CN113470439A - 基于人工智能的中小机场管制冲突解决方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于人工智能的中小机场管制冲突解决方法及系统，方法包括：获取进、离场航空器冲突类型、位置，得到冲突解决方案库；结合飞行计划库与冲突解决方案库预判航空器是否存在冲突，若存在冲突，则推算冲突发生的地点，从冲突解决方案库中获取冲突解除方案；实时检测航空器的运行，比较航空器与程序管制间隔标准是否匹配，如不匹配，则进行告警并存档；预设短期冲突告警时间，根据航空器实时状态和飞行趋势进行快速仿真，预测在当前状态下执行预案能否解能决未来可能会发生的飞行冲突。该方法基于人工智能的启发式算法结合飞行计划和空域特点自动生成冲突管制预案，同时能进行短期冲突预警和实时冲突告警，降低管制员的工作负荷。

Description

基于人工智能的中小机场管制冲突解决方法及系统

技术领域

本发明属于计算机科学、人工智能以及空中交通管制技术领域，具体涉及一种基于人工智能的中小机场管制冲突解决方法及系统。

背景技术

目前，在大型机场建设不断完善的背景下，国家民用运输机场建设趋向于侧重中小机场的形式，受建设资金和航班量的限制，安装监视设备面临少则数百万多则近亿元的投入，对于大多数中小机场而言财政无法承担，因此大多数中小机场没有安装监视设备，普遍采用程序管制。因为没有安装监视设备，该管制方式不能可视化的展示空域结构、导航台的布局、进离场航线、航空器的位置、高度、呼号、机型等信息，更不能动态化的更新航空器的位置、高度信息，只能通过纸质进程单和机组的报告，动态掌握航空器的位置、高度，结合航空器的性能和空域特点，推算可能存在的飞行冲突，然后实时调整相应的管制方案。

目前对程序管制的研究多集中在容量评估、容量仿真、管制员的工作负荷、管制间隔、模拟训练以及对管制员的要求等方面。如戴福青、唐天琪，分析了在程序管制条件下，不同进进程序模式(直线进近或推测航迹程序、基线转弯程序、直角航线进近)影响飞行间隔的因素，并在此基础上，建立起进近程序模式、机型比例及飞机速度与飞行容量关系的数学模型。唐卫贞，付令，着重就程序管制在空管技能培训中所发挥的作用进行探讨，以提高各管制单位对程序管制的认识和重视为主要诉求，加大培训力度，进一步提高空管人员的综合素质。

现有管制中，由于程序管制缺乏有效监控航空器的设备，导致空域结构、航空器的实时位置、多架航空器之间的相互影响、冲突产生的地点和时间，完全靠人工通过“想”的方式在脑海里构建整个虚拟的飞行场景，并以此为依据开展管制工作，这种管制方式的管制效率和安全性完全依赖于管制员的个人技能；而随着人们的出行需求增加，航班量也随着增多，空域变得越来越拥堵，程序管制方式工作的开展也变得越来越困难，主要表现为管制员的工作负荷增加，安全压力加大，不安全事件发生率呈现增长势头；且程序管制不能像雷达管制一样给管制员提供可视化的飞机位置、速度和空域结构等信息，管制员只能通过机组的报告和空域图在脑海中构造空域与飞机的动态信息，受人工的生理和心理影响，极易出现构造出错误的情景、触发管制员情景意思丢失、导致管制员不能正确的跟踪航空器的实际运行状态、从而发生不安全事件；同样，程序管制也不能像雷达管制一样借助于空管自动化系统，不能利用现代计算机的智能处理优势，不能对管制指令的正确与否进行预先判断进行短期冲突预警，少了一道保障管制安全的屏障，当冲突发生时，不能提供冲突告警，不能有效对管制工作进行监督和评价。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种基于人工智能的中小机场管制冲突解决方法，该方法结合飞行计划和空域特点自动生成管制预案，通过人工智能对机场冲突进行告警和预警。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于人工智能的中小机场管制冲突解决方法，包括以下步骤：

