基于模型参考自适应控制的航班进港间隔控制研究-赵世伟.docx

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1、中国民航大学 硕士学位论文 基于模型参考自适应控制的航班进港间隔控制研究 姓名：赵世伟 申请学位级别：硕士 专业：导航、制导与控制 指导教师：华克强 20090328 摘 本文针对目前出现的空中交通拥挤问题，对终端区空中交通流量管理中最后进近 部分航班进港时间间隔控制问题的研究。针对航班进港动态过程的运行特点，提出合 理的假设条件，将具有离散事件动态系统属性的航班进港过程转化为以航班进港事件 发生序列为自变量，进港时间间隔为受控量的控制系统分析综合问题。进而对实际航 班数据的分析处理，利用辨识技术建立航班进港动态过程的 ARMA模型。应用模型参 考自适应控制理论，采取现行的先到先服务管制方式，

2、设计航班进港时间间隔控制系 统，并给出适用于航班进港时间间隔控制的模型参考自适应控制算 法。 采用 MATLAB仿真软件对基于模型参考自适应控制的航班进港时间间隔系统进行 仿真，几种模型参考自适应控制的仿真结果均表明航班进港时间间隔方差明显减小， 进港过程更加平稳有序，有利于缓解空中交通拥挤问题，提高了机场运行的安全性。 本文针对航班进港动态系统所提出的分析设计思路，为进一步将控制理论用于空 中交通管理的研究，开发空中交通管理辅助决策系统，进而实现空管自动化提供了新 的思路。 关键词：航班进港离散事件动态系统模型参考自适应控制空中交通管制时间 间隔控制 Abstract To solve th

3、e problem of air traffic crowding, this paper research the problem of flight arrivals time interval control in air traffic flow management at final approach in terminal area. According to the operation characteristic of flight arrival dynamic process, bring out reasonable assumption condition, turn

4、flight arrival process with the attribute of discrete event dynamic system into the problem of analysis and synthesis on control system, with the sequence of flight arrival event as independent variable, flight arrivars time interval as controlled variable. Further more analyze and deal with actual

5、flight data, setup ARMA model of flight arrival dynamic process with using identification technology. Apply the theory of model reference adaptive control (MRAC); take the actual method of first arrival fist service， design control system of flight arrivals time interval control， and supply MRAC ari

6、thmetic which is suit to flight arrivals time interval control. Using the simulation software of MATLAB to simulate the flight arrivars time interval control system which is based on MRAC, simulation results of several methods of MARC show that the variance of flight arrivals time interval obviously

7、 decreasing, arrival process becomes smoother. Improve the problem of air traffic crowding, elevate safety of airport operation. The analysis and design method to flight arrival dynamic system supply new way to air traffic management research using control theory, developing air traffic managements

8、assistant decision system， and further realizing air traffic control automation. Keywords: Flight Arrival, Discrete Event Dynamic Systems， Model Reference Adaptive Control, Air Traffic Control, Time Interval Control 中国民航大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含

9、其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得中国民航大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研 究 生 签 名 ： 知 日期： 7 及只 中国民航大学学位论文使用授权声明 中国民航大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论 文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权中国民航大学研究生部办理。 研

10、究生签名 导师签名 : 期 : 第一章绪论 1.1课题提出的背景 随着我国国民经济持续快速发展，民航运输业也得到了快速发展。这期间，民航 运输总周转量年均增长速度约为国民经济的二倍，我国交通运输业的三倍，世界民航 的四倍。民航运输总周转量已由 1980年世界第 35位上升到目前的第 3位。尤其是 2007年 11月 22日开始实施缩小飞行垂直间隔 （ RVSM)措施，以进一步提高空中交 通流量，民航运输周转量将会进一步提高 m。最新统计数据表明，目前全国日飞行达 到 12000余架次，日飞行小时达到 11000余小时。 随着空中交通运输量的高速增长，机队规模、机场数量、航班数量仍在持续增加。

11、比如， 2005年中国订购了波音和空客客机多达 220架， 2006年至今已定购客飞机 150 架，其它各种通用飞机数量增长迅速。而主要机场和东部部分区域空中交通容量及基 本接近饱和状态，致使航班延误大幅提高，给航空运输企业和旅客带来了不小的直接 和间接经济损失。根据对未来航空运输发展的预测，到 2020年我国年人均乘飞机将 由 0.07次上升到0.3次，如果不采取有效的措施，航班延误问题将会 越来越严重 表 1.1反映了 1996-2006年我国航空运输系统航班的延误情况统计根据目前 规定，不正常航班以超过班期时刻表规定离港或者进港时刻 15分钟为准（包括取消 的航班）。实际上， 99%的不

