• ISSN 0258-2724
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管型航路中航空器自主运行模式

叶博嘉,薛奥林,伍小元,董云龙

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叶博嘉, 薛奥林, 伍小元, 董云龙. 管型航路中航空器自主运行模式[J]. 江南娱乐网页版入口官网下载安装学报, 2020, 55(4): 873-881. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180678
引用本文: 叶博嘉, 薛奥林, 伍小元, 董云龙. 管型航路中航空器自主运行模式[J]. 江南娱乐网页版入口官网下载安装学报, 2020, 55(4): 873-881.doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20180678
YE Bojia, XUE Aolin, WU Xiaoyuan, DONG Yunlong. Autonomous Operation Mode of Aircrafts in Tube Air Corridor[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(4): 873-881. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180678
Citation: YE Bojia, XUE Aolin, WU Xiaoyuan, DONG Yunlong. Autonomous Operation Mode of Aircrafts in Tube Air Corridor[J].Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(4): 873-881.doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20180678

管型航路中航空器自主运行模式

doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20180678
基金项目:国家自然科学基金(61671237),江苏省自然科学基金(BK20160798),中国博士后基金(2018M632305),江苏省研究生创新基金(kfjj20170717)
详细信息
    作者简介:

    叶博嘉(1983—),男,讲师,博士,研究方向为空中交通流量管理,管型航路建模与分析,电话:13915927898,E-mail:bye@nuaa.edu.cn

  • 中图分类号:U8;V355

Autonomous Operation Mode of Aircrafts in Tube Air Corridor

    • 摘要:为了提升管型航路内航空器运行效率,降低飞行延误和冲突,首先选取了定速、超越和自由3种典型自主运行模式,并分析了其特点;其后,建立了管型航路中航空器自主运行仿真模型,并采用蒙特卡洛仿真与机器学习相结合的方法,分析了自主运行模式中关键变量的相关性;最后,以北京首都机场—广州白云机场高空航路为实例,建立了各衡量指标回归模型,并对3种模式典型指标进行了敏感性分析. 研究结果表明:自由模式中的吞吐量和总延误时间指标相对较好,但冲突率相对较高,冲突率最小值为0.036 1;超越模式中各项指标相对折衷,其航路资源的利用率不如自由模式,吞吐量约为自由模式的61.89%;定速模式中的航空器缺乏调整速度和间隔的调整能力,受航空器的初始间隔影响较为明显.

    • 图 1管型航路中航空器自主运行模式

      Figure 1.Aircraft operation modes in tube air corridor

      图 2航空器运行状态转换规则

      Figure 2.Transition rules for aircraft operating states

      图 3超越模式状态转换流程

      Figure 3.State transition flowchart for speed-independent mode

      图 4自由模式状态转换流程

      Figure 4.State transition flowchart for self-separation mode

      图 5改变初始间隔敏感性分析

      Figure 5.Sensitivity analysis of initial separation

      图 6改变缓冲间隔敏感性分析

      Figure 6.Sensitivity analysis of separation buffer

      图 7改变最小间隔敏感性分析

      Figure 7.Sensitivity analysis of minimum separation

      表 1FL350高度层上标准大气数据

      Table 1.Standard atmospheric data on FL350

      高度/m 温度/℃ 气压/Pa 密度/(kg•m−3 音速/kn
      10 668 −54.3 23 800 0.379 6 576
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      表 2航空器运行状态定义

      Table 2.Definition for aircraft operating states

      运行状态 定义描述
      目标速度   航空器按最佳巡航速度飞行状态,也被设定为航空器初始状态,存在于各模式
      指定速度   航道中航空器按指定速度飞行的状态,存在于定速模式
      速度调整   航空器通过调整速度,自主保持与前方航空器间隔,存在于超越模式和自由模式
      超越   航空器借助超越航道超越前方航空器的状态,存在于超越模式和自由模式
      航路脱离   航空器为保障运行安全而脱离管型航路的状态,存在于超越模式和自由模式
      锁定   为避免航空器同时换道或脱离的安全保护状态,属于一种复合状态,存在于超越模式和自由模式
      航道变更   航空器为保障运行安全或实现超越进行航道变更的状态,存在于自由模式
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      表 3自主运行模式仿真模型主要变量

      Table 3.Variable definitions for simulation model in autonomous operation mode

      变量 定义描述
      初始间
      隔/n mile
        航空器进入管型航路时与前方航空器保持的初始间隔,其值为随机变量
      最小间
      隔/n mile
        航空器在自主运行时与前方航空器所应保持的最小安全纵向间隔
      缓冲间
      隔/n mile
        考虑运行随机性和安全性,在最小间隔上额外增加的缓冲距离
      目标间
      隔/n mile
        航空器在自主运行时与前方航空器保持的目标间隔
      速度差阈
      值/kn
        当航空器选择航道变更或超越前方航空器时的参考速度差值
      变更间
      隔/n mile
        当航空器选择航道变更或超越前方航空器时的参考距离差值
      距离阈
      值/n mile
        当航空器选择按目标速度飞行或调整速度时,与前方航空器参考距离阈值
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      表 4定速模式相关性分析

      Table 4.Correlation analysis for speed-based mode

      变量类型 吞吐量r 延误r
      初始间隔 −0.654 0.998
      缓冲间隔 −0.236 0.150
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      表 5超越模式相关性分析

      Table 5.Correlation analysis for speed-independent mode

      变量类型 吞吐量r 延误r 冲突率r
      初始间隔 −0.684 0.670 −0.303
      缓冲间隔 −0.537 0.362 0.282
      最小间隔 −0.578 0.589 −0.046
      距离阈值 0.025 −0.331 −0.024
      换道距离 0.088 0.087 0.539
      速度阈值 −0.076 −0.014 −0.061
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      表 6自由模式相关性分析

      Table 6.Correlation analysis for self-separation mode

      变量类型 吞吐量r 延误r 冲突率r
      初始间隔 −0.626 0.520 −0.781
      缓冲间隔 −0.506 0.777 −0.195
      最小间隔 −0.697 0.567 −0.083
      距离阈值 0.011 −0.130 −0.507
      换道距离 0.001 0.002 0.007
      速度阈值 −0.013 0.003 −0.006
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      表 7自主运行模式仿真实验参数值

      Table 7.Parameter values in simulation of autonomous operation mode

      参数 初始数据 类型
      模拟次数/次 10 常量
      航空器数量/架次 4 096 常量
      时间步长/s 6 常量
      初始间隔(均值)/n mile 6~15 随机变量
      缓冲间隔/n mile 1~10 变量
      最小间隔/n mile 5~14 变量
      初始速度/kn 巡航速度 变量
      距离阈值/n mile 8 变量
      目标间隔/n mile 7 变量
      变更距离/n mile 12 变量
      目标速度/kn 巡航速度 变量
      速度阈值/kn 80 变量
      高度/m 11 000 常量
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    出版历程
    • 收稿日期:2018-08-27
    • 修回日期:2018-12-17
    • 网络出版日期:2020-03-24
    • 刊出日期:2020-08-01

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