基于Petri網(wǎng)的A-SMGCS航空器滑行路由與沖突監(jiān)控理論研究.pdf

1、建立空地一體化的空中交通管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫隙空管運(yùn)行，是新一代民用航空運(yùn)輸系統(tǒng)的戰(zhàn)略目標(biāo)之一。先進(jìn)場(chǎng)面活動(dòng)引導(dǎo)和控制系統(tǒng)(Advanced Surface Movement Guidance andControl Systems，A-SMGCS)通過(guò)監(jiān)視場(chǎng)面活動(dòng)目標(biāo)（航空器和車(chē)輛）并展開(kāi)管制決策，可支持實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)范圍內(nèi)的無(wú)縫隙運(yùn)行，將在未來(lái)空管系統(tǒng)中扮演重要角色。在A-SMGCS模塊化實(shí)施方案中，滑行路由模塊為活動(dòng)目標(biāo)提供無(wú)沖突滑行軌跡，

2、沖突監(jiān)控模塊防止活動(dòng)目標(biāo)違背場(chǎng)面運(yùn)行管制規(guī)則，因而成為A-SMGCS的關(guān)鍵核心模塊。但目前A-SMGCS滑行路由和沖突監(jiān)控研究多針對(duì)特定機(jī)場(chǎng)展開(kāi)，缺乏通用性理論。鑒于此，本文建立了人在環(huán)路的A-SMGCS場(chǎng)面運(yùn)行遞階控制結(jié)構(gòu)，將滑行路由和沖突監(jiān)控集中到統(tǒng)一的層次化結(jié)構(gòu)中，并引入Petri網(wǎng)建模理論和分析方法對(duì)它們分別展開(kāi)研究，形成了較為系統(tǒng)、完善的A-SMGCS滑行路由與沖突監(jiān)控理論，為A-SMGCS實(shí)施提供具有通用性的理論指導(dǎo)。本文主

3、要研究工作包括:
　　提出了包含“滑行路徑初始規(guī)劃”、“滑行路由動(dòng)態(tài)指派”、“滑行路由實(shí)時(shí)更新”三個(gè)階段的滑行路由規(guī)劃?rùn)C(jī)制，并對(duì)各個(gè)階段分別進(jìn)行場(chǎng)面運(yùn)行建模和相應(yīng)的路由規(guī)劃算法研究，建立了A-SMGCS滑行路由理論。其中，滑行路徑初始規(guī)劃階段，在劃分場(chǎng)面活動(dòng)區(qū)典型運(yùn)行單元的基礎(chǔ)上，提出了一種場(chǎng)面運(yùn)行單元擴(kuò)展賦時(shí)庫(kù)所Petri網(wǎng)(Extended Timed Place Petri Net，ETPPN)，建立了場(chǎng)面ETPPN模型，并

4、給出了基于該模型的滑行路徑初始規(guī)劃方法。場(chǎng)面ETPPN模型庫(kù)所定義了對(duì)應(yīng)場(chǎng)面單元的管制規(guī)則約束，避免了以往活動(dòng)區(qū)節(jié)點(diǎn)-路段類(lèi)模型對(duì)管制規(guī)則約束描述能力的不足，并引入重構(gòu)機(jī)制實(shí)現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)時(shí)體現(xiàn)場(chǎng)面運(yùn)行條什的變化，以支持基于該模型進(jìn)行初始路徑規(guī)劃的可持續(xù)性。然后利用遺傳算法并采用ETPPN模型中的變遷激發(fā)序列編碼染色體，設(shè)計(jì)了染色體合法性檢測(cè)與修復(fù)算法，以保證所得初始滑行路徑的實(shí)用性，最終實(shí)現(xiàn)滑行路徑的初始規(guī)劃，為航班場(chǎng)面滑行

5、提供多條備選的初始路徑。
　　滑行路由動(dòng)態(tài)指派階段，提出一種場(chǎng)面運(yùn)行時(shí)間窗約束Petri網(wǎng)(Time Windows ConstraintPetri Net, TWCPN)并用于建立場(chǎng)面TWCPN模型，基于該模型給出了一種滑行路由動(dòng)態(tài)指派方法，實(shí)現(xiàn)新加入場(chǎng)面運(yùn)行航班的滑行路由指派，同時(shí)調(diào)整其它正在滑行航班的路由。場(chǎng)面TWCPN模型庫(kù)所定義了對(duì)應(yīng)的單元占用時(shí)間窗，可以準(zhǔn)確描述航空器滑行對(duì)交叉口單元的階段性占用過(guò)程。在該模型基礎(chǔ)上，以

