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智能化空管技术研究与展望 被引量:25
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作者 杨红雨 杨波 +1 位作者 武喜萍 余静 《工程科学与技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第4期12-21,共10页
航空运输业在世界经济和社会发展中发挥着重要的推动作用。国际民用航空组织统计显示全球空中交通量大约每15年增加一倍,因此,现有空中交通航行系统的运行能力已经接近饱和。现有的空管自动化系统能自动获取和处理空管信息,经过监视数... 航空运输业在世界经济和社会发展中发挥着重要的推动作用。国际民用航空组织统计显示全球空中交通量大约每15年增加一倍,因此,现有空中交通航行系统的运行能力已经接近饱和。现有的空管自动化系统能自动获取和处理空管信息,经过监视数据融合、飞行数据处理、气象及航行情报处理、告警处理等形成空管综合态势,以供管制员指挥使用,但其仅具备有限的决策支持能力,空管智能化程度较低,不能较好地适应未来空管发展的需要。为了适应未来航空业的快速发展,解决空中交通安全、空域拥挤、航班延误等问题,各国致力于开展解决未来空中交通问题的新技术研究。欧盟在2004年提出"单一欧洲天空空中交通管理研究",拟重新规划欧洲空域以满足空中交通需求,提高空管系统效能,该研究的关键技术涵盖空中交通管理的4个关键领域:高效的机场运行、高级空中交通服务、优化的空中交通网络服务和可靠的空管基础设施。美国在2005年提出了"下一代航空运输系统",其核心技术包括广播式自动相关监视、数据通信、航路自动化系统现代化、终端自动化系统现代化更新、NAS语音系统和系统广域信息管理。2012年,ICAO推出了航空系统组块升级(ASBU)计划,以运行改进为核心,以现有空管技术和新技术应用为手段,提出了机场运行、全球互用的系统和数据、最佳容量和灵活飞行、高效的飞行轨迹4个性能提升领域,每个领域由多条提升路径组成,并根据实现阶段分布在4个组块中,构成52个模块。中国民航也正在实施或规划大量ASBU中的内容以应对中国航空的快速发展。但是,现有空管系统及其未来规划重点在基础设施建设,未涉及太多智能化应用。近年来,在深度学习、高性能计算和大数据的支撑下,人工智能技术在各行业得到快速应用,计算机视觉、语音识别、自然语言处理等技术取得突破性进展并迅速产业化。人工智能技术可以促进空管一些关键技术的发展,提升安全水平,提高管制工作效率,降低管制员工作负荷。以深度学习为代表的人工智能强调在大量先验知识的基础上做出判断和决策,与空中交通管理运行决策过程相契合,人工智能的快速发展产生的巨大效益使智能化空管成为一种必然。因此,在空管技术及人工智能技术基础上,作者提出智能化空管的概念,设计了智能化空管系统总体框架。智能化空管系统总体框架包括感知层、网络层、平台层、应用层和可视化层。感知层的各类通信、导航、监视、气象、无线、图像采集、射频识别等设施设备为空管运行提供基础设施保障。网络层采用专线网络、卫星通信网、新兴的互联网、移动网络等传输信息。智能化空管平台层采用广域信息管理,云计算、智能化大数据挖掘等技术实现信息存储、共享、挖掘等。应用层研究人工智能化技术在管制指挥、空域管理、空中交通流量管理、飞行服务、通航、无人机空管保障中的应用。可视化层通过空管门户、虚拟化可视、空管智能化UI、移动空管应用等方式提供高效快捷的智能化交互。围绕智能化空管概念和总体框架,需要重点研究智能化空管数据处理、智能化辅助决策、空管语音识别和空管指挥机器人等关键技术。智能化空管数据处理研究各类空管数据的获取、处理、传输、交互、智能化挖掘等技术;智能化辅助决策研究智能化冲突管理、智能化空中交通流量管理、智能化规划管理、智能化进离场排序、智能化机场运行等智能化空管应用;针对地空通话在空中交通管制中的重要作用,研究空管语音识别在自动应答机长、空管指挥安全监控中的应用;利用人工智能技术使机器具备空管的感知、规划、推理、行动等能力进行空中交通管理。智能化空管系统总体框架和关键技术为智能化空管系统开发提供理论基础与技术支撑。 展开更多
关键词 空中交通管理 人工智能 深度学习 强化学习 空管机器人
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面向TBO运行下的空中交通管理概念系统模型构建
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作者 闫震 韩云祥 +3 位作者 杨红雨 武喜萍 彭悦 王丹丹 《长江信息通信》 2024年第5期33-35,47,共4页
