终端区场景下空中交通流建模与控制分析

针对繁忙终端区以及主干航路的运行状态日趋容量极限,现有的空中交通管理系统仍采取传统依赖管制经验的空中交通管制模式,空中交通网络拥堵问题日渐严重。本文构建空中交通流系统模型,旨在从系统工程的角度进行定性和定量的分析,在有限的空域资源约束下进行有效空中交通流量管理。首先,对终端区空域栅格化处理,考虑控制过程中进离场飞行程序,在TAAM(Total Airspace and Airport Modeller)软件中建立初始模型并进行仿真,获取各二维面元(Surface Element, SEL)交通流参数信息,在仿真数据的基础上确定各SEL交通流的平均速度,对终端区二维控制体模型(2D Menon Model, MM2D)进行改进。其次,结合现代控制理论,以空域状态方程和系统矩阵对交通流进行表征,并对该系统进行能控性和稳定性分析。结果表明：改进的终端区MM2D模型能控性矩阵满秩,系统矩阵特征值为0.04、0.194、0.517和0.529均小于1,证明空中交通流系统可控且渐近稳定,通过对控制量组合给予调配,可得到完全能控下最小控制量组合,交通流控制率可缩减45.7%,对实际管制过程中交通流控制方向与数量具有一定的现实意义。     

广义空中交通流建模综述

空中交通流建模是研究空中交通系统拥堵规律和演变机理的重要手段.面向集权式管控下空中交通流广义属性,将空中交通流模型分为\"以流为中心\"和\"以人为中心\"两类,评述各类广义交通流模型的核心理念、建模方法、主要特点和适用范围,强调了空中交通流建模中\"人-流\"关系的重要性;针对当前交通流建模亟需突破的瓶颈和未来空中交通发展需求,...     

基于形态特征的终端区进场中心航迹识别方法

为了挖掘终端区进场航空器交通流的分布特征,量化分析空中交通的复杂性,提出了一种基于多特征轨迹相似度和密度峰值聚类(Density-peak Clustering, DPC)的中心航迹提取方法。首先,采用单向距离(One Way Distance, OWD)计算轨迹之间的形状和物理距离,并结合空管实际运行航迹数据特征,考虑航迹之间的位置属性和航向属性,定义多特征航迹相似度模型。其次,使用密度峰值聚类算法对航迹数据进行聚类分析,提取聚类结果中每一簇中具有最高密度的真实轨迹作为中心航迹。最后,对双流国际机场终端区历史航迹数据进行实验分析,使用轮廓系数指标和基于密度的指标进行评价,并与层次聚类算法进行对比。结果表明,轨迹被划分为8个不同形态的类簇,该方法可以直观有效的识别出轨迹的整体运动特征并精确提取出真实的中心航迹。     

基于空中交通流的空中交通网络拥挤程度评估

为解决空中交通流量日益增多导致的空中交通拥挤和拥堵问题,本文从空中交通流角度出发,区分空中交通拥挤和拥堵,通过建立拥挤程度评估模型来评估空中交通网络中拥挤程度。首先从容量和流量的角度区分并界定空中交通拥挤和拥堵的概念,同时借鉴道路交通思想,将空中交通分为畅通、正常、拥挤和拥堵四种状态。然后从空中交通流角度分析判定空中交通拥挤,提出拥挤状态门限区间,建立多种情况下的空中交通拥挤评估模型。最后引用某大型繁忙机场某时段的航班数据作为算例。结果表明,所建立模型可以用来评估空中交通网络拥挤程度。     

基于航迹的终端区进场效率

随着空中交通量持续增长,空域拥堵、资源紧张、航班延误等问题愈发严重.为了在现有运行环境下提高终端区效率,提出了水平维度与垂直维度联合的终端区进场效率综合评价指标.以天津滨海国际机场为例,基于航迹数据对终端区进场效率进行分析,以评估机场短期改进的潜力.评估结果显示:天津机场终端区进场效率整体较低;不同进场方向航班进场效率...     

