CN111429760A - 一种多维度航空器碰撞冲突风险评价系统 - Google Patents

一种多维度航空器碰撞冲突风险评价系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了民航航空器碰撞冲突预测领域的一种多维度航空器碰撞冲突风险评价系统，所述系统用于执行的步骤包括：S1，计算出三个维度上本航空器与其他航空器发生重叠的概率；S2，计算出本航空器三个维度的丢失间隔率；S3，求出本航空器三个维度方向上与其他航空器发生冲突碰撞的概率；S4，将本航空器三个维度方向上发生冲突碰撞的概率进行比较，得出最大概率以及最大概率对应的维度；S5，将求出的最大概率与安全标准进行差值计算，根据所述差值，给出安全评价。本发明实现了多维度的航空器碰撞冲突风险概率的计算。求出了碰撞冲突风险概率的最大值，并基于该最大值，提出了对飞行器全面的安全评估的判断依据。

Description

一种多维度航空器碰撞冲突风险评价系统
技术领域
本发明涉及民航航空器碰撞冲突预测领域，特别是一种多维度航空器碰撞冲突风险评价系统。
背景技术
随着我国民航的不断发展，民航安全的重要性不断得到重视。航班数量，航线数量的增加，使得航空器的间隔距离在RECAT标准下进行了缩减。而如何保证改进后的这些间隔距离是安全的，如何确保航空器之间的碰撞冲突风险随时在规定的安全风险之外，是我们研究的重点。
2010年，曹孝文提出了运用EVENT模型进行侧向碰撞风险研究(曹孝文.基于EVENT模型的侧向碰撞风险研究[J].技术与市场,2010,17(02):14.)，在Reich碰撞风险模型的基础上，建立了基于EVENT的侧向碰撞风险模型，然后通过实例，分析了侧向间隔对碰撞风险的影响。
但曹孝文的研究未对模型进行改进，使得碰撞冲突概率结果在运用EVENT模型公式计算时需要大量统计数据的现状没有改变，此外其对航空器冲突概率的研究只限于侧向的研究，航空器在运行过程中是动态的，各方向都有速度，都有可能发生冲突，其研究具有片面性。
发明内容
本发明为了克服上述对航空器冲突概率计算只有侧向计算的缺陷，扩展出多维度的航空器碰撞冲突风险概率的计算模型，提出了一种多维度航空器碰撞冲突风险评价系统。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种多维度航空器碰撞冲突风险评价系统，系统用于执行以下步骤：
S1，根据航空器的机型尺寸参数、本航空器与其他航空器在三个维度方向上的距离和偏航距离的标准偏差，计算出三个维度上本航空器与其他航空器发生重叠的概率；
S2，根据三个维度上本航空器与其他航空器发生重叠的概率，计算出本航空器三个维度的丢失间隔率；
S3，根据本航空器三个维度方向上每小时丢失间隔的频率，本航空器与周围其他航空器的机型速度差值，机型尺寸，同向和反向飞行的航空器的对数，以及同一高度层航空器垂直方向上的冲突概率，求出本航空器三个维度方向上与其他航空器发生冲突碰撞的概率；
S4，将本航空器三个维度方向上发生冲突碰撞的概率进行比较，得出最大概率以及最大概率对应的维度；
S5，将求出的最大概率与安全标准进行差值计算，根据差值，给出安全评价。
进一步的，三个维度上本航空器与其他航空器发生重叠的概率，计算公式分别为：
X轴方向上航空器间重叠概率的计算公式为
Figure BDA0002431566410000021
其中，D1＝planeA翼展/2+planeB翼展/2，SY＝fs(x)，是概率密度函数，服从正态分布，用来表示X轴方向航空器之间的纵向距离；
Z轴方向上航空器间重叠概率的计算公式为
Figure BDA0002431566410000031
其中，D2＝planeA高度/2+planeB高度/2，SZ＝fs(z)，是概率密度函数，服从正态分布，用来表示Z轴方向上航空器之间的垂直距离；
Y轴方向上航空器间重叠概率的计算公式为
Figure BDA0002431566410000032
其中，D3＝planeA长度/2+planeB长度/2，SX＝fs(y)是概率密度函数，服从正态分布，用来表示Y轴方向上航空器之间的纵向距离。
作为优选方案，fs(x)的计算公式为：
Figure BDA0002431566410000033
其中，a1、a2是初始经过导航台两架航空器的侧向距离，σd是航空器距导航台距离为d时飞机侧向偏航距离的标准偏差。
