• ISSN 0258-2724
  • CN 51-1277/U
  • EI Compendex
  • Scopus 收录
  • 全国中文核心期刊
  • 中国科技论文统计源期刊
  • 中国科学引文数据库来源期刊

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

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]. 西南交通大学学报, 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]. 西南交通大学学报, 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  1  FL350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
    10 668−54.323 8000.379 6576
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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−0.6540.998
    缓冲间隔−0.2360.150
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV
  • European Organization for the Safety of Air Navigation. The ATM target concept D3: DLM-0612-001-02-00[S]. Brussels: SESAR Executive Committee, 2007.
    Federal Aviation Administration. Concept of operations for the next generation air transportation system: version 3.0[S]. Washington D. C.: Joint Planning and Development Office, 2010.
    ALIPIO J, CASTRO P, KAING H, et al. Dynamic airspace super sectors (DASS) as high-density highways in the sky for a new US air traffic management system[C]//Systems and Information Engineering Design Symposium. Charlottesville: IEEE, 2003: 57-66.
    YOUSEFI A, DONOHUE G L, SHERRY L. High volume tube shape sectors (HTS): a network of high capacity ribbons connecting congested city pairs[C]//The 23rd Digital Avionics Systems Conference. Piscataway: IEEE, 2004: 1-7.
    YOUSEFI A, LARD J, TIMMERMAN J. NextGen flow corridors initial design, procedures and display functionalities[C]//Digital Avionics Systems Conference (DASC). Florida: IEEE, 2010: 4.D.1.1-4.D.1.19.
    YOUSEFI A, ZADEH A N. Dynamic allocation and benefit assessment of NextGen flow corridors[J]. Transportation Research Part C:Emerging Technologies, 2013, 33(3): 297-310.
    HERING H. Air traffic freeway system for Europe: EEC Note No. 20/05[S]. Brussels: EUROCONTROL Experimental Centre, 2005.
    SRIDHAR B, GRABBE S, SHETH K, et al. Initial study of tube networks for flexible airspace utilization[C]//Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit. Colorado: AIAA, 2006: 6768.1-6768.9.
    WING D J, SMITH J C, BALLIN M G. Analysis of a dynamic multi-track airway concept for air traffic management: NASA/TP-2008-215323[S]. Virginia: Langley Research Center, 2008.
    MUNDRA A D, SIMONS E M. Self-separation corridors[C]//Digital Avionics Systems Conference. Dallas: IEEE, 2007: 3.C.3.1-3.C.3.11.
    HOFFMAN R, PRETE J. Principles of airspace tube design for dynamic airspace configuration[C]//The 26th Congress of International Council of the Aeronautical Sciences. Alaska: [s.n.], 2008: 8939.1-8939.17.
    SHETH K S, ISLAM T S, KOPARDEKAR P H. Analysis of airspace tube structures[C]//Digital Avionics Systems Conference. Minnesota: IEEE, 2008: 3.C.2.1-3.C.2.10.
    XUE M. Design analysis of corridors in the sky[C]//Guidance, Navigation, and Control Conference. Chicago: AIAA, 2009: 5859.1-5859.11.
    XUE M, KOPARDEKAR P H. High-capacity tube network design using the Hough transform[J]. Journal of Guidance,Control,and Dynamics, 2009, 32(3): 788-795.
    KOTECHA P, HWANG I. Optimization based tube network design for the next generation air transportation system[C]//Guidance, Navigation, and Control Conference. Chicago: AIAA, 2009: 5860.
    王莉莉,刘兵. 空中高速路网枢纽的选择[J]. 国民航大学学报,2012,30(3): 6-9.

    WANG Lili, LIU Bing. Choices of air highway network hubs[J]. Journal of Civil Aviation University of China, 2012, 30(3): 6-9.
    YE Bojia, HU Minghua, SHORTLE J. Risk-capacity tradeoff analysis of an en-route corridor model[C]//Proceedings of 5th International Conference on Research in Air Transportation. Berkeley: [s.n.], 2012: 22-25.
    ZHANG Yimin, SHORTLE J, SHERRY L. Methodology for collision risk assessment of an airspace flow corridor concept[J]. Reliability Engineering & System Safety, 2015, 142: 444-455.
    NAKAMURA Y, TAKEICHI N. A self-separation algorithm for high-density air corridor allocated to optimal flight trajectories[C]//Modeling and Simulation Technologies Conference. California: [s.n.], 2015: 0426.1-0426.12.
    TAKEICHI N, ABUMI Y. Benefit optimization and operational requirement of flow corridor in Japanese airspace[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part G:Journal of Aerospace Engineering, 2016, 230(9): 1780-1787. doi: 10.1177/0954410015616412
    COLON M G, LIZUAIN E M, MORA-CAMINO F, et al. Design of air corridor structures for enhanced traffic performance[C]//Digital Avionics Systems Conference. Sacramento: IEEE, 2016: 7778039.1-7778039.7.
    GLOVER W, LYGEROS J. A multi-aircraft model for conflict detection and resolution algorithm evaluation[EB/OL]. [2018-07-17]. http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download;jsessionid=1F39BB2CDF6A44E5333DD12159B26D25?doi=10.1.1.143.3482&rep=rep1&type=pdf.
    European Organization for the Safety of Air Navigation. User manual for the base of aircraft data (BADA): 13/04/16-01—2013[S]. Bruxelles: EUROCONTROL Experimental Centre, 2013.
  • 加载中
图(7) / 表(7)
计量
  • 文章访问数:  472
  • HTML全文浏览量:  212
  • PDF下载量:  15
  • 被引次数: 0
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

目录

    /

    返回文章
    返回