[发明专利]一种基于元胞自动机的机场场面运行仿真方法

权利要求书

1.一种基于元胞自动机的机场场面运行仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、设置用于建立航空器场面运行模型并进行仿真运行的航空器运行仿真模块和用于显示图文信息并实现人机交互的显示交互模块；

步骤2、收集环境信息，所述环境信息包括但不限于接收航空器场面运行信息、跑滑结构信息、管制规则信息、航空器性能特征信息、飞行计划信息；

步骤3、信息处理：根据收集到的各种信息，通过航空器运行仿真模块建立航空器场面运行模型，航空器运行仿真模块通过仿真运行输出航空器仿真运行数据并发送至显示模块，再现或预演系统运行过程；

步骤4、识别问题：当发现产生拥堵或者冲突时，通过工具确认发生问题的位置和性质；

步骤5、分析评估：系统识别到问题后，针对问题运行相应的优化策略；

步骤6、措施实施：通过分析评估结果获得一个解决问题的方案，通过参考该方案制定解决措施，然后将解决措施转化为输入数据变化；重复步骤1-步骤6，直到分析评估结果满足要求；

所述步骤3中，所述通过航空器运行仿真模块建立航空器场面运行模型包括如下步骤：

步骤3.1、机场运行要素元胞抽象，包括跑滑结构元胞定义和航空器分类；

其中，跑滑结构元胞定义的方法如下：

设跑道、滑行道由一列大小相等的元胞组成，每个元胞长为Lcell，宽为跑道、滑行道宽度，滑行道上的元胞从滑行道起始端至末端，以固定长度均等分滑行道，将等分滑行道的点连接，形成下标从0至n的滑行道元胞，各元胞链接形成元胞链，代表一条滑行道、跑道、推出程序；每一个时步，每个元胞的状态为被航空器占据或者空闲；每个元胞中采用多元数据组描述元胞属性，包括元胞的位置信息、范围信息、元胞是否被占用及元胞内航空器滑行速度信息；将每条滑行道、推出程序、跑道抽象为一系列元胞的顺序集合，航空器在元胞链上的运行方向按照下标从小到大及从大到小定义为{1，-1}两个方向，将有交叉口的滑行道分段处理；

航空器分类的方法如下：

在尾流等级划分基础上，基于航空器机身长度，考虑不同机型占用的元胞个数差异，对航空器机型分类进行细化，由大到小分为BIG、MIDDLE与SMALL三种类型；

步骤3.2、航空器场面运行模型的建立方法如下：

第一、基于元胞自动机的推出演化，方法如下：

设集合P＝{p₁,p₂,...p_m}为机场推出程序集合，设任意推出程序p_n，p_n∈P为长度为N的一维离散元胞链，各个元胞位置为每一个时步每个元胞可能被三种大小不同的航空器占据，设最大推出速度为C_i为航空器f_i机身所占元胞数；XP_iⁿ(t)表示f_i在推出程序n上时刻的机头位置,V_i^P(t)表示f_i在t时刻能前进的元胞数，即在t时刻的推出速度

一个推出程序上有且仅有一架航空器，定义N(p_n,t)为t时刻推出程序p_n上的航班个数，则有N(p_n,t)＝{0，1}；

设航空器f_i在推出时初始时刻为t₀，航空器停放于停机位，即该推出程序的第一个格点处，初始状态定义为：

判断t时刻f_i是否能推出：

k≠0,N(p_n+k,t)＝1,

k的取值由机位位置和机场推出规则决定；若上式成立，说明推出程序p_n附近有航空器推出，f_i在机位等待，否则f_i可以推出；

在每一时步，航空器推出演化过程分为两个步骤：1)分别按照推出规则改变速度；2)位置更新；

加速过程：

以概率减速过程：

V_i^p(t+1)＝max(V_i^p(t+1)-1，0)

安全减速过程：

V_i^p(t+1)＝max(min(V_i^p(t+1),LP_iⁿ(t))，0)