6、實(shí)現(xiàn)路由規(guī)劃階段的沖突避免為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了模型行為演變算法并求解得到可行滑行路由;然后采用單親遺傳算法，用可行滑行路由編碼染色體，以最小化航班滑行成本為目標(biāo)，求解最優(yōu)或次優(yōu)滑行路由并完成滑行路由動(dòng)態(tài)指派，避免了以往基于場(chǎng)面運(yùn)行運(yùn)籌學(xué)模型一味追求最優(yōu)解、參數(shù)多且求解復(fù)雜，難以滿足實(shí)時(shí)場(chǎng)面運(yùn)行的缺陷。
　　滑行路由實(shí)時(shí)更新階段，分析了場(chǎng)面運(yùn)行不確定性特征，并提山一種集成場(chǎng)面態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)的滑行路由實(shí)時(shí)更新方法，然后依據(jù)該方法針對(duì)航班滑行軌跡相

7、對(duì)于指派路由推遲占用某一場(chǎng)面運(yùn)行單元的情形，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的路由更新算法。所給滑行路由實(shí)時(shí)更新方法，將優(yōu)化與反饋結(jié)合，采用實(shí)時(shí)獲取的場(chǎng)面態(tài)勢(shì)信息來(lái)驅(qū)動(dòng)路由更新，并利用針對(duì)不同情形設(shè)計(jì)的路由更新算法完成滑行路由實(shí)時(shí)更新。在路由更新算法設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)A-SMGCS監(jiān)測(cè)到航班結(jié)束對(duì)某一場(chǎng)面運(yùn)行單元的占用，以及A-SMGCS監(jiān)測(cè)到場(chǎng)面運(yùn)行的各種不確定情形，分別采用常態(tài)路由更新算法和非常態(tài)路由更新算法進(jìn)行路由更新，克服了以往每隔一個(gè)固定時(shí)段才更新滑行路

8、由，難以實(shí)時(shí)應(yīng)對(duì)場(chǎng)面各種不確定事件的不足。
　　提出了基于虛擬單元?jiǎng)澐趾头稚f(xié)調(diào)的沖突監(jiān)控機(jī)制，給出了實(shí)現(xiàn)該機(jī)制的滑行沖突閉環(huán)控制框架，并對(duì)框架中的沖突預(yù)測(cè)與避免、沖突探測(cè)與解脫進(jìn)行實(shí)施方案、場(chǎng)面運(yùn)行建模和控制器設(shè)計(jì)研究，最終建立了A-SMGCS沖突監(jiān)控理論。其中，滑行沖突預(yù)測(cè)與避免方面，提出了一種基于離散事件監(jiān)控理論的沖突預(yù)測(cè)與避免實(shí)施方案，并給出了該方案中的場(chǎng)面運(yùn)行過(guò)程離散建模方法，以及對(duì)頭沖突預(yù)測(cè)與避免控制器的設(shè)計(jì)方法。在建

9、模場(chǎng)面運(yùn)行離散過(guò)程時(shí)，基于已劃分的活動(dòng)區(qū)典型運(yùn)行單元，采用受控Petri網(wǎng)對(duì)其建模得到活動(dòng)區(qū)受控Petri網(wǎng)模型，其控制庫(kù)所可體現(xiàn)外界對(duì)場(chǎng)面運(yùn)行的控制作用，然后采用航空器后續(xù)滑行路徑對(duì)模型中托肯著色，以描述航空器的滑行意圖，從而最終得到場(chǎng)面運(yùn)行受控著色Petri網(wǎng)模型（Controlled Color Petri Net，CCPN）。進(jìn)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，并在與其相關(guān)的子模型中，依據(jù)面向沖突類(lèi)型

10、、基于產(chǎn)生式規(guī)則的沖突預(yù)測(cè)與避免控制器設(shè)計(jì)方法，提出了對(duì)頭沖突預(yù)測(cè)與避免控制器設(shè)計(jì)算法，克服了以往基于路由規(guī)劃提前避免滑行沖突，難以直接控制場(chǎng)面事件的不足。
　　滑行沖突探測(cè)和解脫方面，提出了一種基于混雜模型的沖突探測(cè)與解脫實(shí)施方案，并給出了該方案中的場(chǎng)面運(yùn)行過(guò)程混雜建模方法，以及交叉口沖突探測(cè)與解脫控制器的設(shè)計(jì)方法。定義一種擴(kuò)展混雜Petri網(wǎng)(Extended Hybrid Petri Net, EHPN)，建立場(chǎng)面EHPN模