TBO运行是民航未来发展的重大系统性工程,需统一各项标准和运行规范,目前空管运行体系存在的运行相对分割、信息共享相对分离、系统建设相对独立的问题严重影响了TBO运行概念的建设和发展。针对上述问题,文章通过应用信息资源规划方法... TBO运行是民航未来发展的重大系统性工程,需统一各项标准和运行规范,目前空管运行体系存在的运行相对分割、信息共享相对分离、系统建设相对独立的问题严重影响了TBO运行概念的建设和发展。针对上述问题,文章通过应用信息资源规划方法和6W模型,提出了一种通用概念模型构建方法,指导TBO运行模式下的统一空中交通管理概念系统建模。通过提高对TBO运行的认识,能够有效地为后续相关业务实现信息化提供技术支撑。 展开更多
关键词 空中交通管理 概念模型 基于航迹运行 信息资源规划
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基于高斯过程的飞行转弯区一致性监视技术研究 被引量:3
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作者 严宏 杨波 +1 位作者 刘洪 杨红雨 《工程科学与技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第4期116-122,共7页
针对导航误差和监视误差等干扰因素以及飞行转弯固有的不确定性和可变性,比如转弯开始点和转弯半径的差异,造成飞行转弯区内难以判定航空器是否与飞行计划或管制指令一致的问题,提出了一种比较航空器系统状态预期值和实际测量值的一致... 针对导航误差和监视误差等干扰因素以及飞行转弯固有的不确定性和可变性,比如转弯开始点和转弯半径的差异,造成飞行转弯区内难以判定航空器是否与飞行计划或管制指令一致的问题,提出了一种比较航空器系统状态预期值和实际测量值的一致性监视方法,该方法基于高斯过程对转弯区的一致性飞行建模,通过模型求解出预期的状态值范围,其中引入附加的偏离项使模型有效地描述了飞行转弯区各个时段内系统状态值的合理变化趋势。系统状态预期值的计算通过高斯过程的贝叶斯推理框架完成,并且使用随机采样的方法解决引入偏离项后的后验概率无法求取解析解的问题。构建的飞行模型使用历史飞行数据进行训练,避免了直接依据飞行计划或管制指令计算系统状态预期值的方式下容易出现的问题,主要是无法充分考虑实际情况下各种因素对于系统状态值的影响。使用实际飞行场景中的监视系统数据进行测试,结果表明该方法计算得出的系统状态预期值区间反映了系统状态值的合理变化范围,能够有效判定一致性飞行。此外,相比于基于轨迹偏差阈值的判定方法,该方法能够取得更优的误报率和检测时间,避免了人为设置阈值不合理造成的影响,同时体现了该方法易于扩展,便于利用监视系统中位置信息之外的测量值提高一致性监视的性能。 展开更多
关键词 飞行轨迹 高斯分布 采样 协方差矩阵
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3维坐标系下的飞行冲突探测算法 被引量:10
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作者 梁海军 杨红雨 +2 位作者 肖朝 季玉龙 余静 《四川大学学报(工程科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第2期88-93,共6页
冲突探测是空中交通管理的主要辅助决策工具。针对中国空中交通管理发展过程中面临的飞行冲突问题,提出了3维坐标系下的飞行冲突探测方法。首先根据飞行轨迹的特点提出了按时间整合航路段后求解冲突概率,以提高连续求解冲突概率的效率;... 冲突探测是空中交通管理的主要辅助决策工具。针对中国空中交通管理发展过程中面临的飞行冲突问题,提出了3维坐标系下的飞行冲突探测方法。首先根据飞行轨迹的特点提出了按时间整合航路段后求解冲突概率,以提高连续求解冲突概率的效率;其次,算法中考虑了自由飞行中高度层变化的飞行冲突情况。使用MonteCarlo方法进行大量仿真实验,分析了轨迹误差、精度参数对冲突概率值及虚警的影响。实验结果证明了算法的有效性和实用性,具有较好的参考价值。 展开更多
关键词 空中交通管理 冲突探测 冲突概率 轨迹误差
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进港航班排序优化数学模型研究 被引量:4
