CN110059335A

CN110059335A - 一种基于元胞自动机的机场场面运行仿真方法

Info

Publication number: CN110059335A
Application number: CN201910066250.8A
Authority: CN
Inventors: 杨凯; 康瑞; 牟奇锋
Original assignee: Sichuan University; Civil Aviation Flight University of China
Current assignee: Sichuan University; Civil Aviation Flight University of China
Priority date: 2019-01-24
Filing date: 2019-01-24
Publication date: 2019-07-26
Anticipated expiration: 2039-01-24
Also published as: CN110059335B

Abstract

本发明公开了一种基于元胞自动机的机场场面运行仿真方法，包括以下步骤：设置航空器运行仿真模块和显示交互模块；收集环境信息；信息处理：根据收集到的各种信息，通过航空器运行仿真模块建立航空器场面运行模型，航空器运行仿真模块通过仿真运行输出航空器仿真运行数据并发送至显示模块，再现或预演系统运行过程；识别问题；分析评估；措施实施：通过分析评估结果获得一个解决问题的方案，通过参考该方案制定解决措施，然后将解决措施转化为输入数据变化；重复前面步骤，直到分析评估结果满足要求。本发明详细刻画了航空器机场场面运行程序，反映了航空器运行时的相互影响，如实表现了航空器运动时位置、速度的同步性、慢启动、亚稳态等交通特点。

Description

一种基于元胞自动机的机场场面运行仿真方法

技术领域

本发明涉及一种机场场面运行仿真方法，尤其涉及一种基于元胞自动机的机场场面运行仿真方法。

背景技术

随着航空运输业的高速发展，机场场面交通量不断增大，机场规模更加庞大、跑滑结构更加复杂，场面运行不安全事故频发和运行效率低下问题逐渐突出，机场越来越成为制约航空运输进一步发展的瓶颈。航空器场面运行仿真是是机场场面运行状况的再现和预演。2016年10月11日，中国虹桥机场发生A 类跑道侵入事件，为空中交通运行安全敲响警钟。目前，航空器场面运行仿真已成为机场跑滑结构变更、运行安全评估、危险源识别等工作的基础。

对航空器在机场场面活动情况进行动态或者静态呈现，可以达到减少运行冲突、增加系统容量和提高运行安全的目的。所以近20多年来，航空器机场运行仿真技术一直是各国研究机构和学者关心和研究的热门课题。

目前对机场场面运行仿真的研究大部分基于场面资源分配建立机动区航空器滑行过程模拟，比如：2014年，张佳等针对航空器地面滑行过程中出现的冲突避让问题，提出基于Agent的航空器滑行避让过程建模；2015年，唐勇等以先进场面活动引导与控制系统(A-SMGCS)为基础，提出了基于空闲时间窗和多 Agent的A-SMGCS航空器滑行路由规划模型；2017年，杨磊根据着色Petri网理论对机坪区域进行离散化建模，对机坪冲突控制方法进行了研究。

传统机场场面滑行仿真方法均以优化机场场面关键资源(跑道、滑行道、交叉口等)占用时间顺序为核心，将关键资源抽象为库所等元素，分配资源使用时间和顺序。即统筹安排航空器占用各个关键资源的时间和次序，并根据顺序推算航空器滑行速度和滑行时间，以整体规划机场场面航空器运行过程，形成仿真运行过程。

在构造理论方法的同时，部分学者还研究了机场场面运行仿真的可视化方法，例如利用Anylogic进行二次开发，将航空器定义为活动对象，定义为实现航空器场面运行仿真；以Google Earth为航迹仿真平台，利用Google Earth提供的COMAPI接口进行嵌入式二次开发，利用KML语言描述航空器三维航迹，并与Google Earth免费提供的地形数据、卫图数据和航图数据等GIS数据进行集成显示，实现航空器在全球任意位置的三维航迹仿真，该方法可简化开发难度；以开源模拟飞行器Flight Gear为场景仿真平台，以实时ADS-B监视数据为驱动，设计机场场面活动三维仿真系统；或者使用CPNTools等系统运动学软件进行仿真验证并实现可视化操作。

上述传统机场场面滑行仿真方法的缺点是：

1、整体统筹规划资源使用推算航空器运行过程的方法与实际运行差异较大，这种关注整体运行态势，规划每个航空器经过关键路径的时间次序的运行程序必须借助场面监视设备、地面引导与控制设备(例如A-SMGCS等)，而中国仅有北京首都机场和上海浦东机场安装了相应设施，且并未在实际运行中应用；同时部分整体最优是基于理论时间最短、理论路径最短等目标函数得到的，因此给出的航空器运行过程与实际管制方案有较大差距。

2、传统滑行仿真建模时对航空器滑行过程描述较简单，多利用简单运动学模型根据分配的滑行路径、到达关键道口的时间推算航空器滑行速度变化。根据我国机场管制规定，航空器在机动区滑行时纵向间隔由后机机长掌握，因此建模时应体现速度变化的随机性，应能反映飞行员的意图及操作特点。正是忽略了以上问题，简单运动模型或统筹控制模型均难以再现机动区内航空器运行时产生的慢启动、亚稳态及同步性等复杂交通特性。因此需基于中国空管规定和航空器实际运动特征，抽象机场场面运行过程，应能体现位置、状态的动态变更与航空器间的相互影响，并能模拟航空器的加速、减速、停止及多架航空器跟随滑行的慢启动行为。

