基于Petri網的航空器運行指令篩選方法與推演

吳 昊，湯新民，2+，胡鈺明，陳強超

(1.南京航空航天大學 民航學院，江蘇 南京 211000；2.中國民航大學 交通科學與工程學院，天津 300300；3.中南民航空管通信網絡科技有限公司 通信網絡中心，廣東 廣州 510080；4.中國民用航空中南地區空中交通管理局 技術保障中心，廣東 廣州 510080)

0 引 言

對于機場管制而言，航空器在機場場面的運行狀態是基于管制員發出的航空器運行指令進行調整的，而航空器運行指令的誤聽誤報是機場管制及場面滑行中的重要風險，如何避免因指令錯誤下達而造成的安全隱患亟須解決。目前使用的空管自動化系統中的電子進程單系統，其中包含著包括飛行計劃信息、雷達信息、ACRAS 信息等在內的大量的信息[1]，可用于準確反映管制員的管制程序，且目前航空器運行指令的獲取相對成熟，系統中終端程序可通過數據庫進行通訊和同步，包括飛行計劃表(tab_fpl)和信息更新表(tab_amend)[2]，對于管制進程單指令的分析與推演有助于構建以指令為基礎的機場場面活動狀態模型，進而提供場面各部分狀態信息，從而對場面可能出現的風險狀態進行預警。

目前已有較多針對電子進程單以及航空器運行指令推演的研究，許峰[3]基于塔臺管制模擬系統提出了基于電子進程單操作觸發的風險提示告警機制，利用流程圖、類圖和序列圖的描述方式對管制過程進行了建模；趙文杰等[4]提出電子進程單中管制員指令獲取，針對出港航班、進港航班電子進程單的操作流程已相對完備，管制員目前可以采用進程單掌握機場場面航空器的實時態勢，從而精準安全地對場面多個航空器進行感知及控制；潘衛軍等[5]使用Petri網方法針對繁忙機場的機坪運行過程進行建模，在將場面涉及到滑行道和機坪等活動區域進行離散化的同時，構建機坪全過程運行的基本Petri網模型，但并未涉及電子進程單或管制指令的Petri網建模。總而言之，對航空器運行指令進行推演及風險狀態預測的研究相對較少。

本文利用著色Petri網[6]對航空器依據跑道號的指令并行篩選過程、航空器起飛或復飛以及后續指令過程、航空器著陸指令過程及航空器穿越指令過程仿真，并采用CPN Tools層次網工具驗證并開發了上述4個過程的模塊，這4個過程是基于航空器運行指令的機場場面活動模型中的基礎，并以此可組合出多種形式的協同操作過程，可處理多種復合場景。這些模塊在過程仿真建模中可作為功能單元直接應用，在簡化結構的同時便于系統測試運行。與傳統Petri網相比，利用著色Petri網對航空器運行指令進行建模，具有表達能力強、具備時間概念及有可視化和建模能力的優點[7]。

1 管制進程單指令邏輯分析

管制進程單中SurfaceState指航空器的運行狀態，同時也是管制員給飛行員的指令，管制進程單指令與其對應的意義見表1。

表1 管制進程單指令及中文解釋

管制進程單的基本邏輯由航班進離港及滑行穿越移動順序所決定，可歸納為4種基本邏輯。

第一種是航空器起飛指令邏輯，航空器起飛指令邏輯為首先滑行至跑道頭排隊或許可進入跑道，然后許可起飛，最后起飛結束離港或因故取消起飛或中斷起飛并脫離跑道，所涉及指令包括SQE、LUP、TKO、CNL、ABT、VCA、FIN，如圖1所示。

圖1 航空器起飛指令邏輯

第二種是航空器復飛指令邏輯為首先進近或聯系塔臺在席位管制狀態，然后航空器接地并復飛或復飛，最后航空器復飛結束，所涉及指令包括APP、CNT、T_G、M_A、FIN，如圖2所示。

圖2 航空器復飛指令邏輯

第三種是航空器進港降落及后續指令邏輯，航空器降落指令首先進近或聯系塔臺在席位管制狀態，然后航空器接地或許可落地，最后航空器降落直至滑行結束，所涉及指令包括APP、CNT、TCH、LND、TAX，如圖3所示。