S1：获取进、离场航空器冲突类型、位置，得到冲突解决方案库；

S2：结合飞行计划库与所述冲突解决方案库预判航空器是否存在冲突，若存在冲突，则推算冲突发生的地点，从所述冲突解决方案库中获取冲突解除方案；

S3：实时检测航空器的运行，比较航空器与程序管制间隔标准是否匹配，如不匹配，则进行告警并存档；

S4：预设短期冲突告警时间，根据航空器实时状态和飞行趋势进行快速仿真，预测在当前状态下执行预案能否解能决未来可能会发生的飞行冲突。

进一步地，所述步骤S1具体包括：

根据空域结构，进离场程序，导航台类型、位置、精度、性能，获取航空器冲突的类型、位置；

根据冲突类型、位置制定对应的冲突解除的管制措施，形成冲突解决方案库。

进一步地，所述步骤S2具体包括：

从飞行计划库中提取飞行计划，获取航空器的飞行参数；

结合所述冲突解决方案库，对航空器是否存在冲突进行预判；

推算冲突发生的位置，并根据冲突产生的实际情况从所述冲突解决方案库中提取冲突解除方案，形成相应的管制预案。

进一步地，所述航空器的飞行参数包括：离场航空器的离场时间、飞行速度、离场程序、进场航空器到达移交点的时间、进场航空器的速度、进场程序。

进一步地，所述步骤S3具体包括：

通过计算机对航空器运行进行仿真运行；

在仿真过程中，基于航空器的动态位置和空域结构进行检测，判断航空器是否满足程序管制间隔标准；

若不满足，则表示冲突已经产生立即发出告警并存档。

进一步地，所述步骤S4具体包括：

预设短期冲突告警时间，根据当前航空器状态和飞行趋势向前进行快速仿真；

若在所述短期冲突时间内出现了飞行冲突，则输出冲突产生的时间、冲突产生的位置和产生冲突的原因；

否则，继续对下一状态的航空器状态和飞行趋势向前进行快速仿真，预判是否发生冲突。

本发明的目的之一在于提供一种基于人工智能的中小机场管制冲突解决系统，该系统可智能的用于中小机场的程序管制工作，自动生成管制预案，提供冲突预警和冲突告警功能，为管制员提供决策支持。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于人工智能的中小机场管制冲突解决系统，包括：

冲突解决方案库模块，用于根据航空器冲突类型、位置，制定冲突解除方案，存储形后成冲突解决方案库；

管制预案制定模块，与所述冲突解决方案库模块相连，用于从飞行计划库中提取航空器的飞行参数，并结合所述冲突解决方案库预判航空器是否存在冲突，若发生冲突则推算冲突发生的地点，从所述冲突解决方案库中获取冲突解除方案，形成管制预案；

短期冲突预警模块，与所述管制预案制定模块相连，用于预设短期冲突告警时间，根据航空器实时状态和飞行趋势进行快速仿真，预测在当前状态下执行预案能否解能决未来可能会发生的飞行冲突，若不能则进行冲突告警，输出告警信息；

