跑道入侵防御系統(tǒng)的可重構(gòu)性研究*

許 峰 湯新民 揭 東 洪網(wǎng)君

(南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院 南京 210016)

跑道入侵防御系統(tǒng)的可重構(gòu)性研究*

許 峰 湯新民 揭 東 洪網(wǎng)君

(南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院 南京 210016)

為了實(shí)現(xiàn)跑道入侵防御系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，提出了一種基于Petri網(wǎng)跑道入侵防御系統(tǒng)的重構(gòu)方法.對(duì)監(jiān)視數(shù)據(jù)源進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析與處理，并基于標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建機(jī)場(chǎng)的矢量地圖模型，再結(jié)合機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面跑道結(jié)構(gòu)建立跑道Petri網(wǎng)控制器模型，構(gòu)建跑道狀態(tài)燈模型，利用重構(gòu)方法建立了各個(gè)模塊之間的接口，包括機(jī)場(chǎng)地圖模型與Petri網(wǎng)控制器模型、Petri網(wǎng)控制器與跑道狀態(tài)燈模型、車(chē)輛/航空器分布向量與Petri網(wǎng)控制器標(biāo)識(shí)向量、可控變遷的使能狀態(tài)向量與跑道狀態(tài)燈狀態(tài)向量，并通過(guò)案例說(shuō)明了跑道入侵防御系統(tǒng)重構(gòu)方法的有效性.

跑道入侵防御；Petri網(wǎng)控制器；接口；可重構(gòu)性

0 引 言

跑道是機(jī)場(chǎng)流量的瓶頸.隨著各個(gè)機(jī)場(chǎng)飛機(jī)架數(shù)的大幅增加，跑道入侵問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，跑道入侵防御系統(tǒng)的研究與應(yīng)用也越來(lái)越廣泛.國(guó)際民航組織(international civil aviation organization,ICAO)提出一個(gè)全新概念的“先進(jìn)的場(chǎng)面活動(dòng)引導(dǎo)和控制系統(tǒng)”(advanced surface movement guidance and control systems,A-SMGCS)[1]，將場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)、多點(diǎn)定位作為監(jiān)視源獲取航空器的位置，通過(guò)融合器將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，并將航空器和車(chē)輛位置信息顯示在機(jī)載活動(dòng)地圖(HUD)和ATC監(jiān)視器上，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)所有活動(dòng)目標(biāo)的自動(dòng)引導(dǎo)與控制，但未對(duì)系統(tǒng)的通用性問(wèn)題進(jìn)行闡述；歐洲EUROCONTROL、美國(guó)NASA,FAA等組織也分別提出了自己的預(yù)防跑道入侵事件的機(jī)場(chǎng)管制計(jì)劃.EUROCONTROL在A-SMGCS的基礎(chǔ)上提出歐洲機(jī)場(chǎng)活動(dòng)管理系統(tǒng)(european airport movement management by asmgcs,EMMA)，以監(jiān)視雷達(dá)、多點(diǎn)定位、ADS-B和飛行計(jì)劃等作為監(jiān)視數(shù)據(jù)源，以狀態(tài)機(jī)、預(yù)測(cè)機(jī)等作為邏輯器，以沖突告警、路徑引導(dǎo)、機(jī)載活動(dòng)地圖等手段作為控制器，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為完善，卻忽略了系統(tǒng)的重構(gòu)性問(wèn)題[2].美國(guó)NASA提出并研究了滑行道引導(dǎo)和情景意識(shí)系統(tǒng)(taxiway navigation and situation awareness system,T-NASA)[3]，將監(jiān)視雷達(dá)、多點(diǎn)定位和終端區(qū)監(jiān)控作為監(jiān)視源，以狀態(tài)機(jī)、預(yù)測(cè)引擎等作為邏輯器，以燈光系統(tǒng)和ATC監(jiān)視器作為控制器，但是該系統(tǒng)每應(yīng)用一個(gè)機(jī)場(chǎng)都需要重新設(shè)計(jì)，缺少一定的靈活性.FAA提出的場(chǎng)面運(yùn)行自動(dòng)化(surface operation automation research,SOAR)[4]由監(jiān)視數(shù)據(jù)源、邏輯器和控制器組成，利用監(jiān)視數(shù)據(jù)源與飛行計(jì)劃融合信息進(jìn)行邏輯處理，將場(chǎng)面情況、沖突信息、飛行計(jì)劃等信息在機(jī)載活動(dòng)地圖上顯示并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)引導(dǎo)，但沒(méi)有考慮到場(chǎng)面自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的通用化問(wèn)題；國(guó)內(nèi)以Tang等[5]為代表的學(xué)者對(duì)基于Petri網(wǎng)跑道入侵防御系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行了研究，注重于跑道入侵防御系統(tǒng)運(yùn)行原理，但是缺乏對(duì)系統(tǒng)靈活性和通用性的研究.

