CN101694752B - 空域运行仿真中冲突的自动检测和调解系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空域运行仿真中冲突的自动检测和调解系统，包括：空域状态预先仿真模块，用于预测在未来一段时间内仿真空域的运行情况；冲突探测模块，用于探测某个时间点空域内飞行流的冲突情况；冲突调解模块，用于在规定允许的调解时间余量内调解已经探测到的飞行冲突；本系统实现了空域仿真运行中飞行冲突的自动检测和处理，算法简单，并可使得空域仿真更加贴近空域的实际运行情况，为空域运行的科学评估、科学规划提供辅助决策手段。

Description

空域运行仿真中冲突的自动检测和调解系统及方法

技术领域

本发明属空中交通管理技术领域，具体涉及一种空域仿真运行过程中的飞行冲突的自动检测和调解系统及方法。

背景技术

目前，我国各种空管新技术的应用层出不穷。雷达管制手段的逐步推进，数据链通信技术的普及应用，自动相关监视(Automatic DependentSurveillance Broadcast，简称ADS-B)技术的推广使用等，无不推动我国空管系统朝着更为有效、更为强大的方向发展。

民航运输的快速发展，奥运空域保障的需要以及空管新技术的应用，使得空域结构复杂化，对空域提出了更大的需求。进行空域的科学规划，合理使用空域资源是提高空域利用率、增大空域容量的主要途径。而对空域的运行状况进行仿真，模拟全国或某一区域的空域运行情况，定量计算空域资源使用的瓶颈，测试空域规划的结果、检验对飞行矛盾解决的情况，并进一步进行科学的评估和论证，是进行空域设计和规划重要的辅助工具和手段。

在现实环境中，飞机的飞行是在管制员的监视和干预下进行的。管制员实时收集军民航各单位对于空域的使用申请，并通过对当前空中交通态势的把握和对未来一段时间内的空中态势的主观判断，进行冲突探测并采取干预措施实施控制，从而达到规避风险、保证安全的目的。在虚拟环境下，要达到贴近实际的仿真效果，必须对管制员这一角色进行抽象，模拟其在不同环境下的思考方式、判断行为和发出的指令，来构建一个逼近真实管制员的“虚拟管制员”，通过其自主判断和行为来探测并化解空中交通冲突。同时，利用专家系统技术，通过建立管制规则库，逼近模拟管制员探测、化解空中交通冲突的行为。

国外航空运输比较发达的国家在空域管理方面都研究开发了空域管理和辅助设计系统，对空域的开发和管理方案进行科学、充分的评估和论证，以合理地利用有限的空域资源。由欧洲研制开发的Reorganized ATCMathematical Simulator(RAMS)系统，根据机型的4维航迹精确计算，冲突检测和仿真，3维空域划设构建和比较同一共享空域内的4维信息，动态的协调管制、流量和空域的冲突；由澳大利亚开发的Total Airspace andAirport Modeler(TAAM)系统具有先进的数据预处理技术，3D图形与仿真技术，机场运行、终端区和ATC扇区容量评估，容量和流量控制，动态划设航路等功能；美国开发了一些全国空域系统(NAS)的仿真系统，来测验和推动流量管理的新方法和新系统，主要有FAA技术中心主持研发了SIMMOD系统，MITRE公司开发了TMAC系统，运筹学办公室开发了NASPAC系统，MIT开发的ASCENT系统，波音公司开发的TAAM系统等。其中ASCENT系统是麻省理工学院的Draper实验室的工作人员和研究生历时10年建立起来的，已被NASA采用来对空域和流量管理方法进行效益分析。这些系统的成功之处在于其对飞行过程中的随机因素的充分考虑和较为完善的空中交通管制逻辑，因此仿真效果比较贴近实际，经常被FAA用来进行空域和机场仿真。

近年来，我国军民航先后开发了一些以空域容量评估为主的空域仿真系统，例如，民航总局空中交通管理局投资建设的“空域管理与评估系统”采用理论仿真结合雷达模拟机的方法，对影响民用航空的各种要素进行了综合处理和建模，实现了机场、航路和单机场终端区的理论容量评估，并在一些大机场的容量评估和管制员工作负荷评估方面得到了成功的应用。同时目前国内也陆续开发出更符合实际应用的空域运行仿真飞行流生成系统(如中国专利申请：200910085829.5“一种空域运行仿真中飞行流引擎的实现系统及方法”)，以及空域运行仿真4D航迹推算系统(如中国专利申请200910078451.6“航班推演系统和方法”，和200910076686.1“083163GF飞行流样本数据的获取方法”)。

在仿真飞行流形成系统和仿真航迹推算系统的基础上，进一步地还可对空域运行仿真中可能出现的冲突进行检测和干预，现有的这方面技术存在解脱算法(如最优控制理论方法)计算复杂度高、调解方案执行繁琐的缺陷，不能适应大规模空域实时仿真的要求。

发明内容

本发明的目的是在现有空域运行仿真系统中已形成的航班仿真流以及航班4D航迹推算数据的基础上，提供一种算法简单、并可更加贴近真实的空域运行情况的空域运行仿真中冲突的自动检测和调解系统及方法。

