管制沖突探測(cè)算法研究

摘 要 目前的空中交通管制中的沖突調(diào)配依賴于管制員的經(jīng)驗(yàn)判斷，隨著近年來(lái)空中交通流量的不斷增長(zhǎng)，在持續(xù)高強(qiáng)度的工作狀態(tài)下，管制員容易產(chǎn)生“錯(cuò)、忘、漏”的沖突意識(shí)，這就嚴(yán)重影響空中交通安全。所以，本文根據(jù)管制扇區(qū)的沖突特點(diǎn)及沖突類(lèi)型，通過(guò)建立沖突模型、介紹了一種基于實(shí)際管制工作中的沖突探測(cè)算法，描述了實(shí)際管制工作中沖突探測(cè)的基本思想。

關(guān)鍵詞 空中交通；管制扇區(qū)；沖突探測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào) V35 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673-9671-(2012)052-0165-01

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，航空運(yùn)輸業(yè)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，空中交通流量逐年增長(zhǎng)，尤其是隨著雷達(dá)管制在全國(guó)的大范圍應(yīng)用，飛行間隔的縮小，在空域結(jié)構(gòu)未進(jìn)行調(diào)整及優(yōu)化的情況下，管制員的工作負(fù)荷也隨之日益增加，相關(guān)部門(mén)隨之對(duì)外發(fā)布相應(yīng)的流量控制，使得航班造成大量的延誤，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。所以，對(duì)于區(qū)域內(nèi)飛機(jī)密度大，飛行間隔小，飛行沖突復(fù)雜的情況，一直是空管技術(shù)研究人員的研究熱點(diǎn)，很多學(xué)者也做了大量的研究工作。李忠誠(chéng)，徐肖豪研究了終端區(qū)飛機(jī)進(jìn)近過(guò)程中排序和沖突解決的調(diào)度算法。崔德光，王哲鵬研究了空中交通管制自動(dòng)化系統(tǒng)中飛行沖突概率解析算法。裴志剛，李華星，王慶勝研究了模擬退火遺傳算法在飛行沖突解脫中的應(yīng)用。Alliot J M，Gruber H，Joly G研究了用遺傳算法解決空中交通沖突。Gerdes I S將遺傳算法應(yīng)用于航空器自由飛行的問(wèn)題中。在本文中，提出一套適用于實(shí)際管制工作的沖突探測(cè)算法并用實(shí)例模擬了算法流程，然后沖突探測(cè)算法做了分析，證明了此方法的實(shí)用性和有效性。

1 問(wèn)題提出

本文主要是研究實(shí)際管制工作中的沖突探測(cè)算法。在實(shí)際的空中交通管制工作中，管制員的主要任務(wù)就是發(fā)現(xiàn)飛行沖突，解決飛行沖突，調(diào)配飛行間隔，而發(fā)現(xiàn)飛行沖突則是工作中的重中之重。由于工作時(shí)間的緊迫性與安全余度的把握，要求空管自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)飛行沖突的探測(cè)更能適應(yīng)實(shí)際的工作要求：

1）滿足與周邊管制單位之間的協(xié)議移交規(guī)定。

2）滿足各個(gè)管制單位甚至各科室的規(guī)定間隔標(biāo)準(zhǔn)。

3）能將飛行沖突根據(jù)需要選擇性輸出。

這樣，管制員才有更多的精力去形成解決沖突的調(diào)配預(yù)案以及對(duì)區(qū)域內(nèi)的飛機(jī)進(jìn)行指揮和監(jiān)控。

2 飛行沖突模型

2.1 沖突定義

管制工作中的飛行沖突大致分為兩種：①穿越高度沖突；②同高度沖突。根據(jù)管制工作中的沖突特點(diǎn)，對(duì)沖突做出如下定義：

1）兩架航空器之間小于間隔標(biāo)準(zhǔn)且需要穿越高度或相同高度飛行。

2）兩架航空器之間水平間隔存在小于間隔標(biāo)準(zhǔn)的趨勢(shì)且需要穿越高度或相同高度飛行。

2.2 沖突模型

設(shè)間隔標(biāo)準(zhǔn)為S，區(qū)域內(nèi)有n架航空器Ai(1≤i≤n)，由任意兩架航空器Ai，Aj(1≤j≤n-1)的經(jīng)緯度確定Ai和Aj的位置坐標(biāo)(xAi，yAi)，(xAj，yAj)，由此可算出Ai和Aj之間的水平間隔SAi，Aj，，若SAi，Aj0，則說(shuō)明存在水平間隔縮小的趨勢(shì)。另設(shè)航空器的實(shí)際高度為He，出區(qū)域的移交高度為HO則兩架需穿越高度的兩架航空器可表示為HeAi>HeAj^HoAiHoAj（由于i和j是相互穿越高度，所以以上兩個(gè)表達(dá)式是等價(jià)的）。