作为优选方案，fs(z)的计算公式为：
Figure BDA0002431566410000034
其中，H2,H1是初始经过导航台两架航空器的初始垂直高度，γt是飞机经过飞行时间T后飞机高度距离的标准偏差。
作为优选方案，fs(y)的计算公式为：
Figure BDA0002431566410000041
其中，Y2、Y1是初始经过导航台两架航空器的纵向距离，κt是飞机经过飞行时间T后飞机纵向距离的标准偏差。
进一步的，步骤S2中，本航空器三个维度方向上每小时丢失间隔的频率按照X轴、Y轴和Z轴三个维度分别计算，计算公式为：
X轴：
Figure BDA0002431566410000042
Z轴：
Figure BDA0002431566410000043
Y轴：
Figure BDA0002431566410000044
其中，GERH1表示侧向每小时丢失间隔频率，GERH2表示垂直方向上每小时丢失间隔频率，GERH3表示纵向每小时丢失间隔频率，U、V、W是同向飞行时，航空器A机穿越航空器B机的间隔片时在纵向、侧向和垂直方向的相对速度，λX,λY,λZ是包裹航空器真实形状的碰撞盒的长度、宽度和高度。PY(SY),PZ(SZ),PX(SX)依次是侧向重叠概率、垂直方向重叠概率以及纵向重叠概率。
作为优选方案，步骤S3中，本航空器三个维度方向上发生冲突碰撞概率按照X轴、Y轴和Z轴三个维度分别计算，
X轴：
Figure BDA0002431566410000045
Z轴：
Figure BDA0002431566410000046
Y轴：
Figure BDA0002431566410000051
其中，GERH1,GERH2,GERH3是在侧向、垂直方向和纵向每小时丢失间隔的频率；PZ(0)是在同一高度层的两机在垂直方向上发生重叠的概率；λX,λY,λZ是包裹航空器真实形状的碰撞盒的长度、宽度和高度；U1,V1,W1是在研究纵向距离问题时，同向飞行的航空器A机穿越航空器B机的间隔片这一过程中，航空器之间的纵向、侧向和垂直方向的相对速度；U2,V2,W2是在研究垂直方向距离问题时，同向飞行的航空器A机穿越航空器B机的间隔片这一过程中，航空器之间的纵向、侧向和垂直方向的相对速度；U3,V3,W3是在研究纵向距离问题时，同向飞行的A机穿越B机的间隔片这一过程中，航空器之间的纵向、侧向和垂直方向的相对速度；L是纵向间隔；E(S)、E(0)分别是同向、反向飞行的飞机对数。
进一步的，步骤S5具体步骤包括：
将求出的最大概率减去安全标准值，得到差值，如果所述差值小于或等于0，则安全评价为“航空器运行评价结果安全”；如果所述差值大于0，则安全评价为“航空器运行评价结果不安全”。
基于相同的构思，本发明还提出了一种多维度航空器碰撞冲突风险计算和安全评价系统，包括至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器；存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，所述指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行上述任一项的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明通过对平行航路间航空器的运行，相差同一飞行高度层间航空器的运行以及同一高度层上纵向距离相差6km之间的航空器运行状态进行了分析，实现了多维度的航空器碰撞冲突风险概率的计算。
2、计算出了各维度方向上航空器的碰撞冲突风险概率，求出了碰撞冲突风险概率的最大值，并基于该最大值，提出了对飞行器全面的安全评估的判断依据。
附图说明：
图1为本发明实施例1中一种多维度航空器碰撞冲突风险计算和安全评价方法的流程图；
图2为本发明实施例2中一种多维度航空器碰撞冲突风险评价系统的软件界面；
图3为本发明实施例2中一种多维度航空器碰撞冲突风险评价系统求出风险最大值的软件界面图；
图4为本发明实施例2中软件算出来最大碰撞冲突概率与安全标准之间的差值界面图；
图5为本发明实施例2中软件给出的安全评价界面图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
一种多维度航空器碰撞冲突风险评价系统相应的方法流程图如图1所示，步骤包括：
