基于Multi-Agent的通航飛行行為仿真分析

徐慶柳,楊昌其,郝銘佟

(中國民用航空飛行學(xué)院，四川廣漢 618307)

1 引言

我國低空開放改革已經(jīng)邁入了快速發(fā)展的階段，隨著基礎(chǔ)建設(shè)的完善和通航企業(yè)的爆發(fā)式增長，低空飛行將迎來全新的發(fā)展篇章。通用航空(General Aviation，GA)是低空飛行的主要使用對象，所以有關(guān)通航飛行問題的研究，對未來推動低空開放具有重要理論價值。而基于智能體(Agent)的思想在處理低空飛行這類復(fù)雜問題上有其獨特的優(yōu)勢[1]。當(dāng)前，各國對于通用航空飛行行為的研究較少，但是在沖突解脫方面的研究較為深入：Alonso-Ayuso等分析了多機飛行沖突解脫下航空器間隔與時間的演變關(guān)系，提出了基于整數(shù)線性規(guī)劃的沖突探測與解脫模型[2]；管祥民等提出了基于混合人工勢場與蟻群算法的航空器解脫方法[3]；韓冬等通過引入支持向量機(SVM)的二元分類方法，實現(xiàn)了適用于低空飛行的高效沖突探測[4]。在Agent 建模方面，胡明華等通過構(gòu)建多類型Agent 模型實現(xiàn)多機場終端區(qū)空中交通智能仿真系統(tǒng)[5]；徐肖豪等采用BDI(Beliefs-Desires-Intentions)Agent技術(shù)和MAGER平臺，開發(fā)了基于規(guī)則推理的沖突解脫系統(tǒng)[6]。根據(jù)以上研究，結(jié)合我國低空環(huán)境及通航運行實際情況，構(gòu)建多種類通航Agent 及內(nèi)部邏輯框架；提出基于多智能體(Multi-Agent)的通航飛行協(xié)調(diào)規(guī)則與沖突解脫模型，根據(jù)低空運行環(huán)境搭建了仿真平臺，借助Netlogo 軟件對Multi-Agent模型進(jìn)行了仿真實驗，并對空域內(nèi)飛行量對安全間隔、沖突數(shù)的影響程度進(jìn)行分析。

2 基于Multi-Agent的個體間交互行為建模

Agent是一種具有主動性、反饋性、學(xué)習(xí)能力，交互能力的智能實體，能夠根據(jù)從周圍環(huán)境獲取的信息，做出最符合客觀實際的行為。鑒于Agent這些特性，構(gòu)建出通用航空器Agent并對每個Agent主體賦予行為規(guī)則。

2.1 通用航空器Agent

本文將每一個通用航空器看作具備自主飛行能力，能夠?qū)崟r獲取外界環(huán)境信息，能夠探測飛行沖突并能夠做出解脫行為的Agent。任一Agent 都具備自我行為意識與行動目標(biāo)，并且能夠與其他Agent 做交互行為，同時根據(jù)自身與外界環(huán)境條件，針對不同狀態(tài)做出與之相適應(yīng)的決策行為。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 邏輯框架

2.2 飛行協(xié)調(diào)規(guī)則

飛行協(xié)調(diào)指當(dāng)空域中的兩架通航Agent 存在潛在沖突時，根據(jù)沖突類別，避讓規(guī)則等多方面因素自行進(jìn)行沖突解脫。低空相較于中高空來說情況更為復(fù)雜，沖突種類多且發(fā)生率更高，在此將沖突類別劃分為兩種：①航空器與航空器之間的沖突；②航空器與障礙物之間的沖突。低空飛行中應(yīng)遵循的協(xié)調(diào)規(guī)則如下：

1)通航Agent 遇到地形障礙物，由其自身主動采取避讓措施；

2)兩架通航Agent 同高度對頭相遇時，根據(jù)目視飛行規(guī)則應(yīng)當(dāng)各自向右避讓，并保持至少500米間隔；

3)若通航Agent 存在同高度層交叉飛行沖突，則距相交點更遠(yuǎn)的一方優(yōu)先考慮調(diào)速解脫策略。假如通航Agent所需速度大小不滿足自身速度性能范圍，則無法使用此解脫策略，此時應(yīng)該考慮調(diào)整航向，若不能滿足調(diào)整航向的解脫策略，則應(yīng)采用變更高度層的解脫策略；始終應(yīng)保持航行優(yōu)先級低的主動避讓航行優(yōu)先級高的一方，航行優(yōu)先級在仿真中規(guī)定；

