基于可视化工具建模的机场场面运行仿真方法及存储介质与流程

本发明涉及一种机场场面运行仿真方法及存储介质，特别是涉及一种基于可视化工具建模的机场场面运行仿真方法及存储介质。

背景技术：

随着航空运输业的迅猛发展，机场的规模及运行的复杂度急剧攀升，通过建模仿真的方式对机场的运行效率进行评估，对机场的管制策略、基础环境的规划进行验证，成了必要的手段。传统的机场场面建模仿真方法，在静态场景建模方面缺少一种可视化的建模手段，建模效率较低，且无法在静态建模阶段对场面运行规则进行有效表述，对滑行道转弯部分的描述要么进行简化处理，偏离实际情况，要么采用折线描述，数据存储量大，在仿真方面一般采用离线推演的方式，难以满足实时的仿真要求，且未考虑动态接入外部策略的扩展性问题。

技术实现要素：

发明目的：本发明要解决的技术问题是提供一种基于可视化工具建模的机场场面运行仿真方法及存储介质，解决了现有方法无法可视化建模且建模效率低、不灵活的不足，结合机场场面结构特点以及场面运行规则，借助globalmapper工具，实现机场场面模型建模的可视化，提高建模效率，并且实现实时精准仿真，对运行策略的模型化方式处理便于灵活装卸，还能够动态接入外部策略，提高了扩展性，方便应用于对外部算法验证的场景。

技术方案：本发明所述的基于可视化工具建模的机场场面运行仿真方法，包括以下步骤：

(1)基于globalmapper工具对机场场面要素数据进行可视化预处理，形成格式化数据文件；

(2)从格式化数据文件中提取场面元素，构建场面元素间的拓扑关系，建立机场场面模型；

(3)读取机场计划数据，根据上述机场场面模型，按时序推算航班运动轨迹；

(4)基于机场场面模型中的公共路段对航班进行冲突探测，对存在冲突的航班进行排解。

进一步的，所述步骤(1)具体为：

(11)使用globalmapper工具对机场场面要素数据进行分层提取，以点格式的shp文件存储停机位数据，线格式的shp文件存储滑行道数据，面格式的shp文件存储跑道数据和建筑物数据；

(12)对滑行道数据进行编辑，将滑行道折线段在道路交叉点位置打断，拆分为至少一个折线段，生成元滑行道数据；

(13)对停机位数据、滑行道数据的属性和规则信息进行设定；

(14)对于弧段转弯的滑行道，设置弧段转弯标志；

(15)将滑行等待位置点、起飞等待点标注为特殊属性点，并以点类型数据添加到globalmapper工具界面上；

(16)将上述数据输出为shp文件和与其对应的dbf文件。

进一步的，步骤(13)中还包括：对滑行道数据的运行规则属性进行设定，包括设置单向通行滑行道和通行角度范围。

进一步的，所述步骤(2)具体为：

(21)从格式化数据文件中提取场面元素及其属性，所述场面元素包括停机位、滑行道、跑道、建筑物；

(22)遍历滑行道的端点位置，对于端点位置重合次数为2的点，将其对应的两条滑行道数据进行合并成为一个元滑行道数据，对于端点位置重合次数不等于2的点提取为关键点；将所述元滑行道关联其对应的两个关键点，每个关键点关联其连接的所有元滑行道；