3、目前的场面运行仿真方法虽建立了机坪运行的基本模型，但航空器机坪运行过程研究较少，且多针对于机坪资源分配、冲突探测和节能减排等方向，模型中尚未体现出对航空器机坪运行中速度、位置变化等细致运行状态，且大部分研究将机坪与机动区分开讨论，并未综合考虑航空器的推出、滑行过程的连贯性，也未考虑退出航空器与滑行航空器的冲突避让，研究成果与实际运行有一定差距。

4、目前采用的仿真可视化及显示工具使用复杂，建模过程长，且部分平台开放接口有限，路网建立后无法实现动态变更，部分动态随机事件(管制指令、飞行员意图等)难以再现。

综上，急需建立整体描述航空器机场场面运行过程，同时能再现飞行员、管制员随机操作的仿真运行平台。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于元胞自动机的机场场面运行仿真方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于元胞自动机的机场场面运行仿真方法，包括以下步骤：

步骤1、设置用于建立航空器场面运行模型并进行仿真运行的航空器运行仿真模块和用于显示图文信息并实现人机交互的显示交互模块；

步骤2、收集环境信息，所述环境信息包括但不限于接收航空器场面运行信息、跑滑结构信息、管制规则信息、航空器性能特征信息、飞行计划信息；

步骤3、信息处理：根据收集到的各种信息，通过航空器运行仿真模块建立航空器场面运行模型，航空器运行仿真模块通过仿真运行输出航空器仿真运行数据并发送至显示模块，再现或预演系统运行过程；

步骤4、识别问题：当发现产生拥堵或者冲突时，通过工具确认发生问题的位置和性质；

步骤5、分析评估：系统识别到问题后，针对问题运行相应的优化策略；

步骤6、措施实施：通过分析评估结果获得一个解决问题的方案，通过参考该方案制定解决措施，然后将解决措施转化为输入数据变化；重复步骤1-步骤5，直到分析评估结果满足要求。

作为优选，所述步骤1和步骤3中，所述航空器场面运行模型包括航空器推出运行模型、滑行运行模型和起飞降落模型。

具体地，所述步骤3中，所述通过航空器运行仿真模块建立航空器场面运行模型包括如下步骤：

步骤3.1、机场运行要素元胞抽象，包括跑滑结构元胞定义和航空器分类；

其中，跑滑结构元胞定义的方法如下：

设跑道、滑行道由一列大小相等的元胞组成，每个元胞长为Lcell，宽为跑道、滑行道宽度，滑行道上的元胞从滑行道起始端至末端，以固定长度均等分滑行道，将等分滑行道的点连接，形成下标从0至n的滑行道元胞，各元胞链接形成元胞链，代表一条滑行道、跑道、推出程序；每一个时步，每个元胞的状态为被航空器占据或者空闲；每个元胞中采用多元数据组描述元胞属性，包括元胞的位置信息、范围信息、元胞是否被占用及元胞内航空器滑行速度信息；将每条滑行道、推出程序、跑道抽象为一系列元胞的顺序集合，航空器在元胞链上的运行方向按照下标从小到大及从大到小定义为{1，-1}两个方向，将有交叉口的滑行道分段处理；

航空器分类的方法如下：

在尾流等级划分基础上，基于航空器机身长度，考虑不同机型占用的元胞个数差异，对航空器机型分类进行细化，由大到小分为BIG、MIDDLE与SMALL 三种类型；

步骤3.2、航空器场面运行模型的建立方法如下：

第一、基于元胞自动机的推出演化，方法如下：

设集合P＝{p₁,p₂,...p_m}为机场推出程序集合，设任意推出程序p_n，p_n∈P为长度为N的一维离散元胞链，各个元胞位置为每一个时步每个元胞被三种大小不同的航空器占据，设最大推出速度为C_i为航空器f_i机身所占元胞数，XP_i ⁿ(t)表示f_i在推出程序n上t时刻的机头位置,V_i ^P(t)表示f_i在t时刻能前进的元胞数，即在t时刻的推出速度

一个推出程序上有且仅有一架航空器，定义N(p_n,t)为t时刻推出程序p_n上的航班个数，则有N(p_n,t)＝{0，1}；

设航空器f_i在推出时初始时刻为t₀，航空器停放于停机位，即该推出程序的第一个格点处，初始状态定义为：

判断t时刻f_i是否能推出：

k的取值由机位位置和机场推出规则决定；若上式成立，说明推出程序p_n附近有航空器推出，f_i在机位等待，否则f_i可以推出；

在每一时步，航空器推出演化过程分为两个步骤：1)分别按照推出规则改变速度；2)位置更新；

加速过程：

以概率减速过程：

V_i ^p(t+1)＝max(V_i ^p(t+1)-1,0)

安全减速过程：

V_i ^p(t+1)＝max(min(V_i ^p(t+1),LP_i ⁿ(t)),0)

位置更新：

XP_i ⁿ(t+1)＝XP_i ⁿ(t)+V_i ^p(t+1)

以上过程是航空器被拖车牵引离开机位时的速度、位置演化规则，其中 LP_i ⁿ(t)是判断是否进行安全减速的关键变量；

定义推出航空器f_i在t时刻的可用推出距离LP_i ⁿ(t)为：

设CP_i为避让后方滑行航空器保留的安全间隔，

设推出程序连接滑行道T_m，如果推出航空器后方无其他航空器即满足 N(T_m,t)＝0或者T_m上的滑行航空器距离推出航空器较远，判断两机无冲突，即满足令CP_i＝0；否则，为避免两机冲突，限制推出航空器推出，令推出航空器尾部与滑行道T_m有间隔ΔPT，其中ΔCP为冲突避让裕度或冲突观察范围，ΔCP较大时，较远滑行航空器会对推出航空器有影响，推出受限较大，ΔCP较小时，滑行航空器较为接近时才相互影响，推出受限较小；