4)特別的，若通航Agent之間發(fā)生交叉沖突，而其中一方為直升機，則其可以優(yōu)先選擇空中懸停進(jìn)行避讓，在此過程中，若同一高度層兩機不滿足安全間距，則需要通過變更高度來解脫沖突；

5)在沖突解脫過程中，若通航Agent 與沖突Agent 之間距離大于等于ε倍的保護(hù)區(qū)半徑，表明沖突已經(jīng)解脫，ε為解脫系數(shù)。

3 通用航空器飛行行為建模

建模前假設(shè)：

a)將航空器看作質(zhì)點，運動方向為其航向；

b)航空器能夠及時獲取飛行相關(guān)信息，并且各個通航Agent之間能夠通訊交互；

c)只考慮同一高度層的飛行，暫不考慮垂直飛行沖突；

d)暫不考慮惡劣天氣與公共運輸飛行對通航飛行的影響；

e)調(diào)高度解脫為最終手段，假設(shè)其一定能解脫飛行沖突。

3.1 沖突探測建模

Reich 模型是碰撞風(fēng)險評估的經(jīng)典模型[7]，依據(jù)本文所做假設(shè)對Reich模型進(jìn)行簡化，以航空器為中心點將周圍劃分保護(hù)區(qū)和探測區(qū)，如圖2所示，保護(hù)區(qū)是航空器的絕對安全區(qū)域，不允許任何外來物進(jìn)入，即航空器最小水平安全間隔。

圖2 探測區(qū)與保護(hù)區(qū)

航空器A，B某一時刻在二維平面中的位置，航向，速度如圖3所示，二者相對位置矢量=(xB-xA，yB-yA)，二者相對速度矢量，而與之間的夾角為θ，可知cos θ=，兩機最小相對距離L=|| sinθ，其中||為兩機之間歐式距離。本文認(rèn)為當(dāng)成立時，表明航空器A，B之間存在飛行沖突，需要及時采取解脫行為。

圖3 沖突判定條件

3.2 沖突解脫建模

1)對頭沖突解脫模型

當(dāng)兩架航空器發(fā)生對頭沖突，根據(jù)我國目視飛行規(guī)則，航空器應(yīng)各自向右避讓，并保持至少500米的安全距離。如圖4所示，某時刻航空器A，B發(fā)生對頭沖突，它們的位置，速度，航向分別為(xA，yA，vA，θA)、(xB，yB，vB，θB)。則二者可以通過各自向右調(diào)整一定的航向角α來實現(xiàn)沖突解脫。由此可知：

圖4 對頭沖突解脫

2)基于調(diào)速的沖突解脫模型

調(diào)速模型基于相對運動思想[8]。如圖5所示，某時刻航空器A，B的位置，航向分別為(xA，yA，θA)、(xB，yB，θB)，相對位置矢量，相對速度矢量。此時兩機存在沖突，通過調(diào)節(jié)A的速度至，使得調(diào)節(jié)過后的相對速度矢量的延長線與B的保護(hù)區(qū)相切，即兩機能保持最小安全間隔，由此實現(xiàn)沖突解脫。

圖5 基于調(diào)速的沖突解脫

由表達(dá)式：

可得航空器A調(diào)整后的目標(biāo)速度：

航空器A調(diào)速后應(yīng)滿足：

3)基于調(diào)航向的沖突解脫模型

當(dāng)兩架飛機發(fā)生匯聚飛行沖突時，可以選擇調(diào)整航向來實現(xiàn)沖突解脫[9]。如圖6所示，某時刻航空器A，B的位置，航向分別為(xA，yA，θA)、(xB，yB，θB)，相對位置矢量，相對速度矢量。由相對運動思想可知，通過調(diào)節(jié)A的航向為，使得調(diào)節(jié)過后的相對速度矢量的延長線與B的保護(hù)區(qū)相切，即兩機能保持最小安全間隔，由此實現(xiàn)沖突解脫。

圖6 基于調(diào)航向的沖突解脫

假設(shè)航空器改變航向過程中速度大小保持不變，則改變后A的航向角為，兩機相對速度的航向角為。觀察圖中的矢量三角形OAC，根據(jù)正弦定理，有：

整理后可得調(diào)整后的目標(biāo)航向為：

或

改變后的航向角應(yīng)滿足：①航向調(diào)整量更?。虎谠诤较蛘{(diào)整范圍內(nèi)。

4 基于Netlogo的通航飛行行為仿真

4.1 構(gòu)建仿真場景

如圖7所示，設(shè)有一個通航機場，五個臨時起降點，一個公共運輸機場，一個地形障礙物，一片惡劣天氣區(qū)域，一個搶險救援點等。并劃設(shè)了四類通航飛行活動路線，其中報告空域半徑10km，管制空域半徑15km，，其余全為監(jiān)視空域。

