基于Agent和進化計算的ATM系統(tǒng)的效能評估方法分析

牛田田 陳亞青

摘要：空中交通管理（ATM）系統(tǒng)是空管人員管理空中交通的信息處理系統(tǒng)，其管理效率和質量受到多方面因素的影響，如航空公司等各參與者的約束、支持ATM系統(tǒng)運行的技術基礎設施和管制員等人為因素，因此很難判斷某一因素的改變對ATM系統(tǒng)整體效能的影響。本文提出了一種結合多學科、創(chuàng)新的ATM系統(tǒng)管理方法，通過基于Agent的解決方案和創(chuàng)建ATM系統(tǒng)管理模型，并引入進化算法對模型進行優(yōu)化，利用靈敏度分析對ATM系統(tǒng)效能進行評估，使其能夠滿足更高的運行目標需求。

Abstract： Air Traffic Management（ATM） system is an information processing system administrated by the air traffic manager. Its efficiency and quality are affected by many factors， for example， the constraints of airlines and other participants， technical infrastructure which support the operation of ATM system and human factors including controllers. Therefore， it's difficult to understand which is the impact of a change on the overall performance. In this work， it aims to introduce an innovative multidisciplinary process. First， analyse solutions by agent-based paradigm and create the model of ATM. Second， optimize the model by introducing an evolutionary algorithm. Third， evaluate the effectiveness of ATM system through sensitivity analysis. As a result， ATM is enhanced and meet the higher requiretment.

關鍵詞：ATM系統(tǒng);基于Agent;進化算法;靈敏度分析

Key words： ATM system;Agent-based;evolutionary algorithms;sensitivity analysis

中圖分類號：TP3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）11-0056-03

0 ?引言

空中交通管理（ATM）系統(tǒng)是涵蓋空中交通服務、空域管理和空中交通流量管理的復雜的社會技術系統(tǒng)，其目標是為運行中的航空器提供優(yōu)質的空中交通服務，合理規(guī)劃和有效利用空域，保證空中交通安全、快速、有序地流動[1]。系統(tǒng)運行的效率和質量受到多方面因素的影響，如航空公司等各方參與者的約束、支持ATM系統(tǒng)運行的技術基礎設施和管制員等人為因素。

目前，隨著空中交通流量的持續(xù)增加，傳統(tǒng)的空中交通管理方式已無法靈活適應容量的需求，因此，迫切需要對空中交通管理方式進行變革，以主動適應空中交通流量的增加、空域容量的增長和ATM系統(tǒng)效率的提升。變更管理過程，設計新的解決方案以實現預期性能則至關重要。為了實現這些目標，必須要建立用于ATM系統(tǒng)效能評估的績效指標[2]，如容量、安全、環(huán)境和成本等。蔡志浩等采用ATM系統(tǒng)建模/仿真，建立了ATM系統(tǒng)評估體系，為空管系統(tǒng)問題提供仿真環(huán)境和評估手段。歐洲單一天空計劃（SESAR）的PACAS項目圍繞著協(xié)作平臺和不同性能領域的專家評估，使用了故障樹和安全網絡等不同形式解決了空中交通管理影響因素的變化評估問題。AURORA項目提出了評估ATM系統(tǒng)運行效率的先進指標，這些新指標旨在封裝空域用戶的運行目標、考慮燃油消耗、計劃執(zhí)行情況和航班效率成本。其它項目利用Agent在抽象層次方面具有高度靈活性的優(yōu)勢，使用基于Agent建模和仿真技術來研究性能評估。

本文提出一種基于Agent的模型與進化算法和靈敏度分析相結合的創(chuàng)新的空中交通管理過程，討論了此方法的初步設想，并參考相關案例驗證方法的可用性。

1 ?ATM系統(tǒng)效能評估

評估流程由不同的步驟組成：①明確目標性能以及為匹配目標性能需要改變哪些因素;②在高層次上設計變化因素并選擇決策變量;③實施變更并對結果進行驗證和評估，達到目標性能。本文首先從最先進的基于Agent的ATM系統(tǒng)建模開始，探討完整的直飛航線運行模型的建模方法，并列出了面向Agent不同屬性的建模范例;然后引入進化算法對基于Agent的模型進行優(yōu)化;最后介紹了對基于系統(tǒng)性能的關鍵參數進行靈敏度分析的策略。

