一种基于时空网络的飞机场面滑行4D轨迹规划方法技术

本发明专利技术提供了一种基于时空网络的飞机场面滑行4D轨迹规划方法，包括构建航空器滑行模型；针对构建的模型，建立目标函数和约束条件；使用动态规划方法对模型进行求解，得到规划后的飞机场面滑行的4D航迹。本发明专利技术利用时空网络对飞机场面滑行路径进行了规划，对可计算飞机途经节点的时间，对飞机场面滑行4D航迹进行规划，同时在规划路径时，考虑到了冲突情况，实例数据显示该方法可以有效的避免冲突规划飞机场面滑行4D轨迹。本发明专利技术的4D轨迹规划方法同时考虑到了滑行时间和燃油消耗率，可以优化航空公司运行成本。公司运行成本。公司运行成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于时空网络的飞机场面滑行4D轨迹规划方法


[0001]本专利技术属于航空
，尤其是涉及一种基于时空网络的飞机 场面滑行4D轨迹规划方法。

技术介绍

[0002]国内，刘帆等在冲突解决方面提出延缓优先级较低的航空器的推 出时间、减速、等待前驱点处等待、重新规划新的滑行路径的方法， 以A*算法对模型进行处理完成了对机场一定时间内滑行路径规划的 冲突避免和减少滑行时间。姜雨等通过将时间离散化，设立时间步长 与空间要素相关联而构建的时空网络可以在避免冲突的条件下高效 合理的规划出预期路径,并使用Dijkstra算法对其模型进行求解，在 最终的优化结果与GA模型的对比中，其动态规划算法效率比普通的 GA算法高出数十倍之多。李楠等使用了同时考虑滑行时间与滑行油 耗的航空器滑行速度剖面，通过对滑行时间与油耗的不同权重获得不 同的帕累托最优速度剖面，完成对航空器在机场场面上考虑转弯因素 的路径规划。张兆宁等通过Dijkstra算法，得到初步的滑行路径结 果后，再依据航空器的滑行复杂度对不同的航空器推出时间做出调 整，不断迭代直到满足滑行复杂度的阈值，其通过将离场航空器的冲 突等待时间转化成开车前的等待时间而进一步对燃油消耗做出优化， 但离场航空器延缓开车时间会对机场流量以及旅客情绪造成影响。
[0003]国外，Brown lee等应用包含遗传算法的滚动时间窗口的方法建 立飞机滑行模型，以A*算法查找航空器滑行的最短路径，可以在避 免航空器滑行冲突的前提下为飞机分配出合理的滑行路径，减少航空 器滑行的总时间。Landry等为解决航空器滑行中所可能出现的冲突， 设计复杂网路的机场场面模型，可以在机场流量较小，机场场面路径 简单的情况下解决冲突问题并在一定程度上完成路径的优化。 RAVIZZA等人，该文将航空器燃油与滑行时间均作为考虑对象，用序 列图的方法对构建的模型进行优化。Li N等将航空器滑行时间作为 模型构建的求解函数，以航空器路过节点时间的冲突间隔列出约束条 件，通过遗传算来求解优化，在一定程度上缓解了航空起冲突问题并 减少了航空器的场面滑行时间。
[0004]从国内外的关于滑行路径的优化研究中发现，多数学者采用静态 规划的方法对航空器进行路径规划，虽然优化了目标，但由于静态规 划对于冲突节点的遍历验证过于繁冗，研究发现时空网络模型的动态 规划，能够大大提高规划效率，能够及时反应航空器运行状态与机场 节点状态，能够帮助航空器在滑行过程中避免繁琐的冲突探测的同 时，完成对燃油目标或时间目标的优化。
[0005]关于滑行路径规划的建模，时空网络的建模方式可以清晰的表示 航空器以及机场路径节点的运行状况和可用情形，在最短路径优化方 面，动态规划可以有效降低计算的复杂度，并能够通过对时刻上航空 器预选路径的动态调整解决滑行道上的冲突问题。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术旨在提出一种基于时空网络的飞机场面滑行 4D轨迹规划方法。
[0007]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0008]一种基于时空网络的飞机场面滑行4D轨迹规划方法，包括如下 步骤：
[0009]步骤1：构建航空器滑行模型；
[0010]步骤2：针对步骤1构建的模型，建立目标函数和约束条件；
[0011]步骤3：使用动态规划方法对模型进行求解，得到规划后的飞机 场面滑行的4D航迹。
[0012]本专利技术还提供一种基于时空网络的飞机场面滑行4D轨迹规划装 置，包括
[0013]模型构建装置，用于构建航空器滑行模型；
[0014]数据处理装置，用于针对模型构建装置中构建的模型，建立目标 函数和约束条件；
[0015]求解装置，用于使用动态规划方法对模型进行求解，得到规划后 的飞机场面滑行的4D航迹。
[0016]本专利技术还提供一种电子设备，包括
[0017]至少一个处理器，以及
[0018]与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
[0019]所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器 调用所述程序指令能够执行如任一所述的方法。
[0020]本专利技术还提供一种非易失性计算机可读存储介质，当所述计算机 可执行指令被一个或多个处理器执行时，使得所述处理器执行上述任 一项所述的方法。
[0021]相对于现有技术，本专利技术所述的一种基于时空网络的飞机场面滑 行4D轨迹规划方法具有以下优势：
[0022](1)本专利技术同时考虑了滑行时间和燃油消耗率进行飞机场面滑行 4D轨迹规划，可以有效的降低航空公司运行成本；
[0023](2)本专利技术所采用的方法充分考虑的飞机场面滑行的各种冲突， 以规避冲突为前提进行了飞机场面滑行的4D航迹，可以保障航空器 场面安全无冲突滑行。
附图说明
[0024]构成本专利技术的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本 专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的 不当限定。在附图中：
[0025]图1为本专利技术的航空器转弯路径图；
[0026]图2为本专利技术的邻接矩阵示意图；
[0027]图3为本专利技术的西安机场网络图；
[0028]图4为本专利技术的航空器交叉冲突判定图；
[0029]图5为本专利技术的航空器对头冲突判定图；
[0030]图6为本专利技术的航空器滑行路径三维图；
