空中交通管理中的交通行为复杂性研究

摘要

空中交通系统是空中交通管理(Air Traffic Management，ATM)的作用对象，亦是ATM持续实践的产物。而其外观表现，即可观测的空中交通行为，反映了空中交通系统作为ATM对象以及产品的实在状态。因此，为了清楚认识现代ATM系统并在客观上判定和估计该系统绩效，有必要首先对空中交通行为及其机理进行全面剖析。本文首创性地提出ATM中交通行为复杂性的研究框架，较深入探讨了空中交通行为的概念定义、度量方法和分析手段，为厘清复杂空中交通行为的机理，建立从微观到中、宏观的自动化ATM辅助决策系统提供手段依据。内容上，首先借鉴复杂性科学认识论观点，对排队、飞行冲突规避和不对称情势信息分布三类复杂空中交通行为的机理进行了分析，在其基础上归纳空中交通行为及其复杂性的概念涵义，为ATM复杂性研究领域澄清了对象范畴。进而通过建立、重构和精炼空中交通行为复杂性度量指标体系，为研究空中交通行为及其复杂性提供手段工具。最后，基于指标体系以多维度视角系统分析了一般的和基于偏好决策的静、动态空中交通行为及其复杂性，建立了针对空中交通行为及其复杂性的分析方法体系。上述框架可为发掘和提炼空中交通系统的运行特征及其模式，研发不同层次和细度的自动化ATM系统提供理论依据和方法参照。本文主要研究内容及其结论包括：
　　 (1)建立航路排队模型，将单向航路视为单服务台研究了先到先服务下一般航路的排队行为，并在模型基础上剖析了确定的简单飞行规则和随机性在形成空中交通系统复杂行为模式中的作用。提出多主体冲突解脱算法，通过仿真研究了分布决策模式下多架航空器非合作战略性飞行冲突规避的整体行为，并在其基础上剖析了增加飞行自由度对形成空中交通系统复杂行为模式的作用。建立组合机动冲突解脱策略模型，研究了分布决策模式下大规模交通流合作战略性飞行冲突规避的整体行为，并在模型基础上剖析了交通量规模对形成空中交通系统复杂行为模式的作用。建立非对称情势信息分布模型，研究了分布决策模式下非对称的交通信息分布行为，并在模型基础上剖析了人因要素对形成空中交通系统复杂行为模式的作用。针对上述模型与算法的分析表明，空中交通系统中各个变量要素的非线性作用几乎无所不在。在随机性要素作用下，简单运行规则、多维飞行自由度、大规模航空器数量和人因偏好要素相互交织，形成有律可循却又自相矛盾的空中交通行为。由此，归纳凝炼了空中交通行为四个方面的概念内涵以及人机两个方面的复杂性涵义，为统一 ATM复杂性研究领域的对象范畴提供了明确释义。
　　 (2)建立空中交通行为复杂性度量指标体系，以复杂性科学的认识论观点从多个维度来反映空中交通系统的变化情势。就ATM已有复杂性研究领域的成果进行回顾，综合考虑自动化ATM系统的人机两面，甄别、直接选择其中有助于定量描述空中交通系统运行状况的复杂性度量指标，或拆解选择原有指标中能够合理、定量描述空中交通系统运行状况的指标部分作为新指标，建立了由密度性、动态性、冲突性交通构成性指标和空域构成性指标共同组成的指标体系。实例分析表明，多数指标变化具有时段性和分层波动性特征，各指标间幅值差异较大，指标体系可以作为多角度和多层次描述空中交通系统运行状况的有效工具。然而，指标体系只能从各个局部对空中交通行为加以考查，无法从整体上进行综合性描述，因此缺乏统一的解释框架。
　　 (3)提出指标体系重构方法，统一各个指标的表示方式，并在其基础上提出指标体系精炼方法，提取重构指标体系的特征向量，为分层表示和利用指标体系，综合分析空中交通行为及其复杂性提供工具。建立对象框架模型，以图象化的统一模式将基本对象与指标，以及不同基本对象间的关联一并表示，为不同指标提供统一数据结构，使重构指标体系具备较完整交通信息。定义矩函数，并在其基础上提取对象框架模型的特征向量，在保留几乎全部交通信息的同时降低存储和运算分析对象框架模型数据所需的计算资源，实现了指标体系的分层次精炼。实例分析表明，基于对象框架的重构不仅能统一指标体系内部各个指标的分析基准，更以全息和直观方式反映表示了空中交通系统的交通行为模式。特征向量相比对象框架模型至少可以降低一个数量级的数据存储容量需求，使进一步直接参与交通分析及其模式挖掘的数据量大为减少。
　　 (4)在指标体系的重构和精炼基础上建立统一的分析方法框架，对各种指标的运算结果进行综合考查，以利用自动化ATM系统处理和管理海量交通数据，发掘空中交通行为的特征与模式。首先，提出一类无监督划分聚类分析方法，对重构和精炼的指标体系进行指标自动分类，通过聚类数量、聚类间差异、聚类内差异和聚类具体内涵四个特征量，对一个时间片的静态空中交通行为进行全息描述。然后，建立差异函数定义聚类内涵差异，并对聚类数量、聚类间差异和聚类内涵差异的变化同步性进行考察，将其动力学相似性作为动态空中交通行为在信息层面序关系的反映，进而定义同调复杂性描述动态空中交通行为的复杂性。实例分析表明，聚类数量、聚类间差异、聚类内差异可以有效刻画不同空中交通行为的关联强度，而聚类具体内涵能够为剖析静态空中交通行为间的具体联系提供细节信息。同调复杂性可以为决策者在更合适尺度上把握动态空中交通行为各个特征量在时间尺度上的变化同步关系提供有效手段和依据。
　　 (5)分析了产生偏好决策的客观机理，并构建一类偏好决策函数，在其基础上利用重构和精炼的指标体系对考虑偏好决策的静、动态空中交通行为及其复杂性进行了分析。建立关联信息熵模型对比研究了锚定和客观空中交通系统中交通行为模式及其复杂性的差异，完善了基于多层次和多维度的指标体系的分析方法体系。实例分析表明，在信息描述层面，是否考虑偏好决策对反映动态空中交通行为特征量之间的变化关系没有大的差异影响，可以较大程度上依赖自动化ATM系统自动处理有关空中交通行为相应特征的信息处理与模式识别；广州地区空中交通系统中，相比AR05扇区，AR13扇区在实例当天的空中交通行为具有更低的同调复杂性。