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简析Agent航空器滑行避让过程的建模与仿真

作者:2016-12-12 16:01文章来源:未知
  随着机场逐步向大型化与繁忙化发展,机场的滑行道结构日益复杂。在航空器滑行的过程中,管制员依靠十分有限的自动化辅助设备做出各种复杂的决策,当机场拥堵时,管制员的负荷急剧上升,出现航空器相互碰撞的事件也时有发生。国际民航组织早在2004年就提出A-SMGCS(先进机场场面引导与控制系统,advancedsurfacemovementguidanceandcontrolsystems)。该系统利用传感技术取得航空器在机场的位置信息,对航空器滑行过程实施引导,以此来避免航空器产生滑行冲突,提高机场场面运行效率。近些年,美国联邦航空局(FAA)提出了下一代空中交通系统(NextGen),其运行特征要求表明:航空器的智能运行可能被用于高密度的机场场面运行来加速地面滑行的效率。有关机场场面智能运行的研究正在成为重要研究内容。在此背景下,本文对航空器滑行避让行为进行了研究。
  研究地面滑行过程的方法比较常见的有两种:一种是构建混合整数规划模型,通过数学模型来得到航空器的最优路径,在航空器计划阶段就完成航空器运行流程方案。此种方法灵活性较差,同时机场地面滑行过程包含很多运行规则,而这些规则很难用数学模型描述清楚。另一种方法是采用现成的仿真工具,如SIMMOD、TAAM等快速仿真工具。这类仿真工具能够快速地仿真整个机场的运行状态,提供机场的容量等宏观指标。但从微观上看,对航空器的运行过程考虑不够精细。
  1航空器的地面滑行分析
  1.1机场地面网络图
  机场的网络结构是指航空器活动的轨迹集合。机场的滑行网络可以用有向图G=(N,E)表示,其中N={ni│i=1,…,k}是G的节点集,E={ei=(np,nq)│i=1,2,…,m;np,nq∈N}是G的线段集。每个节点代表滑行道的交叉点,一系列的有顺序的点可以代表一条滑行路径。在研究的过程中,可以为点或线段添加其他属性,如某些点集代表机位,某些线为快速滑行道等。
  1.2航空器的运行流程与规则
  航空器在机场的运行过程中主要处在3个位置:停机位、滑行道、跑道。其中航空器在滑行道的滑行过程比较复杂,它与航空器的滑行路径、停机位、机型等因素有关。根据机场地面管制的运行流程,进港航空器运行流程为:航空器离开脱离道→航空器在主滑行道上滑行→航空器在交叉点(线)等待→航空器继续滑行→航空器在机坪区等待→航空器请求许可进入机坪区域→航空器滑行到机位,离港航空器运行流程与之相反。
  航空器在滑行的过程中必须遵守一定的规则。如滑行的航空器必须被分配路径、滑行速度满足一定限制、交叉口通过的优先级等。
  1.3航空器的冲突与解脱分析
  为了实现航空器的智能避让,首先要分析航空器如何产生冲突,以及冲突避让的办法。按照上面流程的划分,航空器在滑行过程中,出现冲突的区域可能在机坪区域也可能在主滑行区域。机坪区域主要的冲突有航空器间的推出冲突、航空器滑行与推出冲突、航空器的滑行与滑行冲突。在主滑行道上主要有交叉口冲突(2架飞机同时经过一个交叉口)、动态单向线的冲突(2架飞机同时经过一条公共的线段)。在文献中详细地分析了机坪区的冲突特点。本文又加入了主滑行道的冲突分析。由于分析的过程大体类似,下面给出机坪区的一种场景和主滑行道的冲突中的一种情况。
  2基于Agent滑行避让行为仿真建模
  2.1Agent功能介绍
  基于Agent的滑行避让模型主要由4大类Agent组成,分别为注册Agent、航空器Agent、资源管理Agent、资源Agent。
  航空器Agent接受滑行、等待、继续滑行等指令。同时记录航空器的重要状态时间(离开机位、滑出机坪区、滑入机位等)。