当时，航空器推出过程结束，并以停止状态位于滑行道上；

第二、基于元胞自动机的滑行演化，方法如下：

设集合T＝{T₁,T₂,...T_m}为机场滑行道集合，包括但不限于脱离道、快速脱离道、联络道，设任意滑行道T_n，T_n∈T为长度为N的一维离散元胞链，各个元胞位置为每一个时步每个元胞被三种大小不同的航空器占据，设XM、 XH、XHR分别为中间停止位置、强制停止报告位置、跑道外等待点所在的元胞集合，设TY_i＝{DEP,ARR}为标志进离场类型，设DT_i ⁿ为航空器f_i在T_n中的运行方向，DT_i ⁿ＝{-1，1}，其中DT_i ⁿ＝1指滑行方向元胞序号增大的方向，DT_i ⁿ＝-1指按照元胞序号减小的方向；设为最大滑行速度，为从滑行道T_n转入T_k的最大转弯速度，XT_i(t)表示航空器f_i在t时刻的机头位置，若飞机滑行道T_n上， V_i ^T(t)表示第i架航空器在t时刻能前进的元胞数，即在 t时刻的滑行速度：

定义N(T_n,t)为滑行道T_n上的航班个数，则有：

N(T_n,t)≥0

设航空器f_i在滑行时初始时刻为t₀，航空器停放于T_n，机头位于格点处，初始状态定义为：

在每一时步演化中，航空器推出演化过程分为两个步骤：1)分别按照滑行规则改变速度；2)位置更新；

加速过程：

若则

否则

以概率减速过程：

V_i ^T(t+1)＝max(V_i ^T(t+1)-1,0)

安全减速过程：

V_i ^T(t+1)＝max(min(V_i ^T(t+1),LT_i(t)),0)

位置更新：

XT_i(t+1)＝XT_i(t)+DT_i ⁿ·V_i ^T(t+1)

以上过程是航空器滑行时速度、位置的演化规则；空器LT_i ⁿ(t)是判断是否进行安全减速的关键变量，综合考虑了航空器与前机是否满足安全间隔、前方是否经过强制停止等待点、前方是否有需要停止避让的对头或交叉冲突这三个因素；

定义航空器f_i在t时刻的可用滑行距离LT_i(t)为：

LT_i(t)＝min(GM_i,k(t),GH_i,k(t),GT_i,j(t)-ΔS)

LT_i(t)决定了下一时步航空器能滑行的最大距离，当LT_i(t)较小时，航空器需要减速制动，当LT_i(t)＝0时，航空器减速为0停止等待；

设GT_i,j(t)为航空器f_i与前机f_j之间的元胞个数，即两机纵向间隔：

GT_i,j(t)＝||XT_i(t)-XT_j(t)||-C_j

若f_i前方无航空器，令GT_i,j(t)＝+∞，航空器在滑行中保持最小纵向间隔，设此间隔为ΔS，应满足：

GT_i,j(t)-ΔS≥0

定义f_i距离前方强制停止等待点XH_k的距离：

GH_i,k(t)＝||XH_k-XT_i(t)||，XH_k∈XH

若已在此停止报告，或此滑行道前方无强制停止等待点，令GH_i,k(t)＝+∞；

设为f_i前方与T_n相连接的且距离小于ΔCH的滑行道格点集合，定义GM_i,k(t)为f_i距中间停止位置XM_k的距离：

若GM_i,k(t)＝||XM_k-XT_i(t)||，

否则

GM_i,k(t)＝+∞

由此定义的交叉口避让规则，距交叉口ΔCH的元胞用阴影标识，f_i、f_j分别在滑行道T_n、T_m上滑行，两机有交叉汇聚，若当前滑行道上均无前机，且不经过强制停止等待点，即GH_i,k(t)＝GH_j,_k(t)＝+∞且GT_i,i+1(t)＝GT_j,j+₁(t)＝+∞，f_j位于阴影区，定义LT_i(t)＝GM_i,k(t)＝||XM_k-XT_i(t)||而LT_j(t)＝+∞，f_j优先通行，f_i避让等待； f_i进入阴影区，LT_i(t)＝+∞，而LT_j(t)＝GM_j,k+1(t)＝||XM_k+1-XT_j(t)||即f_j优先通行，f_i避让等待；

第三、航空器起飞降落演化，方法如下：

设集合R＝{R₁,R₂,...R_m}为机场跑道集合，设任一跑道R_n，R_n∈R为长度为N的一维离散元胞链，各个元胞位置为每一个时步每个元胞被三种大小不同的航空器占据，设为航空器f_i在R_n中的运行方向，设为从T_m转入R_n的最大速度，为从R_m转入T_n的最大速度，为t时刻 f_i在R_n上的机头位置，定义FR_n(t)为t时刻在跑道上起飞、降落的航空器，若无航空器起降，FR_n(t)＝φ，定义判断t时刻元胞是否被占用，

当航空器已进入跑道对准跑道，设

当满足条件，航空器可得进入起飞过程；

FR_n(t)＝φ且

航空器开始滑跑时前轮移动瞬间为起飞时刻，该时刻为跑道 R_n被起飞航空器占用，

设G_i为航空器重力；P_i为全发推力；Y_i为地面的总支持力；X_i为气动阻力； C_x、C_y为水平、垂直方向的升力系数；f为跑道摩擦系数，ρ为空气密度，S_i为机翼面积，V_i ^R为抬前轮速度，计算起飞滑跑时间与距离：

