空域安全评估中的碰撞风险模型分析

碰撞风险研究是空域安全评估的关键内容。随着空中交通管理设备和技术的发展,碰撞风险的研究也深入展开。本文总结了国内外学者对碰撞风险模型的研究及应用,介绍了几种常用的碰撞风险模型或方法,包括概率论理论方法、Reich模型、EVENT模型、随机分析模型、交叉航路模型和模糊数学综合评价法,分析了各自优缺点,并对上述模型进行简要对比,为我国空域安全评估提供参考。     

相邻高度层上穿越飞行中纵向间隔的评估．

从概率论和交叉航路模型出发,研究了飞机在穿越高度层时的碰撞概率,分别给出飞机同向和反向飞行时的碰撞概率模型;同时评估了飞机初始距离对碰撞概率的影响,分析了两者之间的关系。本文也提供了一种计算穿越高度层的碰撞概率的方法,在研究飞机穿越高度层的碰撞风险时,本结论可以作为参考依据。     

平行航路安全评估新方法(英文)

首先提出了一种平行航路安全评估新方法,即从空中交通管制的安全防护体系入手,将潜在飞行冲突看作空中相撞事故的初因事件,提炼出管制员指挥、短期冲突告警、飞行员目视避让及机载防撞系统告警四层安全防护,进而将平行航路碰撞风险问题分解为潜在飞行冲突计算和各防护层的失效概率分析.然后,推导了管制员干预次数计算模型,采用CREAM方法解决了管制员调配飞行冲突失误概率计算问题,建立了STCA防护失效和TCAS防护失效故障树模型.最后,以京沪平行航路为例进行计算,得出了雷达管制环境下的京沪平行航路碰撞风险.结果表明该航路满足安全要求.     

基于调速法的交叉航路空域复杂度研究

目前基于航空器架次的空域容量评估方法很难映射出交通态势、扇区结构及管制员负荷之间复杂关系,采用复杂度评估空域系统运行能力是当前空中交通管理领域的研究热点。本文基于空域复杂度评估方法中的扰动分析思想,根据扇区实际运行中交叉航路、航班流随机到达等实际情况,建立扇区-航班流模型,采用调速法进行飞行冲突探测与解脱,进而定义交叉航路扇区空域复杂度计算方法,设计了瞬时和平均空域复杂度可视化表示方法,对预测和降低空域复杂度提供支持。仿真结果表明,该方法与基于航空器架次的评估模型相比更能反映出扇区交通态势微观特征,向空中交通管理提供了决策支持工具。     

通用航空器飞行轨迹模型研究

目前我国低空空域的改革已经进入深化阶段,为评估低空空域的安全风险,有必要对通用飞机的轨迹进行研究。本文提出了非管制空域内通用航空器的自由飞行轨迹模型。模型根据通用飞机的目标航向和航向周期对通用飞机的水平轨迹进行计算,根据目标俯仰角和俯仰周期对通用飞机的垂直剖面进行计算,并通过几何方法详细计算了通用飞机的转弯轨迹。模型验证显示,该模型产生的通用飞机模拟轨迹,与实际轨迹具有很高的相似程度。模型可为低空空域的安全评估提供支持。     

城市低空航路规划研究综述

随着低空空域开放进程的不断加速,低空航路规划的重要性逐渐显现。航路作为航空器运行的主要媒介,可以保证航空器安全高效的运行。当前,为解决尚未统一的低空航路划设规范与日益增长的低空航空器运行需求之间的矛盾,必须针对复杂低空空域环境特点,构建完备、合理的低空航路规划体系。首先,从城市低空航路规划的相关概念和发展历程出发,重点梳理航路相关概念;其次,基于中国空域管理特点与未来低空发展趋势,融合空域规划、基础设施建设、航路构建、运行评估等多方面的理论研究,提出城市低空航路规划框架体系;最后,剖析城市低空航路规划所面临的挑战与机遇,为未来城市低空航路构建提供参考和支撑。     