进离场交通流时距分布特征对比分析

时距分布是空中交通流理论研究的重要概念和组成部分。以中国某机场实测轨迹数据为例,提出一种合适观测点的自动生成方法,该方法能有效提升轨迹数据的利用率,并选择跟驰性较好的轨迹数据用以计算时距。在分别绘制进场和离场交通流时距频率分布直方图的基础上,应用韦布尔、光滑样条和有理函数模型拟合时距分布情况,并从定性和定量的角度对比分析拟合结果。结果表明,在机场运行状态正常时,有理函数模型对离场交通流时距的拟合效果最好,而光滑样条模型对进场交通流时距的拟合效果最好;在机场运行状态不佳时,光滑样条模型和有理函数模型则分别对离场和进场交通流的拟合效果更佳;进场交通流时距分布比离场交通流时距分布特征更明显。     

基于神经网络和混沌理论的短时交通流预测

文章通过分析短时交通流量数据在时间序列上的特点，结合神经网络和混沌理论，从非线性时间序列预测的角度对交通量预测进行探讨。并用该方法对广州至佛山高速公路交通流进行了预测，取得了较为满意的效果。     

空中交通流时间序列的复杂度分析

空中交通系统是复杂的非线性系统,时间序列是研究空中交通系统的有效措施。为了定量分析空中交通的复杂性,首先阐述Lempel-Ziv算法复杂度及其修正复杂度;然后采集三亚01号、02号、04号扇区连续28 d的实际运行数据,构建了空中交通流时间序列;计算了3个扇区交通流时间序列的算法复杂度,并对相关参数的影响进行了分析。计算结果表明,修正的算法复杂度适用于长度较短的时间序列,可用于量化测度空中交通流复杂性;符号化方法、序列长度、时间尺度等对算法复杂度有较大影响。     

基于时间-空间的进场航迹聚类分析

空中交通管制的核心任务是保证飞行安全,提高航班的运行效率。在航空器进场过程中,很多因素会导致航空器不能严格按照计划航线飞行。由于传统的航迹聚类分析没有将航空器进场飞行当作一个过程来考虑,缺乏时间信息,为了更加符合实际运行情况,本文采用时间窗、空间聚类的方法,合理地提取出了航空器在进场飞行过程中每一分钟的标准中心航迹。然后采用双调和样条插值法计算出了在整个空域内航班进场过程的航迹分布概率。实验表明,此方法快速有效,更加符合管制指挥的实际情况。     

基于点融合进近的航空器进场4D航迹规划

点融合进近是一种全新的进近技术,对点融合进近中的航空器进场4D航迹规划方法进行了研究。根据点融合进近运行的特点,提出航空器航迹预测方法。以总延误时间最少和着陆次序调整最小为目标建立4D航迹规划模型;并采用遗传算法进行了求解。通过仿真计算,比较了先到先服务与此规划方法的差别。比较结果表明,4D航迹规划方法可以有效提高终端区运行效率。     

基于优先级的航班到达调度算法

随着空中交通流量的迅猛增长,终端区空中交通拥堵以及由此导致的航班延误现象日益突出,甚至危及航空安全,航运效益也随之受到巨大的损失。作为终端区流量管理的核心,航班到达调度旨在为终端区待着陆的航班安排合理的着陆顺序和降落时刻,在确保安全的前提下提高进港航班运行效率。基于优先级思想,文章提出了PBSA和PBSA-CPS两种航班到达调度算法,并引入约束位置交换概念,以提高调度结果对于管制员的可操作特性。最后以首都机场为例进行了仿真,并与现行的先到先服务算法FCFS进行了对比。仿真结果表明,通过对航班赋予相应的优先级,有助于优化调配到达航班队列的降落时隙分配结果,提高终端区运行效率,减少延误损失。     