圖3 航空器進港降落及后續指令邏輯

第四種是航空器穿越滑行指令邏輯，航空器穿越滑行指令首先穿越等待，然后穿越跑道，最后穿越滑行直至滑出跑道，所涉及指令包括CRH、CRS、CRT，如圖4所示。

圖4 航空器穿越滑行指令邏輯

為保證航空器在包括起飛、著陸、復飛以及穿越在內的運行安全，通常情況下電子進程單的指令邏輯需要滿足以下基本約束：①唯一性約束。每個航班在同一時刻收到的進程單指令是唯一的，指令對航空器具有時間上的獨占性，航班對應的航空器收到某指令后，在其收到指令后運行的一段時間內，不可執行其它指令，直到該指令執行結束，航空器才可以接收后續指令。即不允許航空器在同一時刻執行一條以上的指令。②跑道安全緩沖時間約束。對于使用同一跑道起飛、著陸、復飛或穿越的航空器之間應有必要的安全時間間隔；從進程單指令的角度而言，對于涉及占用跑道的指令，兩架航空器的指令安全時間間隔是必要的。③機場滑行道、停機位、跑道頭等不同空間航空器可占用空間的容量約束。機場不同空間所容納的航空器數量是不同的，從進程單指令的角度而言，對于涉及進入不同機場空間的指令，需要考慮已進入該空間的航空器數量的限制。

2 基于Petri網的航空器運行指令建模

2.1 單跑道運行全過程基本網

航空器運行指令建模是將航空器運行指令的推演過程與航空器運行Petri網中的一系列變遷的激發進行映射[4]。通過航空器運行過程中的管制電子進程單獲取航空器運行指令I， 航空器運行的任一指令為ik且ik∈I， 根據航空器運行Petri網中變遷與庫所的關系，自動生成相應的變遷激發序列Tm={tn，tn+1，…}。 將航空器運行指令分為起飛及復飛、著陸和穿越3類，并以此將跑道庫所分為跑道起飛區域庫所、跑道著陸區域庫所及跑道穿越區域庫所，建立著色Petri網模型。為了避免管制員在發布指令的過程中引發的錯、忘、漏問題，以降低因航空器運行指令錯誤引起的跑道入侵事件的概率，需要基于航空器運行建立跑道運行模型。在航空器場面運行模型中，利用token來表示場面運動目標，變遷的使能激發代表航空器運行指令的下發，token在相應庫所中的逗留時間代表航空器狀態的持續時間。

跑道運行全過程時延離散Petri網[8，9]TPN是一個六元組∑=(P，T；F，M，Γ，Q)；

P={p1，p2，…，pm} 是一個非空有限庫所集，其中庫所P為包括跑道、滑行道、停機位及進近區域在內的典型運行單元的時延庫所及無時延的指令庫所；

T={t1，t2，…，tn} 是一個非空有限變遷集，其中T為所有變遷的集合，表示航空器穿越運行單位邊界活動；P∩T=?；

F?(P×T)∪(T×P) 是流關系；

2.2 建模實例

2.2.1 實例1：航空器起飛或復飛以及后續指令

當有航空器準備起飛時，應等待管制員的指令，當接到管制員的許可起飛指令(TKO)時，航空器由跑道頭進入跑道，跑道起飛區域處于占用狀態；當接到管制員的復飛指令(T_G或M_A)時，航空器由進近到著陸區域進入跑道，跑道起飛區域處于占用狀態；后續收到管制取消起飛指令(CNL)或是中斷起飛指令(ABT)，則航空器依舊在跑道上，保持跑道起飛區域占用狀態；出港航班完成起飛狀態，當接到管制員進程單結束指令(FIN)，解除跑道起飛區域占用狀態；當收到脫離跑道指令(VCA)，航空器進入滑行區域或停機位區域，解除跑道起飛區域占用狀態。航空器起飛或復飛以及后續模型如圖5所示。

圖5 航空器起飛或復飛以及后續模型

圖5中庫所與變遷映射關系見表2。

表2 起飛或復飛指令模型映射關系

token表示場面移動目標，變遷T1，T4在AREA與收到相應指令的情況下才使能，此時T1，T4關聯T_A或M_A或TKO指令，同理當航空器從跑道脫離滑出，此時T5關聯的是VCA指令；當出港航班完成起飛，此時T5關聯FIN指令；當航空器取消起飛或者中斷起飛，此時T2關聯CNL、ABT指令。

2.2.2 實例2：航空器著陸指令

當有航空器著陸時，應等待航空器運行指令發出著陸指令，當接到航空器運行降落指令(LND)、接地指令(TCH)時，航空器將被許可執行下一步動作。建立如圖6所示的機場場面航空器著陸模型。