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作者 王世豪 杨红雨 +1 位作者 武喜萍 刘洪 《四川大学学报(工程科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第6期113-120,共8页
针对常用进港航班排序数学模型(总延迟时间最小和总延迟成本最小)中存在的问题,选取空中延误成本、旅客延误成本、后续延误成本以及环境污染成本4个指标综合建立一种改进的总延迟成本最小数学模型。在分析已有的基于模拟退火的粒子群算... 针对常用进港航班排序数学模型(总延迟时间最小和总延迟成本最小)中存在的问题,选取空中延误成本、旅客延误成本、后续延误成本以及环境污染成本4个指标综合建立一种改进的总延迟成本最小数学模型。在分析已有的基于模拟退火的粒子群算法(SA-PSO:particle swarm optimization based on simulated annealing)优化进港航班排序时寻优能力不足、收敛速度慢的基础上,采用一种线性微分递减(LDD:linear differential decrease)的退火策略,从而可以有效地解决进港航班排序问题。实验结果表明,与FCFS(first come first serve)、PSO以及SA-PSO算法相比,LDD-SA-PSO算法在进港航班优化问题上具有较好的寻优能力和收敛速度,同时改进数学模型中参数选择对优化结果也具有明显影响。 展开更多
关键词 进港航班排序 最小延迟成本 数学模型 粒子群算法 线性微分递减
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基于GMM的航班轨迹预测算法研究 被引量:9
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作者 林毅 张建伟 +1 位作者 武喜萍 刘宇 《工程科学与技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第4期104-109,共6页
航班轨迹预测是空中交通管理与仿真技术的基础。针对现有预测方法预测精度和稳定性不足的问题,提出了一种基于历史雷达数据和机器学习方法的轨迹预测算法。算法首先基于概率统计模型(高斯混合模型)对航班运行过程中的相邻时刻的相对位... 航班轨迹预测是空中交通管理与仿真技术的基础。针对现有预测方法预测精度和稳定性不足的问题,提出了一种基于历史雷达数据和机器学习方法的轨迹预测算法。算法首先基于概率统计模型(高斯混合模型)对航班运行过程中的相邻时刻的相对位置偏移量进行建模;随后,以该航班的历史飞行轨迹为训练数据采用期望最大化的机器学习算法优化模型参数。概率统计模型学习真实运行环境下同一航班的飞机运动模式,能更准确地描述航班在飞行过程的随机性。在已学习到概率统计模型的基础上,采用序贯蒙特卡洛思想采样航班各时刻的相对位置偏移向量序列。针对特定的航班轨迹预测,使用起飞机场的跑道位置和标高信息与预测的航班位置偏移量预测航班在各个更新时刻的位置信息并形成最终的航班轨迹。算法中预设模型参数更新机制,包含预测误差超过阈值、定时和手动更新。将提出的算法运用在某大型空中交通流量管理系统中,大量真实历史数据实验表明:与传统的运动学方法和回归模型相比,本文算法能得到更加准确和平稳的航班轨迹预测结果。 展开更多
关键词 轨迹预测 历史雷达数据 高斯混合模型 相对位置偏移 机器学习
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一种基于均值漂移和遗传算法的图像分割算法
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作者 王建 张建伟 陈仲恒 《信息通信》 2014年第3期62-63,共2页
考虑到图像的噪声和边缘保持等因素,提出了一种基于均值漂移的图像平滑和利用遗传算法取得直方图最大熵的图像分割算法相结合的方法,首先利用均值漂移算法对图像进行平滑处理,然后对平滑后的图像通过遗传算法获得在直方图最大熵时的分... 考虑到图像的噪声和边缘保持等因素,提出了一种基于均值漂移的图像平滑和利用遗传算法取得直方图最大熵的图像分割算法相结合的方法,首先利用均值漂移算法对图像进行平滑处理,然后对平滑后的图像通过遗传算法获得在直方图最大熵时的分割阈值,实验得出,本文算法能取得较好的分割效果。 展开更多
关键词 均值漂移 遗传算法 图像分割 最大熵
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一种改进的基于近红外图像的去雾方法 被引量:4
