機(jī)坪管制新技術(shù)研究
——以大興機(jī)場為例

□ 北京大興國際機(jī)場管理中心運(yùn)行管理部 孟麗娜/ 文

民航局指出，雙跑道或多跑道機(jī)場及2020 年預(yù)計(jì)年旅客吞吐量超過1000 萬人次的機(jī)場全部列入機(jī)坪管制移交機(jī)場名單，重點(diǎn)機(jī)場要在2019 年初完成機(jī)坪管制移交工作，其他機(jī)場到2019 年底全部完成。據(jù)統(tǒng)計(jì)至2018 年底國內(nèi)千萬級(jí)機(jī)場達(dá)到37 個(gè)。

我國機(jī)坪管制移交實(shí)施較晚，第一個(gè)進(jìn)行機(jī)坪管制移交的是杭州蕭山機(jī)場，于2015 年完成，2018 年前完成機(jī)坪管制移交的只有3 個(gè)機(jī)場，這意味著有1 年以上機(jī)坪管制經(jīng)驗(yàn)的機(jī)場只有4 個(gè)，我國機(jī)坪管制經(jīng)驗(yàn)較為缺乏。從當(dāng)前僅有4 個(gè)1 年以上機(jī)坪管制經(jīng)驗(yàn)的機(jī)場到全國千萬級(jí)機(jī)場全面實(shí)施機(jī)坪管制，這對(duì)機(jī)坪管制領(lǐng)域來講既是機(jī)遇又是挑戰(zhàn)。

2018 年，民航局發(fā)布了《新時(shí)代民航強(qiáng)國建設(shè)綱要》，明確指出要高質(zhì)量推進(jìn)機(jī)場規(guī)劃建設(shè)，建設(shè)平安、綠色、智慧、人文的四型機(jī)場。智慧機(jī)場是未來機(jī)場建設(shè)發(fā)展的目標(biāo)，作為智慧機(jī)場建設(shè)的有效手段之一，智慧機(jī)坪管制也是未來的必然發(fā)展方向。

智慧機(jī)坪管制的快速發(fā)展離不開信息技術(shù)的支撐，而信息科技的迅速發(fā)展，使機(jī)坪管制得以借力大數(shù)據(jù)、人工智能（Artificial Intelligence，AI）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智慧化、數(shù)據(jù)化的迅速發(fā)展。

本文立足于機(jī)坪管制新技術(shù)發(fā)展，對(duì)智慧機(jī)坪管制進(jìn)行了研究，并結(jié)合大興機(jī)場機(jī)坪管制特點(diǎn)提出了可操作的交互式顯示全景視圖、機(jī)場全息投影、3D 機(jī)場實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模型、VR 模擬機(jī)訓(xùn)練系統(tǒng)、機(jī)坪內(nèi)沖突告警系統(tǒng)等新的智能機(jī)坪管制構(gòu)想，以期助力北京大興國際機(jī)場智慧機(jī)坪管制及智慧機(jī)場的建設(shè)發(fā)展。

可操作的交互式顯示全景視圖

當(dāng)前，遠(yuǎn)程虛擬數(shù)字塔臺(tái)解決方案中的機(jī)場視圖，采用的是視頻錄像全景拼接方案，只是單純的顯示機(jī)場內(nèi)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。前文中提到的增強(qiáng)機(jī)場視覺顯示（EAVD）系統(tǒng)具有可操作功能，例如對(duì)飛機(jī)進(jìn)行標(biāo)記，可以使用圖形重疊在顯示系統(tǒng)中對(duì)一些不允許飛機(jī)滑行的區(qū)域進(jìn)行封鎖。

在可操作的機(jī)場視圖顯示系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，希望未來遠(yuǎn)程虛擬數(shù)字塔臺(tái)的機(jī)場全景視圖是可以交互式顯示的視圖，且具有以下功能：

1. 可交互式顯示地面上飛機(jī)的信息標(biāo)牌，即鼠標(biāo)指示某飛機(jī)，即可顯示該飛機(jī)的信息標(biāo)牌，包含其航班計(jì)劃、機(jī)位、機(jī)型等信息；

2. 交互式顯示某飛機(jī)的滑行路線，當(dāng)管制員遺忘某些飛機(jī)的狀態(tài)時(shí)，即可使用鼠標(biāo)操作顯示該飛機(jī)的滑行路線。