12、正常航班属于航班延误或者取消，因此可以认为不正常 航班即是航班延误。即使在正常航班，实际上也有超过 50%的延误在 1-14分钟以内。 由此可以看出我国航空运输的航班延误问题已经发展到很严重的程度，影响了旅客和 货主的工作，也严重影响了航空运输系统的运输效率和经济效益 4H51。 表 1.1我国航空运输系统航班延误情况统 计表 年份 全部航班（次 正常航班（次） 不正常航班（次） 航班不正常率（ 1996 329361 257231 72130 21.9 1997 481937 375429 106508 22.1 1998 496266 382621 113645 22.9 1999 545

13、445 415629 129816 23.8 2000 592195 449476 142719 24.1 2001 679433 527240 152193 22.4 2002 586107 427858 158249 27.0 2003 1060812 846528 214284 20.2 2004 1186419 948012 238407 20.1 2005 1315188 1080401 234787 17.9 2006 1526869 1244092 282777 18.5 为了提高航空运输业的安全性、经济性、舒适性以及环保性，提升航空运输业的 竞争力，减少航班延误率， 2006年

14、以来围绕下 代航空运输系统已经展开了一系列 的研究工作，而新一代空中交通管理系统 （ NGATM)是需要先行的子系统。构建天 地空一体化的空管自动化系统需要进行一系列的研究和建设工作。虽然民航部门不断 投入大量的人力物力进行机场扩建和设备更新，对星基导航系统，广域多组合式监视 系统，数字数据通信系统方面进行新技术开发、新设备研制，但由于周期较长，且受 地域等多方面的限制，仅仅通过空中交通管制设施的改善已经不能作为提高空中交通 管制容量的主要手段，还应从改进空中交通管制方式着手，围绕相关的调度方法、控 制技术进行研究，建立合理的模型，对航线航路和管制程序等方面进 行优化研究 61， 只有这样才可

15、能使空管自动化得以硬软结合、圆满实现。 1.2国内外研究现状综述 1.2.1国外研究现状 国外的空中交通管理的理论研究工作开始得比较早。八十年代，麻省理工学院的 Odoni教授首次对空中流量管理进行了系统的描述，提出战术管理和战略管理的管理 模式 7。在战术管理方面，八十年代中后期，美国的 HeinzErzberger等研究了基于时 间的空中航班实时调度问题 8，并把在此基础上设计出的自动着陆系统在丹佛机场进 行了试用 91()1。在欧洲，九十年代后德国的 KlausPlatz等也作了这方面的研究工作， 并在德国法兰克福机场进行了实验 111。在战略管理方面，以 Amedeo R.Odoni为

16、首的 批外国学者进行了多年的研究 1990年 ， Stephan E. Kolitz和 Mostafa Terrab完整 地对单机场的地面等待问题进行了研究 1121。之后 ， Peter B.Varans、 Dimitris和 Amedeo R.Od ni对静态的多机场地面等待问题进行了研究 13l 1992年，他们又研究了多机场 的动态地面等待问题，探讨了地面等待策略的实时性问题。 1999年麻省理工航空航 天学院的 Nicolas Pujet、 Bertrand Delcaire和 Eric Feron三人的论文中，针对波士顿 罗根机场建立了一个机场进离港过程的模型（主要思想是考虑飞机离

17、港过程中各阶段 成本不同，占用滑行道成本远高于占用停机坪成本，通过对滑行道上飞机数量的控制， 减少滑行道上的延误时间，来达到总体成本的减少） 14并且用这个模型建立了对 进离港过程调度的方法，调度后的效果不仅使运的成本大为降低，而且减少了大量 的环境污染 。在理论研究的基础上，美国已把地面等待策略用于实际的空中交通流量 管理并取得了很好的效果。 1995年 ， Dimitris Bertsimas和 Sarah Stock Patterson又把 受限元扩展到了航路上，使这个理论更趋完善。 1997年 ，Sarah Stock Patterson首次 提出以拉格朗日乘子法求解改航问题。 在终端

18、区到达飞机的动态排序问题的研究中， Andreussi等在 1981年提出排序问 题 (sequencingpmblem)， 用离散事件模型对它进行了描述，并且用具体的算例进行了 验证。1991年， Dear和 Sherif研究了终端区飞行器的动态和静态排序问题 115,并且 在单跑道的基础上提出了位置约束算法，即为参加排序的飞行器指定降落次序时，飞 行器位置的改变和调整不能超过一定的范围。 Brinton通过枚举所有可能的飞机队列， 应用了一个深度优先树搜索算法 16。 Abela等以遗传算法理论为基础，提出一个 0-1 混合整形规划问题，并给出了包括 20架飞机的计算结果 l171。 Ve