位置更新：

XP_iⁿ(t+1)＝XP_iⁿ(t)+V_i^p(t+1)

以上过程是航空器被拖车牵引离开机位时速度、位置演化规则，其中LP_iⁿ(t)是判断是否进行安全减速的关键变量；

定义推出航空器f_i在t时刻的可用推出距离LP_iⁿ(t)为：

设CP_i为避让后方滑行航空器保留的安全间隔，

设推出程序连接滑行道T_m，如果推出航空器后方无其他航空器即满足N(T_m，t)＝0或者T_m上的滑行航空器距离推出航空器较远，两机无冲突，即满足令CP_i＝0；否则，为避免两机冲突，限制推出航空器推出，令推出航空器尾部与滑行道T_m有间隔ΔPT，其中ΔCP为冲突避让裕度，或冲突观察范围，ΔCP较大时，较远滑行航空器会对推出航空器有影响，推出受限较大，ΔCP较小时，滑行航空器较为接近时才相互影响，推出受限较小；

当航空器推出过程结束，并以停止状态位于滑行道上；

第二、基于元胞自动机的滑行演化，方法如下：

设集合T＝{T₁，T₂，...T_m}为机场滑行道集合，包括但不限于脱离道、快速脱离道、联络道，设任意滑行道T_n，T_n∈T为长度为N的一维离散元胞链，各个元胞位置为每一个时步每个元胞可能被三种大小不同的航空器占据，设XM、XH、XHR分别为中间停止位置、强制停止报告位置、跑道外等待点所在的元胞集合，设TY_i＝{DEP,ARR}标志进离场类型，设DT_iⁿ为航空器f_i在T_n中的运行方向，DT_iⁿ＝{-1,1}，其中DT_iⁿ＝1指滑行方向元胞序号增大的方向，DT_iⁿ＝-1指按照元胞序号减小的方向；设为最大滑行速度，为从滑行道T_n转入T_k的最大转弯速度，XT_i(t)表示航空器f_i在t时刻的机头位置，若飞机滑行道T_n上，V_i^T(t)表示第i架航空器在t时刻能前进的元胞数，即在t时刻的滑行速度：

定义N(T_n，t)为滑行道T_n上的航班个数，则有：

N(T_n，t)≥0

设航空器f_i在滑行时初始时刻为t₀，航空器停放于T_n，机头位于格点XT_kⁿ处，初始状态定义为：

在每一时步演化中，航空器推出演化过程分为两个步骤：1)分别按照滑行规则改变速度；2)位置更新；

加速过程：

若则

否则

以概率减速过程：

V_i^T(t+1)＝max(V_i^T(t+1)-1，0)

安全减速过程：

V_i^T(t+1)＝max(min(V_i^T(t+1),LT_i(t)),0)

位置更新：

XT_i(t+1)＝XT_i(t)+DT_iⁿ·V_i^T(t+1)

以上过程是航空器滑行时速度、位置演化规则；航空器LT_iⁿ(t)是判断是否进行安全减速的关键变量，综合考虑了航空器与前机是否满足安全间隔、前方是否经过强制停止等待点、前方是否有需要停止避让的对头或交叉冲突等三个因素；

定义航空器f_i在t时刻的可用滑行距离LT_i(t)为：

LT_i(t)＝min(GM_i,k(t),GH_i,k(t),GT_i,j(t)-ΔS)