为实现上述目的，本发明提出的空域运行仿真中冲突的自动检测和调解系统包括：

空域状态预先仿真模块，用于预测在未来一段时间内仿真空域的运行情况；

冲突探测模块，用于根据空域状态预先仿真模块预测的未来一段时间内仿真空域的运行情况数据探测某个时间点空域内飞行流的冲突情况；

冲突调解模块，用于根据冲突探测模块的探测结果在规定允许的调解时间余量内调解已经探测到的飞行冲突。

所述的空域状态仿真模块是根据已知的仿真航班流数据和仿真4D航迹推算数据预测未来一段时间内仿真空域的运行情况的。

进一步方案是：所述冲突调解模块具体包括：

高度调整冲突调解单元，用于调整飞行器的巡航高度层来调解飞行冲突；

速度调整冲突调解单元，用于调整飞行器的巡航速度来调解飞行冲突；

盘旋等待冲突调解单元，用于使飞行器盘旋等待一段时间后来调解飞行冲突。

本发明空域运行仿真中冲突的自动检测和调解方法包含下述内容：

预测在未来一段时间内仿真空域的运行情况；

根据未来一段时间内仿真空域的运行情况探测某个时间点空域内飞行流的冲突情况；

根据探测到的飞行流冲突情况在规定允许的调解时间余量内调解已经探测到的飞行冲突。

本发明方法的进一步方案是：

所述预测在未来一段时间内仿真空域的运行情况的方法是：采用离散仿真的方法预测未来一段时间内空域的运行状况，先设定仿真刷新时间以及连续预测次数两个变量，以确定系统预先仿真的时间量“仿真刷新时间*连续预测次数”，定义一个维数为连续预测次数的空域状态循环数组，每个数组项中保存有当前空域中运行的飞行器对象，循环数组中每一个数据项都比其之后的数据项增加仿真刷新时间的时间量，根据当前空域中飞行器的运行状况增加或删除更新飞行器对象，或者根据冲突调解方案进行调整。

所述探测某个时间点空域内飞行流的冲突情况的方法是：假定飞行器在巡航过程中始终位于RVSM指定的高度层上，因此飞行冲突探测仅在同高度层进行，判断的标准是用动态的Delaunay图判断某个时刻两架飞行器的水平距离是否小于指定距离间隔标准；

所述调解已经探测到的飞行冲突的方法是：首先为冲突飞机建立冲突图，图中的点代表探测到飞行冲突的飞行器，边代表两飞行器之间探测到了冲突，每次选择节点度最大的飞行器作为调解对象；设计了调高、盘旋、调速三种调解方案，并设定三种调解方案使用的优先级，按优先级顺序使用调解方案调解冲突，冲突调解成功后，即将该飞行器从冲突图中删除，继续选择节点度最大的飞行器调解直到冲突图中没有节点。

上述系统和方法是在已有的空域运行仿真飞行流生成系统和空域运行仿真4D航迹推算系统的基础上，针对一些现有的冲突检测和解脱算法(如最优控制理论方法)计算复杂度高、调解方案执行繁琐的缺陷，在满足飞行器性能约束、空中交通管制规则和一定的管制员行为偏好的基础上，提出了一种基于几何最优的、离散的、确定型的冲突检测和调解系统，该系统和方法具有算法运算复杂度低的优势，能够满足大规模空域实时仿真对算法复杂度的要求。非常适合在全国空域仿真中对飞行冲突的自动检测和调解。

本发明可在虚拟空域仿真环境中，实现空域仿真运行中飞行冲突的自动检测和处理，使得空域仿真更加贴近空域的实际运行情况，为空域运行的科学评估、科学规划奠定基础，并提供更加可行的辅助决策手段。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1、本发明系统实施例方框示意图

图2、图1所示冲突调节模块方框示意图

图3、为空域状态预先仿真模块提供数据的飞行流引擎模块流程图

图4、为空域状态预先仿真模块提供数据的4D航迹推算模块流程图

图5、图1所示空域状态预先仿真模块流程图

图6、图1所示冲突探测模块流程图

图7、图1所示冲突调解模块流程图

图8、图1所示高度调整冲突调解单元流程图

图9、图1所示盘旋等待冲突调解单元流程图

图10、图1所示速度调整冲突调解单元流程图

具体实施方式

本实施例是一种空域运行仿真中冲突的自动检测和调解系统。

现有空域运行仿真系统，已有空域运行仿真飞行流生成系统和空域运行仿真4D航迹推算系统，其中仿真飞行流生成系统可生成类似航班时刻表的数据，主要包括航班的起飞目的机场、起飞降落时间、飞行器型号，并生成起降机场、起飞时间、机型等信息汇总形成的模拟航班流；空域运行仿真4D航迹推算系统是在给定“航班时刻表”的情况下，推算出航班中间运行的轨迹，包括中间各个时刻，飞机的位置、高度、速度、加速度、航向信息，本系统是在上述数据基础上，进一步在虚拟空域仿真环境中，对管制员这一角色进行抽象构建“虚拟管制员”，在掌握当前空域交通态势和未来一段时间内空域仿真态势的基础上，模仿真实管制员的行为，自动进行仿真空域内的冲突检测，并在满足飞行器性能约束、空中交通管制规则和一定的管制员行为偏好的基础上自动采取干预措施化解仿真空域中的冲突，实现空域仿真运行中飞行冲突的自动检测和处理，