圖6 機場航空器著陸模型

圖6中庫所與變遷映射關系見表3。

表3 著陸指令模型映射關系

當進近到著陸之間的區域(AREA)內有飛機準備降落，T6的使能需要在AREA和收到航空器運行指令LND或TCH情況下同時使能，此時T6關聯LND或TCH指令；當跑道著陸區域(RWY-L)內有飛機準備滑出跑道進入滑行區域或停機位區域(AREA1)，T7的使能需要在(RWY-L)和收到航空器運行指令TAX情況下同時使能，此時T7關聯TAX指令，由此對于管制員的指令進行預演。

2.2.3 實例3：航空器穿越指令

當有航空器穿越時，應等待管制員的指令，當接到管制員的穿越等待(CRH)指令時，航空器將進入滑行道區域；當接到管制員穿越跑道(CRS)指令后進入跑道的穿越區域；當接到管制員穿越滑行的指令后進入滑行區域或停機位區域。建立如圖7所示的機場航空器穿越模型。

圖7 機場航空器穿越模型

圖7中庫所與變遷映射關系見表4。

表4 穿越指令模型映射關系

當滑行區域或停機位區域(AREA1)內有飛機穿越等待，變遷CRH的使能需要同時在AREA1存在token和收到航空器運行指令CRH情況下使能，此時變遷CRH關聯CRH指令；當待穿越的滑行道(TWY)有飛機穿越跑道，變遷CRS的使能需要同時在TWY存在token和收到航空器運行指令CRS情況下使能；當待跑道穿越區域(RWY-C)有飛機結束穿越跑道，變遷CRT的使能需要同時在RWY-C存在token和收到航空器運行指令CRS情況下使能。

3 基于著色Petri網的機場場面活動篩選模型

基于電子進程單的航空器運行指令的機場場面活動系統是典型的離散事件動態系統，采用著色Petri網對航空器依據跑道號的指令并行篩選過程，航空器起飛或復飛以及后續指令過程，航空器著陸指令過程及航空器穿越指令過程，并依托著色Petri網層次化結構，對上述過程模塊整合后的機場可穿越場面活動模型進行整體上的篩選過程模擬。

3.1 航空器多跑道篩選著色Petri網模型

圖8為航空器依據跑道號的指令并行篩選過程著色petri網圖，其中數據包括航班計劃ID號n1、航班呼號n2、跑道號n3、航空器運行狀態n4，按照模塊化的方式將航空器按照跑道號分類處理。

圖8 航空器依據跑道號的指令并行篩選過程著色petri網

3.2 航空器多跑道篩選著色Petri網模型參數設置

圖9是利用CPN Tools建模過程中部分顏色集、變量集以及函數的定義，本文中涉及的航空器目標屬性包括航空器識別號(flightplanID)、航班呼號(callsign)、跑道號(runway)，聲明航空器目標信息的變量類型為 aircrafts，由3個變量復合而成，其中航空器識別號、航班呼號、跑道號均為字符串類型數據；航空器接收航空器運行指令后，航空器目標信息的變量類型為aircrafts_surfacestate，該變量由aircrafts與航空器場面狀態(surfacestate)復合而成，其中航空器場面狀態為字符串類型數據；本文中aircrafts與aircrafts_surfacestate均是涉及時間，故顏色集采用的定義方式為

圖9 建模過程中部分顏色集、變量集及函數

colsetaircrafts=productflightplanID*

callsign*runwaytimed

colsetaircrafts_surfacestate=productaircrafts*

surfacestatetimed；

3.3 整體機場可穿越著色petri網模型構建

圖10為整體機場可穿越模型著色Petri網模型，也是以該機場單跑道為例使用著色Petri網模型建立可穿越場面活動模型，該模型在圖5航空器起飛或復飛以及后續指令過程著色petri網圖、圖6航空器著陸指令過程著色petri網圖、圖7航空器穿越指令過程著色petri網圖基礎上構建整體機場可穿越模型著色petri網模型，可對機場整體態勢進行感知和多模塊下的協同融合操作，同時將所涉及的指令唯一使用，保證了庫所和變遷的一一映射關系。

圖10 整體機場可穿越模型著色petri網

3.4 航空器運行指令風險預警模型的構建

針對復雜的機場場面綜合態勢，感知態勢后保障機場場面的安全有序是必要的，而場面目前態勢與指令發出后場面態勢的變化是航空器運行指令風險預警模型構建的重點。本文在基于整體機場可穿越著色petri網模型的基礎上定義跑道狀態來反映指令發出后場面態勢的變化，從而對指令發出后可能的風險進行預警。

