本發(fā)明屬于民航機場運行安全領(lǐng)域，具體涉及一種樞紐機場航空器運行碰撞風(fēng)險量化及評價方法。

背景技術(shù)：

1、機場機坪是機場運行運輸?shù)暮诵膮^(qū)城，航空器在此區(qū)域進行起降、滑行等運行流程。民航市場需求日益提高，機場的每日所承擔(dān)的航班量也逐步增加，樞紐機場相較于支線機場所承擔(dān)的航班壓力更大。在大規(guī)模的航班運輸情況下，會同時存在多架航空器在機場機坪上滑行，多架航空器之間的碰撞風(fēng)險大幅提高。由于碰撞風(fēng)險是一個抽象指標(biāo)，僅憑機坪管制員本身肉眼判斷碰撞風(fēng)險的危險程度會存在較大偏差，同時具備不同工作經(jīng)驗的管制員對航空器碰撞風(fēng)險的判斷準(zhǔn)則也有所區(qū)別。所以，準(zhǔn)確量化不同航空器之間的碰撞風(fēng)險，對不同碰撞風(fēng)險程度進行分類評價尤為重要，也可為機場運行管理提供相關(guān)參考。

2、目前多數(shù)有關(guān)航空器碰撞風(fēng)險的量化方法主要有兩種，一種量化方法多數(shù)為建立碰撞風(fēng)險指標(biāo)體系，其主要包括：安全影響因素排序、層次分析方法等；另一種是針對運行中的航空器進行物理運動建模，其中主要包括：空中航空器橫向、縱向的碰撞模型、跟馳碰撞模型等。前者能夠可將碰撞風(fēng)險進行指標(biāo)分類評價，但是缺少對應(yīng)的準(zhǔn)確量化過程。后者雖然能夠從物理角度上將碰撞風(fēng)險進行量化，但是其模型中缺少對碰撞可能產(chǎn)生區(qū)域的考慮，也缺少對碰撞風(fēng)險進行分類評價的研究，顯然不適用于當(dāng)前樞紐機場對于航空器碰撞風(fēng)險量化評價的要求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明提出一種樞紐機場航空器運行碰撞風(fēng)險量化及評價方法，解決傳統(tǒng)機坪滑行過程中航空器碰撞風(fēng)險量化不準(zhǔn)確，易產(chǎn)生碰撞區(qū)域界定不準(zhǔn)確、風(fēng)險分類評價不準(zhǔn)確的問題。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種樞紐機場航空器運行碰撞風(fēng)險量化及評價方法，包括以下步驟：

3、(1)獲取一定時間內(nèi)機場航班運行信息，對數(shù)據(jù)進行整合分析，選取高峰日高峰小時的航班運行信息；

4、(2)獲取機場機坪運行網(wǎng)絡(luò)圖，針對機場機坪運行網(wǎng)絡(luò)建立機場運行petri網(wǎng)；

5、(3)針對機場場面上正在滑行的航空器預(yù)測航空器到達不同位置的概率，并將其轉(zhuǎn)化成petri網(wǎng)中不同庫所的概率；

6、(4)利用不同航空器對應(yīng)庫所的到達概率計算不同航空器在不同區(qū)域內(nèi)的碰撞風(fēng)險；

7、(5)利用xgboost算法對碰撞風(fēng)險進行分類，從而產(chǎn)生對機場運行碰撞風(fēng)險的評價。

8、進一步地，步驟(1)所述機場運行航班信息包括航班運行起降時間、航班進出類型、對應(yīng)?？繖C位及航空器滑行速度。

9、進一步地，步驟(2)所述機場機坪運行網(wǎng)絡(luò)圖包括機場滑行道具體位置分布、機場滑行道區(qū)域運行情況及機場滑行道區(qū)域長度情況。

10、進一步地，步驟(2)所述針對機場機坪運行網(wǎng)絡(luò)建立機場運行petri網(wǎng)實現(xiàn)過程如下：

11、將場面活動區(qū)域離散劃分為多個滑行道子區(qū)域作為庫所pi，區(qū)域長度滿足僅允許一架航空器在其中運行，場面航班的運行狀態(tài)對應(yīng)狀態(tài)標(biāo)識為m,變遷ti為航班從滑行道子區(qū)域pi進入到下一個滑行道子區(qū)域pi+1的事件；建立如下形式的petri網(wǎng)：

