基于petri网和遗传算法航空器滑行初始路径规划

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1、基于Petri网和遗传算法航空器滑行初始路径规划基金项目：国家科技支撑计划项目(2011BAH24B06);国家自然科学基金与民航局联合基金资助项目(60879011，U1233105)作者简介：朱新平先进机场场面运行控制(1983-)，男，博士，研究方向为电话：13419037831,E-mail：zhu408@163.com通讯作者：韩松臣(1963-)，男，教授，博士，研究方向为空中交通安全、空域规划管理，E-mail:hansongchen@nuaa.edu.cn文章编号：0258-2724(2013)03-0565

2、-09D0I:10.3969/j.issn.0258-2724.2013.03.027摘要：为支持先进机场场面活动引导与控制系统(A-SMGCS，advancedsurfacemovementguidanceandcontrolsystem)实施航空器滑行的精确引导，将场面分为滑行道交叉口和直线段等典型运行单元，利用改进的扩展赋时库所Petri网，建立了场面运行模块化模型；采用该模型进行染色体编码，并考虑场面运行管制规则，提出了染色体合法性检测与修复算法，以及染色体交叉和变异算法.基于首都国际机场01号跑道实际运行数据，用本

3、文模型和算法进行了多个航班滑行初始路径规划，研究结果表明：与节点-路段类模型相比，本文模型能更充分地描述场面管制规则约束，可避免生成违反管制规则的路径；本文算法的每个航班初始路径规划耗时小于10s，符合A-SMGCS的要求；由于考虑了航空器滑行速度调整特征，更符合场面运行的实际情况.关键词：空中交通；A-SMGCS；滑行路由规划；Petri网；遗传算法中图分类号：V351.11文献标志码：A航空器滑行自动路由规划可以协调进离港航班安全有序地滑行，从而减少场面拥堵并提升场面容量.在国际民航组织(InternationalCiv

4、ilAviationOrganization,ICAO)提出的先进机场场面引导与控制系统(advancedsurfacemovementguidanceandcontrolsystem,A-SMGCS)中，路由规划功能是实现航空器场面滑行精确引导的前提［1］.航空器场面滑行具有并发、资源共享特性，并受多种管制规则约束.A-SMGCS路由规划不同于传统道路网络中的车辆路径规划，文献［2］提出了A-SMGCS三阶段路由规划策略：(1)初始路径规划，为进离港航班确定最优滑行路径和s-1个次优滑行路径(s值由管制员动态交互确定)；(

5、2)滑行前路由指派，依据航空器开始滑行前的场面态势，为其确定合理路由；(1)路由实时更新，在航空器滑行过程中实时调整路由，以避免冲突发生.本文仅考虑第(1)阶段，即初始路径规划问题.Petri网广泛用于A-SMGCS场面运行过程的建模与冲突监控［3-4］，但较少用于航空器滑行路由规划.文献［5］将无向交通网络转换为Petri网表示的有向图，并通过Petri网仿真器求解最短有向路径.文献［6］将机场滑行路径描述为有向图，并转换为Petri网图求解最佳滑行路径.文献［2］建立了基于Petri网的场面活动模型，并通过时间窗调度来进

6、行路由规划.上述研究建立的Petri网模型对场面管制规则约束考虑不全面，在算法设计上未充分利用Petri网的数学特征，且通常针对某一特定机场进行分析，实用性和通用性均显不足.另一方面，将航空器场面滑行速度假设为恒定值［7-9］，忽略了航空器在场面不同区域滑行速度的调整变化，导致所得路由结果不能支持航空器滑行的精确引导.在文献［2］的基础上，本文从以下方面展开研究：(1)给出一种扩展赋时库所Petri网(extendedtimedplacePetrinet,ETPPN),以准确描述场面运行管制规则约束，并提出一种模块化、面向路

7、由规划的场面运行ETPPN模型建模方法；(2)采用遗传算法规划航空器初始滑行路径，其染色体编码采用场面ETPPN模型的变迁激发序列，且交叉和变异均仅针对模型中的变迁进行，避免了以滑行道系统拓扑结构中的交叉口或直线段为基因组成染色体，在此基础上展开的遗传操作保证了方法的通用性；(1)与文献［7-9］中关于航空器场面滑行速度恒定的假设不同，细化了航空器加减速特性对路段占用时间的影响，使路由规划结果的精确度更高，实用性更强.航空器场面运行过程建模1.1面向资源的场面运行过程建模可见，采用ETPPN模型对场面运行进行建模，可描述航空

8、器对场面各单元的动态占用与释放，以及航空器在各单元滑行应遵循的管制规则.场面其它典型单元运行过程的Petri网建模也可采用本节的方法.不同机场的场面交通系统具有不同构型，但基本组成单元类似且有准确的数量和明确的运行规则.因此，利用各单元对应的ETPPN模型，并采用Petri网同步合成技术［