设为航空器从加速至V_i ²所用时间，θ为爬升航迹角，若跑道长L。可计算爬升飞越跑道末端时间：

由此可得起飞阶段用时：

设f_i离地时刻为

当令FR_n(t)＝φ

当起飞航空器飞越航向台天线，确定已离开跑道，跑道呈空闲状态；

当降落航空f_i到达距接地点Lfinal处，判断是否能得到着陆许可：

若满足以上条件，定义f_i的允许着陆时刻为令跑道被降落航空器占用，否则只能保持高度等待或者复飞；

设V_i ^H为进场速度，即飞机着陆前下降至安全高度处的瞬时速度，V_i ^d为接地速度，着陆时飞机主轮接地瞬时速度，

V_i ^H＝(1.2～1.3)V_i ^d

设为开始进近速度，此时f_i距接地点为进近过程中f_i距离接地点时的速度，设航空器最后进近阶段为匀减速运动，减速度为得到f_i从飞至跑道入口处的时间为：

设K_i为接地迎角条件下飞机升阻比，X_i为航空器气动阻力，F_i为地面摩擦阻，m为飞机质量，f为跑道摩擦系数，计算航空器从跑道入口处至完成减速冲程的时间及减速滑跑冲程长度

由此得到降落阶段用时：

f_i减速冲程结束时间为降落时刻，定义该时刻为

当令FR_n(t)＝φ

当航空器冲程结束，由降落状态转为滑行状态，此后按照航空器滑行演化过程进行速度位置更新。

具体地，所述步骤3中，所述航空器运行仿真模块仿真运行包括以下步骤：

步骤(1)、跑滑结构显示及元胞划分；

步骤(2)、航空器仿真运行及管制指令生成；

步骤(3)、航空器场面运行冲突避让；

步骤(4)、航空器滑行路径显示及统计分析。

本发明的有益效果在于：

本发明详细刻画了航空器机场场面运行程序，反映了航空器运行时的相互影响，如实表现了航空器运动时位置、速度的同步性、慢启动、亚稳态等交通特点；具体优点如下：

1、利用元胞自动机构造航空器运动模型，和再现航空器运动中的随机性的速度改变情况，能再现场面交通流演化时的亚稳态、同步性、慢启动等特点；

2、构造了从航空器停放至推出至滑行至起飞降落的，航空器场面运行全过程仿真模型；

3、按照机身长度对航空器重新分类，并将机场元素元胞化，并利用元胞自动机定义滑行与退出、滑行航空器之间的避让规则，能再现交叉口航空器随机交替通行的情况，符合实际机场场面运行情况；

4、提供可视化的元胞化的仿真运行显示工具和用户交互工具及统计分析工具，还能根据航空器运行过程再现管制指令的发布情况，为后期分析不同指令的影响、安全评估、容量评定等工作打下基础。

附图说明

图1是本发明所述基于元胞自动机的机场场面运行仿真方法涉及应用模块的总体框图；

图2是本发明所述基于元胞自动机的机场场面运行仿真方法的总体流程框图；

图3是本发明所述基于元胞自动机的机场场面运行仿真方法涉及的滑行道元胞划分及定义示意图之一；

图4是本发明所述基于元胞自动机的机场场面运行仿真方法涉及的滑行道元胞划分及定义示意图之二；

图5是本发明所述基于元胞自动机的机场场面运行仿真方法涉及的推出时安全间隔判断过程示意图；

图6是本发明所述基于元胞自动机的机场场面运行仿真方法涉及的滑行航空器纵向间隔规则演示示意图；

图7是本发明所述基于元胞自动机的机场场面运行仿真方法涉及的滑行航空器交叉冲突避让规则演示示意图；

图8是本发明实施例中石家庄正定机场场面元胞划分示意图；

图9是本发明实施例中滑行道、推出程序元胞划分示意图；

图10是本发明实施例中航空器机身占用滑行元胞、推出元胞划分示意图；

图11是本发明实施例中进场航空器运行仿真示意图；

图12是本发明实施例中离场航空器运行仿真示意图；

图13是本发明实施例中飞行计划编辑及导入的界面示意图；

图14是本发明实施例中仿真参数设置及管制运行指令生成的界面示意图；

图15是本发明实施例中推出与滑行避让过程仿真示意图；

图16是本发明实施例中滑行速度演化及冲突避让仿真示意图；

图17是本发明实施例中滑行路径生成并显示的界面示意图；

图18是本发明实施例中滑行道流量统计的界面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1和图2所示，本发明所述基于元胞自动机的机场场面运行仿真方法包括以下步骤：

步骤1、设置用于建立航空器场面运行模型并进行仿真运行的航空器运行仿真模块和用于显示图文信息并实现人机交互的显示交互模块；所述航空器场面运行模型包括航空器推出运行模型、滑行运行模型和起飞降落模型；显示交互模块提供仿真过程显示、仿真轨迹静态或动态显示、统计分析显示、参数设置界面等不同子模块，可完成对轨迹的动态静态再现，安全及效率参数统计分析等功能；同时，用户可通过设置相关参数对仿真过程或历史数据、统计参数等进行筛选或修改，修改后系统可再次进行仿真或历史数据处理；

步骤5、分析评估：系统识别到问题后，针对问题运行相应的优化策略；比如：若识别某滑行道口经常发生冲突，则生成新的滑行规则或设置强制停止等待位置；若识别到未来2小时能见度下降，机场进行II类运行，分析跑道吞吐量变化；

步骤6、措施实施：通过分析评估结果获得一个解决问题的方案，通过参考该方案制定解决措施，然后将解决措施转化为输入数据变化；重复步骤1-步骤6，直到分析评估结果满足要求。

