空管飞行冲突解脱的国内外现状及未来发展

空管飞行冲突解脱的国内外现状及未来发展

李森

民航东北地区空中交通管理局辽宁沈阳110082

摘要

本文对飞行冲突的研究背景及目前国内外的研究现状进行了粗略分析，冲突解脱就是在预测到将要发生冲突时，规划出避免飞行冲突的理想轨迹，使得飞行管理系统能够按照该理想轨迹操纵飞机自主飞行摆脱可能出现的冲突。如何有效地避让飞行中的碰撞，成为了众多专家和学者的研究热点，是涉及空域安全性的一项关键技术，对于增加空域容量，保证飞行安全，具有重要意义。

关键词：冲突解脱，空管，民航发展

引言

随着空中交通需求的不断增长，空中交通日益繁忙，空中交通系统面临着越来越严重的航线拥挤，使现有的空中交通管制系统面临着巨大压力。从20世界90年代开始，美国等一些航空业发达国家提出自由飞行的概念（FreeFlight），顾名思义，飞行员可以依其需要起飞并沿最适合的航路飞至目的地，只要飞行员在飞行时不挡住其他飞行员的道路，空中交通管制不必发布任何指示。这不仅可以减少延误更可以为民航业每年减少数十亿美元的开销。自由飞行为解决空中交通道路的拥挤，更高效地利用空间资源开辟了另外一条新的道路。飞行冲突探测与解决是自由飞行的关键问题，世界各国的研究者们做了大量关于飞行冲突探测与解决的研究工作。

一国内现状

在国内，北航空中交通管制研究中心的李春锦、王英勋等人对平行航路相撞危险的Reich模型进行了初步研究，并对建模进行了分析。清华大学自动化系的陈晨等人采用基于概率的冲突探测算法，对基于布朗运动的二维冲突概率算法进行了仿真分析，得出各种因素对冲突概率的影响效果，在此基础上对算法进行了三维扩展，给出了实际应用的流程，该改进型算法已经实际应用于空中交通管制指挥监测系统中，运行结果表明改进型算法是满足有效性和实时性要求的。北方交通大学运输模拟中心的赵洪元对两条交叉航线上飞机发生危险冲突次数进研究，它提出了危险冲突碰撞区域概念，并给出飞机在同一高度两条交叉线上险冲突碰撞区域，进而给出一种新型的“交叉航线间隔”模型，最后推出在两条交叉航线上飞机在单位时间内发生危险冲突次数的计算模型并对此进行了详的分析。南京航空航天大学民航学院的刘星等人参考国外的有关资料并结合我国的有关管制规定，应用遗传算法对自由飞行条件下的冲突探测与解脱进行了一定的研究，但对多架飞机的复杂冲突情况还有待研究。

二国外现状

国外早在六七十年代就有这方面的研究，Reich的飞机碰撞危险模型是本领域较早的研究成果。他将每架航空器假设成尺寸相同的长方体，两机冲突概率在数学上就相当于某一质点与长方体之间的碰撞危险概率。目前大多数文献所采用

的探测模型主要是在Reich模型的基础上综合了各种影响飞行安全的不确定因素根据ATC的间隔标准确定的。研究方法分为两类离散型和连续型，离散型来源于现行的由无线电信标确定的固定航路，把飞机航路分割为一个个的航路点：连续型则完全采用飞机动力学动态方程来描述飞机的飞行状态，并以此进行冲突探测和解脱的计算。

离散型的探测方法包括概率法和几何法两种，解脱方法则是通过调整计划航路点序列，生成能最大可能按预期执行顺序飞行的无冲突航。概率法是根据不同的飞行状态引入不同的概率模型来推测飞行冲突，其中，J．Hu等人考虑了风等不确定因素对飞行的影响，其优点是提供了完整的表达公式(虽然是近似的)，不仅可采用较便宜的计算工具，且易于得出解脱算法。LeeC．Yang则着重于飞机飞行意图对轨迹的影响，采用了一组概率密度方程，但必须十分清楚概率的分布否则模型的误差会导致预测的不精确。几何法方面，N．L．Fulton使用计算几何采用建立Volonoi多边形探测多架飞行冲突，提高了计算的快速性。但由于飞机速度的不同，这种基于飞机空间几何分布的冲突探测方法受到了限制。Chiang采用基于空间离散化盒状保护区的Delaunay图结点的几何散列法(geometrichashingapproach)，在每个离散时隙步(discretetimestep)检查周围的飞机是否会发生冲突。其优点是适用于所有飞机，花费时间少，能测出在特定的未来时间段潜在的冲突；不足在于需要解高维方程，三维情况下实现较复杂。

