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基于Petri网的A-SMGCS航空器滑行路由与冲突监控理论研究

作　者: 朱新平
导　师: 韩松臣
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 交通运输规划与管理
关键词: 空中交通管制机场 A-SMGCS 滑行路由冲突监控 Petri网
分类号: V355.1
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

建立空地一体化的空中交通管理系统，实现无缝隙空管运行，是新一代民用航空运输系统的战略目标之一。先进场面活动引导和控制系统（Advanced Surface Movement Guidance andControl Systems，A-SMGCS）通过监视场面活动目标（航空器和车辆）并展开管制决策，可支持实现机场范围内的无缝隙运行，将在未来空管系统中扮演重要角色。在A-SMGCS模块化实施方案中，滑行路由模块为活动目标提供无冲突滑行轨迹，冲突监控模块防止活动目标违背场面运行管制规则，因而成为A-SMGCS的关键核心模块。但目前A-SMGCS滑行路由和冲突监控研究多针对特定机场展开，缺乏通用性理论。鉴于此，本文建立了人在环路的A-SMGCS场面运行递阶控制结构，将滑行路由和冲突监控集中到统一的层次化结构中，并引入Petri网建模理论和分析方法对它们分别展开研究，形成了较为系统、完善的A-SMGCS滑行路由与冲突监控理论，为A-SMGCS实施提供具有通用性的理论指导。本文主要研究工作包括：提出了包含“滑行路径初始规划”、“滑行路由动态指派”、“滑行路由实时更新”三个阶段的滑行路由规划机制，并对各个阶段分别进行场面运行建模和相应的路由规划算法研究，建立了A-SMGCS滑行路由理论。其中，滑行路径初始规划阶段，在划分场面活动区典型运行单元的基础上，提出了一种场面运行单元扩展赋时库所Petri网(Extended Timed Place Petri Net, ETPPN)，建立了场面ETPPN模型，并给出了基于该模型的滑行路径初始规划方法。场面ETPPN模型库所定义了对应场面单元的管制规则约束，避免了以往活动区节点-路段类模型对管制规则约束描述能力的不足，并引入重构机制实现模型结构的动态调整，实时体现场面运行条件的变化，以支持基于该模型进行初始路径规划的可持续性。然后利用遗传算法并采用ETPPN模型中的变迁激发序列编码染色体，设计了染色体合法性检测与修复算法，以保证所得初始滑行路径的实用性，最终实现滑行路径的初始规划，为航班场面滑行提供多条备选的初始路径。滑行路由动态指派阶段，提出一种场面运行时间窗约束Petri网（Time Windows ConstraintPetri Net,TWCPN）并用于建立场面TWCPN模型，基于该模型给出了一种滑行路由动态指派方法，实现新加入场面运行航班的滑行路由指派，同时调整其它正在滑行航班的路由。场面TWCPN模型库所定义了对应的单元占用时间窗，可以准确描述航空器滑行对交叉口单元的阶段性占用过程。在该模型基础上，以实现路由规划阶段的冲突避免为目标，设计了模型行为演变算法并求解得到可行滑行路由；然后采用单亲遗传算法，用可行滑行路由编码染色体，以最小化航班滑行成本为目标，求解最优或次优滑行路由并完成滑行路由动态指派，避免了以往基于场面运行运筹学模型一味追求最优解、参数多且求解复杂，难以满足实时场面运行的缺陷。滑行路由实时更新阶段，分析了场面运行不确定性特征，并提出一种集成场面态势监测的滑行路由实时更新方法，然后依据该方法针对航班滑行轨迹相对于指派路由推迟占用某一场面运行单元的情形，设计了对应的路由更新算法。所给滑行路由实时更新方法，将优化与反馈结合，采用实时获取的场面态势信息来驱动路由更新，并利用针对不同情形设计的路由更新算法完成滑行路由实时更新。在路由更新算法设计时，针对A-SMGCS监测到航班结束对某一场面运行单元的占用，以及A-SMGCS监测到场面运行的各种不确定情形，分别采用常态路由更新算法和非常态路由更新算法进行路由更新，克服了以往每隔一个固定时段才更新滑行路由，难以实时应对场面各种不确定事件的不足。提出了基于虚拟单元划分和分散协调的冲突监控机制，给出了实现该机制的滑行冲突闭环控制框架，并对框架中的冲突预测与避免、冲突探测与解脱进行实施方案、场面运行建模和控制器设计研究，最终建立了A-SMGCS冲突监控理论。其中，滑行冲突预测与避免方面，提出了一种基于离散事件监控理论的冲突预测与避免实施方案，并给出了该方案中的场面运行过程离散建模方法，以及对头冲突预测与避免控制器的设计方法。在建模场面运行离散过程时，基于已划分的活动区典型运行单元，采用受控Petri网对其建模得到活动区受控Petri网模型，其控制库所可体现外界对场面运行的控制作用，然后采用航空器后续滑行路径对模型中托肯着色，以描述航空器的滑行意图，从而最终得到场面运行受控着色Petri网模型（Controlled Color Petri Net, CCPN）。进一步基于滑行道CCPN模型提出了航空器最小可控滑行路段的概念，并在与其相关的子模型中，依据面向冲突类型、基于产生式规则的冲突预测与避免控制器设计方法，提出了对头冲突预测与避免控制器设计算法，克服了以往基于路由规划提前避免滑行冲突，难以直接控制场面事件的不足。滑行冲突探测和解脱方面，提出了一种基于混杂模型的冲突探测与解脱实施方案，并给出了该方案中的场面运行过程混杂建模方法，以及交叉口冲突探测与解脱控制器的设计方法。定义一种扩展混杂Petri网（Extended Hybrid Petri Net, EHPN），建立场面EHPN模型。该模型中控制库所可体现外界对场面运行的控制作用，而定义在一般库所上的外界环境同步事件以及定义在有向弧上的变迁强制使能条件，则实现了对场面运行混杂状态的实时跟踪。基于所建交叉口EHPN模型，设计了交叉口滑行冲突探测与解脱控制器，通过离散性预警条件和连续性预警条件设计，减少虚警和误警出现的概率，并采用交叉口停止排灯来执行控制器决策的冲突解脱指令，可以直接引导飞行员操纵航空器滑行。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-15