(23)建立停机位与关键点的对应关系，进一步通过关键点与元滑行道的关联关系建立停机位与滑行道的关联关系；

(24)通过元滑行道关联的关键点，以及关键点关联的其他元滑行道，建立滑行道与滑行道的关联关系；

(25)根据位置关系判断特殊属性点所属的元滑行道，并将特殊属性点插入到元滑行道数据折线点序列中，并建立特殊属性点与滑行道数据的关联关系；

(26)将位置数据从局部坐标系转换到全局坐标系。

进一步的，还包括弧段拟合步骤，具体为，遍历滑行道中的折线段集合，若发现步骤(14)中的弧段转弯标志则进行弧段拟合，拟合后以弧段表示折线段；

所述弧段拟合步骤位于步骤(21)至步骤(26)之间。

进一步的，所述步骤(3)具体为：

(31)读取机场计划数据，为航班分配停机位和跑道；

(32)对航班进行滑行路径分配，滑行路径中包括停机位、跑道和滑行道；

(33)根据滑行路径进行航班位置推算，并驱动航班位置更新。

进一步的，所述步骤(4)具体为：

(41)获得所有航班在机场场面上的滑行路径，每两个航班的滑行路径进行比较，提取出航班滑行路径中的重叠部分作为公共路段，对使用该公共路段的航班进行到达时刻预测；

(42)根据到达时刻判断航班是否发生冲突；

(43)当存在冲突时，采用时间等待的策略，按照航班优先级的顺序依次进行排解。

进一步的，步骤(42)中的判断方法为：两架航班发生冲突的条件为，

(t1st-t2start)*(t1end-t2end)<0，

其中，t1st为第一架航班到达公共路段起始点的时刻，t1end为第一架航班到达公共路段结束点的时刻，t2star为第二架航班到达公共路段起始点的时刻，t2end为第二架航班到达公共段结束点的时刻。

进一步的，步骤(43)中的排解方法为：对航班进行优先级排序，按优先级依次从航班队列中取出一架航班，遍历队列中比该航班优先级低的每一架航班进行冲突判断，如果发生冲突，对优先级低的航班在公共路段前一个关键点增加等待时隙，再依次遍历处理次优先级的航班，直至所有航班都处理结束。

本发明所述的计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被计算机处理器执行时实现上述基于可视化工具建模的机场场面运行仿真方法。

有益效果：(1)本发明借助globalmapper可视化工具，实现机场静态模型建模的可视化；(2)本发明将运行规则融入静态模型建模过程，提供一种可视化可扩展的规则设定方法；(3)本发明在仿真运行过程中采用基于公共路段的冲突探测解脱策略，无回溯，算法收敛，实时性高；(4)本发明在仿真运行过程中的运行策略可动态从外部接入，扩展性强；(5)本发明的优选方式采用弧段拟合的方式对滑行道转弯段建模，与机场实际更加贴合，且减少数据的存储量。

附图说明

图1是本实施方式的方法整体流程图；

图2是本实施方式中的数据可视化预处理流程图；

图3是本实施方式中的运行规则属性设定示意图；

图4是本实施方式中的静态模型数据快速提取流程图；

图5是本实施方式中的场面运行仿真流程图；

图6是本实施方式中的基于公共路段的冲突探测示意图。；

具体实施方式

本发明实施方式的方法流程如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、基于globalmapper工具对机场场面要素数据进行可视化预处理，形成格式化数据；具体为：

步骤1-1，如图2所示，对原始数据进行预处理。具体做法为：读取原始数据，原始数据格式可能是autocad格式、shp格式、mif格式等，对各类数据统一转换为shp数据处理，按照停机位、滑行道、跑道、建筑物等类型对原始数据进行分层处理，并以点格式的shp文件存储停机位，线格式的shp文件存储滑行道，面格式的shp文件存储跑道和建筑物；

步骤1-2，通过globalmapper工具在可视化的界面下对shp格式的滑行道数据进行可视化编辑处理，生成元滑行道数据。具体做法为：将滑行道折线段在交叉点上进行打断处理，即将折线段在交叉点位置拆分为多个折线段，多个折线段共用同一个端点，拆分后的折线段称之为元滑行道数据；

步骤1-3，通过globalmapper工具在可视化的环境下对数据的属性及规则信息进行设定。停机位的属性包括机位代号、机位的长度、宽度、机位的方向角度以及机位适合停放的飞机机型；滑行道的属性包括滑行道名称、滑行道类型，如主滑行道、进出滑行道、机位滑行通道等，同时可以设置一些运行规则相关属性，如单向通行滑行道，设置通行角度范围等。以滑行道通行方向为例进行说明，如图3所示滑行道d5为快速脱离道，快速脱离道的使用规则为：只允许从快速脱离道脱离跑道，不允许从快速脱离道进入跑道，因此可增加en_direction字段，代表该滑行道允许通行的方向范围，并设置通行角度范围为180到360度，从而限制滑行道的使用方向；