参见图1，本系统包括：

空域状态预先仿真模块，用于根据飞行流引擎模块提供的仿真航班流数据和4D航迹推算模块提供的仿真航迹推算数据预测在未来一段时间内仿真空域的运行情况；

冲突探测模块，用于根据空域状态预先仿真模块预测的数据探测某个时间点空域内飞行流的冲突情况；

冲突调解模块，用于根据冲突探测模块的探测结果在规定允许的调解时间余量内调解已经探测到的飞行冲突；

图2所示的是冲突调解模块的结构图，包括：

高度调整冲突调解单元，用于调整飞行器的巡航高度层来调解飞行冲突；

速度调整冲突调解单元，用于调整飞行器的巡航速度来调解飞行冲突；

盘旋等待冲突调解单元，用于使飞行器盘旋等待一段时间后来调解飞行冲突。

图3是为空域状态预先仿真模块提供数据的飞行流引擎模块工作流程图；该模块的主要工作流程包含下述内容：

确定航班流的要素信息，分析各要素的分布特征，确定相应的数据概率模型；

根据航班流要素数据概率模型统计现行航班计划中各要素的取值情况，确定分布参数；

根据统计得到的数据分别建立现行航班计划中各要素的概率分布模型；并综合形成航班流建模模型。

在航班流要素建模模型基础上依据用户输入的仿真流流量等引擎条件求解，随机生成符合用户需求的航班流。

图4是为空域状态预先仿真模块提供数据的4D航迹推算模块工作流程图，包含下述步骤：

步骤1、获取推演时间点的航班对象集合；

步骤2、判断集合中是否还有未处理的航班对象；

步骤3、获取航班对象的当前状态包括航班号、航空器型号、巡航速度、航线、位置信息、飞行航向信息和航班状态；

步骤4、根据航空器型号获取航空器性能信息，根据航线获取下一飞行航路；

步骤5、根据航班对象的当前状态和航空器性能推演出下一推演时间点的航班动态；

步骤6、存储下一推演时间点的航班对象集合。

图5所示的是空域状态预先仿真模块工作流程图，具体包括：

步骤301，设定系统更新时间步长tStep，和循环状态数组AirspaceStatus的维数nStatus。由于本系统是离散仿真系统，所以必须设定系统的刷新率tStep，也即是说每隔tStep的时间间隔更新一次空域的状态，而由于是预先仿真，所以必须在系统中保存几个连续系统刷新点空域的状态，连续刷新点的个数即为nStatus，也就是说系统预先仿真了tStep*nStatus时间内空域的状态；

步骤302，建立循环状态数组AirspaceStatus，用于保存在nStatus个连续系统刷新点空域的状态；

步骤303，设i＝0，time＝0，i为系统当前刷新过的步数，time为系统当前仿真的时间；

步骤304，判断是否i＜nStatus，如为真表示状态数组AirspaceStatus正在初始化阶段，转步骤305，如为假则空域仿真处于运行阶段，转步骤310；

步骤305，判断是否i＝0，如为真则整个AirspaceStatus数组状态为空，是空域第一次初始化，转到步骤308；

步骤306，拷贝AirspaceStatus[i-1]中的飞行器对象到AirspaceStatus[i]中；

步骤307，依据仿真航迹推算数据和当前时间time更新AirspaceStatus[i]中的飞行器状态信息，下转308；

步骤308，使用仿真航班流数据选择在time时刻进入仿真空域的飞行器对象加入AirspaceStatus[i]，下转309；

步骤309，设i＝i+1，time＝i*tStep；

步骤310，拷贝AirspaceStatus[(i-1)mod nStatus]中的飞行器对象到AirspaceStatus[i mod nStatus]中，由于AirspaceStatus为循环数组，在仿真运行中最多只记录连续nStatus个系统刷新点空域的状态，所以需要对i取模来进行循环利用；

步骤311，使用4D航迹推测模块的接口，根据time更新AirspaceStatus[i mod nStatus]中的飞行器状态信息；

步骤312，删除AirspaceStatus[i mod nStatus]中达到终结状态的飞行器对象；

步骤313，使用仿真航班流数据选择在time时刻进入仿真空域的飞行器对象加入AirspaceStatus[i mod nStatus]，下转314；

步骤314，使用冲突探测模块，对AirspaceStatus[i mod nStatus]中飞行冲突进行检测，并使用冲突调解模块在整个状态数组中予以解决，系统预先仿真的时间为tStep*nStatus，这个时间同时也是系统预留的冲突调解的时间余量，探测到的飞行冲突必须在tStep*nStatus时间内得以调解，否则将认为调解失败；

步骤315，设i＝i+1，time＝i*tStep；

步骤316，判断time是否达到仿真终止时刻，如为假则转步骤304，如为真则结束。

飞行器的保护区采用ATC(Air Traffic Control，简称ATC)标准，为一个以飞行器为中心的虚拟的竖直圆柱体，圆柱体半径为2.5海里，高度为2000英尺，任何一架飞行器的保护区进入到另一架飞行器的保护区则认为发生了飞行冲突。由于本仿真系统假定飞行器在巡航过程中，始终位于RVSM(Reduced Vertical Separation Minimum，简称RVSM)高度层中，所以巡航阶段飞行冲突的判断仅在同高度层进行。

传统的任意两飞机对距离判断的方法其算法复杂度为O(n²)，本例冲突探测模块采用了Delaunay图进行冲突检测，采用Delaunay图后冲突判断仅需要对Delaunay边进行，将判断局部化。构建Delaunay图最坏情况下算法的复杂度为O(n²)，而更新Delaunay图的算法复杂度仅为O(lg n)，这样就简化了在冲突检测上的运算，使得系统更加满足实时冲突探测和解脱的需要。首先需要明确Delaunay图的几个概念：

空圆：平面上内部没有顶点的圆；

Delaunay边：对于平面上给定一组生成点P生成的任意三角系T，若存在一个空圆过T中一条边的两个顶点，那么这条边为Delaunay边；

Delaunay图：对于平面上给定一组生成点P生成的任意三角系T，如果T中的每一条边都是Delaunay边，则T为Delaunay图。可以证明，如果在P中任意4点不共圆的情况下，生成的Delaunay图是唯一的；

flip操作：有公共边的三角形，将其看作一个四边形，公共边看作一条对角线，则当另一条对角线于该边交于边上，则可擦去这条对角线换成另一条，使原来的三角形对变成另一个三角形对。此过程称为flip操作；

拓扑事件：Delaunay图中的顶点在移动过程中，Delaunay图只发生两种类型的改变，一种是形状改变，但拓扑结构不发生变化，另一种是拓扑结构发生变化。使Delaunay图发生拓扑结构变化的顶点移动事件称为拓扑事件。

图6所示的是冲突探测模块的流程图，具体包括：

步骤401，设仿真时刻time＝0，仿真更新步长为tStep；

步骤402，根据当前全国空域飞行器的位置构建Delaunay图，对每个高度层单独构建平面Delaunay图；

步骤403，对于每一个以Delaunay边为公共边的三角对，初始化拓扑事件，按时间顺序加入事件队列eventQueue；

步骤404，对于每个Delaunay边判断其是否小于安全距离，如有则转步骤405，如无则转步骤407；

步骤405，将冲突飞机对传入冲突调解模块进行冲突调解；

步骤406，删除调解过的飞机对应的拓扑事件，重新计算后按时间顺序插入eventQueue，由于飞行器的飞行状态在调解前后发生了改变，其对应的拓扑事件也会发生变化，所以需要重新计算；