[0031]图7为本专利技术的航空器燃油与路径示意图。
具体实施方式
[0032]需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例 中的特征可以相互组合。
[0033]在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、
ꢀ“
横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖 直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或 位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发 明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的 方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。 此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指 示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此， 限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或 者更多个该特征。在本专利技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含 义是两个或两个以上。
[0034]在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定， 术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固 定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也 可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可 以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通 过具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。
[0035]下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。
[0036]本专利技术提供了一种基于时空网络的飞机场面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于时空网络的飞机场面滑行4D轨迹规划方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：构建航空器滑行模型；步骤2：针对步骤1构建的模型，建立目标函数和约束条件；步骤3：使用动态规划方法对模型进行求解，得到规划后的飞机场面滑行的4D航迹。2.根据权利要求1所述的一种基于时空网络的飞机场面滑行4D轨迹规划方法，其特征在于：所述步骤1中构建的航空器滑行模型包括：将时间轴按照1s的距离进行离散化，在二维机场网络图中增加时间维，离散后的时间轴通过用T＝{t0,t0+ψ，...，t0+n*ψ}表示，t表示经过离散后的时间轴中的一个时间节点，ψ表示离散时间轴上的时间间隔，在模型中ψ取1s；构建时空网络节点集合，当第一架航空器开始滑行时，对机场的每个节点，建立时空点集E
st
(E
i
，t)；构建航空器的时空网络旅行弧[i,j,t,t+n*ψ],表示航空器在Mψ时间内，从i点滑行至j点，其中(i,j)∈E
i
；构建航空器滑行时空网络等待弧，[i,i,t,t+n*ψ]，表示航空器在i点停留了N*ψ时间,N为一个正整数；拓展航空器在三维时空中的属性，实时确定每个时刻的航空器状态——M；即航空器所经历的节点变为时空弧后由[i,j,t,t+n*ψ]变为[M
t
,M
t+n*ψ
,t,t+n*ψ]；M
t
为航空器在t时刻的状态属性，不限于时间与空间属性。3.根据权利要求2所述的一种基于时空网络的飞机场面滑行4D轨迹规划方法，其特征在于：所述步骤2中，建立的目标函数为步骤2中，建立的目标函数为t
total(k)
为一架航空器滑行总时间，Fuel
total(k)
为一架航空器滑行消耗油量，n为参与滑行的航空器数量；航空器的场面滑行路径规划，即在机场已有的路径网络中，使每一架航空器都能找到一条没有冲突，且滑行时间最少或滑行油量最少的路径；由于航空器速度模型为匀速，所以航空器的燃油流量是一个关于滑行时间的线性表达式；Fuel
total(k)
＝t
total(k)
*Flowt
total(k)
＝D
k
/V
k
V
k
为航空器k的速度，D
k
为航空器滑行总距离，Flow表示单位时间的耗油量；由于航空器速度一定，航空器滑行路径总时间与航空器滑行路径总距离呈线性相关,在不考虑冲突的情况下，可以将优化目标等价为滑行距离，而航空器k滑行距离为：L
ij
为航空器k在链路(i，j)上的滑行距离即链路(i,j)的长度权值，d
Δ
为转弯处滑行距离修正长度；
当航空器在节点V
i
处转弯时，R
r
＝1，否则R
r
＝0，d
r
为航空器k在节点V
i
的转弯长度，2l
r
为航空器k在经过转弯点V
i
时起始转弯点到达V
i
，与从节点V
i
到达转弯结束点的距离的之和；d
r
＝θ
r
*π*r/180
°
l
r
＝r*sin(θ
r
/2)其中各个转弯点的转弯半径r已知，且转弯点相邻的两个节点坐标已知，根据余弦定理，可以确定θ
r
的大小。4.根据权利要求3所述的一种基于时空网络的飞机场面滑行4D轨迹规划方法，其特征在于：所述步骤2中，约束条件为：对航空器经过节点进行时间段上的封锁，以及对下一个选择的节点进行预判断是否封闭，从而在航空器的搜索路径中移除链路的存在，进而进行其他链路的搜索，当无其他链路时，选择等待直至该节点解封；Z
ijk
*T
ik
+t
...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宁宁，崔世豪，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：