冲突告警模块，与所述管制预案制定模块相连，用于实时检测航空器的运行，比较航空器与程序管制间隔标准是否匹配，如不匹配，则进行告警并存档。

进一步地，所述冲突解决方案库包括冲突发生的位置，以及对应冲突位置的冲突解除方案。

进一步地，所述航空器的飞行参数包括：离场航空器的离场时间、飞行速度、离场程序、进场航空器到达移交点的时间、进场航空器的速度、进场程序。

进一步地，所述冲突解决方案库模块通过空域结构，进离场程序，导航台类型、位置、精度、性能，得到航空器冲突类型、位置。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明提供了一种基于人工智能的中小机场管制冲突解决方法及系统，通过计算机仿真技术结合飞机的位置报告动态化的模拟航空器的运行过程，不断更新航空器的位置和高度信息，基于人工智能的启发式算法结合飞行计划和空域特点自动生成管制预案，借助计算机的仿真和人工智能启发式算法进行短期冲突预警和实时冲突告警；该方法能为管制员提供辅助决策支持，可以降低管制员的工作负荷，减少管制疲劳，增强管制员的情景意识，提高管制效率，减少管制安全隐患，提高管制安全水平。同时，可通过计算机图形技术，可视化展示空域信息和航空器的位置信息(航空器的高度、位置、过报告点时间)，通过计算机仿真技术，动态化的展示航空器的飞行过程，为人工程序管制提供了基础依据，通过人工智能技术提供管制预案制定，冲突预警和告警功能，为管制员提供决策支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明中获取冲突解决方案库的流程框图；

图2为本发明中管制预案制定流程框图；

图3为本发明中冲突告警检测过程框图；

图4为本发明中短期冲突预警流程框图；

图5为本发明中空域板块设计图；

图6为本发明中航空器板块设计图；

图7为本发明中人机交互板块设计图；

图8为本发明中飞行计划板块设计图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

所举实施例是为了更好地对本发明进行说明，但并不是本发明的内容仅局限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例中提供一种基于人工智能的中小机场管制冲突解决系统，包括：

冲突解决方案库模块，用于根据航空器冲突类型、位置，制定冲突解除方案，存储后形成冲突解决方案库；

本实施例中，冲突解决方案库模块通过空域结构，进离场程序，导航台类型、位置、精度、性能，得到航空器冲突类型、位置；冲突解决方案库包括冲突发生的位置，以及对应冲突位置的冲突解除方案；

优选地，冲突解决方案库模块可以保存、修改、提取、增加、删除冲突解决方案库中的空域内冲突点和对应冲突解除方法。

管制预案制定模块，与冲突解决方案库模块相连，用于从飞行计划库中提取航空器的飞行参数，并结合冲突解决方案库预判航空器是否存在冲突，若发生冲突则推算冲突发生的地点，从冲突解决方案库中获取冲突解除方案，形成管制预案；

航空器的飞行参数包括：离场航空器的离场时间、飞行速度、离场程序、进场航空器到达移交点的时间、进场航空器的速度、进场程序。

本实施例中，提取飞行计划库中航空器的飞行参数和空域数据后对飞行冲突进行智能判断，发现飞行冲突并找到冲突点后再从冲突解除方法数据库中提取飞行冲突解除方法，并计算冲突解除的各项参数，形成管制预案。

短期冲突预警模块，与管制预案制定模块相连，在设定短期冲突预警时间后，根据航空器状态和飞行趋势进行快速仿真，判断当前状态下执行预案能否解能决未来可能会发生的飞行冲突，若不能则进行冲突警告，输出警告信息；

本实施例中，短期冲突预警模块设定短期冲突预警时间后，根据当前航空器状态和飞行趋势向前进行快速仿真，若在设定的时间内出现了飞行冲突，则输出冲突产生的时间、冲突产生的位置和产生冲突的原因，管制员可根据输出内容及时采取冲突解除措施，避免发生飞行冲突。

冲突告警模块，与管制预案制定模块相连，用于实时检测航空器的运行，比较航空器与程序管制间隔标准是否匹配，如不匹配，则进行告警并存档。

本实施中，自动对航空器的实时运行进行动态分析，以程序管制间隔标准为依据，以航空器的动态位置和空域结构为基础，智能判断是否存在有航空器不满足间隔标准的情况，若发现冲突已经产生立即发出告警提示，输出冲突产生点和冲突产生原因，管制员可根据输出的信息立即采取措施，进行冲突解除避免发生事故。

实施例2

基于实施例1中的系统，本实施例中提供一种基于人工智能的中小机场管制冲突解决方法，包括步骤：

S1：获取进、离场航空器冲突类型、位置，得到冲突解决方案库；

本步骤中，根据终端区的空域结构，进离场程序，导航台类型、位置、精度，航空器的性能等因素，分析航空器冲突的类型、位置，制定冲突解除的管制措施和方法，形成冲突解决方案库；