12、n＝{p,t,pre,post,m,k}

13、其中，庫所集p表示航空器運行的子區(qū)域，變遷集t表示航空器運行子區(qū)域與下一個的邊界；pre與post表示p與t的前向和后向關(guān)聯(lián)矩陣；m為場面狀態(tài)標(biāo)識；映射k控制不能進入活動區(qū)域的航空器。

14、進一步地，所述步驟(3)實現(xiàn)過程如下：

15、針對航空器的運行狀態(tài)，計算滑行航空器在不同時間下的潛在運動空間，將航空器從起點到終點的滑行運動看做布朗運動以計算航空器到達不同位置的概率；為保證航空器按時到達，計算航空器可達區(qū)間：

16、

17、其中，lx(t)為航空器在t時刻運行位置的下界，ux(t)為航空器在t時刻運行位置的上界，ti為航空器從起點開始滑行的時刻，tj為航空器預(yù)計滑行到達終點的時刻，dij為航空器起點到終點的路程，為航空器的運行平均速度，vm為航空器滑行最大速度；

18、利用計算好不同時刻下航空器位置的上下界得到航空器在滑行路線中可能到達不同位置的概率，計算公式為：

19、

20、其中，h(x)為修正后的概率密度函數(shù)，f(x)為標(biāo)準(zhǔn)無邊界的布朗運動概率密度函數(shù)，f(x)為累積分布函數(shù)，σ′2為修正后的方差；由此得區(qū)間內(nèi)部的航空器到達任意位置的概率；

21、假定某庫所pk的劃定長度為m米，將庫所內(nèi)不同位置對應(yīng)到達概率求和作為當(dāng)前時刻下航空器到達該庫所的概率：

22、

23、其中，h(xh)為庫所pk中xh位置下的航空器到達概率。

24、進一步地，所述步驟(4)通過以下公式實現(xiàn)：

25、

26、其中，n表示場面上對于庫所k到達概率不為0的航空器個數(shù)。

27、進一步地，步驟(5)所述利用xgboost算法對碰撞風(fēng)險進行分類實現(xiàn)過程如下：

28、

29、其中，(xj,yj)是觀察值；l為損失函數(shù)；是第k-1次迭代計算的估計值；ω(fk(x))為懲罰項，懲罰樹的復(fù)雜度；是將各個樹的結(jié)果進行求和；將不同區(qū)域作為x向量，區(qū)域碰撞風(fēng)險值作為對應(yīng)取值，綜合分類等級作為y向量，利用xgboost算法進行訓(xùn)練分類。

30、進一步地，步驟(5)所述碰撞風(fēng)險為六個等級；風(fēng)險值為0，則風(fēng)險等級為0，無需告警；風(fēng)險值為0-0.01，則風(fēng)險等級為1，輕度告警；風(fēng)險值為0.01-0.1，則風(fēng)險等級為2，中度告警；風(fēng)險值為0.1-0.3，則風(fēng)險等級為3，高度告警；風(fēng)險值為0.3-0.5，則風(fēng)險等級為4，嚴(yán)重告警；風(fēng)險值為0.5以上，則風(fēng)險等級為5，緊急告警。