建立包括ATM系統(tǒng)所有相關性能的KPI指標，這些指標可以直接獲取，也可以根據支持度量計算?；贏gent的仿真系統(tǒng)還可以作為對新ATM系統(tǒng)解決方案的設計過程的反饋，通過引入優(yōu)化的進化算法，選擇修改相關的參數對模型進行微調，使所設計的系統(tǒng)性能相關的KPI指標最佳，從而能夠出現最合適的解決方案。

1.1 基于Agent的建模

ATM系統(tǒng)建模的關鍵是考慮用整體的方法來描述人、技術和信息管理組件的共存。其中不同的參與者和系統(tǒng)組件之間的關系可能會導致系統(tǒng)不同的行為狀態(tài)，這些關系大多數依賴于可追蹤的信息流，但仍有一些難以識別的信息流（如信任、經驗、培訓、能力）會嚴重影響整個系統(tǒng)的行為。因此，必須通過相應機制來增強模型架構以深入理解組件/參與者關系的行為動態(tài)。這些機制支持由多個循環(huán)和交叉的復雜關系動態(tài)，循環(huán)內的循環(huán)、相互交叉的關系、抑制性聯(lián)系和在不同事件面前的優(yōu)先反應。

ATM系統(tǒng)作為一種社會技術系統(tǒng)，其建模有一些公認的形式，可以考慮不同抽象層次建立系統(tǒng)框架。

在這些動態(tài)建模方法中，選擇結合使用基于Agent的建模和離散事件公式。第一個將對戰(zhàn)術層（即航空器和ATC）建模，因為它支持連接ATM架構的參與者的不同類型的有形和無形關系，并且提供了優(yōu)秀的定量分析工具。第二個戰(zhàn)略層（航線網絡管理員和空中運營商）能夠通過建議新的角色或架構組件和服務的變化來支持更好地理解戰(zhàn)術層的流量行為。

1.2 進化算法

多目標進化搜索（AES）是EC和ABM的集成，二者從在線交易到災害響應等各領域都能很好的分析和解決一些復雜性問題。一般來說，AES想法是利用生物啟發(fā)框架來探索隨著時間推移的復雜系統(tǒng)的動態(tài)適應，以便發(fā)現穩(wěn)定的和變化的關鍵因素的重要性。AES應用的主要目標是通過改變它來改善AB模型的性能，進化算法可以保留一群代表ABM潛在變異的“個體”。為每個變體分配代表模型質量的“適應度”，通過選擇機制選擇“適應度”較高的個體產生“后代”，并代表父母的變化作為下一代的部分進行評估。消除了較不適合的個體，因此人口的平均適應度隨著時間的推移而增加。應用這些概念對ATM系統(tǒng)的架構、規(guī)則和程序進行改革和設計，并用相關參數、結構和行為變化來表示模型變化。多年來，已經證明進化算法在解決參數優(yōu)化問題方面特別擅長，其中參數以高度非線性的方式相互作用。模型變化將通過仿真參數來指定，仿真參數的值在預定義值的范圍內未指定以用于調整參數。通過允許模型的結構元素的變化（例如網絡布局或通信模式），還可以選擇在更基礎的級別上自動細化模型。

1.3 靈敏度分析

ABM主體之間的交互難以追蹤，而且這些交互從孤立的組件/參與者行為會生成全局系統(tǒng)行為，因此，靈敏度分析應能識別影響某些性能參考的最關鍵參數。大多數情況，指標和主體屬性在穩(wěn)定的條件下在一定范圍內圍繞參考值變化或振蕩，以極限值為特征。每個度量標準的變化取決于與系統(tǒng)中存在的其它度量標準和主體屬性的交互。對于特定度量，其它主體屬性構成環(huán)境噪聲，表示該環(huán)境的可變性。因此，FRAM（功能共振事故模型）支持的功能共振方法可以被認為是可檢測事件，其出現在許多指標和主體屬性相互作用的無意識交互之外。在圖1中，它表示了在ABM框架中實現的主體關系，考慮到FRAM方法進行靈敏度分析。

輸入：由計算機服務、機器或人觸發(fā)動作;

輸出：動作產生的結果;

時間：執(zhí)行操作的可用時間范圍，包括起始時間、持續(xù)時間、結束時間;

控制：對某一功能的監(jiān)督和控制，可以是計劃、程序或人工任務;

前提條件：執(zhí)行操作必須滿足的系統(tǒng)條件;

