一种基于房室系统模型的空中交通流量控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于房室系统模型的空中交通流量控制方法，基于房室网络建立空中交通流量控制模型；以分散的方式描述空中交通流量控制问题，设计分散控制器；其次，将设计的分散控制器加入到交通流量网络模型中，得到控制系统模型；对分散控制器的闭环系统的稳定性和性能指标提出新的刻化，基于这些刻化，给出分散控制器存在的充分必要条件，采用迭代算法求解这些条件以得到满足控制系统模型性能指标的分散控制器；最后根据得到的分散控制器完成空中交通流量的控制。本发明专利技术能够使得交通流量问题得到有效控制，从正系统角度建模并解决空中交通流量控制问题可以得到新的解决思路，得到新颖，低保守性且更易于实现的结果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于房室系统模型的空中交通流量控制方法，属于交通流量控制的

技术介绍
目前，近年来，随着我国国民经济的迅速发展以及航空航天技术的不断进步，空中飞行活动呈现强劲的增长趋势。军航方面，伴随着国防力量的增强，新型号、大航程、高机动性机种不断增加，日常作战训练和军事演习也日益增多，使得空域内的飞行数量显著增加。民航方面，经过新中国50年的发展，作为国民经济和社会发展的重要行业和先进的交通运输方式，我国民航事业伴随整个国民经济的发展而不断发展壮大。特别是改革开放20年来，在各方面我国都做到有所突破的同时航空运输总量不断增长，航线网络持续快速扩大，航空运输在我国改革开放和加速社会主义现代化建设中发挥着越来越大的作用。我国已经跻身民航大国的行列，正向着民航强国大步迈进。然而，空中交通运输量与日俱增，人们对于交通运输的需求也越来越高，使得空中交通不断恶化，空域拥挤情况越来越严重，这不仅影响了各类飞机的正常运行，而且影响了地区和国家的经济发展。因此，如何保证航空事业的稳步发展和保障乘客的生命财产安全越来越受到人们的关注，如何使用合理有效的空中交通管理也变得越来越迫切。一直以来交通流量管理都是空中交通管理的重点，而空中交通流量控制则是流量管理的重要措施，但由于现有技术和相关规章制度的制约，空中交通流量控制没有达到理想效果，空中交通拥堵现象日益突出。我国空中交通流量分布不均衡，其流量主要集中在少数机场，而这些机场又往往坐落于政治、经济和旅游中心等城市，北上广等发达城市集中了全国超过一半以上的飞行流量；在周六、周日的交通高峰期，或者是在中国传统的节假日，很容易出现大规模的交通流；恶劣的天气也会给空中交通流量造成影响。例如，当遇到雷雨或者暴风等天气是，飞机遭到损坏的几率将大大增加，飞机一旦被损就必须在机场上空绕行或者是在机场进行等待，而不能及时安全的着陆，这样就极易造成机场附近交通流量的拥挤；当进行重要的军事飞行演习时，在某些空域内可能会禁止民航飞机的飞行，这种情况很可能会造成该空域内空中交通流量的堵塞。总体来说，一方面空中交通流量呈现的地区分布上以及时间分布上的不平衡性给我国带来了重大的经济损失；另一方面军航活动频繁、空域使用受限、管制设备和方式落后等原因，促使我国实施流量控制的次数逐年增加，其带来的航班延误也越来越严重。因此，空中交通流量管理(ATFM)成为我国当前民航事业最为迫切的任务之一，在保障空中交通安全的前提下，采用合适的方法控制空中交通流量势在必行。国外对于空中交通流量管理的研究起步较早，并且，随着飞行冲突的频繁发生和空中交通网络“瓶颈”的形成，美国和欧洲根据本国、本地区的特点，利用先进的、科学的流量管理方法，陆续建立了各自的流量管理中心，不仅改善了对空中流量的协调、控制和管理，而且还大大提高了空域利用率，增加了空中交通流量，提高了飞行安全水平。日本于1988年设计空中交通流量管理(ATMF)系统概念，在1993年投入使用，主要由流量管理中心和四个区域管制中心以及主要机场终端组成；美国采用增强的交通管理系统用于ATM服务，其中ASD(航空器状态显示器)为重要的组成部分，安装在ATSCC(航空交通系统指挥中心)和20个ARSCC(航空交通管制中心)和一些需要的TRACON(终端雷达进近管制)设施内，以实现流量管理功能；欧洲的CASA模型利用FCFS原则为航空器分配优先级，根据航空器预计进入控制区域的时间和通过控制区域的时间间隔来计算出航空器进入控制区域的时间，并推算出航空器的起飞时间。Odoni提出的多机场地面等待模型(GDP)，通过调整各航空器的地面等待时间使航空器的总延误时间最小。