19、nkatakrishnan， Barnett 和 Odoni修改了 Psaraftis此前的研究成果中的启发方 法，考虑了时间窗，并且研究了 Logan机场所采用的降落时间间隔，把这些数据运用到该方法，取得了较好的结果。 他们使用两种方法研究，一种保持时间窗不变，另一种是时间窗随着飞行器的接近着 陆过程而减少。 1997年， Milan把该问题归结为给一批到达的航空器 (指在比较接近 的时间段内到达的飞行器 )制定优先级，优先级的制定考虑到以下影响因素：旅客数 量、乘客的延误费用、以及换乘旅客的比率，一旦 一 批航空器的优先级确定以后，这 些航空器就按照优先级顺序来降落 |18l Bolend

20、er和 Slater通过排队论和离散事件仿 真来解决航空器动态着陆问题 191，他们假定航空器的到达服从泊松分布，这样航空 器的到达时间就服从指数分布。他们的研究主要集中在用不同的方法来指定新到的航 空器的降落跑道 (多跑道情况 )， 航空器指定降落跑道后就按照先到先服务顺序降落。 B. S. Tether和 J.S.Metcaife针对繁忙的 Heathrow机场提出了到达飞机动态排序法 I201。 首先，管制员必须事先得到最先到达的大型飞机，使之排在第一位，然后选择下一架 大型飞机，如果 5架中没有大型飞机就选择中型飞机，如果也没有中型飞机，那就选 择小型飞机，即按照大、中、小的顺序排列，

21、同类机型的飞机按照先到先服务规则排 队。 在终端区空中交通管理的研究成果方面，目前已经投入运行的系统有：荷兰阿姆 斯特丹的 ASA系统，德国法兰克福的 COMPAS系统 21】 和法国巴黎的 MEASTRO系 统等。其共同特点是通过某种手段预测飞机的飞行轨迹，以此来计算指定航路点 (如 测量点、汇合点及跑道 )的预计到达时间 (ETA);然后由一个排序算法利用这些估计 值，按照不同的排序规则和优化标准来制定 到达飞机的着陆次序，以文字的 (ASA)或 图形的 (COMPAS、 MAESTRO)形式输出。目前正在研究或完善中的系统有 EUROCONTROL 的 ZOC(Zone of Conve

22、rgence),原理同美国航天局的 CTAS,如图 1-1所示。 交 3S&理 &许系统碗定 *疳进近阂坤助系统 着序和时间 掩供箱搞的问保醱 图 1-1 美国 CTAS(CENTER/TRACON AUTOMATION SYSTEM)系统示意图 1.2.2国内研究现状 与欧美各国相比，我国的流量管理研究起步要晚，直到 20世纪 80年代，随着交 通流量的增加，最先是一线的管制人员越来越深切的感受到大流量的压力。 20世纪 90年代初，管制人员在国际交流中，看到欧、美、日流量管理系统的平衡流量、控 制交通拥挤中发挥巨大的作用，认识到流量管理的作用。直到 1994年，国内开始出 现一些介绍国外流

23、量管理系统的文章，有关研究工作也逐渐展开起来。 1995年，南 京航空航天大学的胡明华、陈爱民开始了对单机场地面等待问题模型的研究 221,提 出了确定性容量和随机性容量两种情况的数学模型、算法和仿真结果，给出了确定性 多元受限地面等待策略问题的数学模型，并提出了一个 以人工智能方法为基础的算 法。 2000年，胡明华、钱爱东、朱晶波等人针对我国空中交通流量管理现状，提出 了多元受限航班时刻表优化计算法 23，以确定性地面等待策略为基本的流量管理方 法，把昂贵的空中等待转化为成本相对较低的地面等待，并应用于航班时刻表的制订 中，开发出一套航班时刻的决策支持系统软件。该软件对全国两季航班时刻表的

24、航班 进行流量分析和优化，为航班提供了科学的起降时间和依据。丁峰、贺尔铭等人在 2000年对到达飞机流进行排序，给出了一个到达飞机流之间时间间隔之和最小排序 方法 24。李宝民、史 忠科等人考虑某机场在时间区段 0, T内的进离场飞行调度情况， 将时间区段 0, T再分为 P个等分时间周期 1， 2, ， P， 将机场容量利用最优化方 法分为两个子问题，以折中考虑解的最优性和求解复杂性 251，子问题 1是将延迟损 失量考虑为延迟周期数，不考虑具体费用损失，从而最优化各等分时间周期内实际分 配的起降操作数；子问题 2是考虑各等分时间周期内部的起降操作排序问题，以最优 化费用损失。 此外，为加快