資源：提供執(zhí)行操作所需的特定時刻的資源。

2 ?案例研究

選擇ATM系統(tǒng)的特定部分來應用所提出的方法，并驗證方法的有效性。驗證方法的可靠性依賴于ATM系統(tǒng)建模時系統(tǒng)在復雜性、人為因素的參與、子系統(tǒng)之間的相互依賴性等方面的代表性。選取跨區(qū)域管制中心（ACC）邊界的巡航階段及高度層改變的航路飛行，提出直飛航線的演變并引入SESAR提出的軌跡修正。

2.1 直飛航線

自由航線可以克服由于空域結構限制太多導致的所飛航線距離過遠的弊端，其中直飛航線作為自由航線的首選，允許用戶在兩個公布的航路點之間選擇直達的方式，無需通過固定航線網絡的中間點。該解決方案尤其適用于在復雜環(huán)境中的跨區(qū)域飛行。如圖2所示。

直飛航線的實施和部署需要空域的改變以及空中交通系統(tǒng)的演變，特別是地面飛行數據處理系統(tǒng)。直飛航線是SESAR項目的一部分并且在歐洲部分地區(qū)已經實施。這對管制員的影響是巨大的，因為自由航線增加了交通的不可預測性，使人的表現變得尤為關鍵。由于架構演變是開放的，直飛航線可以與自由航線進行比較，例如引入參與軌跡協(xié)商的新主體或空域用戶，將包含需求和容量的措施納入短期時間計劃表。

2.2 人的方面

人類行為作為一種選擇性自適應系統(tǒng)，根據環(huán)境的變化調整自身行為以保持平衡。結合Leont'ev提出的人類行為學、層次分析法（HTA）以及最近研究的工作環(huán)境復雜理論對人因（飛行員、管制員）方面進行深度分析。人類行為是有動機的，每種行為都包含一系列動作，在行動上符合行動目標，在操縱上滿足相應條件。該理論包括支持行為執(zhí)行的工具、設備和系統(tǒng)，決定個人行為方式和原因的一系列條件，這些條件以社會適應的規(guī)則來表達。HTA能夠對ATC中相互作用的復雜度認知水平建模，同時可以顯示基于知識、技能和規(guī)則的過程。HTA的預期描述側重于自由航線控制管理中主要目標導向任務和子任務的結構，例如程序操作的時間因果層次結構和觸發(fā)器。此外，還提供了關于行為、認知（信任、決策、行動判斷、優(yōu)化情境意識）和社會文化方面（群體行為、口頭協(xié)調、共享情境意識、談判）的量化變量。自由航線環(huán)境中的復雜性方面，例如分布式系統(tǒng)、危險系統(tǒng)、自動化等也將被考慮。

2.3 績效指標

為了評估擬議方案所取得的績效，適用的評估指標為：準時、燃料消耗和安全。準時可以理解為計劃的和實際的出發(fā)或到達時間之間的差異。①準時到達為0;②延遲抵達為正;③提前到達為負?？山邮艿臉O限延遲時間為6分鐘。不同飛行階段的燃油消耗不同：起飛時的全推力和初始爬升，減速后的爬升，慢車進近，以不同高度、速度、加速度巡航。因此需要根據各飛行階段考慮燃油消耗并增加。安全評估可按如下方式進行：①考慮每對飛機軌跡并確定最接近的點：②滿足垂直間隔或水平間隔的要求;③如果兩個指定的分離閾值都被違反，則會出現潛在的不安全情況;④必須改變一架或兩架飛機的速度、航向或升降速率，直至至少一個閾值滿足要求。評估的關鍵是計算兩個軌跡之間最接近點處的高度和水平間距。

3 ?結論

本文定義了一種新的對ATM系統(tǒng)建模和效能評估的方法，并設計了從戰(zhàn)略思考到具體實施的方法步驟。該方法的創(chuàng)新性在于多目標搜索算法在ATM領域的應用以及跨學科的綜合研究。它利用基于Agent建模，通過進化算法和靈敏度分析加以豐富，并將其應用于真實的ATM子系統(tǒng)和可以改變的情景中，所獲得的驗證結果將使得方法和應用結果適合于推廣，且該方法支持不同地區(qū)和國家范圍內的建模。該方法將進一步專注于ABM范例的定義和所選擇的AES算法的類型，將該方法應用于所述案例研究并分析所獲得的結果。

參考文獻：

[1]ICAO， Global Air Traffic Management Operational Concept， Doc 9854 AN/458， 2005[S].

[2]夏正洪，王俊峰，等.空中交通管制系統(tǒng)效能評估研究[J].計算機工程，2011，37（15）：265-267.

[3]張捷.進化算法及智能數據挖掘若干問題研究[D].西安電子科技大學，2013.