Gilbo用线性规划的方法解决了机场进离场交通优化问题，之后在考虑航空器的延误优先级的情况下又提出了机场交通流量的协调优化管理模型，为优先极高的航空器事先预留相应的时隙。Tosic提出用0-1整数规划方法建立模型解决了时隙—航线分配问题。与其他民航大国相比，我国对于空中交通流量管理方面的研究起步较晚，因此整体水平也相对落后。20世纪90年代初，相关人员在与其他国家的国际交流中认识到空中交通流量管理的重要性，由此开始了进一步的探索和研究。随着对交通流量控制研究的深入，有许多学者致力于研究房室网络系统刻化的空中交通流量控制问题，这是由于房室网络由有限数量的子系统(或隔室)组成，这些子系统间以及子系统与环境之间进行着物质的流通和交换，而且这些流通和交换过程满足守恒定律，除此之外，各个隔室之间传输的量具有固有的非负特性，据此特性可以将房室系统可以看作是一类正系统。由于房室系统属于正系统的一种，因此房室系统具有很多显著的性质，近年来不同类型房室系统的分析与综合问题引起了学者的研究兴趣并产生了许多成果。值得注意的是，正性约束并不一定总是使得房室系统的控制问题更加困难，一些控制问题反而变得容易处理。房室系统的非负特性使得线性李雅普诺夫函数可以用在系统分析中，因此很多关于房室系统的研究结果被表达为线性规划的形式。另一方面，房室系统的特殊性使得这类系统的性能描述中采用了许多一般系统中不常用的增益。由于在房室系统的耗散理论中用到线性供给率，L1-增益在房室系统的研究中被广泛采用，成为像H∞性能一样常用的性能指标。基于L1-增益的房室系统的分析与综合问题得到了很多研究。然而，对于时变时滞的房室系统，除了对时滞的范围有所限制外，还需要对时滞的导数进行分析，这类系统的L1-增益的表征刻画仍然是一个未被解决的问题。L∞-增益可以被看作是在第一象限定义的偏序诱导的范数。这种观点有助于分析时变时滞房室系统，也可以应用在一些相关领域，包括带有通信延迟的多智能体系统的趋同控制，以及带有传输延迟的无线传感器网络的分布式控制。L∞-增益也有助于推导出互联时滞房室系统的渐进稳定性的小增益条件。因此L∞-增益的研究也是很有意义的，与L1-增益分析取得的结果相比，对L∞-增益的研究是相对较少的。此外，对于无限维系统，输入信号有时属于L1∩L2空间，这使在某些情况下，采用混合性能指标来刻画系统性能是非常有必要的。近年来，随着大规模复杂系统的出现，自然衍生出一些实际问题，如大规模互联系统的分布式控制问题，出于较低的成本，较高的可靠性和结构灵活性的实际需要，结构化控制在许多实际应用中备受欢迎，房室系统的结构化控制也得到了研究。在系统的反馈控制问题中，一个典型特征是李雅普诺夫矩阵和反馈增益矩阵的耦合，这使得难以在控制器上施加特定的结构。一个启发式方法是交替固定控制器矩阵和李雅普诺夫矩阵，即D-K迭代法。在这种方法中，选取好的初始值对算法的可解性很重要，然而为迭代算法找到一个很好的初始值并不是很容易。利用投影定理，引入一个对角矩阵变量，这可以便于通过交替投影法构造具有指定结构的控制器矩阵，而且不会带来额外的保守性，这样的思想也同样适用于使用其他迭代方法的结构化控制问题。基于线性规划方法，有学者研究了房室系统的分散镇定问题而且提供了关于闭环系统正性的先验知识。基于线性规划的技术具有计算优势，可以被应用到大型系统，然而与结构化控制方面基于线性矩阵不等式的大量结果相比，基于线性规划的方法得到了相对较少的关注。总之，如何为房室系统设计结构化控制器仍然是一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于房室系统模型的空中交通流量控制方法，其特征在于：基于房室网络建立空中交通流量控制模型；以分散的方式描述空中交通流量控制问题，设计分散控制器；其次，将设计的分散控制器加入到交通流量网络模型中，得到控制系统模型；对分散控制器的闭环系统的稳定性和性能指标提出新的刻化，基于这些刻化，给出分散控制器存在的充分必要条件，采用迭代算法求解这些条件以得到满足控制系统模型性能指标的分散控制器；最后根据得到的分散控制器完成空中交通流量的控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于房室系统模型的空中交通流量控制方法，其特征在于：基于房室网络建立空中交通流量控制模型；以分散的方式描述空中交通流量控制问题，设计分散控制器；其次，将设计的分散控制器加入到交通流量网络模型中，得到控制系统模型；对分散控制器的闭环系统的稳定性和性能指标提出新的刻化，基于这些刻化，给出分散控制器存在的充分必要条件，采用迭代算法求解这些条件以得到满足控制系统模型性能指标的分散控制器；最后根据得到的分散控制器完成空中交通流量的控制。