在利用上述方法制定机场场面跑滑结构变更、规则变化或冲突缓解方案时，可用上述闭环工作流程，反复进行以上六个步骤，直到分析评估结果可接受。

如图3-图9所示，具体来说，所述步骤3中，所述通过航空器运行仿真模块建立航空器场面运行模型包括如下步骤：

其中，跑滑结构元胞定义的基本思路如下：航空器在机场场面运行时，将占用机位、推出程序、滑行道、跑道等资源，将以上元素抽象为元胞；由于航空器在同一条跑道、滑行道上运动不会产生平行并排前进和侧向超越情况；因此可将机位、推出程序、滑行道、跑道视为长度为N的一维离散元胞链；

跑滑结构元胞定义的具体方法如下：

设跑道、滑行道由一列大小相等的元胞组成，每个元胞长为Lcell，宽为跑道、滑行道宽度，滑行道上的元胞从滑行道起始端至末端，以固定长度均等分滑行道，将等分滑行道的点连接，形成下标从0至n的滑行道元胞，各元胞链接形成元胞链，代表一条滑行道、跑道、推出程序；每一个时步，每个元胞的状态为被航空器占据或者空闲；每个元胞中采用多元数据组描述元胞属性，包括元胞的位置信息、范围信息、元胞是否被占用及元胞内航空器滑行速度信息；下表1中的数据为部分滑行道元胞的主要参数：

表1

将每条滑行道、推出程序、跑道抽象为一系列元胞的顺序集合，航空器在元胞链上的运行方向按照下标从小到大及从大到小定义为{1，-1}两个方向，考虑到平滑、主滑等距离较长滑行道与其他联络道有交叉，将有交叉口的滑行道分段处理；

如图4所示，当滑行道与滑行道、联络道出现交叉口，部分元胞位置产生重叠，航空器处于交叉口时会同时占用两个不同滑行道上的元胞，B1_0_5与 A_1_0元胞位置重合，若有航空器按照图示中虚线滑行，机头先后经过元胞： B1_0_1、B1_0_2、B1_0_3、B1_0_4、B1_0_5、A_1_0、A_1_1、A_1_2、A_1_3，由此可判断航空器进入并占用下一条滑行道，其中在B1_0、A_1上的滑行方向均为1；

航空器分类的方法如下：

在尾流等级划分基础上，基于航空器机身长度，考虑不同机型占用的元胞个数差异，基于航空器机身长度，考虑不同机型占用的元胞个数差异，对航空器机型分类进行细化，由大到小分为BIG、MIDDLE与SMALL三种类型；下表2给出航空器分类的说明：

表2

由于轻型机航程短、座位数少，多用于训练飞行和通航飞行，中国民用航空运输飞行常用机型为中型机与重型机；重型机与A380-800同为BIG类，中型机根据机身长不同，细分为MIDDLE与SMALL两种；由于根据民航局统计数据，截至2017年底，中国国内在运营机队的规模达到了3261架，其中波音737 系列飞机以及A320系列为主的窄体飞机在机队中所占比例达到了81.51％；宽体客机的总数量为353架，占比不到20％，且空客330系列占比超过了60％，而空客330系列机身长差异仅为4.8m；但主流窄体机型波音737系列以及A320系列虽尾流等级同为中型机，但不同机型长度差异较大，例如B737-800机长 39.5m，而737-300机长28.6m，A321-100机长44.5m，A318-100机长31.45m。宽体客机种类虽多，但在实际运营的架次较少，机型较为单一且机身长度差异小，窄体客机运行架次多，机型复杂且不同机型长度变化较大，由此忽略重型机身长度差异，对中型机进行细分；

步骤3.2、航空器场面运行模型的建立方法如下：

第一、基于元胞自动机的推出演化，方法如下：

由于机位只能停放一架航空器，因此一个推出程序上有且仅有一架航空器，定义N(p_n,t)为t时刻推出程序p_n上的航班个数，则有N(p_n,t)＝{0，1}；

判断t时刻f_i是否能推出：

加速过程：

以概率减速过程：

V_i ^p(t+1)＝max(V_i ^p(t+1)-1,0)

安全减速过程：

V_i ^p(t+1)＝max(min(V_i ^p(t+1),LP_i ⁿ(t)),0)

位置更新：

XP_i ⁿ(t+1)＝XP_i ⁿ(t)+V_i ^p(t+1)

定义推出航空器f_i在t时刻的可用推出距离LP_i ⁿ(t)为：

设CP_i为避让后方滑行航空器保留的安全间隔，

设推出程序连接滑行道T_m，如果推出航空器后方无其他航空器即满足 N(T_m,t)＝0或者T_m上的滑行航空器距离推出航空器较远，如图5中A所示，判断两机无冲突，即满足令CP_i＝0；否则，为避免两机冲突，限制推出航空器推出，如图5中B所示，令推出航空器尾部与滑行道T_m有间隔ΔPT，其中ΔCP为冲突避让裕度或冲突观察范围，ΔCP较大时，较远滑行航空器会对推出航空器有影响，推出受限较大，ΔCP较小时，滑行航空器较为接近时才相互影响，推出受限较小；

当时，航空器推出过程结束，并以停止状态位于滑行道上；

第二、基于元胞自动机的滑行演化，方法如下：

定义N(T_n,t)为滑行道T_n上的航班个数，则有：

N(T_n,t)≥0

加速过程：

若则

否则

以概率减速过程：

V_i ^T(t+1)＝max(V_i ^T(t+1)-1,0)

安全减速过程：

V_i ^T(t+1)＝max(min(V_i ^T(t+1),LT_i(t)),0)