基于上述不足，本文主要對(duì)跑道入侵防御系統(tǒng)的可重構(gòu)性展開(kāi)研究.

1 跑道入侵防御系統(tǒng)

跑道入侵防御系統(tǒng)主要是指通過(guò)目標(biāo)探測(cè)工具獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)信息，將獲取數(shù)據(jù)信息通過(guò)有線或無(wú)線等路徑傳輸?shù)叫畔⑷诤现行模畔⑷诤现行母鶕?jù)控制要求和管制規(guī)范等條件，自動(dòng)將控制指令發(fā)送到控制終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行引導(dǎo)和控制的系統(tǒng)[6].在此基礎(chǔ)上，本文提出了由監(jiān)視數(shù)據(jù)源、機(jī)場(chǎng)地圖模型、Petri網(wǎng)控制器模型和跑道狀態(tài)燈模型四個(gè)模塊構(gòu)成的可重構(gòu)性跑道入侵防御系統(tǒng)，見(jiàn)圖1.由于本文中跑道入侵防御系統(tǒng)的可重構(gòu)性是指僅通過(guò)改變監(jiān)視數(shù)據(jù)源、機(jī)場(chǎng)地圖模型、Petri網(wǎng)控制器、跑道狀態(tài)燈模型以及它們之間的接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同機(jī)場(chǎng)跑道入侵防御系統(tǒng)的應(yīng)用.因此，本文主要針對(duì)可重構(gòu)性跑道入侵防御系統(tǒng)的四個(gè)模塊及其重構(gòu)方法展開(kāi)研究.

圖1 跑道入侵防御系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)

2 模塊構(gòu)建

2.1 監(jiān)視數(shù)據(jù)源處理

本文的監(jiān)視信息源擬采用ADS-B和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)兩種監(jiān)視源的數(shù)據(jù)融合方式，利用ADS-B和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)分別對(duì)航空器和車(chē)輛的位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取.

2.1.1ADS-B數(shù)據(jù)格式

ADS-B的數(shù)據(jù)信息是以ADS-B報(bào)文形式進(jìn)行傳輸，主要包括目標(biāo)的四維位置信息(經(jīng)度、緯度、高度和時(shí)間)和其它可能附加信息(沖突告警信息，飛行員輸入信息，航跡角，航線拐點(diǎn)等信息)以及飛機(jī)的識(shí)別信息和類別信息.為了提高ADS-B接收機(jī)的效率，ADS-B接收機(jī)僅提取了機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視的有用信息，則每條ADS-B數(shù)據(jù)可以用向量表示為

j=(i,a,B,L,H,v,c)

式中：i為飛機(jī)識(shí)別號(hào)；a為ICAO地址；B為緯度；L為經(jīng)度；H為海拔；v為速度；c為航向.

