基于高频运行语义压缩的航空器场面滑行路径生成方法

本发明属于机场运行管理，尤其涉及一种基于高频运行语义压缩的航空器场面滑行路径生成方法。

背景技术：

1、机场场面运行是民航安全运行和运行效率保障的重要环节。随着机场航班量持续增长，航空器在机坪、滑行道、跑道入口出口及其连接区域内的运行关系日益复杂，场面滑行路径的合理生成与快速调整成为机场运行管理中的关键问题。航空器场面滑行路径不仅需要满足机场数字地图中的物理连接关系，还需要符合航班起讫位置、运行方向、管制习惯以及复杂运行环境下的路径选择要求。因此，构建一种能够自动生成航空器场面滑行路径的方法，对于减轻管制员和运行管理人员工作负担、提升场面运行组织效率具有重要意义。

2、现有航空器场面轨迹建模方法通常基于连续坐标点、轨迹采样点或地图匹配后的路段序列进行建模。连续坐标点能够描述航空器运动过程，但其数据量较大，质量容易受到监视误差、采样频率差异和轨迹噪声影响，并且难以直接体现机场滑行道结构和管制运行语义。地图匹配后的路段序列虽然能够反映航空器在机场数字地图上的通行路径，但若直接以原子路段作为建模和生成单元，长距离滑行路径通常包含大量重复组合的路段片段，导致序列长度较长、生成负担较大，也不利于提取具有稳定运行含义的高频滑行片段。

3、在实际机场场面运行中，航空器滑行路径并非任意自由运动轨迹，而是受到机场场面拓扑结构、航班起讫路段、气象条件以及历史运行经验等多种因素共同影响。部分连续路段片段在历史运行中频繁出现，能够反映相对稳定的运行习惯和路径组织规律；同时，在不同运行环境下，也可能出现低频但具有实际意义的路径调整。若仅依赖高频路径模式，容易忽略低频运行路径；若完全采用原子路段序列，则难以有效利用高频运行片段中包含的语义信息。因此，需要在压缩表达和完整表达之间建立平衡，使高频运行片段能够被有效复用，同时保证低频路径仍然具有可表示性。

4、航空器场面滑行路径生成问题主要存在以下难点：

5、（1）航空器场面轨迹数据具有序列长、重复片段多和语义层级低的特点。地图匹配后的路段序列虽然能够表达具体通行路径，但大量原子路段直接参与建模会增加路径生成过程中的表示负担。如何从原子路段序列中提取高频连续滑行片段，并将其构建为可计算的运行语义基元，是实现高效滑行路径生成需要解决的关键问题。

6、（2）航空器场面滑行路径受到机场地图、航班起讫信息和气象运行信息等多源信息影响。机场数字地图提供静态拓扑约束，航班起讫路段体现路径任务要求，metar报文等气象信息反映运行环境变化。上述信息来源不同、语义层级不同，如何将其统一编码为能够用于路径生成的联合语义特征，是航空器场面滑行路径生成面临的重要难点。

7、（3）航空器场面滑行路径必须满足机场数字地图中的静态拓扑连接关系。若路径生成过程中未显式引入路段之间的连接方向和可通行关系，生成结果可能出现相邻路段不连通、违反通行方向或跨越非相邻滑行道等问题。如何在路径生成过程中约束候选生成单元之间的拓扑连接关系，并在生成后恢复为可用于机场数字地图表达的原子路段序列，是保证路径结果工程可用性的关键问题。

技术实现思路

1、针对以上现有技术的不足，本发明提出了一种基于高频运行语义压缩的航空器场面滑行路径生成方法，所述生成方法能够在保留原子路段完整表达能力的基础上，将航空器场面历史滑行路径中的高频连续路段片段提取为运行语义基元，降低长路段序列的表示负担，并结合地图、航班和气象多源运行信息生成满足机场场面静态拓扑连接关系的航空器滑行路径。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种基于高频运行语义压缩的航空器场面滑行路径生成方法，包括以下步骤：

4、步骤1、将地图匹配后的航空器场面滑行路段序列转换为由运行语义基元和原子路段组成的优化语义轨迹；

5、步骤2、将机场数字地图、航班起讫路段信息和metar报文转换为联合语义特征；

6、步骤3、在机场数字地图拓扑约束下，基于联合语义特征，生成航空器场面滑行路径。

7、优选的，所述步骤1具体包括：

8、步骤1-1、构建地图匹配后的航空器场面滑行路段序列和候选连续子路段集合；

9、步骤1-2、统计各候选连续子路段在航空器场面滑行路段序列中出现的频次，将所有满足预设频次条件的候选连续子路段构建为运行语义基元集合，并将全部原子路段作为生成单元集合；