位置更新：

XT_i(t+1)＝XT_i(t)+DT_i ⁿ·V_i ^T(t+1)

定义航空器f_i在t时刻的可用滑行距离LT_i(t)为：

LT_i(t)＝min(GM_i,k(t),GH_i,k(t),GT_i,j(t)-ΔS)

GT_i,j(t)＝||XT_i(t)-XT_j(t)||-C_j

若f_i前方无航空器，令GT_i,j(t)＝+∞，航空器在滑行中保持最小纵向间隔，设此间隔为ΔS，如图6所示，应满足：

GT_i,j(t)-ΔS≥0

航空器在滑行中除了与前机之间保持安全间隔，还应考虑前方元胞是否为强制等待报告点，由此定义f_i距离前方强制停止等待点XH_k的距离：

GH_i,k(t)＝||XH_k-XT_i(t)||，XH_k∈XH

根据机场管制中滑行避让规定，航空器在交叉口避让时，应在中间停止位置等待，设为f_i前方与T_n相连接的且距离小于ΔCH的滑行道格点集合，定义GM_i,k(t)为f_i距中间停止位置XM_k的距离：

若GM_i,k(t)＝||XM_k-XT_i(t)||，

否则

GM_i,k(t)＝+∞

由此定义的交叉口避让规则，距交叉口ΔCH的元胞用阴影标识，f_i、f_j分别在滑行道T_n、T_m上滑行，两机有交叉汇聚，若当前滑行道上均无前机，且不经过强制停止等待点，即GH_i,k(t)＝GH_j,k(t)＝+∞且GT_i,i+1(t)＝GT_j,j+₁(t)＝+∞，图7中A、 B分别描述了两种避让与通行情况，图7中A显示f_j位于阴影区，定义 LT_i(t)＝GM_i,k(t)＝||XM_k-XT_i(t)||而LT_j(t)＝+∞，f_j优先通行，f_i避让等待；图7中B 显示f_i进入阴影区f_i进入阴影区，LT_i(t)＝+∞，而LT_j(t)＝GM_j,k+1(t)＝||XM_k+1-XT_j(t)|| 即f_j优先通行，f_i避让等待；由此可知，利用该规则可使仅一架航空器通过交叉口，其他航空器将在中间等待位置等待，符合实际管制规则；同时距离交叉口较近且速度较大的航空器由于先进入阴影区域会优先通过，使避让过程有一定随机性，能再现多架航空器交替依次通过交叉口的情况，且与实际运行中管制员、飞行员观察其他航空器位置判断是否需要减速避让的情况一致；阴影ΔCH 可代表观察范围，ΔCH较大时，管制员、飞行员能较早观察到存在的冲突，提前判断并发减速指令或进行刹车，ΔCH较小时，两机接近时才能发现冲突，有可能导致紧急制动或危险接近，将ΔCH设为较小值可模拟低能见度下的运行，正常时应满足ΔCH≥ΔS；

第三、航空器起飞降落演化，方法如下：

当航空器已进入跑道对准跑道，设

当满足条件，航空器可得进入起飞过程；

FR_n(t)＝φ且

上式说明若跑道未分配给其他航空器起飞或着陆，跑道上无其他航空器。管制员会发布起飞许可，航空器可以开始起飞滑跑，根据中国CCAR-93TM规定，航空器开始滑跑时前轮移动瞬间为起飞时刻，该时刻为跑道 R_n被起飞航空器占用，

设G_i为航空器重力；P_i为全发推力；Y_i为地面的总支持力；X_i为气动阻力； C_x、C_y为水平、垂直方向的升力系数；f为跑道摩擦系数，ρ为空气密度，S_i为机翼面积，为抬前轮速度，计算起飞滑跑时间与距离：

由此可得起飞阶段用时：

设f_i离地时刻为

当令FR_n(t)＝φ

若满足以上条件，管制员会发布着陆许可，定义f_i的允许着陆时刻为令跑道被降落航空器占用，否则只能保持高度等待或者复飞；

设为进场速度，即飞机着陆前下降至安全高度处的瞬时速度，V_i ^d为接地速度，着陆时飞机主轮接地瞬时速度，

V_i ^H＝(1.2～1.3)V_i ^d

由此得到降落阶段用时：

根据CCAR-93TM，f_i减速冲程结束时间为降落时刻，定义该时刻为

当令FR_n(t)＝φ

下面结合实施例对本发明所述航空器仿真运行的过程进行具体描述。

实施例，以中国石家庄正定机场为例：

1、跑滑结构显示及元胞划分过程如下：

如图8和图9所示，将石家庄正定机场场面运行元素共划分为2277个元胞，给出机场场面滑行道与部分机位推出程序的元胞划分示意图，其中红色格点为滑行道元胞，当滑行道上存在交叉口，滑行道进行分段，各段划分并标记元胞；绿色格点为推出程序，从机位开始至到达滑行道为止划分元胞序列；由此可将航空器地面运行所占用的元素用属性不同的元胞链表示；机场机动区内任一点属于不少于一个元胞，航空器在推出及滑行时依次占用不同的属性的元胞，形成运动轨迹。

图10给出根据不同类型航空器在推出、滑行中机身长度占用的元胞个数示意图；图中航空器图标仅标志机头位置和起降类型，绿色为在本场起飞的航空器；机身长度由图标下方的着色元胞表示，其中推出元胞绿色表示空闲，黑色表示占用，滑行元胞黑色表示空闲，红色表示占用；图10A中从502机位推出的编号为0082的航空器，在H上滑行的0081航空器均为SMALL型，占用7 个元胞；图10B中从503机位推出的编号为0057的航空器为BIG型，占用15 个元胞；图10C中在K1上滑行的编号为0016的航空器为MIDDLE型，占用 10个元胞；图10D中在J、J1上滑行的编号为0173、0172的航空器分别为BIG、SMALL型，分别占用15、7个元胞。