步骤1-4，对于弧段转弯的滑行路段，设置弧段转弯标志，方便后续对其进行弧段拟合处理；

步骤1-5，在可视化界面上交互式添加点类型数据，并标注数据属性为特殊属性点，包括滑行等待位置点、起飞等待点等特殊位置点；

步骤1-6，对可视化编辑及属性标注后的数据进行输出，存储为标准的点、线、面格式的shp文件及其对应的dbf格式的属性文件。

步骤2、对格式化数据进行快速提取，构建元素间的拓扑关系，实现机场场面模型的静态建模；具体为：

步骤2-1，如图4所示，从格式化的shp及dbf文件读取停机位、滑行道、跑道、建筑物等场面元素的数据，以及其对应的属性信息，存入内存，遍历内存数据，如果为滑行道数据则执行步骤2-2和步骤2-3，如果为点类型数据则执行步骤2-4，否则是面类型数据则执行步骤2-5；

步骤2-2，读取滑行道属性数据，包括滑行道名称、滑行道类型、运行规则相关属性、弧段转弯标志等。遍历折线段集合，如果是弧段转弯滑行道则进行弧段拟合处理，拟合后以弧段表示大量点组成的折线段，从而减少数据的存储量；弧段拟合即用弧线表示若干个点组成的折线，这种方法的优点是，在转弯的地方，如果用折线表示，折线点会非常多，存储和计算量比较大，用弧线来表示会减少数据量。

步骤2-3，提取机场场面关键点(关键点指场面上滑行道与滑行道，或者滑行道与跑道的交叉点，以及未与其他滑行道有交叉的滑行道的端点)及元滑行道数据(两个相邻关键点之间的滑行道数据)。具体做法为：遍历滑行道数据的端点位置进行判断，并对折线段端点重合次数进行记录，对于端点位置重合次数为1或大于2的点提取为关键点，对于端点位置重合次数为2的点，将其对应的两条滑行道数据进行合并成为一个元滑行道数据。并将元滑行道数据关联其对应的两个关键点，每个关键点关联其连接的多个元滑行道数据；

步骤2-4，提取停机位及特殊属性点数据。具体做法为：判断点类型数据为停机为数据，则从位置数据中提取出停机位的中心点位置，从属性文件中提取出停机位的属性信息，包括机位代号、机位的长度、宽度、机位的方向角度以及机位适合停放的飞机机型等；如果点类型数据为特殊属性点，则读取该特殊属性点的位置信息及特殊属性点的属性信息，包括滑行等待点、起飞等待点等。

步骤2-5，提取建筑物、跑道等面类型数据。具体做法为：从面类型数据中提取多边形位置数据，从属性文件中提取面数据的属性信息，包括建筑物、跑道名称等。

步骤2-6，建立停机位与滑行道的关系。具体做法为：停机位的点坐标与关键点位置进行比对，如果位置匹配，则建立停机位与该关键点的对应关系，进一步通过关键点与元滑行道的关系建立停机位与滑行道的关联关系；

步骤2-7，建立滑行道与滑行道的关系。具体做法为：通过元滑行道关联的关键点，以及关键点关联的其他相关的元滑行道，从而建立滑行道与滑行道的关联关系；

步骤2-8，建立特殊属性点与滑行道的关系。具体做法为：根据位置关系判断特殊属性点所在的元滑行道，并将特殊属性点插入到元滑行道数据折线点序列中，并建立特殊属性点与滑行道数据的双向关联关系；

