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基于改进支持向量机的空域交通态势识别方法

朱承元 张澈 管建华

朱承元, 张澈, 管建华. 基于改进支持向量机的空域交通态势识别方法[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(2): 76-85. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.02.008
引用本文: 朱承元, 张澈, 管建华. 基于改进支持向量机的空域交通态势识别方法[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(2): 76-85. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.02.008
ZHU Chengyuan, ZHANG Che, GUAN Jianhua. A Method for Monitoring Traffic State in the Airspace Based on an Improved Support Vector Machine[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(2): 76-85. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.02.008
Citation: ZHU Chengyuan, ZHANG Che, GUAN Jianhua. A Method for Monitoring Traffic State in the Airspace Based on an Improved Support Vector Machine[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(2): 76-85. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.02.008

基于改进支持向量机的空域交通态势识别方法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.02.008
基金项目: 

国家自然科学基金项目 U1833103

国家自然科学基金项目 62173332

工信部民用飞机专项 MJ-2020-S-03

详细信息
    通讯作者:

    朱承元(1965—),博士,副教授. 研究方向:空域规划与仿真. E-mail:cyzhu@cauc.edu.cn

  • 中图分类号: V355.1

A Method for Monitoring Traffic State in the Airspace Based on an Improved Support Vector Machine

  • 摘要: 为了准确分析空域交通态势,针对当前空域交通态势感知中管制行为因素难以度量的问题,从多种管制员工作负荷的角度进行量化分析。借助全空域及机场模型软件(Total Airspace and Airport Modeller,TAAM)建立空域仿真模型,研究了栅格化空域场景下基于改进支持向量机(support vector machine,SVM)的空域交通态势识别方法。通过对比不同的栅格化方案,结合管制员实际运行经验确定栅格形状和尺寸,以边长为25 km的六边形为最小单元,对目标空域进行栅格化处理。在引入多种管制负荷的基础上同时考虑导航设施的分布情况,建立空域交通态势识别指标体系,运用K-means聚类算法对降维后的仿真样本数据进行聚类分析,获取先验分类数据。在支持向量机模型的基础上,引入麻雀搜索算法(sparrow search algorithm,SSA),构建基于麻雀搜索算法优化支持向量机(SSA-SVM)的空域交通态势识别模型。依据适应度对解集进行划分,对模型关键参数核函数参数σ和惩罚系数C进行优化,确定了1组泛化能力强同时避免过拟合问题的参数组合,并将栅格化空域交通态势划分为4个等级。以西安区域管制区为对象开展仿真实验,结果表明:与基于遗传算法优化支持向量机(GA-SVM)的空域交通态势识别模型相比,SSA-SVM模型克服了GA-SVM模型确定的的过拟合问题,平均分类识别准确率提高2.50%,最佳分类识别准确率提高1.73%;在176个栅格中,拥堵态、拥挤态和平稳态栅格个数分别为26、18和51,模型识别结果与基于管制员经验划分的复杂空域相比,覆盖率可达95%,验证了提出方法对空域交通态势识别及降低管制员工工作负荷的有效性。

     

  • 图  1  不同形状的SEL对比

    Figure  1.  Comparison of SEL in different shapes

    图  2  SEL生成过程

    Figure  2.  SEL generation process

    图  3  参数Cσ的编码方式

    Figure  3.  Encoding method for parameters of C and σ

    图  4  栅格化空域交通态势识别流程

    Figure  4.  Rasterized airspace traffic situation identification process

    图  5  目标空域SEL尺寸

    Figure  5.  SELsize of target airspace

    图  6  西安区域管制空域栅格化及冲突点表征

    Figure  6.  Rasterization and conflict point characterization of Xi'an area control airspace

    图  7  目标空域栅格化仿真模型

    Figure  7.  Rasterization simulation model of target airspace

    图  8  模型指标数据

    Figure  8.  Index data of model

    图  9  基于K-means算法的样本数据

    Figure  9.  Sample data based on K-means algorithm

    图  10  适应度变化曲线对比

    Figure  10.  Comparison of fitness curve

    图  11  模型测试集样本预测分类与实际分类对比

    Figure  11.  Comparison between predicted and actual classification of model test set samples

    图  12  栅格化空域态势识别结果与基于管制经验的拥堵空域对比

    Figure  12.  Comparison between rasterized airspace situation recognition results and congested airspace based on control experience

    表  1  指标载荷系数

    Table  1.   Load factor of each index

    主成分 态势评估指标的重要程度
    V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7
    Y1 0.764 0.614 0.191 0.016 0.035 0.045 0.062
    Y2 0.154 0.088 0.079 0.029 0.219 0.110 0.949
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    表  2  模型分类结果比较

    Table  2.   Comparison of model classification results

    识别模型 参数组合 样本数 准确点数
    GA-SVM C =63.783 5 120 115
    σ =0.292 3
    SSA-SVM C =30.099 4 120 119
    σ =3.364 7
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2022-03-07
  • 网络出版日期:  2023-06-19

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