2、航空器仿真运行及管制指令生成过程如下：

航空器运行元胞自动机模型并考虑运行程序、管制规则及管制意图，形成管制指令，对场面运行航空器运动状态、飞行员操作及管制指令发布等多方行为进行仿真模拟。由于本文基于元胞自动机构造演化模型，因此在仿真中对航空器占用元胞(机身长度与安全间隔之和)进行标志。

图11给出不同跑滑结构下，进场航空器脱离跑道、停止等待指令、滑行、进入机位等关键位置的仿真运行图；图12给出不同跑滑结构下，离场航空器推出机位、滑行、在跑道外等、进入跑道使用跑道起飞等关键位置的仿真运行图。

航空器场面运行仿真时可根据实际飞行计划生成仿真运行数据，飞行计划数据可利用图13的界面进行编辑及倒入；也可使用图14的参数设置界面设置随机仿真参数，可按照起降比例随机生成航空器进行运行仿真。

由上可知，用户可设置起降航空器生成密度，对指定位置(机位、滑行道) 进行限制，可针对某固定机位或者滑行路径产生多架次航空器进行冲突或者拥挤测试，可对滑行路径进行优化分配，也可对仿真运行进行单步更新设置，以仔细再现每时步演化过程中航空器的运行状态随机变化及相互影响；若需快速仿真，也可选择静态显示模式。

由于航空器场面运行关键状态变化必须得到管制指令许可，本实施例也考虑了管制员发布指令的依据和意图，因此在仿真运行同时给出相应管制指令内容和发布时间。如图14所示，图中多架进离场航空器在不同时间得到不同指令，例如0001在00:21:10到达15跑道外等待点，在00:22:13得到进入跑道指令， 0005在00:15:45得到放行许可，00:17:03得到推开指令，00:21:50完成推出过程得到滑行指令，管制员分配滑行路径B5、A、A1；00:22:35时刻0003从A4脱离跑道后，管制员发布滑行指令并分配滑行路径A4、A、B6、B、K、K1至224 机位。

3、航空器场面运行冲突避让过程如下：

图15给出构型、位置、间隔不同时推出航空器与滑行航空器避让过程仿真运行图。图16给出航空器滑行过程进行仿真，绿色、黄色分别表示离、进场航空器，为方便观察可用滑行距离LT_i ⁿ(t)，将航空器机头元胞及后方长度C_i+ΔS的格点标志为红色，意味着该元胞不得被其他航空器占用；图16显示了滑行道构型、位置、间隔不同时滑行航空器相遇时的避让过程仿真运行。

4、航空器滑行路径显示及统计分析过程：

如图17所示，系统能以列表或者利用静态仿真方法以直观显示轨迹的方式标明各个航空器的滑行路径；判断滑行轨迹点的时间和位置，形成滑行路径，同时显示滑行时间，轨迹个数等参数统计值。

在主界面上选取滑行道，可将滑行道加入滑行监视列表，可统计一段时间内经过此滑行道的航空器架次，如图18所示，在三小时运行时间内，C滑行道流量最大达到110架次；同时，在该列表中点选各个滑行道名称，能实现对各个滑行道在监视时间范围内速度和滑行方向的统计。

说明，上述内容与附图对应的部分，两者的描述语言可能不是完全相同，但其含义相互对应，有一定差异只是为了便于按行业习惯表达对应含义。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims

1.一种基于元胞自动机的机场场面运行仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于元胞自动机的机场场面运行仿真方法，其特征在于：所述步骤1和步骤3中，所述航空器场面运行模型包括航空器推出运行模型、滑行运行模型和起飞降落模型。

3.根据权利要求2所述的基于元胞自动机的机场场面运行仿真方法，其特征在于：所述步骤3中，所述通过航空器运行仿真模块建立航空器场面运行模型包括如下步骤：

其中，跑滑结构元胞定义的方法如下：

航空器分类的方法如下：

在尾流等级划分基础上，基于航空器机身长度，考虑不同机型占用的元胞个数差异，对航空器机型分类进行细化，由大到小分为BIG、MIDDLE与SMALL三种类型；

步骤3.2、航空器场面运行模型的建立方法如下：

第一、基于元胞自动机的推出演化，方法如下：

判断t时刻f_i是否能推出：

加速过程：

以概率减速过程：

V_i ^p(t+1)＝max(V_i ^p(t+1)-1,0)

安全减速过程：

V_i ^p(t+1)＝max(min(V_i ^p(t+1),LP_i ⁿ(t)),0)

位置更新：

XP_i ⁿ(t+1)＝XP_i ⁿ(t)+V_i ^p(t+1)

以上过程是航空器被拖车牵引离开机位时的速度、位置演化规则，其中LP_i ⁿ(t)是判断是否进行安全减速的关键变量；

定义推出航空器f_i在t时刻的可用推出距离LP_i ⁿ(t)为：

设CP_i为避让后方滑行航空器保留的安全间隔，

设推出程序连接滑行道T_m，如果推出航空器后方无其他航空器即满足N(T_m,t)＝0或者T_m上的滑行航空器距离推出航空器较远，判断两机无冲突，即满足令CP_i＝0；否则，为避免两机冲突，限制推出航空器推出，令推出航空器尾部与滑行道T_m有间隔ΔPT，其中ΔCP为冲突避让裕度或冲突观察范围，ΔCP较大时，较远滑行航空器会对推出航空器有影响，推出受限较大，ΔCP较小时，滑行航空器较为接近时才相互影响，推出受限较小；