步骤407，更新空域内飞行器的位置，重新计算各Delaunay边的长度；

步骤408，判断当前时间是否有eventQueue事件，有则转步骤409；

步骤409，对拓扑事件对应的三角形对执行flip操作来更新Delaunay图，实现Delaunay图的拓扑结构更新；

步骤410，当前时间飞行流生成模块是否有新的飞行器生成进入仿真空域，有则需要在Delaunay图中增加一个顶点并相应执行更新，转步骤411；

步骤411，加入一个新的飞行器顶点，找出当前时刻所有外接圆包含新加入节点的三角形并删除，形成空的凸壳，将删除三角形边对应的拓扑事件删除；将凸壳顶点与新加入顶点连接；对新生成边为公共边的三角形对计算其可能的拓扑事件按时间顺序插入eventQueue中；

步骤412，判断当前时间是否有飞行器达到终结状态退出仿真空域，有则需要在Delaunay图中删除相应的顶点并更新，转步骤413；

步骤413，更新Delaunay图和拓扑事件，具体操作与步骤411类似；

步骤414，设time＝time+tStep；

步骤415，判断是否达到仿真终止时刻，否则转步骤404，是则结束。

图7所示的是冲突调解模块的流程图，具体包括：

步骤501，建立冲突图，节点为有冲突飞机，边代表两节点飞机之间有冲突；

步骤502，选择节点度最大的冲突飞机t作为解脱对象，节点度越大表示与此飞机冲突的飞机数量越多，首先对此飞机进行冲突调解可以达到最好的调解效果；

步骤503，确定各解脱算法的优先级，按优先级高低确定调解顺序，各解脱算法的优先级排序反映了虚拟管制员的管制偏好，或者代表了某管制区既定的管制规则；

步骤504，使用高度调整冲突调解单元解脱冲突；

步骤505，使用盘旋等待冲突调解单元解脱冲突；

步骤506，使用速度调整冲突调解单元解脱冲突；

步骤507，判断冲突是否已经被调解，否则转步骤508；

步骤508，判断是否还有其他优先级较低的调解方案；

步骤509，如调解失败，则将调解失败记录写入日志；

步骤510，将冲突飞机t从冲突图中删除，并删除与其直接相连的边；

步骤511，删除图中的孤立节点，删除冲突图中的某些边以后，有些节点将被孤立，这代表空域中已经没有其他节点飞机与此飞机冲突，所以将其删除；

步骤512，判断冲突图中是否已经没有节点，有则说明还有其他冲突未调解，转步骤502，无则所有的冲突都已被调解，该模块流程结束。

民航于2007年11月21日实施缩小垂直间隔RVSM飞行高度层配备标准以后，RVSM空域可用的高度层有13个，其中向东航向的高度层为7个，向西航向的高度层为6个。按照RVSM的要求，飞行器必须飞行在与其巡航方向相匹配的高度层上，这就是说飞行器可选择的高度层是非常有限的，所以本系统采取遍历寻优的方式来寻找可以解决飞行冲突的高度层。

图8所示的是高度调整冲突调解单元的流程图，具体包括：

步骤601，给定AirspaceStatus[i]中的一个冲突飞机t(数组AirspaceStatus的第i个成员)；

步骤602，随机设定高度层调整方向upOrDown为up(向上)或者down(向下)，设定调整方向的目的是保证每次只朝同一个方向搜索(upOrDown是变量名称，可以取up或down两个值)；

步骤603，记录飞机的历史高度层layerHistory(变量名称layerHistory是一个高度值)；

步骤604，判断飞机的飞行方向，如向东则转步骤605，如向西则转步骤606；

步骤605，根据RVSM(Reduced Vertical Separation Minimum，缩小垂直间隔标准)的规定，RVSM空域向东有7个高度层，也就是说可调整的高度层数量上限layerMax＝7；

步骤606，同理，RVSM空域向西有6个高度层，也就是说可调整的高度层数量上限layerMax＝6；

步骤607，设定当前已尝试调整过的高度层数量layerNum＝1，当前尝试调整的高度层layerNow＝layerHistory；

步骤608，如upOrDown值为up，则判断是否已经调整到同向的最高层，否则判断是否已经调整到同向的最低层。如已经达到调整上限则转步骤609，否则转步骤610；

步骤609，将飞机的高度层重置为layerHistory；

步骤610，将调整方向upOrDown取反，如为up则置为down，反之则置为up；

步骤611，按照upOrDown指示的方向调整layerNow到最近的同向的高度层；

步骤612，layerNum＝layerNum+1；

步骤613，查询飞机t的飞行器性能表，获得该机型的爬升率或下降率，将状态数组AirspaceStatus中飞机t的高度层按照时间顺序和一定的爬升或下降率，从layerHistroy渐变为layerNow；

步骤614，判断除AirspaceStatus[i]外其他数组项中，飞机t有没有与其他飞机产生冲突。高度层调整后，飞机t当前的冲突被调解，但很有可能在调解过程中引发同其他飞机的冲突，由于这个冲突只会产生在调解飞机与空域内其他飞机之间，所以仅需要根据ATC标准(Air Traffic Control，空中交通管制)判断调解过程中飞机t是否与其他飞机有冲突。如没有冲突，则调解成功，否则转步骤615；

步骤615，判断是否layerNum＜layerMax，如为真则转步骤608，继续尝试其他高度层，如为假则调解失败。

如果两架飞机t1和t2发生冲突，以飞机t1为参照系，则飞机t2飞行的安全区域为，与两架飞机相对飞行方向平行的并且与飞机t2为圆心，安全距离为半径的圆相切的两条直线之间的区域，称为飞机t2的“影子”区域。采用飞机t2盘旋等待的方法解决飞行冲突，相当于飞机t2不动，而飞机t1飞出飞机t2的“影子”区域。而飞机t2盘旋等待的时间也即为飞机t1离开飞机t2的“影子”区域所需要的时间。