本文將跑道狀態(u)分為空閑狀態，占用狀態以及沖突狀態，根據跑道起飛區域、跑道著陸區域、跑道穿越區域的庫所是否有token來區分不同的跑道狀態，當跑道起飛區域、跑道著陸區域、跑道穿越區域均無token，則跑道處于空閑狀態；當跑道起飛區域、跑道著陸區域、跑道穿越區域有且僅有一個區域存在token，則跑道處于占用狀態；當跑道起飛區域、跑道著陸區域、跑道穿越區域任意兩個及兩個以上區域存在token，則跑道處于沖突狀態。定義跑道的空閑狀態為u=0，跑道的占用狀態為u=1，跑道的沖突狀態為u=2，則跑道狀態u滿足式(1)

2，else

(1)

根據跑道狀態的定義，指令發出后導致跑道狀態變為空閑狀態或占用狀態則不會導致模型的風險預警，而指令發出后導致跑道狀態變為沖突狀態則會觸發風險預警，而觸發條件在定義中已給出，管制人員可在風險觸發后通過指令的撤銷或下達其它航空器運行指令，從而改變跑道狀態使得場面態勢變化，以解除場面的風險狀態。

4 航空器運行指令推演實例分析

根據第3章著色Petri網的機場場面活動篩選模型及3.4節航空器運行指令風險預警模型中跑道狀態的定義對航空器運行指令進行推演，文中涉及航空器運行指令相應庫所中的逗留時間即航狀態的持續時間滿足對數正態分布，則圖5、圖6、圖7中各時延庫所時間延時的對數正態分布參數見表5。

表5 模型中token在不同控制庫所激發時的逗留時間設定

采用CPN Tools工具對建立的CTPN模型進行仿真和驗證。仿真過程使用的航空器信息流包括：

1`(("flightplanID01","callsign01","19"))++1`(("flightplanID02","callsign02","19"))++

1`(("flightplanID03","callsign03","19"))++1`(("flightplanID04","callsign04","19"))++

1`(("flightplanID05","callsign05","19"))++1`(("flightplanID06","callsign06","19"))++

1`(("flightplanID07","callsign07","19"))++1`(("flightplanID08","callsign08","19"))++

1`(("flightplanID09","callsign09","19"))++1`(("flightplanID10","callsign10","19"))

根據模型定義，這10個航空器信息分別代表航空器識別號01至10，航班呼號01至10，跑道號19，模型仿真結果反映出航空器運行指令的激發導致19號跑道狀態持續時間關系的時序邏輯圖，如圖11所示。

根據上文中跑道狀態u的定義，圖11為其中兩次模擬的跑道狀態時序邏輯圖，圖11(a)模擬結果顯示第6分鐘到第9分鐘，第14分鐘到第17分鐘，第18分鐘到第32分鐘跑道由于航空器運行指令的激發保持占用狀態；第17分鐘到第18分鐘由于航空器運行指令的激發導致跑道的多個區域都存在航空器運行，跑道為沖突狀態；而其余時間跑道均為空閑狀態，圖11(b)模擬結果顯示第5分鐘到第9分鐘，第12分鐘到第20分鐘仿真結果跑道由于航空器運行指令的激發保持占用狀態，其余時間跑道均為空閑狀態。根據航空器運行指令風險預警模型對圖11跑道狀態時序邏輯圖的分析，圖11(a)中第17分鐘前跑道狀態正常，場面不存在風險第17分鐘時跑道狀態發生變化，跑道變為沖突狀態，航空器運行指令風險預警觸發，跑道的沖突狀態持續1分鐘，隨后跑道狀態正常，場面態勢恢復正常，通過該時序圖可知該次仿真跑道狀態及場面態勢正常概率達到97.14%，圖11(b)中在改變航空器運行指令發出的順序后跑道狀態及場面態勢正常概率達到100%，未出現指令風險預警。模擬結果顯示航空器運行指令的不同順序以及下達時間的不同會導致跑道的不同狀態，對跑道狀態是否產生沖突產生影響，航空器運行指令的推演可對跑道潛在的風險進行評估與預測。

5 結束語

本文利用具有較強表達能力和可視化強特點的著色 Petri 網對電子進程單系統中的航空器運行指令進行建模，從航空器依據跑道號的指令并行篩選，航空器起飛或復飛以及后續指令，航空器著陸指令及航空器穿越指令建立異步并發模型，能夠直觀地模擬航空器場面運行狀態及場面各部分使用狀態以及狀態變化，并通過指令風險預警模型對跑道狀態時序邏輯進行分析，得到場面態勢在指令時序改變后的正常概率變化，為管制人員提供了對航空器及場面狀態分析新的視角和有效的手段。