S1，根据航空器的机型尺寸参数、本航空器与其他航空器在三个维度方向上的距离和偏航距离的标准偏差，计算出三个维度上本航空器与其他航空器发生重叠的概率。
S2，根据三个维度上本航空器与其他航空器发生重叠的概率，计算出本航空器三个维度方向上每小时丢失间隔的频率。
S3，根据本航空器三个维度方向上每小时丢失间隔的频率，本航空器与周围其他航空器的机型速度差值，机型尺寸，同向和反向飞行的航空器的对数，以及同一高度层航空器垂直方向上的冲突概率等参数，求出三个维度方向上发生冲突碰撞概率的风险值。
S4，将三个维度方向上发生冲突碰撞概率的风险值进行比较，得出最大的风险值，最大的风险值对应的维度，就是本航空器最可能出现碰撞冲突风险的维度。
S5，将求出的最大的风险值与安全标准进行差值计算，根据差值，判断安全评估等级。
步骤S1中，三个维度上指的是基于XYZ坐标轴的X轴、Y轴和Z轴三个维度。三个维度上，本航空器与其他航空器发生重叠的概率是分别进行计算的，其中，X轴方向上航空器间重叠概率的计算公式如公式(1)所示，
Figure BDA0002431566410000071
其中，D1＝planeA翼展/2+planeB翼展/2，SY＝fs(x)，是概率密度函数，服从正态分布，用来表示X轴方向航空器之间的侧向距离，fs(x)的计算公式如公式(2)所示。
Figure BDA0002431566410000081
其中，a1、a2是初始经过导航台两架航空器的侧向距离，σd是航空器距导航台距离为d时飞机侧向偏航距离的标准偏差。
Z轴方向上航空器间重叠概率的计算公式如公式(3)所示，
Figure BDA0002431566410000082
其中，D2＝planeA高度/2+planeB高度/2，SZ＝fs(z)，是概率密度函数，服从正态分布，用来表示Z轴方向上航空器之间的垂直距离，fs(z)的计算公式如公式(4)所示。
Figure BDA0002431566410000083
其中，H2,H1是初始经过导航台两架航空器的初始垂直高度，γt是飞机经过飞行时间T后飞机高度距离的标准偏差。
Y轴方向上航空器间重叠概率的计算公式如公式(5)所示，
Figure BDA0002431566410000084
其中，D3＝planeA长度/2+planeB长度/2，SX＝fs(y)，是概率密度函数，服从正态分布，用来表示Y轴方向上航空器之间的纵向距离，fs(y)的计算公式如公式(6)所示。
Figure BDA0002431566410000091
其中，Y2、Y1是初始经过导航台两架航空器的纵向距离，κt是飞机经过飞行时间T后飞机纵向距离的标准偏差。
步骤S2中，本航空器三个维度方向上每小时丢失间隔的频率也是按照X轴、Y轴和Z轴三个维度分别计算的。
X轴：侧向每小时丢失间隔频率用GERH1表示，GERH1由公式(7)求得，
Figure BDA0002431566410000092
Z轴：垂直方向上每小时丢失间隔频率用GERH2表示，GERH2由公式(8)求得，
Figure BDA0002431566410000093
Y轴：纵向每小时丢失间隔频率用GERH3表示，GERH3由公式(9)求得，
Figure BDA0002431566410000094
上述公式(7)～(9)中，U、V、W是同向飞行时，航空器A机穿越航空器B机的间隔片时，在纵向、侧向和垂直方向的相对速度，λX,λY,λZ是包裹航空器真实形状的碰撞盒的长度，宽度和高度。PY(SY),PZ(SZ),PX(SX)依次是侧向重叠概率，垂直方向重叠概率以及纵向重叠概率。
步骤S3中，本航空器三个维度方向上发生冲突碰撞概率的风险值按照X轴、Y轴和Z轴三个维度分别计算。
X轴：
Figure BDA0002431566410000101
Z轴：
Figure BDA0002431566410000102
Y轴：
Figure BDA0002431566410000103
其中，GERH1,GERH2,GERH3是在侧向、垂直方向和纵向每小时丢失间隔的频率，PZ(0)是在同一高度层的两机在垂直方向上发生重叠的概率，λX,λY,λZ是包裹航空器真实形状的碰撞盒的长度，宽度和高度。U1,V1,W1是在研究纵向距离问题时，同向飞行的航空器A机穿越航空器B机的间隔片这一过程中，航空器之间的纵向、侧向和垂直方向的相对速度，U2,V2,W2是在研究垂直方向距离问题时，同向飞行的航空器A机穿越航空器B机的间隔片这一过程中，航空器之间的纵向、侧向和垂直方向的相对速度，U3,V3,W3是在研究纵向距离问题时，同向飞行的A机穿越B机的间隔片这一过程中，航空器之间的纵向、侧向和垂直方向的相对速度。L是纵向间隔，E(S)、E(0)分别是在一定距离内的同向、反向飞行的飞机对数。