LT_i(t)决定了下一时步航空器能滑行的最大距离，当LT_i(t)较小时，航空器需要减速制动，当LT_i(t)＝0时，航空器减速为0停止等待；

设GT_i,j(t)为航空器f_i与前机f_j之间的元胞个数，即两机纵向间隔：

GT_i,j(t)＝||XT_i(t)-XT_j(t)||-C_j

若f_i前方无航空器，令GT_i,j(t)＝+∞，航空器在滑行中应保持最小纵向间隔，设此间隔为ΔS，应满足：

GT_i,j(t)-ΔS≥0

定义f_i距离前方强制停止等待点XH_k的距离：

GH_i,k(t)＝||XH_k XT_i(t)||，XH_k∈XH

若已在此停止报告，或此滑行道前方无强制停止等待点，令GH_ik(t)＝+∞

设为f_i前方与T_n相连接的且距离小于ΔCH的滑行道格点集合，定义GM_i,k(t)为f_i距中间停止位置XM_k的距离：

若GM_i,k(t)＝||XM_k-XT_i(t)||，否则GM_i,k(t)＝+∞

由此定义的交叉口避让规则，距交叉口ΔCH的元胞用阴影标识，f_i、f_j分别在滑行道T_n、T_m上滑行，两机有交叉汇聚，若当前滑行道上均无前机，且不经过强制停止等待点，即GH_i,k(t)＝GH_j,k(t)＝+∞且GT_i,i+1(t)＝GT_j,j+1(t)＝+∞，f_j位于阴影区，定义LT_i(t)＝GM_i,k(t)＝||XM_k-XT_i(t)||而LT_j(t)＝+∞，f_j优先通行，f_i避让等待；f_i进入阴影区，LT_i(t)＝+∞，而LT_j(t)＝GM_j,k+1(t)＝||XM_k+1-XT_j(t)||即f_j优先通行，f_i避让等待；

第三、航空器起飞降落演化，方法如下：

设集合R＝{R₁,R₂,...R_m}为机场跑道集合，设任一跑道R_n，R_n∈R为长度为N的一维离散元胞链，各个元胞位置为每一个时步每个元胞可能被三种大小不同的航空器占据，设DR_iⁿ为航空器f_i在R_n中的运行方向，设为从T_m转入R_n的最大速度，为从R_m转入T_n的最大速度，为t时刻f_i在R_n上的机头位置，定义FR_n(t)为t时刻在跑道上起飞、降落的航空器，若无航空器起降，FR_n(t)＝φ，定义判断t时刻元胞是否被占用，

当航空器已进入跑道对准跑道，设

当满足条件，航空器可得进入起飞过程：

FR_n(t)＝Φ且∈[1,N],

航空器开始滑跑时前轮移动瞬间为起飞时刻，该时刻为跑道R_n被起飞航空器占用，

设G_i为航空器重力；P_i为全发推力；Y_i为地面的总支持力；X_i为气动阻力；C_x、C_y为水平、垂直方向的升力系数；f为跑道摩擦系数，ρ为空气密度，S_i为机翼面积，V_i^R为抬前轮速度，计算起飞滑跑时间与距离：

设为航空器从V_i^R加速至V_i²所用时间，θ为爬升航迹角，若跑道长L,可计算爬升飞越跑道末端时间：

由此可得起飞阶段用时：

设f_i离地时刻为

当令FR_n(t)＝φ

当起飞航空器飞越航向台天线，可认为已离开跑道，跑道呈空闲状态；

当降落航空f_i到达距接地点Lfinnal处，判断是否能得到着陆许可：

若满足以上条件，定义f_i的允许着陆时刻为令跑道被降落航空器占用,否则只能保持高度等待或者复飞；

设V_i^H为进场速度，即飞机着陆前下降至安全高度处的瞬时速度,V_i^d为接地速度，着陆时飞机主轮接地瞬时速度,

V_i^H＝(1.2～1.3)V_i^d

设V_i^APP为开始进近速度，此时f_i距接地点V_i^final为进近过程中f_i距离接地点时的速度，设航空器最后进近阶段为匀减速运动，减速度为得到f_i从飞至跑道入口处的时间为：

设K_i为接地迎角条件下飞机升阻比，X_i为航空器气动阻力，F_i为地面摩擦阻，m为飞机质量，f为跑道摩擦系数,可计算航空器从跑道入口处至完成减速冲程的时间及减速滑跑冲程长度

由此得到降落阶段用时：

f_i减速冲程结束时间为降落时刻，定义该时刻为

当令FR_n(t)＝φ

当航空器冲程结束，由降落状态转为滑行状态，此后按照航空器滑行演化过程进行速度位置更新。