2.1.2北斗數(shù)據(jù)格式

北斗的數(shù)據(jù)信息主要包括目標(biāo)的位置信息(經(jīng)度、緯度、時(shí)間)和其他的附加信息(航向、速度、航線、起終點(diǎn)等信息)以及目標(biāo)終端識(shí)別信息和類別信息.北斗數(shù)據(jù)接收機(jī)也僅提取了機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視的有用信息，則每條北斗數(shù)據(jù)可以用向量表示為

k=(i,L,B,t,v,c)

式中：i為終端編號(hào)；L為經(jīng)度；B為緯度；t為時(shí)間；v為地速；c為航向.

2.1.3坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)中，機(jī)場(chǎng)地圖采用的是Mercator平面投影坐標(biāo)，而目標(biāo)的位置信息均采用的是WGS-84坐標(biāo)系，所以需要將WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為Mercator平面投影坐標(biāo)，將轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)經(jīng)過(guò)平移、旋轉(zhuǎn)和縮放轉(zhuǎn)換為本地坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)地圖坐標(biāo)系與目標(biāo)位置坐標(biāo)的匹配.

假設(shè)目標(biāo)M的經(jīng)緯度坐標(biāo)為(L，B，H)，目標(biāo)在Mercator投影坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(x,y,z)，則WGS-84經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為Mercator投影坐標(biāo)，并將投影坐標(biāo)X(x,y)經(jīng)過(guò)平移、旋轉(zhuǎn)和縮放，得到的平面坐標(biāo)X′(x′,y′)滿足：

(x,y,z)=f*(L.B.H)

(1)

(x′,y′)=g*(x,y)

(2)

式中：f*，g*見(jiàn)文獻(xiàn)[7].

2.2 機(jī)場(chǎng)地圖模型構(gòu)建

2.2.1機(jī)場(chǎng)矢量地圖模型構(gòu)建

為了避免跑道地圖模型的局限性，本文擬從機(jī)場(chǎng)整體出發(fā)構(gòu)建機(jī)場(chǎng)矢量地圖模型，即機(jī)場(chǎng)矢量地圖數(shù)據(jù)庫(kù).文獻(xiàn)[7]中有關(guān)構(gòu)建機(jī)場(chǎng)地圖數(shù)據(jù)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)主要從跑道、滑行道、停機(jī)坪和施工區(qū)四個(gè)部分進(jìn)行了描述.

機(jī)場(chǎng)的每個(gè)部分由多個(gè)要素組成，跑道由跑道元素、跑道交叉口、跑道入口點(diǎn)、跑道標(biāo)志、中心線、等待線、跑道路肩等要素組成；滑行道由滑行道元素、滑行道交叉口、滑行道道肩、滑行引導(dǎo)線、滑行道等待標(biāo)志等要素組成；停機(jī)坪主要由停機(jī)坪元素、等待引導(dǎo)線、停機(jī)點(diǎn)、停機(jī)區(qū)、除冰區(qū)等要素組成；施工區(qū)是指在飛行區(qū)內(nèi)由于損壞、維修等原因而進(jìn)行施工的多邊形區(qū)域.

2.2.2跑道入侵防御區(qū)域模型構(gòu)建

根據(jù)機(jī)場(chǎng)地圖數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，利用跑道元素多邊形A和滑行道元素多邊形E構(gòu)建跑道入侵防御區(qū)域模型.

將航空器和車(chē)輛活動(dòng)影響跑道安全的區(qū)域定義為跑道入侵防御區(qū)域集合W=WZ∪WY，Wz為航空器的進(jìn)近保護(hù)區(qū)wa和離場(chǎng)保護(hù)區(qū)wd集合，WY為由跑道元素多邊形A和與跑道連接的滑行道元素多邊形E組成的跑道入侵防御地面區(qū)域集合且WY=WA∪WE，利用分割線集合S=(s1,s2,…,sn)將跑道入侵防御地面區(qū)域WY分割，則WA={wR}，WE={w1,w2,w3,…,wn}，見(jiàn)圖2.wR為跑道區(qū)域圖形，wa為進(jìn)近保護(hù)區(qū)圖形，wd為離場(chǎng)保護(hù)區(qū)圖形，w1,w2,w3,…,wn為與跑道連接滑行道子區(qū)域圖形.