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作者 韩松臣 黄畅昕 +1 位作者 李炜 程鹏 《工程科学与技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第2期99-104,共6页
为了解决雾天可见光图像降质问题,提出一种简单、高效的去雾算法。为充分利用可见光图像的色彩信息和近红外图像的细节信息,首先,根据暗通道估算出可见光图像中雾的浓度,根据雾浓度对可见光图像进行分区;然后,分别对可见光和近红外图像... 为了解决雾天可见光图像降质问题,提出一种简单、高效的去雾算法。为充分利用可见光图像的色彩信息和近红外图像的细节信息,首先,根据暗通道估算出可见光图像中雾的浓度,根据雾浓度对可见光图像进行分区;然后,分别对可见光和近红外图像进行平稳小波分解,结合雾浓度分区和脉冲耦合神经网络(pulse coupled neural network,PCNN)分别融合可见光与近红外图像的高频分量和低频分量,复原得到一幅清晰而不失真的图像;最后,引入引导图像滤波对融合图像做滤波处理,平滑分区边缘的同时保留源图像的边缘信息。为验证算法的有效性,与当前主流去雾算法进行对比实验,对比指标包括去雾图像的信息熵、均值、标准差,以及算法运行时间。实验结果表明,在相同图像分辨率条件下,本文算法去雾后图像视觉效果更加理想,同时,无雾区域能够很好地保持色彩信息,反映图像细节和清晰化的各项指标优于其他算法,而且算法处理时间显著降低。 展开更多
关键词 图像去雾 近红外图像 图像融合 暗通道
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基于历史数据的空中改航算法研究 被引量:3
9
作者 陈正茂 林毅 杨波 《工程科学与技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第4期110-115,共6页
改航是航班运行过程中应对恶劣天气、军事活动、流量管控等突发情况的重要策略。作者提出一种挖掘历史雷达数据特征的改航算法。算法首先综合考虑改航路径的经济性、安全性、航路特征和容量影响等因素建立改航约束条件,对航班可能的改... 改航是航班运行过程中应对恶劣天气、军事活动、流量管控等突发情况的重要策略。作者提出一种挖掘历史雷达数据特征的改航算法。算法首先综合考虑改航路径的经济性、安全性、航路特征和容量影响等因素建立改航约束条件,对航班可能的改航区间的航路通路进行分析初选,确定最优的改航区间及其满足改航约束条件的一系列关键点序列。随后基于航班在历史雷达数据中的位置信息分析关键点序列航段执行情况,结合该航段计划航班数据,提出了适用于改航关键点选择的航段利用率计算方式,并在此基础上确定改航路径的最优关键点序列。以航班飞行过程中的速度矢量为建模对象,通过机器学习算法挖掘经过关键点序列航段的航班飞行运动模式。采用混合高斯模型对航班速度矢量建模和参数学习;利用马尔科夫蒙特卡洛采样算法预测航班改航过程中的速度矢量序列。最后利用匀加速运动学方程预测出完整的改航路径。通过某大型流量管理系统的应用实践证明,在考虑了改航约束条件和航段历史运行情况(利用率)等因素下的改航策略符合航班的实际运行情况。同时算法还能以高精度预测航班的改航轨迹,为改航路径相关区域的流量管理提供数据支撑。本文的改航算法能很好的解决航班在飞行过程中的改航问题。 展开更多
关键词 改航 约束条件 历史雷达数据 关键点序列 机器学习
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基于精英存档自适应微分进化算法的多跑道独立进近排序 被引量:3
10
作者 王世豪 杨红雨 +2 位作者 李玉贞 韩松臣 杨波 《四川大学学报(工程科学版)》 CSCD 北大核心 2017年第3期153-161,共9页
随着民航运输业的快速发展,运输需求与空域资源容量之间的矛盾日益突出,导致航班延误的比例也在逐年升高。进港航班排序作为空中交通流量管理的主要手段,能够有效地减少航班延误,减少经济损失,并提高跑道利用率。作者针对进港航班排序问... 随着民航运输业的快速发展,运输需求与空域资源容量之间的矛盾日益突出,导致航班延误的比例也在逐年升高。进港航班排序作为空中交通流量管理的主要手段,能够有效地减少航班延误,减少经济损失,并提高跑道利用率。作者针对进港航班排序问题,建立一种基于最小化总延误时间的多跑道进港航班排序数学模型,并通过采用精英存档策略和控制参数自适应策略,提出一种精英存档自适应微分进化算法(EASaDE:self-adaptive differential evolution algorithm with elite archive)。