具体地，获取冲突解决方案库的步骤可参考图1，在程序管制过程中，产生冲突的点和冲突解除方法与空域结构、程序管制间隔标准以及航空器的进离场程序、过导航台的时间密切相关。在空域结构、进离场程序和程序管制间隔标准未发生改变的情况下，冲突点和冲突解决方法是相对固定的，本实施例中对空域结构进行分析，包括分析导航台的位置、导航台的类型、进离场航线的结构、管制移交点设置、不同类型航空器进离场管制移交高度、航空器的进近程序、起始进近高度、等待程序的规定、航线的最低安全高度等信息；再结合程序管制间隔标准，使用全枚举法找出所有发生冲突的点，针对每一个冲突点进行全面分析，结合管制间隔标准和导航台的布局制定冲突解除方法，对于适用距离间隔的使用距离间隔进行冲突调配，对于适用时间间隔的使用时间间隔进行冲突调配，将所有的冲突解除方法放在一个数据库中，形成冲突解除方法数据库。

S2：结合飞行计划库与所述冲突解决方案库预判航空器是否存在冲突，若存在冲突，则推算冲突发生的地点，从所述冲突解决方案库中获取冲突解除方案；

程序管制过程必须要事先根据飞行计划结合空域结构制定好管制预案，合理的管制预案是解决飞行冲突的前提，基于人工智能的预案制定是指系统在加入人工智能启发式算法后能根据输入的飞行计划完成管制预案的自动生成。

本实施例中，获取冲突解除方案过程可参考图2，具体地，先按照航空器起飞和落地计划时间的先后顺序从飞行计划库中提取一架航空器作为参照航空器，将该航空器与飞行计划中的其他所有航空器一一进行快速仿真分析，分析离场航空器的离场时间，飞行速度，离场程序，进场航空器到达移交点的时间，进场航空器的速度，进场程序等影响因素，在仿真的过程中去查找冲突解决方案库，寻找航空器在运行过程中是否存在冲突点，若整个仿真运行过程都未找到冲突点，则航空器之间不存在飞行冲突；若发现了冲突点，则航空器之间存在飞行冲突，发现飞行冲突后，推算冲突发生的地点，计算冲突发生的时间，从冲突解决方案库中提取冲突解决方法，并计算冲突解除的各项参数，将各项参数保存到管制预案库中；优选地，本实施例在管制预案的制定过程中，需要对飞行计划中的所有航空器进行一一比较，去模拟和寻找飞行冲突，并且寻求冲突解除方法；飞行冲突的影响错综复杂，为了解决某个飞行冲突，需要对相关航空器的飞行参数进行调整，航空器的飞行参数调整后又可能产生新的飞行冲突；因此，需要对飞行计划中的航空器进行反复模拟，直到所有航空器均不会有飞行冲突。

S3：实时检测航空器的运行，比较航空器与程序管制间隔标准是否匹配，如不匹配，则进行告警并存档；

在执行管制方案过程中，会存在管制员未及时发现潜在的冲突导致未制定相应的冲突解除方法，或发现了潜在的冲突但冲突解除方法制定错误或冲突解除方法制定正确但执行错误等情况，最终导致航空器之间小于程序管制间隔标准的不安全事件发生。程序管制间隔标准不能满足时，需要进行冲突告警。

