基于改进蚁群算法的动态航路规划研究

来源:用户上传      作者:武丁杰 邹德龙 葛昆

　　 摘 要：文章通过研究目前危险天气对航路航线的影响，在分析最优航线选取的基础上，细化航路航线的选取方向，定义空域元胞尺寸和速度位置演化的规则，构造危险天气元胞自动机模型，在此基础上，利用改进蚁群算法进行最优路径规划。提出了基于空域元胞位置演化规则的动态局部航路规划方法。在建模环境下的仿真结果表明，基于此元胞自动机演化规则的方法，能够完成在动态环境下的最优路径选取的任务，并且在路径的长度上有较为明显的改善，快速高效的规划并选取出一条路径，并随环境的变化相应的改变，具有一定的稳定性和很强的适应能力。
　　 关键词：元胞自动机;改进蚁群算法;动态环境;航路规划
　　 中图分类号：F560 文献标识码：A
　　Abstract： In this paper， by studying the impact of current dangerous weather on air routes， based on the analysis of the selection of optimal routes， the selection direction of air routes is refined， the airspace cell size and the rules for the evolution of speed position are defined， and the dangerous weather cellular automaton is constructed. Based on this model， the improved ant colony algorithm is used for optimal path planning. A dynamic local route planning method based on airspace cell position evolution rules is proposed. The simulation results in the modeling environment show that the method based on this cellular automaton evolution rule can complete the task of selecting the optimal path in a dynamic environment， and there is a more obvious improvement in the length of the path， which is fast and efficient. Plan and select a path， and change accordingly with changes in the environment， with a certain degree of stability and strong adaptability.
　　Key words： cellular automata; improved ant colony algorithm; dynamic environment; route planning
　　
　　0 引 言
　　 S着我国民航业的发展，航路航线上危险天气等气象要素对航空运输的影响越来越显著。而目前针对该问题的处理方式，仍为人工判别，自动化程度较低，这不仅增加了空中交通管制员的工作负荷，还给我国民航运输业带来了不便。不仅如此，由于天气预报的不确定性，空中交通管制员通常会选择较为保守的距离绕过天气活动。天气预报也并不总是将当前条件与计划航路的进展相匹配，并且由于空中交通管制员在天气事件中特别繁忙，因此他们可能会错过围绕恶劣天气的更有效路线的可行机会[1]。
　　 改航路径规划是指在局部空域内，由于受到随机因素的影响而产生飞行受限区时，通过设置对受到该随机因素干扰的航路进行调整，规划出临时飞行路径以实现空域障碍规避的方法。危险天气主要是指飓风、雷暴、湍流、风切变和强对流等中小规模天气系统。危险天气区域根据其分布差异分为：块状区域、带状区域和散点状区域。目前，针对危险天气影响下的改航路径规划研究主要包括：空域的划设、单/多航班改航路径规划和空域流量分配等问题。
　　 Dixon等人最早于1993年研究了危险天气影响下的改航路径规划问题[2]。1999年，Krozel等人发现航站楼附近的恶劣天气是造成航空器延误的主要原因，并对风暴影响下的航路规划问题展开研究。在国内，孟令航等人在2012年利用云团预测状态的不确定性和外推位置的随机误差等现象，提出了考虑改航路径偏差及距离的动态航路规划模型[3]。张兆宁等分别在2015年和2016年提出危险天气下基于多重Morphin算法的终端区三维实时改航方法和散点状分布危险天气下的终端区动态改航方法[4]。吕宗平等人也在2017年从雷暴图中解析飞行限制区，以最短航段距离和最大转弯角度为限制条件，建立的模型可以在航路网受到影响的情况下，为多个航空器规划出改航路径[5]。
　　 危险天气会直接导致空域容量的减小，目前常见的应对方法主要包括地面等待措施、空中等待措施和改航措施[6]。前两者在实际运行中相对容易实现，但是燃油和时间的成本大大增加;虽然空域容量减小，但是在空域流量未达到容量时，实施改航措施是最有效也是最经济的办法。另外由于危险天气的位置是随着时间不断变化的，当飞机临近存在危险天气区域的空域时，仅采用起飞前所规划的静态航路，并不能满足实际的应用需求，因此进行实时路径规划是非常有必要的。
　　1 空域元胞的演化

nlc202204191627

转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15428783.htm