基于混杂系统建模的动态空域交通规划与仿真研究

扇区划分是空中交通管理的一项重要工作,它直接影响到空域容量和安全性。基于混杂系统建模的方法研究空域交通规划与管理是申请课题的主要特色，研究内容包括：.1．将我国空域网格化分解，每个网格看作是空域的基本构成单元。网格之间的不同组合方式构成了空域扇区的不同划设方法。.2．结合现有的空中交通管制员工作负荷建模方法和实际一天中的空中交通量，利用可视化技术仿真得到每个网格的管制工作负荷。这是一个和系统空间、时间有关的混杂动态过程。通过分析辨识空域系统的交通拥塞周期，设定扇区边界动态划设的调整周期。在每个调整周期内采用自适应动态规划算法进行聚类分析，最优分配网格生成新的空域扇区结构。.3．针对华北终端管制空域设计空域灵活规划使用建议程序，开发适用于我国空域规划的决策支持系统。

有限的空域资源和日益增长的空中交通需求之间的矛盾要求科学合理地动态配置空域，以增加空域容量来减少航班延误并保证交通安全。本项目的研究工作从整个空中交通系统层面开始，针对空中交通中的航空器连续航行过程与离散的管制员管制过程相互交织的混杂特性，运用混杂系统理论对交通网络进行分析和建模，进而深入分析空域复杂性因素与管制员管制动作之间的量化关系，提出一种基于空域复杂性因素的管制员工作负荷度量算法来计算管制员工作负荷，并将工作负荷均衡标准作为空域配置的标准和依据。然后，依据扇区动态划分的要求对空域信息进行了完备的提取，利用网络拓扑理论对空域建立加权图模型，在此基础上提出一系列加权图划分方法来实现空域扇区的动态配置，包括改进的遗传算法、一般加权图算法、负荷平衡算法等。实验结果表明，课题提出的扇区划分方法不仅均衡了各扇区的管制员工作负荷，保证了管制安全，而且很大程度上减少了管制员的协作负荷，获得了较稳定的扇区结构，满足扇区动态划分的要求。最后，以地图化组件MapX为基础，在Vc++6.0和Matlab平台上构建了空中交通仿真系统。该系统可以加载实际的空域静态结构信息，进行航班调度配置和管制动作设置，可实现对实际空中交通网络的动态仿真、管制员工作负荷在线度量及空域扇区动态划分等。基于该仿真平台以华北地区空域为例进行了实例仿真，仿真结果能够为实际中的空中交通系统性能分析和决策提供参考依据。