步骤S5中，将求出的最大的风险值与标准安全值进行比较，如果差值小于或等于0，则安全评价为“航空器运行评价结果安全”，如果差值大于0，则安全评价为“航空器运行评价结果不安全”，需要及时进行飞行调整。航空器之间在侧向和垂直方向的安全规定要求碰撞冲突概率不能超过1.5×10-8次/飞行小时，纵向碰撞冲突概率不能超过1.2×10-7次/飞行小时。
实施例2
假定在某次航路飞行阶段，两条航路之间的宽度a2-a1＝32km，取d＝45km，σ0＝3.0，λσ＝0.03飞机地速GS＝900km/h，则T＝180s，假定V＝V1＝V2＝V3 U＝U1＝U2＝U3 W＝W1＝W2＝W3，查找相关资料如表1所示：
表1参数取值表格
参数 取值
E[S] 0.61
E[0] 0.01
L 120n mile
U<sub>at</sub> 480konts
U 13konts
V 60konts
W 1.0konts
Pz(0) 0.48
现在以B747-300，A380两架飞机为研究对象，A机位是B747-300，B机位是A380，机身长度，翼展长度，机身高度取两者的平均值，则有λx＝71.7m，λy＝69.7m，λz＝21.7m，将这些参数带入计算：
Figure BDA0002431566410000111
Figure BDA0002431566410000112
F1＝1.2683×10-9次/飞行小时
参考航空器高度数据，假定初始高度差H2-H1为0.72km，T＝180S，γt＝0.13，则有：
Figure BDA0002431566410000121
Figure BDA0002431566410000122
F2＝1.8873×10-10次/飞行小时
参考航空器速度数据，假定前后两机距离间隔即Y2-Y1为6.2km，取T＝180S，κt＝1.7，则有：
Figure BDA0002431566410000123
Figure BDA0002431566410000124
F3＝7.0548×10-8次/飞行小时
将上述数据带入采用一种多维度航空器碰撞冲突风险评价系统，可以求出碰撞风险最大值，计算安全风险，给出安全评价，查阅相关规定，航空器之间在侧向和垂直方向的安全规定要求碰撞冲突概率不能超过1.5×10-8次/飞行小时，纵向碰撞冲突概率不能超过1.2×10-7次/飞行小时。所述一种多维度航空器碰撞冲突风险评价系统的软件界面如图2所示，所述一种多维度航空器碰撞冲突风险评价系统求出风险最大值的软件界面如图3所示，软件求算出来最大碰撞冲突概率与安全标准之间的差值界面如图4所示，软件给出的安全评价界面如图5所示。

Claims (9)

1.一种多维度航空器碰撞冲突风险评价系统，其特征在于，所述系统用于执行以下步骤：
S1，根据航空器的机型尺寸参数、本航空器与其他航空器在三个维度方向上的距离和偏航距离的标准偏差，计算出三个维度上本航空器与其他航空器发生重叠的概率；
S2，根据所述三个维度上本航空器与其他航空器发生重叠的概率，计算出本航空器三个维度的丢失间隔率；
S3，根据所述本航空器三个维度方向上每小时丢失间隔的频率，本航空器与周围其他航空器的机型速度差值，机型尺寸，同向和反向飞行的航空器的对数，以及同一高度层航空器垂直方向上的冲突概率，求出本航空器三个维度方向上与其他航空器发生冲突碰撞的概率；
S4，将本航空器三个维度方向上发生冲突碰撞的概率进行比较，得出最大概率以及最大概率对应的维度；
S5，将求出的最大概率与安全标准进行差值计算，根据所述差值，给出安全评价。
2.如权利要求1所述的一种多维度航空器碰撞冲突风险评价系统，其特征在于，所述三个维度上本航空器与其他航空器发生重叠的概率，计算公式分别为：
X轴方向上航空器间重叠概率的计算公式为
Figure FDA0002431566400000011
其中，D1＝planeA翼展/2+planeB翼展/2，SY＝fs(x)，是概率密度函数，服从正态分布，用来表示X轴方向航空器之间的纵向距离；
Z轴方向上航空器间重叠概率的计算公式为