解脱算法方面，Hu在每个时隙步，每个飞机根据冲突预测和参数方程来改变方向角以避免冲突，仿真实现了两机和三机解脱方案，但无法处理大量飞机间的冲突。Geser等人采用几何算法修正涉及冲突的航路点。计算简单效率高，适合嵌入飞机驾驶舱计算机中；但没有考虑实际可行性、速度约束、油耗等方面。Mondoloni采用，可以获得含有一定飞行规划约束(如到达时间固定)的无冲突飞行方案，实例证明能使首选的消耗函数最优，能简单地和飞行计划最优函数合为一体，但计算比较复杂、耗费时间较多，不能预测短期(5分钟内)的冲突。简单的神经网络也用于解决两机间的冲突，能考虑到适应性得到满意的结果，但拓展十分困难。

连续型采用的探测模型主要是由ATC安全距离间隔标准确定的以航空器质心为中心，半径为2.5海里，高度是2000英尺虚拟的圆柱区域(二维情况则直接采用平面圆形)，以飞机未来轨迹与他机(入侵机)保护区相交为冲突，解脱方法主要是调整飞机轨迹使其偏离保护区域。几何最优法，以入侵机为坐标原点修正主机速度和位置，选择改变方向角解脱，但只是在二维即水平面内探测和解脱的。在其扩展和最优化基础上Mufioz提出三维几何算法，计算中不含三角函数，可加入更多信息以获得最优解。每组方程有多个解，需进一步根据情况分析选择一个最优解。Tomlin考虑两机非协作情况，使用基于两人零和对策理论的自动连续动态系统的分析，得到最优控制规则和结果所描述不安全集边界的微分等式，采用预先定义的解脱策略解脱。同一类型的微分博弈理论也用于密集平行进近阶段的两机安全间隔的讨论。

Menon将最优控制理论应用于冲突解脱中，使用了两种不同的方法。第一种方法中，以总飞行时间和耗油量的线性模型为消耗函数，使用单目标SequentialQuadraticProgramming法和多目标的目标获得法解决。第二种方法，运用闭环导航法以航路偏离为最优函数进行多机冲突解脱。Bicchi则将机器人运动模型”Dubins’car”应用于飞机解脱,飞机的解脱模式比较单一，没有扩展到三维空间，多飞机冲突计算繁琐。

Pallottino从线性规划方面考虑，把多机冲突模型化为一个混合整数规划(MIP)问题，在一般几何构造法上建立冲突避免约束并把它们公式化为线性约束条件，用最优化工具如CPLEX来解决。Prandini，M.采用了解析微分几何法研究一机对多机冲突问题，飞机的轨迹等同于编织的线轨迹，根据相交点的空间坐标图像识别n架飞机冲突解脱策略的同伦类型(homotopytypes)，选择最优策略以能量为指标。对两机隋况，得到最优解脱分析表达式；对多机情况，采用曲面最优技术寻求每一类型的最优双向解法,计算量随机数增加而增加。

三飞行冲突解脱技术的未来发展

自由飞行是未来民航发展的方向，冲突探测和解脱技术是制约自由飞行实施的关键技术。国外此项研究的历史较久，采用的方法较多，不同领域的不同计算方法都有所尝试，许多方法作者都作仿真模拟以验证效果，有少部分方案改进后也用于实际使用。国内的研究起步较晚，有所创新但还需进一步努力。冲突探测和解脱技术目前存在的问题主要包括：飞机运动轨迹模型比起实际过程仍然比较简单，需要进一步细化；解脱模式比较单一，没有充分考虑各飞行参数变量之间的相互关系；对多机冲突群的情况研究还需深入，这些也是未来发展的方向。总的来说无论国内国外所有的研究方法还是处于研究改进阶段，从目前的自由飞行实验来看，要进入实际应用还需要对目前的方法进行改进或采用更先进的算法。