步骤2-9，位置数据从局部坐标系转换到全局坐标系。具体做法为：根据原始数据参考点对应的经纬度坐标及旋转角度进行坐标转换处理，转换到全局经纬度坐标。假设局部坐标点(x0,y0)与全局经纬度坐标点(lon0,lat0)对应，且旋转角度为θ，首先确定全局经纬度坐标点(lon0,lat0)在投影坐标系下的坐标为(x0,y0)，则局部坐标下任意一点在全局投影坐标系下的坐标位置为：

通过全局坐标下的投影坐标(x,y)投影变换转换到全局的经纬度坐标(lon,lat)；

步骤3、读取机场计划数据，按时序推算航空器运动轨迹；具体为：

步骤3-1，如图5所示，读取航班计划信息，依据时序的推进，如果全部航班计划仿真结束，则退出，否则判断是否有新的航班加入到仿真队列中，如果有则对该航班进行机位、跑道分配，机位、跑道分配可根据仿真目的的不同可选择使用内置机位分配模型(以使用无冲突及机型匹配为原则分配航班使用的机位及跑道)或直接动态接入外部机位、跑道分配系统分配的结果进行机位和跑道的分配(采用该方式仿真可对外部的分配算法做验证)；

步骤3-2，根据机位、跑道信息及滑行道规则属性，进行实时的动态滑行路径分配；

步骤3-3，根据滑行路径进行目标位置推算，以相对时间时序推进的方式进行实时位置推算，并驱动目标位置更新，实现仿真态势的更新。

步骤4、采用基于公共路段的实时冲突探测与排解处理；具体为：

步骤4-1，基于公共路段的冲突探测。具体做法为：对航班进行轨迹预测，获得每架航班在机场场面上的滑行路线，两两航班滑行路线进行比较，提取出两两航班滑行路线中的重叠部分作为预测轨迹中的公共路段(可能是一个元滑行道，也可能是多个元滑行道的组合，以元滑行道和关键点为冲突判断对象的处理方式对于对头冲突的处理容易导致回溯不收敛的问题，而基于公共路段的冲突探测解脱能够较好的处理该问题)，如图5所示，公共路段为p1和p2之间的路段，对使用该公共路段的两架航班进行到达时刻预测，假设第一架航班到达公共段起始点的时刻为t1star，到达公共段结束点的时刻为t1end，第二架航班到达公共段起始点的时刻为t2sta，第二架航班到达公共段起始点的时刻为t2end，则两架航班发生冲突的条件为：

(t1start-t2start)*(t1end-t2end)<0

如图6所示，f1航班位置-时间曲线如f1所示，f2航班根据进入公共段的时间不同可表示为一组沿时间轴方向平移的曲线，图中以f2、f2'和f2”三条曲线表示，对于左侧的对头飞行的情况f1与f2的斜率异号，对于右侧的同向飞行的的情况f1和f2的斜率同号，但不论是同向飞行还是对头飞行，f2航班的位置-时间曲线在f2左侧或f2'右侧的情况都不会出现冲突，f2”的为冲突的情况，冲突情况下同向飞行和对头飞行的共同点都是进入公共段时间差与退出公共段时间差异号，即满足上述判断条件，因此同向飞行的追尾冲突和对头飞行的对头冲突，冲突条件都可以通过上述的冲突条件公式表示。

步骤4-2，采用时间等待的策略，以航班动态优先级的方法进行冲突排解。具体做法为：对仿真的航班进行优先级排序，按优先级依次从航班队列中取出一架航班，顺序遍历队列中比该航班优先级低的每一架航班，采用步骤4-1的方法进行冲突判断，满足上述冲突条件，则对优先级低的航班在公共路段前一个关键点增加等待时隙，再依次遍历处理次优先级的航班，直至所有航班都处理结束。

本发明实施例如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括:u盘、移动硬盘、只读存储器(rom,readonlymemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。这样，本发明实例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

相应的，本发明的实施方式还提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序。当所述计算机程序由处理器执行时，可以实现前述基于可视化工具建模的机场场面运行仿真方法。例如，该计算机存储介质为计算机可读存储介质。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。