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基于多智能体建模和蒙特卡洛仿真的跑道容量评估

陈正磊 种小雷 刘超佳 邵斌 耿昊 张佳佳 徐吉辉

陈正磊, 种小雷, 刘超佳, 邵斌, 耿昊, 张佳佳, 徐吉辉. 基于多智能体建模和蒙特卡洛仿真的跑道容量评估[J]. 交通运输工程学报, 2023, 23(6): 244-256. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2023.06.016
引用本文: 陈正磊, 种小雷, 刘超佳, 邵斌, 耿昊, 张佳佳, 徐吉辉. 基于多智能体建模和蒙特卡洛仿真的跑道容量评估[J]. 交通运输工程学报, 2023, 23(6): 244-256. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2023.06.016
CHEN Zheng-lei, CHONG Xiao-lei, LIU Chao-jia, SHAO bin, GENG Hao, ZHANG Jia-jia, XU Ji-hui. Runway capacity evaluation based on multi-agent modeling and Monte Carlo simulation[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2023, 23(6): 244-256. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2023.06.016
Citation: CHEN Zheng-lei, CHONG Xiao-lei, LIU Chao-jia, SHAO bin, GENG Hao, ZHANG Jia-jia, XU Ji-hui. Runway capacity evaluation based on multi-agent modeling and Monte Carlo simulation[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2023, 23(6): 244-256. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2023.06.016

基于多智能体建模和蒙特卡洛仿真的跑道容量评估

doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2023.06.016
基金项目: 

国家自然科学基金项目 52074309

详细信息
    作者简介:

    陈正磊(1996-), 男, 山东青岛人, 空军工程大学工学博士研究生, 从事机场规划与设计研究

    种小雷(1973-), 男, 陕西西安人, 空军工程大学教授, 工学博士

  • 中图分类号: V351.11

Runway capacity evaluation based on multi-agent modeling and Monte Carlo simulation

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 52074309

More Information
  • 摘要: 分析了飞机编队动力学特性以及机场组织模式、管制方式和飞行方式等特征,建立了跑道容量计算模型和跑道运行模型;以中距平行双跑道半混合运行模式和混合运行模式作为典型场景,综合运用多智能体建模和蒙特卡洛仿真方法,计算了不同运行模式下跑道容量;设计正交仿真试验,研究了跑道容量与运行模式、起降比例、出动间隔、机型比例、编队数量和环境因素的关系。仿真结果表明:相比于半混合运行模式,混合运行模式的起飞容量平均增加了55.2%,着陆容量平均减小了6.2%,总容量平均增加了28.5%;随着出动间隔从60 s增加到180 s,半混合运行模式的总容量减小了27.2%,混合运行模式的总容量减小了24.9%;随着机型比例从0增加到1.0,半混合运行模式的总容量减小了29.7%,混合运行模式的总容量减小了29.2%;随着平均编队数量从1.9增加到3.2,半混合运行模式下的总容量增加了9.8%,混合运行模式的总容量增加了7.1%。可见,混合运行模式的性能整体优于半混合运行模式,跑道容量与任务出动方式密切相关,需要根据任务出动方式合理选择跑道运行模式。

     

  • 图  1  起飞过程

    Figure  1.  Take-off process

    图  2  着陆过程

    Figure  2.  Landing process

    图  3  跑道运行

    Figure  3.  Runway operation

    图  4  任务批次生成流程

    Figure  4.  Flow of task batch generation

    图  5  半混合运行模式

    Figure  5.  Semi-hybrid operation mode

    图  6  混合运行模式

    Figure  6.  Hybrid operation mode

    图  7  双跑道机场功能要素

    Figure  7.  Functional elements of dual runway airport

    图  8  Main函数组成要素

    Figure  8.  Elements of main function

    图  9  飞机编队智能体逻辑

    Figure  9.  Logic of aircraft formation agents

    图  10  雷达智能体逻辑

    Figure  10.  Logic of radar agents

    图  11  塔台智能体逻辑

    Figure  11.  Logic of tower agents

    图  12  仿真结果

    Figure  12.  Simulation results

    表  1  跑道状态转换

    Table  1.   Runway state transition

    飞机状态参数 跑道状态参数
    着陆飞机到达第4转弯角位置 转变为“占用”
    着陆飞机脱离跑道 转变为“空闲”
    起飞飞机到达跑道端 转变为“占用”
    起飞飞机到达第1转弯角位置 转变为“空闲”
    与后机(相邻跑道)距离小于斜向间隔 相邻跑道禁止使用
    与后机(相邻跑道)距离大于斜向间隔 相邻跑道允许使用
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    表  2  管制信息与管制命令对应关系