全息投影在機(jī)場視圖中的應(yīng)用

全息投影技術(shù)（front-projected holographic display）屬于3D 技術(shù)的一種，原指利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)三維圖像的技術(shù)。而后隨著科幻電影與商業(yè)宣傳的引導(dǎo)，全息投影的概念逐漸延伸到舞臺(tái)表演、展覽展示等商用活動(dòng)中。平時(shí)所熟知的全息往往并非嚴(yán)格意義上的全息投影，而是使用珮珀?duì)柣孟?、邊緣消隱等方法實(shí)現(xiàn)3D 效果的一類全息投影技術(shù)。

（一）全息投影技術(shù)優(yōu)勢

全息技術(shù)能記錄物體光波振幅和相位的全部信息，并能把它再現(xiàn)出來。因此，應(yīng)用全息技術(shù)可以獲得與原物完全相同的立體像（從不同角度觀察全息圖的再現(xiàn)虛像，可以看到物體的不同側(cè)面，有視察效應(yīng)和景深感）。

全息圖的任何局部都能再現(xiàn)原物的基本形狀，物體上任意點(diǎn)散射的球面波可抵達(dá)全息干板的每個(gè)點(diǎn)或每個(gè)局部，與參考光相干涉形成基元全息圖，也就是全息圖的每個(gè)點(diǎn)或局部都記錄著來自所有物點(diǎn)的散射光。因此，物體全息圖每一局部都可以再現(xiàn)記錄時(shí)所有照射到該點(diǎn)局部的物點(diǎn)，形成物體的像，也就是破損后部分全息圖仍能再現(xiàn)物體的像。

（二）全息投影在機(jī)場視圖中的應(yīng)用

目前，在機(jī)場管制中運(yùn)用的是機(jī)場場面監(jiān)視雷達(dá)，雖然它能使管制員全面了解和掌握機(jī)場場面上各類目標(biāo)的分布和活動(dòng)情況，但是也存在一定的局限。在機(jī)場場面監(jiān)視雷達(dá)中看到的飛機(jī)車輛等都是一個(gè)個(gè)小圓圈或者飛機(jī)模樣的圖標(biāo)，所以在機(jī)場場面監(jiān)視雷達(dá)中不太容易 “看到” 飛機(jī)的具體形態(tài)和位置，例如，某停機(jī)位飛機(jī)推出，對(duì)相鄰機(jī)位或者滑行道口造成影響，但是由于機(jī)場場面監(jiān)視雷達(dá)的局限性，不能明確判斷出到底影響了多少。

如果機(jī)場管制中運(yùn)用了全息投影技術(shù)，機(jī)坪上的顯示情況都可以按照制定比例呈現(xiàn)在管制員眼中，管制員的眼睛就可以像天眼一樣，全方位無盲區(qū)的從宏觀及細(xì)節(jié)上掌握飛機(jī)動(dòng)態(tài)。

同樣，機(jī)場全息投影視圖未來也可以應(yīng)用于遠(yuǎn)程塔臺(tái)，從而取代全景拼接視圖，實(shí)現(xiàn)機(jī)坪運(yùn)行精準(zhǔn)管制。

3D 機(jī)場實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模型

機(jī)坪管制工作最重要的是能看到場面情況，特別是航空器及車輛的位置、動(dòng)態(tài)及與周邊物體的相對(duì)關(guān)系。

能看到航空器動(dòng)態(tài)，則可以實(shí)時(shí)監(jiān)控指揮，能掌握航空器與周邊物體的相對(duì)關(guān)系，則能準(zhǔn)確識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)所在，保障運(yùn)行安全。

3D 機(jī)場實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模型，通過關(guān)聯(lián)航空器的多點(diǎn)定位信息及場監(jiān)雷達(dá)信息來對(duì)航空器及車輛實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)追蹤。并在此基礎(chǔ)上，對(duì)航空器及周邊物體及環(huán)境進(jìn)行三維建模，將整體運(yùn)行環(huán)境通過等比例3D 立體模型進(jìn)行展示。3D 立體機(jī)場實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模型，可以將場面運(yùn)行情況與實(shí)物等比例實(shí)時(shí)顯示在終端上，不僅清晰的展示了場面情況，還可以直觀的幫助管制員判斷航空器的動(dòng)態(tài)、形態(tài)及與周邊物體的相對(duì)關(guān)系；同時(shí)，模型還可以進(jìn)行多角度調(diào)整顯示，讓管制員能夠在席位上即可將機(jī)場運(yùn)行情況及航空器態(tài)勢了如指掌。