注释表  15-18
缩略词  18-19
第一章绪论  19-32
  1.1 研究背景和意义  19-20
  1.2 国内外研究现状分析  20-27
    1.2.1 A-SMGCS 航空器滑行路由研究现状  20-25
    1.2.2 A-SMGCS 航空器冲突监控研究现状  25-27
  1.3 论文研究内容和技术路线  27-31
    1.3.1 研究内容  27-30
    1.3.2 技术路线  30-31
  1.4 本章小结  31-32
第二章 A-SMGCS 航空器滑行路由与冲突监控机制设计  32-41
  2.1 引言  32
  2.2 A-SMGCS 功能及场面运行特征  32-33
  2.3 A-SMGCS 航空器滑行路由  33-36
    2.3.1 滑行路由问题特征分析  33-34
    2.3.2 A-SMGCS 滑行路由机制设计  34-36
  2.4 A-SMGCS 航空器冲突监控  36-38
    2.4.1 冲突监控问题特征分析  36
    2.4.2 A-SMGCS 冲突监控机制设计  36-38
  2.5 人在环路的 A-SMGCS 场面运行多层递阶控制结构  38-40
  2.6 本章小结  40-41
第三章基于赋时库所 Petri 网的 A-SMGCS 航空器滑行路径初始规划  41-59
  3.1 引言  41
  3.2 场面活动区建模  41-46
    3.2.1 活动区运行单元划分  41-42
    3.2.2 活动区运行单元建模  42-46
  3.3 航空器滑行属性建模  46-47
  3.4 场面运行模型的重构  47-51
    3.4.1 模型重构算法  47-50
    3.4.2 模型重构算例  50-51
  3.5 初始路径规划方法与算法设计  51-58
    3.5.1 初始路径规划方法  51-52
    3.5.2 基于 GA 的初始路径规划算法  52-54
    3.5.3 初始路径规划算例  54-58
  3.6 本章小结  58-59
第四章基于时间窗约束 Petri 网的 A-SMGCS 航空器滑行路由动态指派  59-72
  4.1 引言  59
  4.2 问题描述  59-61
  4.3 场面运行时间窗约束 Petri 网模型  61-63
    4.3.1 模型构造算法  61-62
    4.3.2 变迁使能与激发规则  62-63
  4.4 基于模型行为演变的可行路由求解  63-64
  4.5 基于改进单亲遗传算法的合理路由求解  64-67
  4.6 仿真试验  67-71
    4.6.1 仿真试验设计  67
    4.6.2 试验结果分析  67-71
  4.7 本章小结  71-72
第五章动态不确定环境下 A-SMGCS 航空器滑行路由实时更新  72-83
  5.1 引言  72
  5.2 问题描述与场面运行不确定性特征分析  72-74
    5.2.1 问题描述  72-73
    5.2.2 场面运行不确定性特征分析  73-74
  5.3 滑行路由实时更新方法  74-75
  5.4 航班滑行时间延迟时的路由实时更新  75-82
    5.4.1 局部滑行场景建模  75-77
    5.4.2 局部滑行路由更新  77-80
    5.4.3 算例分析  80-82
  5.5 本章小结  82-83
第六章基于受控着色 Petri 网的 A-SMGCS 航空器滑行冲突预测与避免  83-103
  6.1 引言  83
  6.2 A-SMGCS 航空器滑行冲突预测与避免实施方案  83-86
  6.3 场面运行过程离散建模方法  86-93
    6.3.1 活动区运行建模  87-90
    6.3.2 场面运行受控着色 Petri 网模型  90-93
  6.4 运转区滑行道冲突预测与避免  93-101
    6.4.1 滑行道运行模型  94-95
    6.4.2 滑行道对头冲突控制器设计  95-99
    6.4.3 算例分析  99-101
  6.5 本章小结  101-103
第七章基于扩展混杂 Petri 网的 A-SMGCS 航空器滑行冲突探测与解脱  103-119
  7.1 引言  103
  7.2 A-SMGCS 航空器滑行冲突探测与解脱实施方案  103-105
  7.3 场面运行过程混杂建模方法  105-109
    7.3.1 扩展混杂 Petri 网  105-107
    7.3.2 场面运行混杂建模算例  107-109
  7.4 滑行道交叉口冲突探测与解脱  109-117
    7.4.1 交叉口冲突探测与解脱控制器设计  109-112
    7.4.2 交叉口冲突探测与解脱仿真试验  112-117
  7.5 本章小结  117-119
第八章总结与展望  119-121
  8.1 论文的创新点  119-120
  8.2 工作展望  120-121
参考文献  121-129
致谢  129-130
在学期间的研究成果及发表的学术论文  130-132
附录  132-148

基于Petri网的A-SMGCS航空器滑行路由与冲突监控理论研究

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