轻型无人机与飞机风挡碰撞风险研究（英文）

随着无人机应用的快速增长,机场附近和空域已发生了很多重大航空事故和危险征候,无人机的无序飞行对航空运输安全构成了巨大的潜在威胁。以典型轻型无人机和某型商用飞机及其风挡为研究对象,通过有限元仿真方法得到无人机在最严酷姿态下与飞机风挡最薄弱位置碰撞损伤等级及相应的冲击能量区间,以此保守划分损伤严重性等级。在无空中交通指挥干预的情况下无人机与飞机相互独立运动,考虑两机之间的水平最小安全间隔、侧向最小安全间隔以及垂直最小安全间隔的联合约束,通过蒙特卡洛仿真得到无人机与飞机的碰撞概率,并确定碰撞可能性等级。基于损伤严重性等级和碰撞可能性等级的不同组合形成无人机与飞机风挡碰撞的较为保守的定性风险矩阵。研究结果总体表明:在120 m飞行高度下,两机距离超过3 600 m且在典型的俯仰角和航向角工况下发生碰撞风险及其损伤程度较小,否则发生碰撞风险较大且损伤程度较严重。研究结果为无人机的规范性设计制造、局方对无人机运行管控的政策制定以及无人机与载人飞机在同一空域运行的风险评估提供理论依据和实践参考。     

四维航迹同一进场航线碰撞风险模型

鉴于目前碰撞风险模型的建立方法大多局限于三维空间,给出一种建立四维航迹碰撞风险模型的方法.在三维坐标系的基础上加入时间变量,通过飞机在航迹上任意时刻的四维坐标,使得任意时刻两架飞机之间的距离是时间变量的函数,结合飞机到达的随机性,推导出在同一航迹上飞机进场飞行过程中任意时刻的碰撞概率,进而建立任意同一进场飞行航段的碰撞风险模型.结果显示,模型可以研究任意同一进场航段的碰撞情况,体现了飞机速度和高度变化对碰撞风险的影响;建立了碰撞风险性和飞机类型以及机型比例的关系,为终端空域碰撞风险性的研究提供了一定的方法和理论.     

基于ADS-B最小安全间隔评估研究

本文以广播自动监视技术(ADS-B)为主导,从监视系统的监视精度、作用范围和安全间隔入手,采用改进型Reich模型为基础,建立碰撞区和临近区、模型的延迟误差区、航迹固有偏差区的综合模型,结合国际民航组织的飞行安全指标,进行综合概率评估.进一步缩小ADS-B的碰撞最小飞行安全间隔,最后整合尾流安全区,进行航路流量预测.     

空域容量评估的理论与方法研究综述

针对目前对空域容量评估理论和方法的研究，本文从机场终端区容量评估、航路扇区容量评估、区域容量评估方面进行阐述，介绍国内外相关研究现状，然后结合各空域容量的限制约束及影响因素，分析比较容量评估的方法和工具，总结得出空域容量评估的未来趋势以及对我国空域容量评估的发展启示。     

基于地面安全约束的无人机航路规划研究（英文）

随着无人机数量和飞行时间的快速增长,由无人机飞行风险引起的安全事故也逐渐增多。安全航路规划是在战略层面降低无人机运行风险的有效手段。考虑无人机航路的安全代价,基于地面风险评估提出了一种无人机安全航路规划模型。将航路下方区域栅格化处理,以每飞行小时地面人员伤亡率为量化指标,定义各栅格安全系数,并根据栅格安全系数构造航路安全代价函数。建立了兼顾航路安全性和飞行距离的总代价函数,并通过改进蚁群算法进行航路规划。模型的有效性通过城市空域物流无人机航路规划进行验证。结果表明,考虑地面安全约束的航路规划模型在无人机总飞行时间增加不大的情况下,能显著提高航路的整体安全性。     

基于单向循环航路网规划的航路交叉点及航段容量模型研究

随着航空运输业的高速发展,有限的空域资源已越来越不能满足需求,使得空中交通日益拥挤,迫切需要一种新型的空域结构来缓解当前空中交通出现的问题。为更深入地认识单向航路,首先阐述了单向航路的基本概念和特点,然后进行了量化的分析。针对单向航路和混合航路两种情况,分别建立了相应的交叉点容量的计算模型。随后对单向航路和混合航路中有穿越情况的航段容量进行建模。最后以京昆大通道上某个交叉点为例,使用Matlab软件编程进行算例仿真。仿真结果表明,单向航路上的交叉点容量和有穿越情况的航段容量均要大于混合航路,在一定程度提高了运行容量。     

空中高速路运行方式研究

本文在阐述了空中高速路特点和运行设备要求后,结合我国实际情况,针对空中高速路运行方式提出了单行航路、多平行航路及多层航路三种思路,并分别建立合适的流量模型进行分析对比,最后进行总结,为我国未来空域结构的调整提供理论参考。     