圖2 跑道入侵防御區(qū)域

2.3 Petri網(wǎng)控制器模型構(gòu)建

2.3.1跑道運(yùn)行模型

跑道運(yùn)行模型定義為Petri網(wǎng)N={P,T,Pre,Post,m}[8]，見(jiàn)圖3.機(jī)場(chǎng)的跑道運(yùn)行方向pD采用主用方向1，其中庫(kù)所集合P=PA∪PR∪PT，PA為塔臺(tái)管制進(jìn)近和離場(chǎng)區(qū)域WZ集合，PR為跑道區(qū)域WA集合，PT為與跑道連接的滑行道區(qū)域WE集合；變遷集合T=TC∪TU，TC和TU分別為可控變遷集合與不可控變遷集合；Pre為P×T的有向弧集，方向?yàn)閹?kù)所pi∈P到變遷tj∈T，權(quán)重為1；Post為T(mén)×P的有向弧集，方向?yàn)樽冞wtj∈T到庫(kù)所pi∈P，權(quán)重為1；m為標(biāo)識(shí)向量，反映了跑道控制區(qū)域內(nèi)航空器/車(chē)輛的分布狀況.

圖3 跑道運(yùn)行模型

2.3.2跑道運(yùn)行約束模型

根據(jù)跑道入侵防御規(guī)則，建立對(duì)車(chē)輛和航空器的跑道活動(dòng)控制規(guī)范.場(chǎng)面活動(dòng)模型狀態(tài)演變過(guò)程中所禁止?fàn)顟B(tài)可描述為標(biāo)識(shí)的加權(quán)和不超過(guò)某一上限，用線性不等式約束條件或與之等價(jià)的約束條件L·m≤b.L為標(biāo)識(shí)加權(quán)矩陣；m為場(chǎng)面狀態(tài)標(biāo)識(shí)，表示場(chǎng)面每個(gè)子區(qū)域內(nèi)車(chē)輛或航空器的數(shù)量；向量b為標(biāo)識(shí)加權(quán)和的閾值向量，對(duì)車(chē)輛和航空器主要有以下約束.

1) 一架航空器在跑道上起飛或著落，禁止車(chē)輛/航空器穿越跑道或在跑道上行駛 則其對(duì)應(yīng)的約束條件可以描述為

m(p28)≤1

(3)

2) 已經(jīng)發(fā)布落地許可，禁止車(chē)輛/航空器在跑道上行駛 則其對(duì)應(yīng)的約束條件可以描述為

m(p27)+m(p28)≤1

(4)

3) 禁止車(chē)輛/航空器從用于脫離跑道的滑行道進(jìn)入 當(dāng)采用主方向1運(yùn)行時(shí)m(pD)=1，航空器只能從滑行道w6,w8,w9,w10,w11,w12,w13脫離，所以脫離滑行道均禁止車(chē)輛/航空器進(jìn)入，則其對(duì)應(yīng)的約束條件可以描述為

(5)

2.3.3Petri網(wǎng)控制器模型設(shè)計(jì)

圖4為跑道采用主方向1時(shí)的Petri網(wǎng)控制器模型，本文擬在跑道運(yùn)行模型上利用添加控制器庫(kù)所pC的方法，利用控制庫(kù)所去控制可控變遷的使能狀態(tài)；對(duì)于不可控變遷，給跑道添加觀測(cè)庫(kù)所利用禁止弧來(lái)控制起飛等待變遷的狀態(tài).跑道Petri網(wǎng)控制器模型可以定義為

PN=(P,T,Pre,Post,C,V,m)

式中：C為控制庫(kù)所集，用于控制可控變遷的失能和使能；V為觀測(cè)庫(kù)所集，用于觀測(cè)從不可控變遷進(jìn)入跑道庫(kù)所的目標(biāo).

