一种基于风险场感知与硬软混合约束的飞行区车群连续时间路径规划方法及系统

本发明涉及智慧民航运行保障与智能交通，具体而言，涉及一种基于风险场感知与硬软混合约束的飞行区车群连续时间路径规划方法及系统。

背景技术：

1、机场飞行区地勤服务车辆需要在车库、机位、保障作业区和服务道路之间执行高频保障任务。车辆路径规划不仅需要给出空间路线，还需要确定车辆进入节点、占用边、等待和离开的连续时间序列。由于航空器在滑行道与服务道路交叉点、机位推出区域和机坪出入口具有较高运行优先级，车辆路径规划必须避开航空器占用时间窗，并与其他车辆保持时间和空间上的安全间隔。

2、现有多智能体路径规划方法通常采用冲突优先搜索、a星搜索或其变体解决多车辆路径冲突问题。这类方法能够处理车辆之间的顶点冲突和边冲突，但多以硬约束方式排除冲突状态，较少利用未来航空器-车辆冲突风险场信息。在机场飞行区场景中，不同服务道路边和不同节点在未来时间段内具有不同风险水平。如果路径规划只保证当前硬冲突不发生，而不考虑高风险区域的概率化风险信息，则可能选择穿越未来风险较高的节点或路段，导致控制车辆无法安全同行。另一方面，若将所有高风险区域简单关闭，则容易造成路径不可行或过度等待，影响车辆执行任务的保障效率。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明提出了一种基于风险场感知与硬软混合约束的飞行区车群连续时间路径规划方法及系统，以解决上述现有技术存在的飞行区车群路径规划方法通常仅使用硬冲突约束，难以利用边/节点概率化风险场引导路径选择，也缺少风险场与路径容量安全之间量化关系的问题。

2、为实现上述目的，本发明提出了一种基于风险场感知与硬软混合约束的飞行区车群连续时间路径规划方法，包括：

3、获取地勤服务车辆的任务集和服务道路网络的有向图数据；获取阻塞时间区间集合和风险场数据；有向图数据包括道路节点和表征节点之间移动的边；

4、根据所述任务集和有向图数据按代价函数最小的方向搜索得到连续时间路径；所述代价函数用于表征风险感知路径代价；在搜索过程中进行硬约束和软代价约束；其中，根据阻塞时间区间集合进行硬约束，根据风险场数据计算软代价加入代价函数以进行软代价约束；

5、对连续时间路径进行冲突检测，根据冲突检测结果添加冲突约束，根据冲突约束重新搜索，直到通过冲突检测，得到优化的连续时间路径；

6、根据车辆路径和风险场数据计算风险调整容量；根据所述风险调整容量进行判断；根据判断结果生成各车辆的可执行连续时间路径集。

7、可选的，所述代价函数为：

8、

9、其中，为基础路径代价，表示路径，和分别为边风险权重和节点风险权重，为车辆i在时间桶内占用边e的时长，为车辆i在时间桶内占用节点v的时长。

10、可选的，在硬约束中，当某车辆达到第一节点的时间落入第一节点的阻塞时间区间时，则判定车辆对应车辆路径中的节点-时间状态不可用，进行剪枝操作，所述第一节点为航空器通过的节点。

11、可选的，在软代价约束中，在搜索过程中，车辆在时间桶内占用节点或边时，根据对应时间桶和节点或边对应风险值数据增加到代价函数中；所述时间桶通过路径规划时间进行固定时间宽度划分获取。

12、可选的，冲突检测包括顶点冲突、同向边冲突和反向边冲突，其中所述顶点冲突为两辆车辆在重叠时间窗内占用同一节点；所述同向边冲突为同一边上，两辆车辆占用同一边且安全间隔不足；所述反向边冲突为两辆车相向占用同一边且占用时间区间重叠。

13、可选的，风险调整容量包括边风险调整容量和节点风险调整容量

14、

15、其中，为边e的原始容量，为节点v的原始容量，表示边超限风险场，表示节点超限风险场。

16、可选的，据所述风险调整容量进行判断的过程包括：

17、车辆路径集合是否满足安全约束，安全约束为：

18、

19、

20、其中，为车辆i的容量权重，为车辆i在时间桶内占用边e的指示变量，为车辆i在时间桶内占用节点v的指示变量，表示节点集合，表示边集合，t表示规划时间；

21、是否满足机会校准安全保证，校准安全保证为：

22、所有边和节点容量约束被满足

23、其中，总风险预算，，表示边-时间桶的风险预算和节点时间桶风险预算。

24、可选的，生成各车辆的可执行连续时间路径集后还包括：对可执行连续时间路径集进行节点风险暴露指标评估。

25、另一方面，本发明提供了一种基于风险场感知与硬软混合约束的飞行区车群连续时间路径规划系统，用于执行上述的方法。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果在于，

27、1.本发明将边超限风险场和节点超限风险场引入连续时间路径搜索，使车辆路径规划能够主动避开未来风险较高的服务道路边和节点；

28、2.本发明将航空器占用时间窗作为硬安全约束，将风险场作为软代价，能够在保证基本安全的同时避免因简单关闭高风险区域造成过度等待；

29、3.本发明通过独立的边风险权重和节点风险权重区分一般通行路段和航空器-车辆冲突点的不同安全意义；

30、4.本发明通过风险调整容量将概率化风险场转换为容量约束，为路径集的容量安全验证提供量化依据；

31、5.本发明输出的连续时间路径包含节点序列、到达时间、等待时间和安全验证结果，便于与飞行区车辆调度系统或自动驾驶控制系统衔接。

1.一种基于风险场感知与硬软混合约束的飞行区车群连续时间路径规划方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

9.一种基于风险场感知与硬软混合约束的飞行区车群连续时间路径规划系统，其特征在于，用于执行上述权利要求1-8任一项所述的方法。