    Table  2.   Corresponding relationships of regulatory informations and regulatory orders

    管制信息 管制命令
    “当前任务批次为起飞批次”与“跑道状态为空闲”与“相邻跑道允许本跑道使用” 允许起飞
    “当前任务批次为着陆批次”与“跑道状态为空闲”与“相邻跑道允许本跑道使用” 允许着陆
    其他 等待
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    表  3  跑道占用时间

    Table  3.   Runway occupying times

    机型 A型机 B型机
    起降方式 起飞 着陆 起飞 着陆
    仿真模型/s 44.3 189.2 48.6 301.7
    实际测量/s 48.2 195.6 53.5 315.3
    绝对误差/s 3.9 6.4 4.9 13.6
    相对误差/% 8.1 3.4 9.2 4.3
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    表  4  飞行参数

    Table  4.   Flight parameters

    机型 A型 B型
    起飞加速度/(m·s-2) 2.9 2.5
    离地速度/(m·s-1) 93.6 86.0
    爬升加速度/(m·s-2) 1.2 1.0
    爬升坡度/(°) 0.06 0.06
    着陆速度/(m·s-1) 109.4 100
    降落加速度/(m·s-2) 0.5 0.4
    着陆加速度/(m·s-2) 1.7 1.4
    着陆减速完成速度/(m·s-1) 13.9 8.3
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    表  5  跑道容量-起降比例统计结果

    Table  5.   Statistics results of runway capacities and takeoff/landing ratios

    起降比例 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
    半混合运行模式/架次 起飞容量 0.0 12.2 27.2 47.4 75.1 95.8
    着陆容量 50.7 47.3 42.4 37.3 21.5 0.0
    总容量 50.7 59.5 69.6 84.7 96.6 95.8
    混合运行模式/架次 起飞容量 0.0 12.9 30.6 58.4 106.2 191.9
    着陆容量 45.7 43.3 39.9 34.3 23.7 0.0
    总容量 45.7 56.2 70.5 92.7 129.9 191.9
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    表  6  跑道容量-出行间隔统计结果

    Table  6.   Statistics results of runway capacities and take off intervals

    出动间隔/s 60 90 120 150 180
    半混合运行模式/架次 起飞容量 36.7 32.8 26.8 24.8 22.3
    着陆容量 38.6 36.6 34.6 33.5 32.5
    总容量 75.3 69.4 61.4 58.3 54.8
    混合运行模式/架次 起飞容量 43.4 40.1 35.0 33.5 31.0
    着陆容量 37.3 35.1 32.7 31.1 29.6
    总容量 80.7 75.2 67.7 64.6 60.6
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    表  7  跑道容量-机型比例统计结果

    Table  7.   Statistics results of runway capacities and aircraft type ratios

    机型比例 0 0.3 0.5 0.7 1.0
    半混合运行模式/架次 起飞容量 39.0 36.8 34.4 32.0 26.8
    着陆容量 41.4 38.8 36.6 33.8 29.7
    总容量 80.4 75.6 71.0 65.8 56.5
    混合运行模式/架次 起飞容量 45.8 44.3 41.6 37.4 30.8
    着陆容量 39.2 37.2 35.6 33.6 29.4
    总容量 85.0 81.5 77.2 71.0 60.2
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    表  8  跑道容量-平均编队数量统计结果

    Table  8.   Statistics results of runway capacities and average numbers of formations

    平均编队数量 1.9 2.1 2.4 2.7 3.2
    半混合运行模式/架次 起飞容量 36.8 38.3 39.4 40.6 42.1
    着陆容量 38.3 38.6 39.4 39.8 40.4
    总容量 75.1 76.9 78.8 80.4 82.5
    混合运行模式/架次 起飞容量 44.8 45.2 47.0 47.7 48.6
    着陆容量 36.9 37.4 37.8 38.5 38.9
    总容量 81.7 82.6 84.8 86.2 87.5
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  • 收稿日期:  2023-07-13
  • 刊出日期:  2023-12-25

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