圖4 Petri網(wǎng)控制器模型

2.4 跑道狀態(tài)燈模型構(gòu)建

跑道狀態(tài)燈的作用主要是為了減少跑道入侵事件的頻率和嚴(yán)重程度，防止跑道入侵事故發(fā)生.為了利用跑道狀態(tài)燈去增強(qiáng)航空器和車(chē)輛駕駛員的情景意識(shí)，本文擬在跑道與滑行道交叉口的關(guān)鍵位置布置跑道進(jìn)入燈和起飛等待燈.

將布置在跑道入侵防御區(qū)域用于禁止機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)運(yùn)行的點(diǎn)集定義為跑道狀態(tài)燈模型L=LRELs∪LTHLs.LRELs為跑道進(jìn)入狀態(tài)燈集合，LTHLs為起飛等待狀態(tài)燈結(jié)合，見(jiàn)圖5.跑道進(jìn)入燈開(kāi)啟表示不允許航空器或車(chē)輛進(jìn)入跑道，起飛等待燈開(kāi)啟表示跑道端口的航空器處于等待起飛狀態(tài).基于跑道狀態(tài)燈亮和滅的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)控制整個(gè)跑道的運(yùn)行態(tài)勢(shì).

圖5 跑道狀態(tài)燈模型

3 重構(gòu)方法

3.1 機(jī)場(chǎng)跑道入侵防御系統(tǒng)的重構(gòu)方法設(shè)計(jì)

1) 根據(jù)前面所提到的模型構(gòu)建方法，分別建立機(jī)場(chǎng)地圖模型、Petri網(wǎng)控制器模型和跑道狀態(tài)燈模型.在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建機(jī)場(chǎng)地圖模型與Petri網(wǎng)控制器接口，利用跑道防御區(qū)域觀測(cè)器標(biāo)識(shí)Petri網(wǎng)控制器模型庫(kù)所，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛/航空器分布向量到庫(kù)所標(biāo)識(shí)向量的變換.

2) 以Petri網(wǎng)控制器模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建Petri網(wǎng)控制器模型與跑道狀態(tài)燈模型接口，根據(jù)Petri網(wǎng)可控變遷使能狀態(tài)向量與跑道狀態(tài)燈狀態(tài)向量變換關(guān)系，利用變遷使能狀態(tài)驅(qū)動(dòng)跑道狀態(tài)燈狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)變遷與跑道狀態(tài)燈的聯(lián)動(dòng)作用.

3.2 機(jī)場(chǎng)地圖模型與Petri網(wǎng)控制器接口

3.2.1跑道入侵防御區(qū)域集合與Petri網(wǎng)控制器庫(kù)所集合映射

將可重構(gòu)的跑道入侵防御區(qū)域集合W與跑道Petri網(wǎng)控制器模型中庫(kù)所集合P關(guān)聯(lián)關(guān)系的重構(gòu)過(guò)程定義為跑道入侵防御區(qū)域集合與Petri網(wǎng)控制器庫(kù)所集合映射Ω=(W,P,α).α:W×P→K，α為重構(gòu)規(guī)則下跑道入侵防御區(qū)域集合W與庫(kù)所集合P的關(guān)聯(lián)關(guān)系，關(guān)聯(lián)狀態(tài)K={0，1}.