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)在模擬機(jī)訓(xùn)練中的使用

在虛擬管制員工作席技術(shù)及RETINA 項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，提出了虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)在模擬機(jī)訓(xùn)練中的使用。與虛擬管制員工作席相同，管制席的模擬訓(xùn)練設(shè)備只需要一個(gè)VR 眼鏡和手持控制器，再配合一個(gè)機(jī)長席的操作系統(tǒng)即可構(gòu)成整個(gè)模擬機(jī)訓(xùn)練系統(tǒng)。

相比當(dāng)前的模擬機(jī)系統(tǒng)，不需要很大的機(jī)房放置設(shè)備，也不需要常駐系統(tǒng)維護(hù)人員，并且設(shè)備輕便可隨時(shí)移動(dòng)，模擬機(jī)訓(xùn)練的空間也可以靈活選擇或者變動(dòng)。

機(jī)坪內(nèi)沖突告警系統(tǒng)

機(jī)坪管制工作目標(biāo)有很多，包括減少航空器滑行沖突、縮短航空器地面滑行等待時(shí)間、提高廊橋使用率、提升機(jī)坪運(yùn)行效率、改善航班放行正常率等，但最重要的是避免航空器在機(jī)坪運(yùn)行中發(fā)生沖突。

機(jī)坪管制員培養(yǎng)的核心目標(biāo)就是建立機(jī)坪運(yùn)行情景意識(shí)，掌握航空器進(jìn)出港動(dòng)態(tài)，預(yù)判并識(shí)別航空器在機(jī)坪運(yùn)行中可能產(chǎn)生的沖突，并提前制定指揮預(yù)案避免沖突，進(jìn)而實(shí)時(shí)發(fā)布指令并監(jiān)視航空器動(dòng)作到位。

從人機(jī)安全工程學(xué)的角度考慮，管制員作為人的要素，一旦以上任何一環(huán)工作產(chǎn)生失誤，都會(huì)極大的威脅機(jī)坪運(yùn)行安全，并且降低機(jī)坪運(yùn)行效率。而管制員容易失誤的地方包括遺忘航空器動(dòng)態(tài)、沖突預(yù)判識(shí)別不全面、預(yù)判不準(zhǔn)確、突發(fā)狀況下喪失情景意識(shí)等。因此提出機(jī)位動(dòng)態(tài)沖突告警系統(tǒng)，將需要管制員執(zhí)行的該部分腦力活動(dòng)，轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)功能，由計(jì)算機(jī)執(zhí)行，輔助管制員工作并為管制員的決策提供可靠參考，減少由于管制員人為原因造成的不安全事件。

（一）系統(tǒng)工作原理

1. 系統(tǒng)主要基于電子進(jìn)程單系統(tǒng)，可提取當(dāng)前電子進(jìn)程單系統(tǒng)中涉及的所有機(jī)位狀態(tài)，并且可以隨著電子進(jìn)程單狀態(tài)的變動(dòng)而變動(dòng)。

2. 系統(tǒng)可結(jié)合場面監(jiān)視系統(tǒng)，實(shí)時(shí)捕捉電子進(jìn)程單對(duì)應(yīng)航空器的位置。

3. 根據(jù)電子進(jìn)程單中的機(jī)型及上一動(dòng)作的時(shí)刻等，推演當(dāng)前動(dòng)作的持續(xù)時(shí)間，及下一步動(dòng)作的起始時(shí)間，至電子進(jìn)程單移交其他席位為止。例如，某航班的電子進(jìn)程單中顯示其機(jī)型為B737-MAX8，于00 ∶00 電子進(jìn)程單狀態(tài)變?yōu)橥瞥鲩_車，系統(tǒng)會(huì)預(yù)判00∶00～00∶10±2為推出開車狀態(tài)，00 ∶11±2 ～00 ∶16±2 為滑行狀態(tài)。系統(tǒng)推演的實(shí)際某狀態(tài)持續(xù)時(shí)間及誤差范圍，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得。

4. 就任意機(jī)位狀態(tài)變動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示當(dāng)前電子進(jìn)程單系統(tǒng)中所涉且互相影響的其他機(jī)位。例如101 機(jī)位狀態(tài)為推出開車，當(dāng)管制員操作102 機(jī)位航班動(dòng)態(tài)變?yōu)橥瞥鲩_車時(shí)，系統(tǒng)會(huì)告警機(jī)位沖突，建議不執(zhí)行當(dāng)前指令。機(jī)位推出開車規(guī)則，及各狀態(tài)下會(huì)互相影響的機(jī)位關(guān)系，需要提前輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