设飞机t1的位置为(P_1x，P_1y)，速度为v₁，飞机t2的位置为(P_2x，P_2y)，速度为v₂，飞机t2相对于飞机t1的速度v＝v₂-v₁，则：

定义与速度v垂直但反向的两个速度矢量(-v_y，v_x)和(v_y，-v_x)，其中v_x和v_y分别为v在x轴上的坐标分量和v在y轴上的坐标分量。以飞机t2为坐标原点，两个速度矢量分别对应飞机t2“影子”区域的两条边界直线：

(-v_y，v_x)对应 ${\mathrm{xv}}_y-{\mathrm{yv}}_x+d\sqrt{v_x^2+v_y^2}=0---\left(1\right)$

(v_y，-v_x)对应 ${\mathrm{xv}}_y-{\mathrm{yv}}_x+d\sqrt{v_x^2+v_y^2}=0---\left(2\right)$

d为安全间隔。如果v₁·(-v_y，v_x)＞0则飞机t1须飞越边界(1)，垂直飞越速度为：

$v_{\mathrm{pass}}=\frac{v_1\·(-v_y,v_x)}{\sqrt{v_y^2+v_x^2}}$

飞机t1(P_1x-P_2x，P_1y-P_2y)到边界(1)的距离为

$\mathrm{dis}\tan \mathrm{ce}=\frac{|v_y(P_{1x}-P_{2x})-v_x(P_{1y}-P_{2y})+d\sqrt{v_x^2+v_y^2}|}{\sqrt{v_x^2+v_y^2}}$

飞越时间即盘旋等待时间

$t=\frac{\mathrm{dis}\tan \mathrm{ce}}{v_{\mathrm{pass}}}=\frac{|v_y(P_{1x}-P_{2x})-v_x(P_{1y}-P_{2y})+d\sqrt{v_x^2+v_y^2}|}{v_1\·(-v_y,v_x)}---\left(3\right)$

如果v₁·(v_y，-v_x)＞0则飞机t1须飞越边界(2)，v_pass和distance相应变为：

$v_{\mathrm{pass}}=\frac{v_1\·(v_y,{-v}_x)}{\sqrt{v_y^2+v_x^2}}$

$\mathrm{dis}\tan \mathrm{ce}=\frac{|v_y(P_{1x}-P_{2x})-v_x(P_{1y}-P_{2y})-d\sqrt{v_x^2+v_y^2}|}{\sqrt{v_x^2+v_y^2}}$

飞越时间即盘旋等待时间

$t=\frac{\mathrm{dis}\tan \mathrm{ce}}{v_{\mathrm{pass}}}=\frac{|v_y(P_{1x}-P_{2x})-v_x(P_{1y}-P_{2y})-d\sqrt{v_x^2+v_y^2}|}{v_1\·(v_y,-v_x)}---\left(4\right)$

图9所示的是盘旋等待冲突调解单元的流程图，具体包括：

步骤701，给定AirspaceStatus[i]中的一个冲突飞机对t1、t2，更新时间步长tStep，以及循环数组维数nStatus；

步骤702，根据公式(3)或(4)计算飞机t1需要盘旋等待的时间time1；

步骤703，判断是否满足time1＜tStep*nStatus，tStep*nStatus是系统预先仿真的最大时间间隔，也是系统预留的最长冲突调解时间；

步骤704，计算n1＝time1/tStep+1，将冲突调解所需要的时间转化为盘旋等待所经历的系统状态刷新点的个数；

步骤705，设定循环数组AirspaceStatus里面(i-n1)mod nStatus到(i-1)mod nStatus数据项中飞机t1的状态为盘旋等待；

步骤706，判断飞机t1改变状态后是否与其他飞机产生冲突，由于冲突只会发生在t1与其他飞机之间，所以仅需要判断改变状态t1与其他飞机直接的距离是否小于安全间隔；

步骤707，根据公式(3)或(4)计算飞机t2需要盘旋等待的时间time2；

步骤708，判断是否time2＜tStep*nStatus，是则转709步，否则冲突调解失败；

步骤709，计算n2＝time2/tStep+1；

步骤710，设定循环数组AirspaceStatus里面(i-n2)mod nStatus到(i-1)mod nStatus数据项中飞机t2的状态为盘旋等待；

步骤711，判断飞机t2改变状态后是否与其他飞机产生冲突，无则调解成功，，结束，否则调解失败。

速度调整解决冲突的方法就是在飞行器飞行性能允许的范围内，调解一对冲突飞机中的一架飞机来解决冲突的方法。设飞机t1的位置为(P_1x，P_1y)，速度为v₁，v₁和x₁分别为大小和方向，飞机t2的位置为(P_2x，P_2y)，速度为v₂，v₂和x₂分别为大小和方向，飞机t2相对于飞机t1的速度v＝v₁-v₂，v和x分别为大小和方向，则满足：

$v=\sqrt{v_1^2+v_2^2-2v_1{v}_2\cos ({\mathrm{\χ}}_1-{\mathrm{\χ}}_2)}$

$\mathrm{\χ}=\arctan \left\{\frac{v_1\sin {\mathrm{\χ}}_1-v_2\sin {\mathrm{\χ}}_2}{v_1\cos {\mathrm{\χ}}_1-v_2\cos {\mathrm{\χ}}_2}\right\}---\left(5\right)$

设r_LOS为从飞机t1到飞机t2的方向向量，r_LOS和x_LOS分别为大小和方向，则满足：

$r_{\mathrm{LOS}}=\sqrt{{(P_{2x}-P_{1x})}^2+{(P_{2y}-P_{1y})}^2}$

${\mathrm{\χ}}_{\mathrm{LOS}}=\arctan \frac{P_{2y}-P_{1y}}{P_{2x}-P_{1x}}$

假设调整飞机t1的速度v₁为v₁ ^*得到新的相对速度v^*，则速度v^*的最优方向x^*为经过飞机t1，与飞机t2为圆心，安全距离d为半径的圆相切的方向，亦满足：