因?yàn)镻etri網(wǎng)模型中有進(jìn)、出庫(kù)所，所以跑道入侵防御區(qū)域的一個(gè)子區(qū)域w可能對(duì)應(yīng)跑道Petri網(wǎng)模型中的兩個(gè)庫(kù)所pi,pj.根據(jù)重構(gòu)原理，將重構(gòu)規(guī)則α用二維重構(gòu)矩陣A表示，且滿足以下公式

p=Aw

(6)

3.2.2分割線集合與不可控變遷集合映射

將跑道入侵防御區(qū)域的分割線集合S與Petri網(wǎng)控制器模型中不可控變遷集合TU關(guān)聯(lián)關(guān)系的重構(gòu)過(guò)程定義為分割線集合與不可控變遷集合映射Γ=(S,TU,β).β:S×TU→K，β為重構(gòu)規(guī)則下分割線集合S與Petri網(wǎng)控制器不可控變遷集合TU的關(guān)聯(lián)關(guān)系，關(guān)聯(lián)狀態(tài)K={0，1}.則重構(gòu)規(guī)則β用二維重構(gòu)矩陣B表示，滿足下面公式：

tU=Bs

(7)

3.3 目標(biāo)分布向量與標(biāo)識(shí)向量變換

將映射δ:W→E稱為車(chē)輛航空器分布與跑道入侵防御區(qū)域的觀測(cè)器，E為n維單位向量的集合.δ滿足：假設(shè)車(chē)輛/航空器在τ時(shí)刻的位置為x(τ)，若x(τ)∈wj?δ(x(τ))=ej.ej為第j個(gè)元素的為1的單位向量.

(8)

又庫(kù)所向量與跑道入侵防御區(qū)域向量滿足p=Aw，所以標(biāo)識(shí)向量m與目標(biāo)分布向量y的變換可以表示為

m=qAy

(9)

3.4 Petri網(wǎng)控制器模型與跑道狀態(tài)燈模型接口

Petri網(wǎng)控制器模型與跑道狀態(tài)燈模型接口主要包括可控變遷與跑道狀態(tài)燈模型映射，可控變遷使能狀態(tài)向量與跑道狀態(tài)燈狀態(tài)向量變換.

將可重構(gòu)的跑道狀態(tài)燈集合L與跑道Petri網(wǎng)控制器模型中可控變遷集合Tc關(guān)聯(lián)關(guān)系的重構(gòu)過(guò)程定義為可控變遷與跑道狀態(tài)燈模型映射Λ=(L,TC,γ).γ:L×TC→K，γ為重構(gòu)規(guī)則下跑道狀態(tài)燈集合L與變遷集合Tc的關(guān)聯(lián)關(guān)系，關(guān)聯(lián)狀態(tài)K={0，1}.

跑道狀態(tài)燈模型包括起飛等待狀態(tài)燈、跑道進(jìn)入狀態(tài)燈.跑道Petri網(wǎng)模型中進(jìn)出庫(kù)所由兩個(gè)變遷來(lái)控制，但是跑道入侵防御系統(tǒng)只需要控制進(jìn)入跑道庫(kù)所的變遷狀態(tài)，而不需要控制從跑道庫(kù)所出去的變遷狀態(tài).因此，跑道進(jìn)入燈子狀態(tài)燈l只要與進(jìn)入跑道庫(kù)所的變遷t對(duì)應(yīng).根據(jù)狀態(tài)燈重構(gòu)原理，將重構(gòu)規(guī)則γ用二維重構(gòu)矩陣C表示，滿足：

l=CtC

(10)

3.5 可控變遷使能狀態(tài)向量與跑道狀態(tài)燈狀態(tài)向量變換

可控變遷使能狀態(tài)e={0,1}，其中1為變遷使能，0為變遷失能；狀態(tài)燈狀態(tài)f={0,1}，其中1為狀態(tài)燈l處于開(kāi)啟狀態(tài)，0為燈l處于關(guān)閉狀態(tài).

將可控變遷在τ時(shí)刻所處得使能狀態(tài)稱為可控變遷使能狀態(tài)向量u.將跑道狀態(tài)燈在τ時(shí)刻所處得狀態(tài)稱為跑道狀態(tài)燈狀態(tài)向量v.