在EASaDE中,精英存档策略将当前种群划分为精英种群和非精英种群,参与变异的个体部分来自精英种群,剩余的来自非精英种群;而控制参数自适应策略则将控制参数应用到种群中的每个个体,并根据个体的进化停滞代数来自适应调整参数值。为检验EASaDE的优化性能,选取9个常用于优化算法对比的Benchmark测试函数和双跑道进港航班排序实际问题进行实验。从Benchmark函数的优化结果可以看出:EASaDE的优化性能要好于基本DE算法和其它参与对比的改进DE算法。同时,从双跑道进港航班排序的优化结果可以看出:与其它优化算法相比,EASaDE所求得的总延误时间明显更小,规划后的进港序列更为合理。因此,提出的EASaDE算法具有较高的收敛精度、收敛速度和稳定性,从而能够有效地减少进港航班队列的总延误时间,提高跑道吞吐量,并减轻管制员的调度压力。 展开更多
关键词 进港航班排序 独立进近 微分进化 全局优化 精英存档
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4D ConflictFree Trajectory Planning for Fixed-Wing UAV 被引量:2
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作者 LIAO Wenjing HAN Songchen +1 位作者 LI Wei HAN Yunxiang 《Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics》 EI CSCD 2020年第2期209-222,共14页
Four-dimensional trajectory based operation(4D-TBO)is believed to enhance the planning and execution of efficient flights,reduce potential conflicts and resolve upcoming tremendous flight demand.Most of the 4D traject... Four-dimensional trajectory based operation(4D-TBO)is believed to enhance the planning and execution of efficient flights,reduce potential conflicts and resolve upcoming tremendous flight demand.Most of the 4D trajectory planning related studies have focused on manned aircraft instead of unmanned aerial vehicles(UAVs).This paper focuses on planning conflict-free 4D trajectories for fixed-wing UAVs before the departure or during the flight planning.A 4D trajectory generation technique based on Tau theory is developed,which can incorporate the time constraints over the waypoint sequence in the flight plan.Then the 4D trajectory is optimized by the particle swarm optimization(PSO)algorithm.Further simulations are performed to demonstrate the effectiveness of the proposed method,which would offer a good chance for integrating UAV into civil airspace in the future. 展开更多
关键词 4D trajectory trajectory planning trajectory-based operation(TBO) unmanned aerial vehicle(UAV) particle swarm optimization(PSO)
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