${\mathrm{\χ}}^{*}={\mathrm{\χ}}_{\mathrm{LOS}}\±\arcsin \frac{d}{r_{\mathrm{LOS}}}$

与公式(5)同理得：

$\frac{{\sin \mathrm{\χ}}^{*}}{\cos {\mathrm{\χ}}^{*}}=\frac{v_1^{*}\sin {\mathrm{\χ}}_1^{*}-v_2\sin {\mathrm{\χ}}_2}{v_1^{*}\cos {\mathrm{\χ}}_1^{*}-v_2\cos {\mathrm{\χ}}_2}$

由于仅改变飞机t1的速度，变化前后 ${\mathrm{\χ}}_1^{*}={\mathrm{\χ}}_1,$ 则对上式做代数变换得：

$v_1^{*}=v_2\frac{\sin ({\mathrm{\χ}}^{*}-{\mathrm{\χ}}_2)}{\sin ({\mathrm{\χ}}^{*}-{\mathrm{\χ}}_1)}---\left(6\right)$

根据飞机t1到飞机t2保护区边缘的距离已经速度调整后的相对速度大小不难算出冲突调解所需要的最短时间。

图10所示的是速度调整冲突调解单元的流程图，具体包括：

步骤801，给定AirspaceStatus[i]中的一个冲突飞机对t1、t2，更新时间步长tStep，以及循环数组维数nStatus；

步骤802，根据公式(6)计算飞机t1最优速度改变量speed1，以及飞越t2保护区所需的时间time1；

步骤803，判断速度改变量speed1是否在飞行器性能的允许范围以内；

步骤804，判断调解时间是否小于系统提供的调解时间余量；

步骤805，计算n1＝time1/tStep+1；

步骤806，改变循环数组AirspaceStatus里面(i-n1)mod nStatus到(i-1)mod nStatus数据项中飞机t1的速度；

步骤807，判断飞机t1改变状态后是否与其他飞机产生冲突，否则调解成功，结束，是则转808步；

步骤808，根据公式(6)计算飞机t2最优速度改变量speed2，以及飞越t1保护区所需的时间time2；

步骤809，判断速度改变量speed2是否在飞行器性能的允许范围以内，是则转810，否则转508判断是否还有其它优先级低的解决方案；

步骤810，判断调解时间是否小于系统提供的调解时间余量，是则转811，否则转508判断是否还有其它优先级低的解决方案；

步骤811，计算n2＝time2/tStep+1；

步骤812，改变循环数组AirspaceStatus里面(i-n2)mod nStatus到(i-1)mod nStatus数据项中飞机t2的速度；

步骤813，判断飞机t2改变状态后是否与其他飞机产生冲突，无则冲突调解成功，结束，否则失败，转508判断是否还有其它优先级低的解决方案。

Claims (9)

1.一种空域运行仿真中冲突的自动检测和调解系统，包括：

空域状态预先仿真模块，用于预测在未来一段时间内仿真空域的运行情况，具体是：采用离散仿真的方法预测未来一段时间内空域的运行状况，先设定仿真刷新时间以及连续预测次数两个变量，以确定系统预先仿真的时间量“仿真刷新时间*连续预测次数”，定义一个维数为连续预测次数的空域状态循环数组，每个数组项中保存有当前空域中运行的飞行器对象，循环数组中每一个数据项都比其之后的数据项增加仿真刷新时间的时间量，根据当前空域中飞行器的运行状况增加或删除更新飞行器对象，或者根据冲突调解方案进行调整；

冲突探测模块，用于根据空域状态预先仿真模块预测的数据探测某个时间点空域内飞行流的冲突情况，具体是：假定飞行器在巡航过程中始终位于RVSM指定的高度层上，因此飞行冲突探测仅在同高度层进行，判断的标准是用动态的Delaunay图判断某个时刻两架飞行器的水平距离是否小于指定距离间隔标准；

冲突调解模块，用于根据冲突探测模块的探测结果在规定允许的调解时间余量内调解已经探测到的飞行冲突，具体是：首先为冲突飞机建立冲突图，图中的节点代表探测到飞行冲突的飞行器，边代表两飞行器之间探测到了冲突，每次选择节点度最大的飞行器作为调解对象；设计了调高、盘旋、调速三种调解方案，并设定三种调解方案使用的优先级，按优先级顺序使用调解方案调解冲突，冲突调解成功后，即将该飞行器从冲突图中删除，继续选择节点度最大的飞行器调解，直到冲突图中没有节点。

2.一种空域运行仿真中冲突的自动检测和调解方法，其特征在于，包含下述内容：

预测未来一段时间内仿真空域的运行情况：采用离散仿真的方法预测未来一段时间内空域的运行状况，先设定仿真刷新时间以及连续预测次数两个变量，以确定系统预先仿真的时间量“仿真刷新时间*连续预测次数”，定义一个维数为连续预测次数的空域状态循环数组，每个数组项中保存有当前空域中运行的飞行器对象，循环数组中每一个数据项都比其之后的数据项增加仿真刷新时间的时间量，根据当前空域中飞行器的运行状况增加或删除更新飞行器对象，或者根据冲突调解方案进行调整；

根据仿真空域的运行情况探测某个时间点空域内飞行流的冲突情况：假定飞行器在巡航过程中始终位于RVSM指定的高度层上，因此飞行冲突探测仅在同高度层进行，判断的标准是用动态的Delaunay图判断某个时刻两架飞行器的水平距离是否小于指定距离间隔标准；

根据飞行流冲突情况探测结果在规定允许的调解时间余量内调解已经探测到的飞行冲突：首先为冲突飞机建立冲突图，图中的节点代表探测到飞行冲突的飞行器，边代表两飞行器之间探测到了冲突，每次选择节点度最大的飞行器作为调解对象；设计了调高、盘旋、调速三种调解方案，并设定三种调解方案使用的优先级，按优先级顺序使用调解方案调解冲突，冲突调解成功后，即将该飞行器从冲突图中删除，继续选择节点度最大的飞行器调解，直到冲突图中没有节点。