31、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明通過計算航空器在滑行路徑上的潛在運動空間，將航空器活動建模為受到約束條件下的布朗運動，計算出航空器不同時刻下不同位置的到達概率，將其映射到建立好的機坪petri網(wǎng)中以計算不同區(qū)域的碰撞風(fēng)險，利用xgboost算法對碰撞風(fēng)險進行分類評價以得到最終評價結(jié)果；解決傳統(tǒng)機坪滑行過程中航空器碰撞風(fēng)險量化不準(zhǔn)確，易產(chǎn)生碰撞區(qū)域界定不準(zhǔn)確、風(fēng)險分類評價不準(zhǔn)確的問題；有利于機場在承擔(dān)多數(shù)航班運行任務(wù)時準(zhǔn)確量化碰撞風(fēng)險，突出風(fēng)險區(qū)域，為機坪日常管理提供參考。

技術(shù)特征：

1.一種樞紐機場航空器運行碰撞風(fēng)險量化及評價方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種樞紐機場航空器運行碰撞風(fēng)險量化及評價方法，其特征在于，步驟(1)所述機場運行航班信息包括航班運行起降時間、航班進出類型、對應(yīng)停靠機位及航空器滑行速度。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種樞紐機場航空器運行碰撞風(fēng)險量化及評價方法，其特征在于，步驟(2)所述機場機坪運行網(wǎng)絡(luò)圖包括機場滑行道具體位置分布、機場滑行道區(qū)域運行情況及機場滑行道區(qū)域長度情況。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種樞紐機場航空器運行碰撞風(fēng)險量化及評價方法，其特征在于，步驟(2)所述針對機場機坪運行網(wǎng)絡(luò)建立機場運行petri網(wǎng)實現(xiàn)過程如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種樞紐機場航空器運行碰撞風(fēng)險量化及評價方法，其特征在于，所述步驟(3)實現(xiàn)過程如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種樞紐機場航空器運行碰撞風(fēng)險量化及評價方法，其特征在于，所述步驟(4)通過以下公式實現(xiàn)：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種樞紐機場航空器運行碰撞風(fēng)險量化及評價方法，其特征在于，步驟(5)所述利用xgboost算法對碰撞風(fēng)險進行分類實現(xiàn)過程如下：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種樞紐機場航空器運行碰撞風(fēng)險量化及評價方法，其特征在于，步驟(5)所述碰撞風(fēng)險為六個等級；風(fēng)險值為0，則風(fēng)險等級為0，無需告警；風(fēng)險值為0-0.01，則風(fēng)險等級為1，輕度告警；風(fēng)險值為0.01-0.1，則風(fēng)險等級為2，中度告警；風(fēng)險值為0.1-0.3，則風(fēng)險等級為3，高度告警；風(fēng)險值為0.3-0.5，則風(fēng)險等級為4，嚴(yán)重告警；風(fēng)險值為0.5以上，則風(fēng)險等級為5，緊急告警。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種樞紐機場航空器運行碰撞風(fēng)險量化及評價方法，獲取一定時間內(nèi)機場航班運行信息，對數(shù)據(jù)進行整合分析，獲取機場機坪運行網(wǎng)絡(luò)圖，針對機場機坪運行網(wǎng)絡(luò)建立機場運行Petri網(wǎng)；針對機場場面上正在滑行的航空器預(yù)測航空器到達不同位置的概率，并將其轉(zhuǎn)化成Petri網(wǎng)中不同庫所的概率；利用不同航空器對應(yīng)庫所的到達概率計算不同航空器在不同區(qū)域內(nèi)的碰撞風(fēng)險；利用XGBoost算法對碰撞風(fēng)險進行分類，從而產(chǎn)生對機場運行碰撞風(fēng)險的評價。本發(fā)明解決傳統(tǒng)機坪滑行過程中航空器碰撞風(fēng)險量化不準(zhǔn)確，易產(chǎn)生碰撞區(qū)域界定不準(zhǔn)確、風(fēng)險分類評價不準(zhǔn)確的問題；有利于機場在承擔(dān)多數(shù)航班運行任務(wù)時準(zhǔn)確量化碰撞風(fēng)險，突出風(fēng)險區(qū)域，為機坪日常管理提供參考。

技術(shù)研發(fā)人員：邵荃,孫菁源,朱培,張劍高,孫智
受保護的技術(shù)使用者：南京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19