  注册Agent负责系统的初始化。如建立机场网络拓扑图、航班时刻、机型信息、航空器性能等、航空器常用滑行路径、各种常用的间隔参数等。在此基础上,初始化航空器Agent、资源管理Agent以及资源Agent。
  资源管理Agent按照机场资源类别进行管理,包括主滑行管理Agent、机坪管理Agent。
  资源Agent根据各资源的不同特点分为交叉口Agent、动态单向Agent、机位Agent。
  在以上设计的4个Agent中,重点描述资源管理Agent的结构。
  资源管理Agent内部主要由传感器、状态器、知识库、效应器组成。
  传感器从环境中提取有用信息给Agent,根据环境信息改变Agent状态。
  状态器接收传感器或其他Agent的通信信息来改变自身状态。
  知识库Agent通过学习得到的知识与规则的数据库。
  效应器结合Agent的状态,与知识库规则进行匹配,如果有相应匹配结果则执行相关动作,也可以改变环境或与其他Agent通信。
  2.2Agent之间的通信
  通过对整个机场运行流程的分析,建立起Agent的组织结构。主滑行管理与机坪管理分别为不同类别的资源系统,通过Agent之间的协调,把整个系统构成一个整体。
  Agent间的通信方式主要有两种,分别为黑板系统和消息传递方式。黑板系统用于航空器不需要与其他Agent之间交流,包括Agent查询公共信息,如地面网络结构、间隔参数、滑行路径。消息传递方式用于Agent通信有指定对象,包括航空器Agent与其他一个或几个航空器Agent通信、航空器Agent与资源管理Agent通信、资源管理Agent与资源Agent通信等。
  1)当接近航空器到达时间时,注册Agent动态创建航空器Agent,并且传递一些必要的属性和Agent目标。
  2)航空器Agent根据自身目标情况申请主滑行道资源。
  3)主滑行管理Agent查询自身资源管理的资源情况,如果有,返回信息给航空器Agent,同时标注其管理资源的信息。
  4)资源Agent接受主滑行Agent信息进行判断。如交叉口Agent,在提供交叉口资源的时候,根据自身的规则判断,赋予不同航空器Agent优先级。
  5)当航空器Agent滑行到机坪区时,用同样的方法向机坪管理Agent申请资源,直到航空器到达机位。
  3基于Agent滑行避让行为仿真试验
  3.1机场场面建模
  仿真机场为一个中小型机场,跑道长度为3300m,图6中B、C、C1、C2、D、E为滑行道名称,G1~G9为机位名称。通过注册Agent生成地面网络拓扑图。图中显示进场与离场路径各一条,由于机场地面节点比较多,所以可形成多条路径。在Anylogic建模中,有定义线型的类,将这些类打包成容器可便于航空器Agent及其他Agent访问。
  3.2多Agent避让系统的测试
  在Anylogic软件下建立Aircraft、Gate、GateMa-nage、Maintaxi、MaintaxiManage5个Agent,1个Main对象,Main对象仿真试验界面(Simulation)。Anylogic软件中每个Agent都有状态流程图。把航空器的重要状态设计为Agent状态图中的状态,同时为了实现功能的连续性设计相关的辅助状态。当Agent之间有通信时,Agent可以接受消息实现状态跳转。通过综合航班信息表、机位表、起飞报文信息,设计12架航空器进行测试。其中8架离港航空器,4架进港航空器。对于进港航班离港时刻为5,表示在系统时刻之外已经起飞。
  4结语
  文献研究的为机坪区的2架航空器的冲突避让。当航空器数量增加到3架以上时,文献中航空器的规则就不再适用,因此必须引入Agent的思想对整个系统进行控制,同时航空器的知识库结构更加复杂。通过本文研究,基于Agent的航空器冲突与避让模型能够用分布式的思想解决多航空器在滑行中出现的冲突问题,为航空器在机场智能滑行提供理论和实践依据。
 

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