10、步骤1-3、基于所述运行语义基元集合，将航空器场面滑行路段序列压缩为由运行语义基元和原子路段组成的优化语义轨迹。

11、优选的，所述步骤2具体包括：

12、步骤2-1、定义机场数字地图信息、航班起讫路段信息和metar报文的向量化表示；

13、步骤2-2、采用双流编码器对机场数字地图信息、航班起讫路段信息和metar报文进行联合语义编码；

14、步骤2-3、基于残差连接融合航班运行语义特征和气象运行语义特征，形成用于滑行路径生成的联合语义特征。

15、优选的，所述步骤3具体包括：

16、步骤3-1、利用机场数字地图中的拓扑连接信息构建生成单元拓扑约束；

17、步骤3-2、通过图约束注意力机制限制相邻生成单元之间的连接关系，利用语义路径前缀和联合语义特征，得到语义滑行路径；

18、步骤3-3、将语义滑行路径中的各运行语义基元展开为对应的原子路段序列，得到航空器场面滑行路径。

19、优选的，所述步骤1-1中航空器场面滑行路段序列集合的表达式为：

20、

21、其中，表示第条航空器场面滑行路段序列，，表示航空器场面滑行路段数量，表示中第

m个原子路段，，表示包含的原子路段数量，，表示机场数字地图中的原子路段集合；

22、候选连续子路段集合的表达式为：

23、

24、其中，表示候选连续子路段在中的起始位置，表示候选连续子路段的长度，表示候选连续子路段的最小长度，表示候选连续子路段的最大长度。

25、优选的，所述步骤1-3具体包括：

26、步骤1-3-1、按照出现频次或预设优先级对运行语义基元集合进行排序，得到有序运行语义基元集合；

27、步骤1-3-2、对于各航空器场面滑行路段序列，采用扫描指针从起始位置开始扫描，依次判断有序运行语义基元集合中是否存在运行语义基元与当前位置起始的多个连续原子路段匹配；若是，则将该运行语义基元加入优化语义轨迹，并将扫描指针后移个路段位置；若否，则将当前位置对应的原子路段加入优化语义轨迹，并将扫描指针后移一个路段位置。

28、优选的，所述步骤2-2中的双流编码器包括第一编码流和第二编码流，其中：

29、第一编码流用于对机场数字地图信息和航班起讫路段信息进行编码，得到航班运行语义特征：

30、第二编码流用于对metar报文进行编码，得到气象运行语义特征。

31、优选的，所述步骤2-3中残差连接融合的表达式为：

32、

33、其中，表示联合语义特征，表示归一化处理，表示融合权重，表示气象运行语义特征的投影函数。

34、优选的，所述步骤3-1中生成单元拓扑约束表达式为：

35、

36、其中，表示生成单元对应的出口原子路段，表示生成单元对应的入口原子路段，表示机场数字地图中的原子路段拓扑连接矩阵，表示生成单元集合，表示生成单元后允许连接生成单元，表示生成单元和生成单元之间不满足机场数字地图中的静态拓扑连接关系。

37、优选的，所述步骤3-2具体包括：

38、步骤3-2-1、基于语义路径前缀和联合语义特征，通过注意力解码函数计算下一位置的生成得分；

39、步骤3-2-2、将运行语义基元和原子路段统一作为候选生成单元，根据生成单元拓扑约束对候选生成单元进行约束，得到图约束后的生成得分；

40、步骤3-2-3、重复步骤步骤3-2-1和步骤3-2-2，直至到达目标路段、生成终止标识或达到预设最大生成长度，得到语义滑行路径。

41、相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

42、1. 本发明提出的基于高频运行语义压缩的航空器场面滑行路径生成方法，考虑到航空器场面路段序列长度较长且重复片段较多，本发明通过高频连续子路段挖掘和运行语义基元构建，将具有稳定运行含义的连续滑行片段提升为可复用的语义生成单元，减少了直接使用原子路段序列进行路径生成时的表示负担。

43、2. 考虑到航空器场面滑行路径受到机场地图、飞行计划和气象运行环境共同影响，本发明采用地图-航班-气象多源运行信息联合语义编码方式，通过双流编码器和残差连接融合不同来源的运行信息，使生成过程能够同时利用机场拓扑约束、航班起讫位置约束和metar报文所反映的气象运行条件。

44、3. 考虑到生成路径需要满足机场数字地图中的静态拓扑连接关系，本发明在路径生成过程中引入图约束注意力机制，利用机场数字地图中的路段连接关系限制候选生成单元之间的相邻连接，降低生成不连续路径、不可达路径或违反通行方向路径的可能性。

45、4. 考虑到最终路径需要服务于机场场面运行管理，本发明将生成的运行语义基元恢复为原子路段序列，使输出结果能够与机场数字地图中的路段标识直接对应，便于后续进行路径显示、路径校验、人工审查或场面运行管理模块调用。