5. 當(dāng)電子進(jìn)程單狀態(tài)變?yōu)榛袝r(shí)，系統(tǒng)在實(shí)時(shí)追蹤航空器位置且預(yù)判滑行時(shí)長的情況下，會(huì)判斷該電子進(jìn)程單對(duì)應(yīng)的航空器將占用的滑行路線。例如101 機(jī)位飛機(jī)滑出時(shí)會(huì)經(jīng)過在同一條C 滑行路線上的105 機(jī)位，當(dāng)101 機(jī)位航空器00 ∶11 滑出后，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)定位該航空器，并預(yù)判當(dāng)前時(shí)刻至00 ∶16±2 時(shí)刻滑行將占用的滑行道。如果管制員在00 ∶13 試圖將105 機(jī)位電子進(jìn)程單狀態(tài)變更為推出開車時(shí)，此時(shí)101 機(jī)位航空器定位滑行至103 機(jī)位后方，系統(tǒng)將告警在C滑行道上存在沖突，建議105機(jī)位航空器不可推出開車。

6. 可根據(jù)電子進(jìn)程單當(dāng)前狀態(tài)及預(yù)判狀態(tài)進(jìn)行機(jī)位占用沖突告警。例如當(dāng)前時(shí)刻為00 ∶05，電子進(jìn)程單系統(tǒng)新出現(xiàn)一個(gè)電子進(jìn)程單，顯示有一架預(yù)計(jì)00 ∶10 進(jìn)港的航班停機(jī)位為101。告警系統(tǒng)預(yù)判其在00 ∶15±2 進(jìn)入機(jī)坪管制區(qū)域滑行至機(jī)位，而101 機(jī)位有一架預(yù)計(jì)出港的航班還未申請(qǐng)推出開車，當(dāng)00 ∶10 進(jìn)港航班電子進(jìn)程單出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行機(jī)位占用告警，提醒管制員進(jìn)行處理。

機(jī)坪管制員手中的航班電子進(jìn)程單動(dòng)態(tài)包括預(yù)計(jì)離港、推出開車、滑行、預(yù)計(jì)進(jìn)港共4 種狀態(tài)，可能存在的沖突包括推出開車相鄰機(jī)位的沖突、滑行狀態(tài)下滑行道上的沖突及滑行航空器與推出開車狀態(tài)航空器的沖突、進(jìn)離港航班機(jī)位占用沖突等，沖突種類較少，容易識(shí)別，告警系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)。告警系統(tǒng)不僅可以基于電子進(jìn)程單，還可以在場監(jiān)系統(tǒng)上自動(dòng)閃爍告警互相影響的機(jī)位及占用的滑行道，并根據(jù)航空器動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)追蹤變更。

總結(jié)：

隨著中國民用航空業(yè)的快速發(fā)展, 機(jī)坪運(yùn)行規(guī)模不斷擴(kuò)大, 為了提高機(jī)坪運(yùn)行效率, 保障運(yùn)行安全, 機(jī)坪管制移交工作已經(jīng)在全國多個(gè)機(jī)場推進(jìn)展開, 并成為必然發(fā)展趨勢。北京大興國際機(jī)場是我國惟一一個(gè)開航之初就需完成機(jī)坪移交的機(jī)場。由于塔臺(tái)建設(shè)的限制，大興機(jī)場將面臨塔臺(tái)指揮盲區(qū)大、機(jī)坪運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、空地指揮流程間接等現(xiàn)狀, 如何在保障安全的基礎(chǔ)上提升機(jī)坪運(yùn)行效率對(duì)于大興國際機(jī)場而言是重中之重。

本文立足于機(jī)坪管制新技術(shù)發(fā)展對(duì)智慧機(jī)坪管制進(jìn)行了研究，對(duì)大興機(jī)場建設(shè)智慧機(jī)坪管制進(jìn)行了暢想，提出了可操作的交互式顯示全景視圖、將全息投影應(yīng)用到機(jī)場視圖、VR 在模擬機(jī)訓(xùn)練系統(tǒng)中的應(yīng)用、機(jī)坪內(nèi)沖突告警系統(tǒng)等新構(gòu)想。希望通過對(duì)以上機(jī)坪管制新技術(shù)的研究和應(yīng)用，助力大興機(jī)場智慧機(jī)坪管制建設(shè)，從而彌補(bǔ)機(jī)坪管制塔臺(tái)視野窄、盲點(diǎn)多的缺陷，突破傳統(tǒng)的機(jī)坪運(yùn)行管理理念和手段對(duì)大興機(jī)場的制約，在保障機(jī)坪運(yùn)行安全的基礎(chǔ)上，提高機(jī)坪運(yùn)行的效率，進(jìn)而保障整個(gè)大興國際機(jī)場安全高效的運(yùn)行。