本步骤中基于人工智能策略由计算机系统自动对航空器的实时运行进行动态分析，以程序管制间隔标准为依据，以航空器的动态位置和空域结构为基础，智能判断是否存在有航空器不满足间隔标准的情况，若发现冲突已经产生立即发出告警提示。其告警过程可参考图3：通过设置计数器的方式，每隔一定的时间间隔系统不断的对运动中的多个航空器进行仿真检测，首先进行航路比较，若航空器位于不同航路则没有飞行冲突，若处于同一航路则进行航迹比较，检查航空器是交叉飞行、相对飞行还是顺向飞行，若航路存在DME测距台则使用距离标准间隔进行检测，若有间隔则航空器处于安全状态，若不满足间隔则发出告警提示。若航路不存在DME测距台则使用时间间隔标准进行检测，若有间隔则航空器处于安全状态，若不满足间隔则发出告警提示，同时输出发生冲突的地点和冲突产生的原因。

S4：预设短期冲突告警时间，根据航空器实时状态和飞行趋势进行快速仿真，预测在当前状态下执行预案能否解能决未来可能会发生的飞行冲突。

发生冲突是管制员非常严重的一类不安全事件，短期冲突预警是避免发生冲突的最后一道保护屏障，短期冲突是目前还没有发生航空器冲突，但根据现在实际运行情况和发展趋势即将在未来设定的时间内会发生的冲突；短期冲突预警是针对这一类冲突进行的预警。管制员在接收到预警信息并根据预警信息提供的冲突点和冲突产生原因及时做出决策并向机长发布调整航空器飞行状态的指令，避免冲突发生。

本步骤中进行短期冲突预警过程可参考图4：首先根据设定的短期冲突时间和预警时长计算向前的推演次数，当航空器的位置信息更新后，触发航空器进行冲突预警推演分析。具体地，根据当前航空器的运行状态和运行趋势向前进行仿真推演，在每次推演过程中，进行航路比较、航迹检查，根据航路导航台的设置情况使用时间间隔或距离间隔进行冲突检查，如发现存在飞行冲突，则输出冲突产生的地点、时间和原因；若未产生冲突，则以当前模拟的航空器运行状态作为前提向下一个时刻进行推演，进行冲突检测，直到发现飞行冲突或达到推演次数；

进一步地，短期冲突预警是根据目前的航空器状态和飞行趋势，采用计算机快速的运算能力向前进行仿真，若在设定的时间内出现了飞行冲突，则输出冲突产生的时间、冲突产生的位置和产生冲突点原因。若在设定的时间内没有发生飞行冲突，则等待下一次航空器状态更新后再次触发进行检测，短期冲突预警在执行管制过程中，不断的对运动中的多个航空器进行仿真、预测、判断在现行的状态下执行预案能否解能决未来可能会发生的飞行冲突；若不能，系统必须发出预警提示，并输出预警信息。

本实施例中还可在实施例1中公开的系统以及上述公开的方法上开发可视化界面，提供可视化的空域环境和航空器的状态，通过仿真能够动态化的更新航空器的位置、高度等各项参数，以及实现对飞行计划的增加、修改、提取、保存等操作，同时能实现管制员和系统的人机交互，如实现如创建飞机、删除飞机、隐藏/显示时间、隐藏/显示距离、距离环长度设置、航空器等待点设置等功能。具体地，在对管制员进行了详细调研的基础上，从方便管制员使用的角度，设计了仿真系统的各个功能板块，包括空域板块、航空器板块、飞行计划板块和人机交互板块；具体地：

空域板块主要用于显示整个进近空域的可视化视景，包括管制边界、导航台的位置、导航台的名字、进离场航线、航段等；为了便于对空域的观察，要求空域能够具备平移、缩放、全屏等多种功能，空域板块设计如图5所示，具体设计可参考表1。

表格1空域板块设计

航空器板块用于显示航空器的位置，以及航空器的信息数据。包括飞机标记点、飞机预迹线，飞机的呼号、尾流类型、飞机的实时高度、飞机目标高度、飞机进离场航路等信息；航空器板块设计如图6所示，具体设计可参考表2。

表格2航空器板块设计

人机交互板块用于软件使用人员与软件系统实现交互：如进离场航路显示控制、距离环控制、航段显示控制、时钟控制、隐藏显示时间、隐藏显示距离、等待点设置、进入方式设置、标牌大小设置、预迹线长度设置、时钟设置、退出程序、全屏显示，人机交互板块设计如图7所示，具体设计可参考表3。