3.根据权利要求2所述的空域运行仿真中冲突的自动检测和调解方法，其特征在于：预测在未来一段时间内仿真空域运行情况的的方法包含下述步骤：

步骤301，设定系统更新时间步长tStep，和循环状态数组的维数nStatus，预先仿真tStep*nStatus时间内空域的状态，下转302；

步骤302，建立循环状态数组AirspaceStatus，用于保存在nStatus个连续系统刷新点空域的状态，下转303；

步骤303，设i＝0，time＝0，i为系统当前刷新过的步数，time为系统当前仿真的时间，下转304；

步骤304，判断是否i＜nStatus，如为是转步骤305，如为否转步骤310；

步骤305，判断是否i＝0，如是转到步骤308，如否转306；

步骤306，拷贝AirspaceStatus[i-1]中的飞行器对象到AirspaceStatus[i]中，下转307；

步骤307，依据仿真航迹推算数据和当前时间time更新AirspaceStatus[i]中的飞行器状态信息，下转308；

步骤308，使用仿真航班流数据选择在time时刻进入仿真空域的飞行器对象加入AirspaceStatus[i]，下转309；

步骤309，设i＝i+1，time＝i*tStep，并转304；

步骤310，拷贝AirspaceStatus[(i-1)mod nStatus]中的飞行器对象到AirspaceStatus[i mod nStatus]中，对i取模来进行循环利用，下转311；

步骤311，依据仿真航迹推算数据和当前时间time更新AirspaceStatus[i mod nStatus]中的飞行器状态信息，下转312；

步骤312，删除AirspaceStatus[i mod nStatus]中达到终结状态的飞行器对象，下转313；

步骤313，使用仿真航班流数据选择在time时刻进入仿真空域的飞行器对象加入AirspaceStatus[i mod nStatus]，下转314；

步骤314，使用冲突探测模块，对AirspaceStatus[i mod nStatus]中飞行冲突进行检测，并使用冲突调解模块在整个状态数组中予以解决，下转315；

步骤315，设i＝i+1，time＝i*tStep，下转316；

步骤316，判断time是否达到仿真终止时刻，否则转步骤304，是则结束。

4.根据权利要求2所述的空域运行仿真中冲突的自动检测和调解方法，其特征在于：探测某个时间点空域内飞行流的冲突情况的方法包含下述步骤：

步骤401，设仿真时刻time＝0，仿真更新步长为tStep，下转402；

步骤402，根据当前整个管理空域飞行器的位置构建Delaunay图，对每个高度层单独构建平面Delaunay图，下转403；

步骤403，对于每一个以Delaunay边为公共边的三角对，初始化拓扑事件，按时间顺序加入事件队列eventQueue，下转404；

步骤404，对于每个Delaunay边判断其是否小于安全距离，是则转405，否则转407；

步骤405，将冲突飞机对传入冲突调解模块进行冲突调解，下转406；

步骤406，删除调解过的飞机对应的拓扑事件，重新计算后按时间顺序插入eventQueue，下转407；

步骤407，更新空域内飞行器的位置，重新计算各Delaunay边的长度，下转408；

步骤408，判断当前时间是否有eventQueue事件，否则转410，有则转步骤409；

步骤409，对拓扑事件对应的三角形对执行flip操作来更新Delaunay图，实现Delaunay图的拓扑结构更新，然后转410；

步骤410，当前时间飞行流生成模块是否有新的飞行器生成进入仿真空域，有则转411，否则转412；

步骤411，在Delaunay图中增加一个顶点并相应执行更新，然后转412；

步骤412，判断当前时间是否有飞行器达到终结状态退出仿真空域，有则转步骤413，否则转414；

步骤413，更新Delaunay图和拓扑事件，然后转414；

步骤414，设time＝time+tStep，下转415；

步骤415，判断是否达到仿真终止时刻，否则转步骤404，是则结束。

5.根据权利要求2所述的空域运行仿真中冲突的自动检测和调解方法，其特征在于：调解探测到的飞行冲突的方法包含下述步骤：

步骤501，建立冲突图，节点为有冲突飞机，边代表两节点飞机之间有冲突，下转502；

步骤502，选择节点度最大的冲突飞机t作为解脱对象，下转503；

步骤503，确定各解脱算法的优先级，按优先级高低确定调解顺序；

步骤504，采用高度调整方法解脱冲突，然后转507；

步骤505，采用盘旋等待方法解脱冲突，然后转507；

步骤506，采用速度调整方法解脱冲突，然后转507；

步骤507，判断冲突是否已经被调解，若是转步骤510，若否转步骤508；

步骤508，判断是否还有其他优先级较低的调解方案；若是则按503确定的优先级顺序转504、505或506，若否转步骤509；

步骤509，将调解失败记录写入日志；并转步骤510；

步骤510，将冲突飞机t从冲突图中删除，并删除与其直接相连的边，下转511；

步骤511，删除图中的孤立节点，下转512；

步骤512，判断冲突图中是否已经没有节点，否则说明还有其他冲突未调解，转步骤502，是则所有的冲突都已被调解，该流程结束。

6.根据权利要求5所述的空域运行仿真中冲突的自动检测和调解方法，其特征在于：用调整高度调解冲突的方法包含下述步骤：

步骤601，给定AirspaceStatus[i]中的一个冲突飞机t，下转602；

步骤602，随机设定高度层调整方向upOrDown为向上或者向下，以保证每次只朝同一个方向搜索，下转603；

步骤603，记录飞机的历史高度层layerHistory，下转604；

步骤604，判断飞机的飞行方向，如向东则转步骤605，如向西则转步骤606；

步骤605，根据RVSM的规定确定向东可调整的高度层数量上限layerMax＝7，然后下转607；

步骤606，根据RVSM的规定确定向西可调整的高度层数量上限layerMax＝6，然后下转607；

步骤607，设定当前已尝试调整过的高度层数量layerNum＝1，当前尝试调整的高度层layerNow＝layerHistory，下转608；

步骤608，如upOrDown值为up，则判断是否已经调整到同向的最高层，否则判断是否已经调整到同向的最低层，如已经达到调整上限则转步骤609，否则转步骤611；