3 沖突探測(cè)算法

沖突探測(cè)算法的主要目的是判斷區(qū)域內(nèi)的航空器中，哪些航空器之間存在飛行沖突。具體算法如下：

步驟1：設(shè)當(dāng)前時(shí)刻為t，對(duì)區(qū)域內(nèi)的航空器依次排序A1……An。

步驟2：從Ai開(kāi)始依次對(duì)Ai+1……An(1≤i≤n-1)進(jìn)行沖突判斷（Ai+1……An用Aj表示），是否同時(shí)滿足產(chǎn)生沖突的兩個(gè)條件：

（1）

（2）

（公式中加等號(hào)是考慮到同高度飛行的情況）

步驟3：根據(jù)判斷結(jié)果，若符合沖突條件，則此兩架航空器之間存在飛行沖突，否則，此兩架航空器之間不存在飛行沖突。

步驟4：返回到步驟2，對(duì)航空器Ai+1進(jìn)行判斷，依次循環(huán)，直到完成對(duì)所有的航空器與其它航空器之間的沖突判斷。

4 算法模擬仿真

4.1 算例

為了檢驗(yàn)算法的實(shí)用性及有效性，用一個(gè)簡(jiǎn)單的例子模擬該算法的運(yùn)行流程。下圖為廣州4號(hào)扇區(qū)，扇區(qū)特點(diǎn)為進(jìn)港扇區(qū)，其沖突特點(diǎn)主要為以匯聚形式的高度穿越及與由東向西飛越航空器的相對(duì)穿越?jīng)_突，扇區(qū)內(nèi)共10架航空器，分別為4架落地廣州，2架落地深圳，4架飛越扇區(qū)的航空器，根據(jù)沖突探測(cè)算法，對(duì)兩兩航空器之間進(jìn)行比較，沖突結(jié)果如圖1所示。

圖1 沖突示意圖

圖2 CES5731沖突示意圖

若將區(qū)域內(nèi)所有航空器的沖突全部輸出，則會(huì)略顯復(fù)雜，所以，可根據(jù)需要只輸出某個(gè)或某幾個(gè)航空器的相關(guān)沖突，如CES5731的沖突輸出。

4.2 算例分析

圖1和圖2表明，該沖突探測(cè)算法能找出區(qū)域中航空器之間理論上的沖突，但是由于此算法考慮到的是沖突共同特性，各個(gè)管制扇區(qū)由于航路結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)、航班走向等因素，對(duì)沖突有其特定的定義。所以，某些航空器即使?jié)M足算法的兩個(gè)條件，也不一定為沖突。例如：CES5731和DKH1228，由于兩架航空器沿交叉航路同向飛行，間隔始終為縮小趨勢(shì)，也存在穿越的要求，但是這兩架航空器的間隔最終不會(huì)小于穿越間隔標(biāo)準(zhǔn)。所以，在實(shí)際的管制工作中，在此管制扇區(qū)內(nèi)這兩架航空器視為不存在

沖突。

在正常情況下，管制員能熟練地找出區(qū)域內(nèi)航空器之間的常規(guī)沖突，所以無(wú)須使用該算法來(lái)進(jìn)行沖突判斷。若遇到惡劣的雷雨天氣，復(fù)雜的軍航活動(dòng)，需要航空器無(wú)規(guī)則繞航時(shí)，則能體現(xiàn)出該算法的優(yōu)越性。

5 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際管制工作中，沖突探測(cè)對(duì)于維護(hù)空中交通安全有著極其重要的意義。但目前對(duì)航空器沖突探測(cè)的研究側(cè)重為防止航空器相撞。本文從實(shí)際管制工作的角度，進(jìn)行沖突定義，并描述了其算法思想及與運(yùn)行過(guò)程，最后分析了沖突探測(cè)算法的適用情況，證明了該沖突探測(cè)算法的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]牟奇鋒.空中交通管理中的防撞策略問(wèn)題研究[D].西南交通大學(xué)，2010.