当时，航空器推出过程结束，并以停止状态位于滑行道上；

第二、基于元胞自动机的滑行演化，方法如下：

设集合T＝{T₁,T₂,...T_m}为机场滑行道集合，包括但不限于脱离道、快速脱离道、联络道，设任意滑行道T_n，T_n∈T为长度为N的一维离散元胞链，各个元胞位置为每一个时步每个元胞被三种大小不同的航空器占据，设XM、XH、XHR分别为中间停止位置、强制停止报告位置、跑道外等待点所在的元胞集合，设TY_i＝{DEP,ARR}为标志进离场类型，设DT_i ⁿ为航空器f_i在T_n中的运行方向，DT_i ⁿ＝{-1，1}，其中DT_i ⁿ＝1指滑行方向元胞序号增大的方向，DT_i ⁿ＝-1指按照元胞序号减小的方向；设为最大滑行速度，为从滑行道T_n转入T_k的最大转弯速度，XT_i(t)表示航空器f_i在t时刻的机头位置，若飞机滑行道T_n上，V_i ^T(t)表示第i架航空器在t时刻能前进的元胞数，即在t时刻的滑行速度：

定义N(T_n,t)为滑行道T_n上的航班个数，则有：

N(T_n,t)≥0

加速过程：

若则

否则

以概率减速过程：

V_i ^T(t+1)＝max(V_i ^T(t+1)-1,0)

安全减速过程：

V_i ^T(t+1)＝max(min(V_i ^T(t+1),LT_i(t)),0)

位置更新：

XT_i(t+1)＝XT_i(t)+DT_i ⁿ·V_i ^T(t+1)

定义航空器f_i在t时刻的可用滑行距离LT_i(t)为：

LT_i(t)＝min(GM_i,k(t),GH_i,k(t),GT_i,j(t)-ΔS)

GT_i,j(t)＝||XT_i(t)-XT_j(t)||-C_j

GT_i,j(t)-ΔS≥0

定义f_i距离前方强制停止等待点XH_k的距离：

GH_i,k(t)＝||XH_k-XT_i(t)||，XH_k∈XH

设为f_i前方与T_n相连接的且距离小于ΔCH的滑行道格点集合，定义GMi_,k(t)为f_i距中间停止位置XM_k的距离：

若GM_i,k(t)＝||XM_k-XT_i(t)||，

否则

GM_i,k(t)＝+∞

由此定义的交叉口避让规则，距交叉口ΔCH的元胞用阴影标识，f_i、f_j分别在滑行道T_n、T_m上滑行，两机有交叉汇聚，若当前滑行道上均无前机，且不经过强制停止等待点，即GH_i,k(t)＝GH_j,k(t)＝+∞且GT_i,i+1(t)＝GT_j,j+1(t)＝+∞，f_j位于阴影区，定义LT_i(t)＝GM_i,k(t)＝||XM_k-XT_i(t)||而LT_j(t)＝+∞，f_j优先通行，f_i避让等待；f_i进入阴影区，LT_i(t)＝+∞，而LT_j(t)＝GM_j,k+1(t)＝||XM_k+1-XT_j(t)||即f_j优先通行，f_i避让等待；

第三、航空器起飞降落演化，方法如下：

设集合R＝{R₁,R₂,...R_m}为机场跑道集合，设任一跑道R_n，R_n∈R为长度为N的一维离散元胞链，各个元胞位置为每一个时步每个元胞被三种大小不同的航空器占据，设为航空器f_i在R_n中的运行方向，设为从T_m转入R_n的最大速度，为从R_m转入T_n的最大速度，为t时刻f_i在R_n上的机头位置，定义FR_n(t)为t时刻在跑道上起飞、降落的航空器，若无航空器起降，FR_n(t)＝φ，定义判断t时刻元胞是否被占用，

当航空器已进入跑道对准跑道，设

当满足条件，航空器可得进入起飞过程；

FR_n(t)＝φ且m∈[1,N],

航空器开始滑跑时前轮移动瞬间为起飞时刻，该时刻为跑道R_n被起飞航空器占用，

设G_i为航空器重力；P_i为全发推力；Y_i为地面的总支持力；X_i为气动阻力；C_x、C_y为水平、垂直方向的升力系数；f为跑道摩擦系数，ρ为空气密度，S_i为机翼面积，V_i ^R为抬前轮速度，计算起飞滑跑时间与距离：

设为航空器从V_i ^R加速至V_i ²所用时间，θ为爬升航迹角，若跑道长L。可计算爬升飞越跑道末端时间：

由此可得起飞阶段用时：

设f_i离地时刻为

当令FR_n(t)＝φ

V_i ^H＝(1.2～1.3)V_i ^d

设V_i ^APP为开始进近速度，此时f_i距接地点V_i ^final为进近过程中f_i距离接地点时的速度，设航空器最后进近阶段为匀减速运动，减速度为得到f_i从飞至跑道入口处的时间为：

由此得到降落阶段用时：

f_i减速冲程结束时间为降落时刻，定义该时刻为

当令FR_n(t)＝φ

4.根据权利要求2所述的基于元胞自动机的机场场面运行仿真方法，其特征在于：所述步骤3中，所述航空器运行仿真模块仿真运行包括以下步骤：

步骤(1)、跑滑结构显示及元胞划分；

步骤(2)、航空器仿真运行及管制指令生成；

步骤(3)、航空器场面运行冲突避让；

步骤(4)、航空器滑行路径显示及统计分析。