2.根据权利要求1所述的基于房室系统模型的空中交通流量控制方法，其特征在于：所述基于房室网络建立空中交通流量控制模型的方法，包括以下步骤：步骤11，将空域划分为两个以上的相互连通的区域，每个区域作为一个房室得到一个拓扑结构网络；根据每个区域的流出流入的交通流量，采用有向图G＝(V,E)来描述所得到的拓扑结构网络得到交通流量控制模型，其中，V是房室节点的集合，E是房室间链接的集合；步骤12，根据房室i的大小为Si，飞机的平均飞行速度为vi，则遍历时间以及房室i加入控制输入ui(t)后，采用控制房室i的部分流出流量使其返回到房室i中，控制输入ui(t)可被看作为再循环量进入交通流量控制模型系统的控制策略，得到房室i的总输出流量模型；步骤13，根据房室i的大小为Si，飞机的平均飞行速度为vi以及房室i加入控制输入ui(t)后，采用控制房室i的部分流出流量使其返回到房室i中，控制输入ui(t)可被看作为再循环量进入交通流量控制模型系统的控制策略，由于其他房室和输入端口流入的流量会流入房室i，房室i的流量会流入后续房室或者是输出端口，据此可得房室i的动力学方程和房室j流入输出端口Oi的流量方程。3.根据权利要求2所述的基于房室系统模型的空中交通流量控制方法，其特征在于：所述步骤12中房室i的总输出流量模型为：fi(t)=xi(t)τi-ui(t);]]>其中，fi(t)为房室i的总输出流量，xi(t)表示房室i在t时刻的状态量，τi表示遍历时间，ui(t)表示房室i的控制输入。4.根据权利要求2所述的基于房室系统模型的空中交通流量控制方法，其特征在于：所述步骤13中得到的房室i的动力学方程为：xi·=(Σj∈M(n)bjiτi-1τi)*xi(t)-(Σj∈M(n)bji-1)*ui(t)+Σj∈I(p)aji*wi(t);]]>其中，x′i表示xi(t)的导数，xi(t)表示房室i在t时刻的状态量，M(n)表示交通流量控制系统所具有的房室集合，bji表示交通流量从房室j流入房室i的比率，τi表示遍历时间，ui(t)表示房室i的控制输入，I(p)表示交通流量控制系统的输入端口集合，aji表示交通流量从输入端口Ij流入房室i的比率，wi(t)表示输入端口I(i)的扰动输入；房室j流入输出端口Oi的流量方程为：zi=Σj∈O(q)cjiτi*xi(t)-cji*ui(t);]]>其中，zi表示房室j流入输出端口Oi的流量，O(q)表示输出端口集合，cji表示流量从房室j流入输出端口Oi的比率，xi(t)表示房室i的状态量，ui(t)表示房室i的控制输入。5.根据权利要求1所述的基于房室系统模型的空中交通流量控制方法，其特征在于：所述以分散的方式描述空中交通流量控制问题，设计分散控制器的方法：步骤21，根据交通流量控制策略的制定需要依赖分散信息的特点，将各个房室根据自己的状态信息对自身进行控制，得到各个房室的控制器；步骤22，根据房室i的总输出流量和t时刻的状态量xi(t)始终为正，以及存在最大平均飞行速度使飞机通过房室i的遍历时间τi达到最小，确定步骤21中所确定的控制器增益矩阵的范围；步骤23，根据步骤1中得到的各个房室的动力学方程得到动力学方程中系统的状态向量x(i)的系数矩阵、控制输入ui(t)的系数矩阵、扰动输入wi(t)的系数矩阵，根据步骤1中得到的房室i流入输出端口的流量zi方程得到房室i流入输出端口的流量zi方程中系统的状态向量x(i)的系数矩阵、控制输入ui(t)的系数矩阵；据此在空中交通网络模型中引入如下所示的一般线性时不变控制系统模型，并将该系统称为原系统；步骤24，对步骤23中的原系统加入步骤21所确定的控制器以及步骤23得到的控制器增益矩阵的范围，则根据系统的参考输出可得到增强系统，且增强系统渐进稳定的且满足||Tew||∞<γ，Tew表示输入w(t)到输出e(t)的传递函数，γ为预先给定的H∞控制性能水平。6.根据权利要求5所述的基于房室系统模型的空中交通流量控制方法，其特征在于：所述步骤21中得到的各个房室的控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓明，陈谋，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32