基于交通分配的航路网络生成（英文）

航路网络是空中交通分配的载体,而交通分配是检验航路网络的依据,如何构建基于交通分配的航路网络生成便成了当前空域规划技术中的研究方向。论文基于链路预测理论、优化理论,建立了上层为航路网络生成,下层为交通分配的双层规划模型,采用基于链路预测的网络拓扑生成器和基于偏好的最优路径搜索算法进行航路网络生成,采用NSGA-Ⅲ算法进行交通分配。论文基于Python平台NetworkX复杂网络分析库,采用中国大陆空域北京和上海飞行情报区57个机场、383个航路点、635条航段组成的航路网络和187 975架次机场对交通流量进行案例仿真。通过与现有航路网络对比,交通分配运行成本下降50.624%,飞行冲突系数下降33.564%,动态非直线系数下降7.830%。     

基于复杂度分析的空域扇区划分

空中交通复杂度是对空域结构的客观衡量,是影响扇区规划的最主要因素之一。为了合理利用空域资源、提高空中交通运行效率,研究了基于复杂度分析的空域扇区划分问题。针对空域的内部结构与运行状态,深入分析扇区面积、航路结构、交叉点复杂性、机型混杂程度以及运行状态混合程度等影响因子的特性,建立了可量化计算的空中交通复杂度评估指标,定义了空中交通复杂度;基于空中交通复杂度来衡量管制员的工作负荷,以均衡管制员工作负荷为原则建立扇区规划模型,并采用生长算法进行求解。最后,选取珠江三角洲地区的空域进行实例分析,验证了本文扇区划分方法的有效性。     

基于可达性分析的自主空中加油安全评估（英文）

自主空中加油(Autonomous aerial refueling,AAR)可以扩展飞机的航程和续航能力,为航空业带来巨大效益,对自主空中加油系统进行安全评估具有重要意义。本文采用可达性分析方法来评估系统安全性。由于系统不确定性,空中加油系统可视为一个随机系统,因此考虑概率可达性。由于可达性概率与碰撞概率有着密切的关系,本文利用可达性分析技术对自主空中加油系统的碰撞概率进行分析。然后,利用蒙特卡罗实验方法来获取碰撞概率。最后,通过仿真展示了所提出的安全评估方法的有效性。     

基于K-means聚类的无人机飞行风险评估（英文）

为量化评估低空空域无人机飞行风险,从飞行冲突、飞行环境和交通特性3个方面分析了无人机飞行风险影响因素,分别构建了无人机空中风险指标和地面风险指标,建立指标筛选模型和无人机飞行风险评估模型,提出了基于K-means聚类的无人机飞行风险评估方法。数值仿真表明本文提出的方法既能有效地评估无人机飞行风险,又能为无人机风险管控提供技术支撑。     

制定空域安全管理规划缩小航空器最低安全间隔标准

由于世界范围内对航空服务的需求持续增长 ,有必要寻求一些方法在现有空域内提供额外的容量。降低空域最低安全标准可以显著增加空中容量 ,但是 ,如何在降低空域最低安全标准的同时又保证必要的安全裕度是一个亟待解决的问题。本文介绍了利用相撞危险性模型进行空域安全评估 ,并对通过评估后的空域建立相应的空域监控和管理机制 ,从而达到从空域安全规划的角度缩小航空器最低安全间隔标准 ,并保证空域安全。     

终端区动态容量预测模型

为有效预测终端区动态容量,提出了一种危险天气影响下的动态容量预测模型。该模型根据危险天气预报概率的大小,将受影响空域的范围做区间化处理,认为危险天气预报概率大于70%的空域为完全避让空域,危险天气预报概率在70%以下的空域为可能避让空域。引入航班进离场优化排序和危险天气避让路径规划策略,以平均航班延误最小为目标,采用捕食搜索算法予以求解;并根据终端区实际容量评估的一般流程,运用仿真方法预测一定延误水平下的动态容量区间。以某机场终端区为例,验证了模型的有效性。     

依据管制工作负荷的扇区优化新方法

空域扇区优化划分问题是空域管理领域的一项重要的研究课题，对于提高空域容量和保障飞行安全均具有重要作用。本文根据空域中航路点的自然分布．利用算法几何的思想建立Voronoi图，统计由各Voronoi多边形包含的管制员工作负荷．然后以工作负荷均衡为优化原则，使用模拟退火算法对空域中的Voronoi多边形进行优化组合．并使优化组合的新解满足空域划分的两条重要的基本原则。这样，Voronoi多边形组合集合的边界就是优化的扇区边界。通过实际空域设计算例的计算结果，验证了本文提出的扇区优化方法的合理性。