圖7 通航飛行仿真場景

仿真環(huán)境部分參數(shù)設(shè)置如下：

表1 仿真參數(shù)

4.2 基于Multi-Agent的通航飛行行為仿真分析

本文利用Netlogo 搭建基于Multi-Agent 的通航飛行行為仿真平臺，并將通用航空器飛行沖突探測與解脫模型編入，該平臺具備以下功能特點。

(1)飛行仿真控制：仿真環(huán)境所要用到的諸多參數(shù)均可根據(jù)需要自行設(shè)定，以便于探索不同參數(shù)下的通航飛行行為特點；

(2)多場景切換：可根據(jù)實際需要變換場景中所設(shè)定的要素，例如各起降點位置，通航活動類別及飛行路線等；

(3)數(shù)據(jù)統(tǒng)計：運行過程隨時能夠監(jiān)控，軟件會記錄數(shù)據(jù)并支持導(dǎo)出為excel，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理；

(4)交通情景復(fù)現(xiàn)：該場景較為真實地復(fù)現(xiàn)了實際交通情景，用戶能獲得更直觀的感受。

本文將隨機產(chǎn)生不同活動類別的通航Agent。從安全的角度思考空域中影響沖突發(fā)生量的因素及其之間的關(guān)系。我們以空域內(nèi)總體飛行為例，隨著空域內(nèi)總體飛行量的不斷增多，航空器的沖突數(shù)不斷增長。其中對頭沖突避讓、調(diào)速解脫與改變航向解脫為主要解脫方法。這說明調(diào)速與調(diào)航向措施在該低空飛行環(huán)境中具備更高的解脫效率。

將軟件仿真結(jié)果的相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，利用spss分析軟件繪制出飛行量與沖突架次、航空器平均間隔的散點圖，如圖8、9所示。通過分析其演化規(guī)律，可以看出隨著飛行量的不斷增加，該場景逐漸表現(xiàn)出自由、平穩(wěn)和較繁忙三個階段：第一階段(自由)：飛行量低于35 架次，平均間隔超過90 公里，飛行間距能夠保持在較大的水平，沖突發(fā)生率極低，隨飛行量的增加平穩(wěn)緩慢增長，但總體沖突數(shù)量依舊很低，航空器飛行活動較為自由。第二階段(穩(wěn)定)：飛行量在35～60 架次，平均間隔在80～90 公里，該階段空域內(nèi)沖突的發(fā)生總體表現(xiàn)為一個平穩(wěn)的趨勢，平均間隔隨飛行量的增加緩慢下降并平穩(wěn)維持在80公里左右，由于航空器間隔較大且沖突數(shù)較少，該階段航空器主要以調(diào)速解脫為主要解脫方式，整體飛行比較平穩(wěn)。第三階段(較繁忙)：飛行量在60～80 架次，平均間隔基本保持在78公里，沖突數(shù)陡然激增然后保持在35架次，各活動類別的通航之間交互行為增加，同一航線上飛行密度增加，部分航空器無法通過調(diào)速解脫沖突，從而選擇調(diào)整航向進(jìn)行沖突解脫。航空器總體飛行速度下降，平均安全距離縮短，整體空域處于較繁忙狀態(tài)。

圖8 飛行量與沖突數(shù)關(guān)系

圖9 飛行量與平均間隔關(guān)系

5 結(jié)束語

本文利用智能體(Agent)思想，構(gòu)建了基于Multi-Agent的通航飛行行為模型，并建立了低空環(huán)境下的沖突解脫模型；借助Netlogo搭建了仿真平臺并進(jìn)行了仿真實驗。由結(jié)果可知，此沖突探測與解脫模型能較好解析出低空通航飛行行為。低空環(huán)境下，通航飛行量與沖突數(shù)、安全間隔有著密切的關(guān)聯(lián)，即伴隨飛行量的增長，沖突數(shù)緩慢而平穩(wěn)的增長，安全距離遞減趨勢較為明顯；但是當(dāng)飛行量到達(dá)一定架次時，沖突數(shù)急劇增長然后保持，安全間距則逐漸保持在平穩(wěn)水平。本文僅對低空通航飛行行為做了初步探索，將來可在此基礎(chǔ)之上做更多深入研究，為加速我國低空通航事業(yè)的發(fā)展提供客觀依據(jù)。