又跑道狀態(tài)燈向量與可控變遷向量滿足l=CtC，所以可控變遷使能狀態(tài)向量與跑道狀態(tài)燈狀態(tài)向量的變換可以表示為

(11)

4 案例分析

本文在ArcGIS二次開(kāi)發(fā)監(jiān)視平臺(tái)上，以南京祿口機(jī)場(chǎng)為例，根據(jù)DOC 9881文件有關(guān)機(jī)場(chǎng)地圖數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，建立了該機(jī)場(chǎng)的矢量地圖模型，見(jiàn)圖6.在此基礎(chǔ)上，對(duì)跑道入侵防御系統(tǒng)的重構(gòu)進(jìn)行分析.

圖6 祿口機(jī)場(chǎng)矢量地圖模型

在機(jī)場(chǎng)矢量地圖模型的基礎(chǔ)上，以祿口機(jī)場(chǎng)的06-24和07-25兩條跑道區(qū)域作為本文的研究對(duì)象，對(duì)兩條跑道入侵防御區(qū)域進(jìn)行單元區(qū)域劃分，并在跑道的關(guān)鍵位置設(shè)置可控的跑道狀態(tài)燈模型，見(jiàn)圖7.兩條跑道劃分區(qū)域包括航空器的進(jìn)近和離場(chǎng)單元保護(hù)區(qū)wa,wa2,wd,wd2,跑道單元區(qū)域wR,wR2，與跑道連接的滑行道單元區(qū)域w1～w13、w14～w21；l1,l2,l3,l4,l7,l8,l11分別為航空器/車(chē)輛由滑行道區(qū)域w1,w2,w12,w13,w14,w15,w21進(jìn)入跑道的禁止?fàn)顟B(tài)燈，l5,l6,l10,l11為起飛等待狀態(tài)燈.

根據(jù)圖7構(gòu)建航空器和車(chē)輛聯(lián)合運(yùn)行的Petri網(wǎng)控制器模型，并且Petri網(wǎng)控制器模型會(huì)以XML文件形式保存.

圖7 跑道入侵防御區(qū)域圖

在以上模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行跑道入侵防御系統(tǒng)的重構(gòu)分析.根據(jù)重構(gòu)規(guī)則，采用映射關(guān)系建立機(jī)場(chǎng)地圖模型與Petri網(wǎng)控制器接口，Petri網(wǎng)控制器模型與跑道狀態(tài)燈模型接口.利用C#程序?qū)C(jī)場(chǎng)矢量地圖模型、跑道入侵防御模型、Petri網(wǎng)控制器模型、跑道狀態(tài)燈模型以及他們之間的接口進(jìn)行解析與加載，然后利用重構(gòu)方法實(shí)現(xiàn)跑道入侵防御區(qū)域目標(biāo)分布向量與庫(kù)所標(biāo)識(shí)向量變換、可控變遷使能狀態(tài)向量與狀態(tài)燈狀態(tài)向量變換，即實(shí)現(xiàn)了跑道入侵防御系統(tǒng)的重構(gòu).

以祿口機(jī)場(chǎng)的07-25跑道入侵防御單元區(qū)域?yàn)槔?，則其接口對(duì)應(yīng)的重構(gòu)公式分別為

p′=A1w′

tU′=B1s′

l′=C1tC′

(12)

a1,1=a2,1=a3,2=a4,2=…=a25,13=a26,13=1，a27,14=a28,15=a29,16=1且其余值都為0；

b15,3=b21,4=…=b47,11=1且其余值都為0；

c1,6=c2,10=c3,50=c4,54=c5,3=1且其余值都為0.

同理，06-24跑道入侵防御單元區(qū)域的重構(gòu)公式為

p″=A2w″

tU″=B2s″

l″=C2tC″

(13)

利用祿口機(jī)場(chǎng)接口的重構(gòu)規(guī)則，將其作用于跑道入侵防御區(qū)域模型、Petri網(wǎng)控制器模型和跑道狀態(tài)燈模型，得到重構(gòu)后的關(guān)系模型，見(jiàn)圖8.