Figure FDA0002431566400000021
其中，D2＝planeA高度/2+planeB高度/2，SZ＝fs(z)，是概率密度函数，服从正态分布，用来表示Z轴方向上航空器之间的垂直距离；
Y轴方向上航空器间重叠概率的计算公式为
Figure FDA0002431566400000022
其中，D3＝planeA长度/2+planeB长度/2，SX＝fs(y)是概率密度函数，服从正态分布，用来表示Y轴方向上航空器之间的纵向距离。
3.如权利要求2所述的一种多维度航空器碰撞冲突风险评价系统，其特征在于，fs(x)的计算公式为：
Figure FDA0002431566400000023
其中，a2、a1是初始经过导航台两架航空器的侧向距离，σd是航空器距导航台距离为d时飞机侧向偏航距离的标准偏差。
4.如权利要求2所述的一种多维度航空器碰撞冲突风险评价系统，其特征在于，fs(z)的计算公式为：
Figure FDA0002431566400000024
其中，H2,H1是初始经过导航台两架航空器的初始垂直高度，γt是飞机经过飞行时间T后飞机高度距离的标准偏差。
5.如权利要求2所述的一种多维度航空器碰撞冲突风险评价系统，其特征在于，fs(y)的计算公式为：
Figure FDA0002431566400000031
其中，Y2、Y1是初始经过导航台两架航空器的纵向距离，κt是飞机经过飞行时间T后飞机纵向距离的标准偏差。
6.如权利要求1所述的一种多维度航空器碰撞冲突风险评价系统，其特征在于，步骤S2中，本航空器三个维度方向上每小时丢失间隔的频率按照X轴、Y轴和Z轴三个维度分别计算，计算公式为：
X轴：
Figure FDA0002431566400000032
Z轴：
Figure FDA0002431566400000033
Y轴：
Figure FDA0002431566400000034
其中，GERH1表示侧向每小时丢失间隔频率，GERH2表示垂直方向上每小时丢失间隔频率，GERH3表示纵向每小时丢失间隔频率，U、V、W是同向飞行时，航空器A机穿越航空器B机的间隔片时在纵向、侧向和垂直方向的相对速度，λX,λY,λZ是包裹航空器真实形状的碰撞盒的长度、宽度和高度。PY(SY),PZ(SZ),PX(SX)依次是侧向重叠概率、垂直方向重叠概率以及纵向重叠概率。
7.如权利要求1所述的一种多维度航空器碰撞冲突风险评价系统，其特征在于，步骤S3中，本航空器三个维度方向上发生冲突碰撞概率按照X轴、Y轴和Z轴三个维度分别计算，
X轴：
Figure FDA0002431566400000041
Z轴：
Figure FDA0002431566400000042
Y轴：
Figure FDA0002431566400000043
其中，GERH1,GERH2,GERH3是在侧向、垂直方向和纵向每小时丢失间隔的频率；PZ(0)是在同一高度层的两机在垂直方向上发生重叠的概率；λX,λY,λZ是包裹航空器真实形状的碰撞盒的长度、宽度和高度；U1,V1,W1是在研究纵向距离问题时，同向飞行的航空器A机穿越航空器B机的间隔片这一过程中，航空器之间的纵向、侧向和垂直方向的相对速度；U2,V2,W2是在研究垂直方向距离问题时，同向飞行的航空器A机穿越航空器B机的间隔片这一过程中，航空器之间的纵向、侧向和垂直方向的相对速度；U3,V3,W3是在研究纵向距离问题时，同向飞行的A机穿越B机的间隔片这一过程中，航空器之间的纵向、侧向和垂直方向的相对速度；L是纵向间隔；E(S)、E(0)分别是同向、反向飞行的飞机对数。
8.如权利要求1所述的一种多维度航空器碰撞冲突风险评价系统，其特征在于，步骤S5具体步骤包括：
将求出的最大概率减去安全标准值，得到差值，如果差值小于或等于0，则安全评价为“航空器运行评价结果安全”；如果差值大于0，则安全评价为“航空器运行评价结果不安全”。
9.一种多维度航空器碰撞冲突风险计算和安全评价系统，其特征在于，包括至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器；存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行权利要求1-8任一项的方法。
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