基于MAS(Multi-agent System)的机场空侧管制运行仿真系统研究

摘要

空中交通流量日趋增长，机场空侧布局日渐复杂，需求与供给的矛盾日益突出，当下交通系统的实际发展情势对空中交通管理方面的新概念、新算法、新技术、新规则等均提出了更为迫切的需求。然而在调整当前的机场结构、跑道运行模式等元素，以及落实新技术新概念之前都需要做好相关评估，以测试其有效性，同时发现与规避潜在的不安全因素。空中交通系统属于复杂的混杂系统，利用计算机进行空中交通运行仿真是重要的研究手段。在国外仿真系统价格高、国内仿真系统欠完善，传统仿真系统难以模拟多对象交互的背景下，本文结合多Agent系统知识，开发出基于M AS的机场空侧管制运行仿真系统，用以对我国机场空侧管制运行中存在的跑道入侵及滑行冲突风险场景进行评估及控制。
　　本文首先构建了机场空侧管制运行中各 Agent的机制模型，并详细设计了航空器 Agent、塔台管制员Agent、机场管制员Agent、空管自动化系统Agent的内部结构与行为模型，以及多Agent间的网络通信。然后，针对各仿真阶段提出了基于BADA以及运动学方程的航空器Agent轨迹生成模型。接着，基于对机场空侧运行规范及管制实施流程的总结，引入 PETRI网（PN）原理对管制员Agent的行为建模，对机场空侧运行中的跑道监控、路由规划及冲突探测与解脱开展了进一步的研究及分析，先根据运行规则建立约束模型，再针对约束模型设计 PN控制器，最后转化为相应的管制指令，实现对跑道运行的监控、场面滑行引导及对滑行冲突的避免。
　　针对如何基于MAS开发机场空侧运行仿真系统，首先，基于改进的层次开发框架 HDA（Hierarchical Development Architecture）对系统构建进行需求分析及框架设计，包括总体结构设计、功能模块划分等，详细设计了各Agent的交互与服务模型等。然后，基于JADE（Java Agent Development Framework）平台进行Java编程，完成仿真系统的开发。最后，基于浦东机场实际飞行数据，使用多个常见的管制场景，对仿真系统进行了测试验证。测试结果表明，航空器Agent、机场管制员 Agent、塔台管制员 Agent以及空管自动化系统 Agent可以进行网络通信实时交互，多架航空器在管制员Agent的指挥下根据飞行计划进离场、沿规划路径运行，实现冲突避免。

目录

声明

注释表

第一章 绪论

1.1课题背景及研究意义

1.2国内外研究现状分析

1.3本文研究内容

第二章 关键Agent模型设计

2.1引言

2.2 Agent机制模型

2.3关键Agent结构设计及行为建模

2.4 Agent间的网络通信

2.5本章小结

第三章 航空器运动建模

3.1引言

3.2航空器空侧运行特征分析

3.3各仿真阶段的运动学模型

3.4仿真实例

3.5本章小结

第四章 管制员的行为建模

4.1引言

4.2跑道运行监控建模

4.3机场空侧路由规划建模

4.4机场空侧冲突探测与解脱建模

4.5案例分析

4.6本章小结

第五章 基于MAS的机场空侧运行仿真验证平台的设计实现

5.1引言

5.2基于HDA的需求分析和框架设计

5.3系统模块集成及功能介绍

5.4系统界面及仿真实例

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文