25、我国民用航空技术改造，提高管理水平，我国从欧美相继引进了一 些管理软件，如南方航空公司引进和开发了 SOC(Systems Operation Control)系统。该 管理系统投资上亿元人民币，拥有航班动态控制、飞机载重平衡、飞行计划、航班跟 踪及机组管理系统五大模块功能，同时建立了气象情报、运行分析、航前通告、信息 发布、电话查询、旅客服务等辅助系统以及支持系统运作的导航数据库。高度协调和 快速反应是 S0C系统的重要特点，在国内首次快速实施双发飞机北极航路验证飞 (ETOP180)和北太平洋灵活航路飞行 （ RVSM)充分体现了这个特点。但目前在国 内，适应我国民航管理体制与技术条件，能

26、实现高度协调和快速反应 的机场应用系统 还是空白。 综上所述，与世界民航发达强国相比，我国航班调度管理方面的研究起步比较晚， 起点较低。我们应当及早地把更多地精力投入研究，采用有效控制手段科学调度，这 将对民航的高速、顺利发展带来巨大的效益。提高科学调度能力，不但可以提高机场 利用率，还可以改善终端区的拥挤状况，减少经济运营成本。 本课题结合国家自然科学基金项目机场航班进离港过程建模和调度理论及方法 研究（编号： 60472124)。 1.3本文的主要工作 本文主要采用离散模型参考自适应控制方法对机场和终端区的航班调度这一离 散事件动态系统问题进行了分析研究。论文首先介绍空中交通管理的相关内容

27、、规定 和模型参考自适应控制理论相关内容，然后分析飞机进港中时间间隔的特点，进而利 用系统辨识的方法对该系统结构进行辨识。利用模型参考自适应控制对辨识后的系统 实施控制策略，通过计算机仿真，比较实施控制策略前后的效果。 本文的创新之处在于通过对繁忙机场实测数据处理、分析后将离散事件系统问题 转化为伪时间序列（自变量事件发生序列号，因变量是事件发生时间），进一步将工 程控制 论的一些成果（如模型参考自适应控制等 ） 用于航班进港调度问题，这为建立 适合我国空中交通管理体制中关于繁忙机场调度的新理论、新方法，进而开发适当的 空中交通管理决策支持系统提供借鉴和参考。 第二章空中交通管理及航班进离港系

28、统组成介绍 2.1空中交通管理基本内容 空中交通管理 （ AirTraffic Management， 简称 ATM)的任务是：有效地维护和促进 空中交通安全，维护空中交通秩序，保障空中交通畅通。它包括空中交通服务、空中交 通流量管理和空域管理三大部分 261。 2.1.1空中交通服务 空中交通服务 （ Air Traffic Service， 简称 ATS)是空中交通管理的主要部分，指对 航空器的空中活动进行管理和控制的业务，包括空中交通管制服务、飞行情报服务和告 警服务。 一、 空中交通管制服务 空中交通管制服务 （ air traffic control service， 简称 ATC)

29、是空中交通管制员向航空 器提供空中交通服务，由空中交通管制单位提供。其主要任务是： 1、 防止航空器与航空器相撞； 2、 防止机动区内航空器与障碍物相撞； 3、 维护和加速空中交通有秩序地流动。 空中交通管制工作在民用航空运输中发挥着重要的作用 27 28。它的主要职责是负 责拟定飞行计划，承办飞行审批，组织各种勤务保障；对航空器的滑行、起飞、着陆和 空中飞行实施监督和管理；提供安全间隔和安全保证措施。目的是使航空器按计划飞行， 使各种保证工作有条不紊；维护飞行秩序，使空中交通加速和流畅，防止航空器与航空 器之间、航空器与障碍物之间相撞；对来历不明的航空器和违反飞行管制的现象，查明 情况进行处

30、理，保证飞行安全。 二、 飞行情报服务 飞行情报服务 （ Flight Information Service,简称 FIS)的任务是向飞行中的航空器提 供有益于安全、能有效地实施飞行的建议和情报的服务。其范围是：重要气象情报 “ ，使 用导航设备的变化情况；机场和有关设备的变动情况（包括机场活动区内的雪、冰或者 有相当深度积水的情况 )； 可能影响飞行安全的其它情报。管制员在管制空域内对航空 器提供空中交通管制服务的同时，穿插提供飞行情报服务。空中交通管制服务和飞行情 报服务是紧密联系在一起的。 三、 告警服务 告警服务 （ alertingservice)的任务是向有关组织发出需要搜寻、援救航空器的通知， 并根据需要协助该组织或协调该项工作的进行。凡遇下列情况，空中交通管制单位应当