表格3人机交互板块设计

飞行计划是程序管制制定预案的依据，也是系统运行的基础数据，飞行计划包含了飞机呼号、进离场程序等数据；本实施例中的飞行计划板块包括：计划的创建、加载、保存、修改、数据校验等功能。飞行计划板块设计如图8所示，具体设计可参考表4。

表格4飞行计划板块设计

本实施例中，通过上述板块的仿真与可视化，大大降低管制员的工作负荷同时提高管制员在程序管制中的情景意识。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种基于人工智能的中小机场管制冲突解决方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取进、离场航空器冲突类型、位置，得到冲突解决方案库；

S2：结合飞行计划库与所述冲突解决方案库预判航空器是否存在冲突，若存在冲突，则推算冲突发生的地点，从所述冲突解决方案库中获取冲突解除方案；

S3：实时检测航空器的运行，比较航空器与程序管制间隔标准是否匹配，如不匹配，则进行告警并存档；

S4：预设短期冲突告警时间，根据航空器实时状态和飞行趋势进行快速仿真，预测在当前状态下执行预案能否解能决未来可能会发生的飞行冲突。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

根据空域结构，进离场程序，导航台类型、位置、精度、性能，获取航空器冲突的类型、位置；

根据冲突类型、位置制定对应的冲突解除的管制措施，形成冲突解决方案库。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

从飞行计划库中提取飞行计划，获取航空器的飞行参数；

结合所述冲突解决方案库，对航空器是否存在冲突进行预判；

推算冲突发生的位置，并根据冲突产生的实际情况从所述冲突解决方案库中提取冲突解除方案，形成相应的管制预案。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述航空器的飞行参数包括：离场航空器的离场时间、飞行速度、离场程序、进场航空器到达移交点的时间、进场航空器的速度、进场程序。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

通过计算机对航空器运行进行仿真运行；

在仿真过程中，基于航空器的动态位置和空域结构进行检测，判断航空器是否满足程序管制间隔标准；

若不满足，则表示冲突已经产生立即发出告警并存档。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

预设短期冲突告警时间，根据当前航空器状态和飞行趋势向前进行快速仿真；

若在所述短期冲突时间内出现了飞行冲突，则输出冲突产生的时间、冲突产生的位置和产生冲突的原因；

否则，继续对下一状态的航空器状态和飞行趋势向前进行快速仿真，预判是否发生冲突。

7.一种基于人工智能的中小机场管制冲突解决系统，其特征在于，包括：

冲突解决方案库模块，用于根据航空器冲突类型、位置，制定冲突解除方案存储形成冲突解决方案库；

管制预案制定模块，与所述冲突解决方案库模块相连，用于从飞行计划库中提取航空器的飞行参数，并结合所述冲突解决方案库预判航空器是否存在冲突，若发生冲突则推算冲突发生的地点，从所述冲突解决方案库中获取冲突解除方案，形成管制预案；

短期冲突预警模块，与所述管制预案制定模块相连，用于预设短期冲突告警时间，根据航空器实时状态和飞行趋势进行快速仿真，预测在当前状态下执行预案能否解能决未来可能会发生的飞行冲突，若不能则进行冲突警告，输出警告信息；

冲突告警模块，与所述管制预案制定模块相连，用于实时检测航空器的运行，比较航空器与程序管制间隔标准是否匹配，如不匹配，则进行告警并存档。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述冲突解决方案库模块包括冲突发生的位置，以及对应冲突位置的冲突解除方案。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述航空器的飞行参数包括：离场航空器的离场时间、飞行速度、离场程序、进场航空器到达移交点的时间、进场航空器的速度、进场程序。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述冲突解决方案库模块通过空域结构，进离场程序，导航台类型、位置、精度、性能，得到航空器冲突类型、位置。

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