基于流量特征识别的哑终端安全管控系统

网络摄像头、网络打印机这类基于IP协议无用户交互界面的物联网哑终端通常基于嵌入式系统开发,存在程序固化难以更新、计算资源有限、采用简单的安全认证机制等问题,出现安全漏洞难以进行升级很容易被攻击者控制发起网络攻击.针对上述问题,本文设计并实现了基于流量特征识别的哑终端安全管控系统.该系统提取终端的流量特征,实现终端的身份鉴别和行为监管.在设备接入时,提取终端的流量静态特征实现身份鉴别;在设备接入后通过分析流量动态行为特征判断其是否存在异常行为.发现异常行为后阻断会话连接.该系统在实验环境和实测环境下性能均表现较好,设备识别准确率达到96.6%,异常检测准确率达到97.7%,可有效检测DOS、端口扫描等网络攻击行为.     

地面等待策略数学模型分析

地面等待是空中交通管理中普遍应用的一种方法.系统地分析了单机场和多机场地面等待策略GDP(GroundDelay Policy)经典模型.在这些模型的基础上,研究了确定容量条件下的多元受限地面等待问题,建立数学模型.通过对成都机场流量的仿真计算,验证了模型的可行性.     

单亲遗传算法求解飞机降落排序问题的研究

为了保证飞机在降落时安全畅通,对飞机的降落排序进行了有效的排序,以单亲遗传算法(PGA)为基础,建立了以航班延误总时间最小为目标函数的规划模型,对着陆飞机排序进行了仿真计算,并与先到先服务算法、模拟退火算法以及蚁群算法进行了对比研究.仿真结果表明PGA算法在延误时间方面远低于先到先服务算法、模拟退火算法以及蚁群算法,但在计算性能上稍差于没有优化的先到先服务算法,因此提出该算法的可行性.     

自由飞条件下的冲突探测与解脱方法

该文介绍了自由飞行的概念 ,并简述了采用自由飞行的原因及其给空中交通管制员工作带来的困难。分析了如何将遗传算法用于自由飞条件下的飞行冲突探测与解脱问题 ,并介绍了基本遗传算法的原理和运算步骤。结合我国空管的有关规定 ,进行了合理的假设 ,通过一些算例将遗传算法用于冲突探测与解脱 ,计算结果表明该方法能够很好地探测并解决飞行冲突问题     

基于交叉点复杂度的空域通行能力优化方法

为解决空域拥挤导致通行能力下降的问题,提出了一种考虑交叉点复杂度的通行能力优化方法。首先,分析了实际民航运行中存在的痛点和难点,以及以往有关通行能力的研究缺少交叉点建模、管制员负荷测量困难和求解时间复杂度高的缺陷;然后从高度层、交叉点和航班运行3个方面提出了空域的数学抽象方法,并根据节点的交叉数对空域的数学模型进行简化,剔除了没有交叉的导航台点,降低了空中交通网络抽象后节点矩阵稀疏的问题;分析了交叉点对于通行能力的影响主要在于流量和交叉数两个方面,以这两个方面建立了交叉点的费用函数;以延误最小为目标,以流量平衡、扇区和航路容量、流控容量和非负整数作为约束,建立了通行能力优化模型;分析并指出存在负容差的空中交通网络更容易发生延误,并根据网络延误的特性提出了一种考虑延误反向传播的迭代算法。最后,以华北地区空域为例,从不同流控等级下的延误时间、受影响的航班数和算法计算时间3方面进行仿真。结果表明：所建模型和所提算法平均能降低33.58%的延误,且通过合理地分配改航、调时和调减最大程度减少延误。     

空中交通地面等待问题的网络流规划模型

在将网络流方法应用于解决空中交通流量管理问题中,由于其形象直观和求解简单,因而倍受国内外学者的关注。本文针对确定容量条件下的单机场地面等待策略问题,研究了简单网络流规划方法,建立了数学模型和网络流规划模型。在简单网络模型的基础上,考虑更多的实际约束,改进成本函数,建立了修正的网络流规划模型,并对冲突航班例进行仿真,验证了规划方法的可行性。