步骤609，将飞机的高度层重置为layerHistory，下转610；

步骤610，将调整方向upOrDown取反，如为up则置为down，反之则置为up，下转611；

步骤611，按照upOrDown指示的方向调整layerNow到最近的同向的高度层，下转612；

步骤612，设layerNum＝layerNum+1，下转613；

步骤613，查询飞机t的飞行器性能表，获得该机型的爬升率或下降率，将状态数组AirspaceStatus中飞机t的高度层按照时间顺序和一定的爬升或下降率，从layerHistroy渐变为layerNow，下转614；

步骤614，根据ATC标准判断调解过程中飞机t是否与其他飞机有冲突，如没有冲突，则调解成功结束，否则转步骤615；

步骤615，判断是否layerNum＜layerMax，如是则转步骤608，继续尝试其他高度层，如否则调解失败。

7.根据权利要求5所述的空域运行仿真中冲突的自动检测和调解方法，其特征在于：用盘旋等待调解冲突的方法包含下述步骤：

步骤701，给定AirspaceStatus[i]中的一个冲突飞机对t1、t2，更新时间步长tStep，以及循环数组维数nStatus，下转702；

步骤702，计算飞机t1需要盘旋等待的时间time1，下转703；

步骤703，判断是否满足time1＜tStep*nStatus，tStep*nStatus是系统预先仿真的最大时间间隔，也是系统预留的最长冲突调解时间；是则转704，否则转707；

步骤704，计算n1＝time1/tStep+1，将冲突调解所需要的时间转化为盘旋等待所经历的系统状态刷新点的个数，下转705；

步骤705，设定循环数组AirspaceStatus里面(i-n1)mod nStatus到(i-1)mod nStatus数据项中飞机t1的状态为盘旋等待，下转706；

步骤706，判断飞机t1改变状态后是否与其他飞机产生冲突；是则转707步，否则结束；

步骤707，计算飞机t2需要盘旋等待的时间time2，下转708；

步骤708，判断是否time2＜tStep*nStatus，是则转709步，否则冲突调节失败结束；

步骤709，计算n2＝time2/tStep+1，下转710；

步骤710，设定循环数组AirspaceStatus里面(i-n2)mod nStatus到(i-1)mod nStatus数据项中飞机t2的状态为盘旋等待，下转711；

步骤711，判断飞机t2改变状态后是否与其他飞机产生冲突，无则调解成功，结束；否则冲突调解失败结束。

8.根据权利要求7所述的空域运行仿真中冲突的自动检测和调解方法，其特征在于：702和707步中计算飞机需要盘旋等待时间是采用下述公式计算：

$t=\frac{\mathrm{dis}\tan \mathrm{ce}}{v_{\mathrm{pass}}}=\frac{|v_y(P_{1x}-P_{2x})-v_x(P_{1y}-P_{2y})+d\sqrt{v_x^2+v_y^2}|}{v_1\·(-v_y,v_x)}---\left(3\right)$

或者

$t=\frac{\mathrm{dis}\tan \mathrm{ce}}{v_{\mathrm{pass}}}=\frac{|v_y(P_{1x}-P_{2x})-v_x(P_{1y}-P_{2y})-d\sqrt{v_x^2+v_y^2}|}{v_1\·(v_y,-v_x)}---\left(4\right)$

v₁·(-v_y，v_x)＞0时使用公式(3)，v₁·(v_y，v_x)＞0时使用公式(4)；

其中(P_1x，P_1y)为飞机t1的位置，v₁为相应速度，(P_2x，P_2y)为飞机t2的位置，v₂为相应速度，v为飞机t2相对于飞机t1的速度，(-v_y，v_x)和(v_y，-v_x)是与速度v垂直但反向的两个速度矢量，d为安全间隔，v_pass为飞机t1垂直飞越危险碰撞区域的速度。

9.根据权利要求5所述的空域运行仿真中冲突的自动检测和调解方法，其特征在于：用调整速度调解冲突的方法包含下述步骤：

步骤801，给定AirspaceStatus[i]中的一个冲突飞机对t1、t2，更新时间步长tStep，以及循环数组维数nStatus，下转802；

步骤802，计算飞机t1最优速度改变量speed1，以及飞越t2保护区所需的时间time1，下转803；

步骤803，判断速度改变量speed1是否在飞行器性能的允许范围以内；是则转804步，否则转808步；

步骤804，判断调解时间是否小于系统提供的调解时间余量；是则转805步，否则转808步；

步骤805，计算n1＝time1/tStep+1，下转806；

步骤806，改变循环数组AirspaceStatus里面(i-n1)mod nStatus到(i-1)mod nStatus数据项中飞机t1的速度，下转807；

步骤807，判断飞机t1改变状态后是否与其他飞机产生冲突；否则调解成功结束，是则转808步；

步骤808，计算飞机t2最优速度改变量speed2，以及飞越t1保护区所需的时间time2，下转809；

步骤809，判断速度改变量speed2是否在飞行器性能的允许范围以内；是则转810，否则转508判断是否还有其他优先级低的解决方案；

步骤810，判断调解时间是否小于系统提供的调解时间余量；是则转811，否则调解失败，转508判断是否还有其他优先级低的解决方案；

步骤811，计算n2＝time2/tStep+1，下转812；

步骤812，改变循环数组AirspaceStatus里面(i-n2)mod nStatus到(i-1)mod nStatus数据项中飞机t2的速度，下转813；

步骤813，判断飞机t2改变状态后是否与其他飞机产生冲突，无则冲突调解成功结束，是则失败，转508判断是否还有其他优先级低的解决方案。

Images