商务区为研究场景，基于历史主导风进行城市风场仿真，划设飞行风险区与障碍物影响范围，并使用所提方法在不同风场中规划无人机航路。结果显示，构建的路径规划模型有效识别了空域内的高风速区与湍流区，在考虑风场对无人机速度影响并避开飞行禁区的基础上，相比于以最小化距离为目标的无人机航路降低了9.27%的飞行时间；所提算法则在航路距离与飞行时间优于传统算法的同时，减少了31.78%的拐点数量与62.63%的计算时间。

关键词：无人机城市风场路径规划物流配送城市空中交通

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基于时间间隔标准的尾流安全评估分析方法

安全与环境学报 2024年第4期24卷 1246-1254页

作者：魏志强朱续辉中国民航大学空中交通管理学院天津300300

科学地优化飞机间尾流间隔是提升机场吞吐量的重要举措,确保安全是尾流间隔实施的首要前提。首先,基于大涡模拟试验数据,对经典的两阶段消散模型(Wake Two-Stage Decay Model,D2P)模型进行改进,创建顶风对尾涡环量衰减的影响模型。然后... 详细信息

科学地优化飞机间尾流间隔是提升机场吞吐量的重要举措,确保安全是尾流间隔实施的首要前提。首先,基于大涡模拟试验数据,对经典的两阶段消散模型(Wake Two-Stage Decay Model,D2P)模型进行改进,创建顶风对尾涡环量衰减的影响模型。然后,针对基于时间间隔(Time-Based Separation,TBS)未考虑顶风会影响尾涡移动和尾涡环量衰减,通过转化为飞机地速和构建改进D2P模型深刻分析两因素对尾涡遭遇严重度的影响。最后,计算实施TBS时不同风速不同机型组合对应的最小尾流间隔,并综合分析对应间隔的尾涡遭遇严重度。结果表明:虽然TBS未考虑顶风对尾涡移动和环量衰减的影响,但可以确保前后机安全性;在顶风8 m/s应用TBS方案时,各机型组合的尾涡遭遇严重度约为静风时的30%。TBS安全地缩减了顶风时的尾流间隔。

关键词：安全工程时间间隔(TBS) 尾涡环量衰减顶风影响尾涡遭遇严重度尾流间隔