另外，此時(shí)跑道運(yùn)行方向m(pD)=1，控制器庫(kù)所標(biāo)識(shí)m(pC)=1，當(dāng)跑道單元區(qū)域不存在航空器或車(chē)輛時(shí)，Petri網(wǎng)控制器的動(dòng)態(tài)初始狀態(tài)滿足以下兩個(gè)條件：

圖8 祿口機(jī)場(chǎng)重構(gòu)關(guān)系模型

1) 由重構(gòu)矩陣A(A1，A2)可知，航空器/車(chē)輛在跑道入侵防御區(qū)域內(nèi)目標(biāo)分布向量與庫(kù)所標(biāo)識(shí)向量的關(guān)系滿足

(14)

(15)

式中：目標(biāo)分布向量y′=y″=0，目標(biāo)方向向量q′=q″=0，庫(kù)所標(biāo)識(shí)向量m′=m″=0.

2) 由重構(gòu)矩陣C(C1，C2)可知，可控變遷使能狀態(tài)向量與跑道狀態(tài)燈狀態(tài)向量關(guān)系為

(16)

(17)

通過(guò)以上的重構(gòu)規(guī)則，分別得到祿口機(jī)場(chǎng)兩條跑道單元區(qū)域重構(gòu)后的關(guān)系模型以及動(dòng)態(tài)變換關(guān)系.根據(jù)以上祿口機(jī)場(chǎng)跑道防御區(qū)域的重構(gòu)過(guò)程分析可知，通過(guò)改變重構(gòu)矩陣A(A1，A2)，B(B1，B2)和C(C1，C2)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)跑道入侵防御系統(tǒng)單跑道或多跑道的重構(gòu)和應(yīng)用，從而保證了跑道入侵防御系統(tǒng)的靈活性.

5 結(jié) 束 語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前跑道入侵防御系統(tǒng)可重構(gòu)性的問(wèn)題，本文提出了一種基于Petri網(wǎng)控制器跑道入侵防御系統(tǒng)的重構(gòu)方法，該方法具有模塊化、靈活性及通用性的特點(diǎn).建立了跑道入侵防御系統(tǒng)各模塊的模型，并利用重構(gòu)方法建立了各模塊之間的接口.通過(guò)祿口機(jī)場(chǎng)案例應(yīng)用重構(gòu)方法對(duì)跑道入侵防御系統(tǒng)的可重構(gòu)性進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)，得出可以通過(guò)改變重構(gòu)矩陣將其應(yīng)用于單個(gè)跑道或多個(gè)跑道，甚至其他機(jī)場(chǎng)的結(jié)論，證明了本文跑道入侵防御系統(tǒng)重構(gòu)方法的可行性.

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Research on the Reconstitution of Runway Incursion Prevention System

XUFengTANGXinminJIEDongHONGWangjun

(CollegeofCivilAviation,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)

In order to achieve the flexibility of the application of runway incursion system, a method named the reconstitution of Petri-net-based runway incursion prevention system is proposed. Firstly, the data from monitoring source is analyzed. Based on the standard the model of the airport vector map are constructed. Then the model of Petri-net controller is built in reference to the structure of runway in airport, and the model of runway lights is constructed. Moreover, connections between four models are constructed with the method of reconstitution, including the connection between the model of airport map and the model of Petri-net controller, the connection between the model of Petri-net controller and the model of runway lights, the mapping relationship between the distribution of aircrafts/vehicles and the marking vector of place, the mapping relationship between the enable state of transition under control and the state of runway lights. Finally, a case study is given to validate the effectiveness of the reconstitution method of runway incursion prevention system.

runway incursion prevention; Petri-net controller; connection; reconstitution

V355

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.05.022

2017-08-10

許峰(1992—)：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)橄冗M(jìn)場(chǎng)面活動(dòng)引導(dǎo)與控制系統(tǒng)

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1433125,61773202)、江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20141413)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(NS2014065)資助