SURF IA在機場場面沖突探測中的應(yīng)用研究

曲昌昊，張光明

(中國民用航空飛行學(xué)院 飛行技術(shù)學(xué)院，四川 廣漢 618307)

為了滿足日益增長的交通需求，提高機場的運行能力，往往通過擴張機場運行規(guī)模、增加航班起落架次、縮短航空器的運行間隔等措施來提高機場的容量。然而，在高密度條件下機場的設(shè)施和管制手段[以ATC(管制員)的目視觀測為主]已經(jīng)無法滿足大型機場場面的運行要求，近年來機場場面沖突的事件不斷發(fā)生。因此，通過采用先進的技術(shù)升級現(xiàn)有的設(shè)施，全面提高機場場面上移動飛機和車輛的監(jiān)視和管制能力成為保障機場正常運行的重要手段。

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(automatic dependent surveillance-broadcast，ADS-B)[1]是一種將通信技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航、機載設(shè)備與地面設(shè)備等相結(jié)合的未來主要監(jiān)視技術(shù)。ADS-B有兩類應(yīng)用功能：ADS-B IN(接收)與ADS-B OUT(發(fā)送)，ADS-B OUT通過數(shù)據(jù)鏈技術(shù)按照規(guī)定的格式廣播所獲取的監(jiān)視目標的經(jīng)度、緯度、高度、時間、沖突告警等狀態(tài)信息，ADS-B IN用來接收數(shù)據(jù)消息，處理后顯示在CDTI(機載顯示器)上供機組人員參考或發(fā)至管制中心便于ATC進行運行監(jiān)控。

SURF IA(enhanced traffic situational awareness on the airport surface with indications and alerts)[2]是ADS-B IN監(jiān)視應(yīng)用之一，通過CDTI向機組提供航空器位置和機場場面附近的其他交通信息，以提高機組情景意識，降低跑道入侵和碰撞風(fēng)險。本文通過分析場面運行中的沖突，結(jié)合SURF IA應(yīng)用，建立機場場面沖突探測模型，以減緩ATC的工作壓力、提高機場監(jiān)視水平、增強機場運行能力。

1 場面運行分析與沖突類型

1.1 機場場面運行流程與結(jié)構(gòu)

機場場面運行主要分為航空器的進場階段與離場階段的過程。進場階段是指從ATC依照飛機的機型與預(yù)先分配的停機位資源等發(fā)布對于進場航班在場面跑道的著陸許可、選擇航空器的滑行路徑與快速脫離道，最后引導(dǎo)車指引航空器到達指定的停機位的過程；離場階段是指在運控部門的放行許可下航空器由從停機位撤輪擋、引導(dǎo)車推出開車、跑道滑行起飛直到加入跑道端離場航班序列的過程。這些過程如圖1所示。

圖1 航空器進場與離場過程

機場場面區(qū)域主要由機場活動區(qū)與停機坪區(qū)域組成，其中機場活動區(qū)的兩大主要構(gòu)成為跑道與滑行道,下面按照這3個主要組成部分介紹沖突類型。

1.2 場面沖突類型

機場跑道是用于飛機起飛與進近著陸運行的活動區(qū)域，場面跑道的數(shù)量與空間結(jié)構(gòu)方式直接關(guān)系到整個機場的運行容量與運行方式。根據(jù)跑道入侵的對象可分為航空器之間的沖突、航空器與車輛之間的沖突以及航空器/車輛與人員之間的沖突。目前國內(nèi)的大型機場往往有多條跑道，多條跑道的空間分布結(jié)構(gòu)有平行跑道、交叉跑道、近似平行跑道，以及其相互組合方式，其中交叉跑道很容易帶來入侵飛機的穿越?jīng)_突問題。

滑行道是承接停機坪與機場跑道的中轉(zhuǎn)區(qū)域，目前在大中型機場滑行道以及相應(yīng)的交叉口的不僅數(shù)量眾多而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、交叉節(jié)點的數(shù)量呈現(xiàn)較大的耦合機率，滑行道所能提供的服務(wù)受到飛機多種因素呈現(xiàn)多樣化趨勢、設(shè)置快速脫離道數(shù)目較多，對于機場場面運行帶來較大的壓力與風(fēng)險。目前按照航空器之間的運行方向，有3種沖突類型，分別是追尾沖突(同向運行)、對頭沖突(相向而行)、交叉口沖突(均向同一交叉口)。

停機坪區(qū)域為航空器提供停泊的位置，目前國內(nèi)大型機場機位數(shù)量眾多，機坪類型與停放方式多樣化，停機位的選址與所連接的滑行道關(guān)系復(fù)雜，存在飛機的滑入或滑出相互受限等問題。機場的停機坪區(qū)域綜合了進離場的航空器、機場工作人員、各類工作車輛(旅客擺渡車、行李牽引車、升降平臺車、傳送帶車、飛機拖車、除冰車、掃雪車、加油車、清水車、污水車、清掃車等)以及地面設(shè)備(廊橋、輔助燈光設(shè)施、消防與急救設(shè)施等)。機坪事故的種類繁多，國際機場協(xié)會將其分為7類：機坪設(shè)施操作不當對于停放/移動航空器造成的事故、航空器尾流等對機坪設(shè)施造成的事故、機坪設(shè)備之間造成的事故、機坪設(shè)備對機場設(shè)施造成的事故、因機坪設(shè)備或航空器漏油造成的事故以及以上事故對于機場工作人員造成的事故。

2 SURF IA沖突探測模型

2.1 機場場面沖突探測分析

針對跑道入侵的各種監(jiān)視系統(tǒng)大多都是從保護區(qū)的概念作為基礎(chǔ)，因此對于跑道入侵的沖突探測可以轉(zhuǎn)換為判斷是否侵入保護區(qū)。對于機場場面的飛機，主要考慮入侵飛機從聯(lián)絡(luò)道穿越跑道的沖突組塊，設(shè)SURF IA沖突告警的門限值為T0，移動目標穿越跑道時間為T。對于穿越?jīng)_突，根據(jù)飛機的運行流程分為進場飛機與離場飛機，對于n架飛機，就有2n種情況；在實際運行中往往是本機與入侵飛機的雙方?jīng)_突，這里取n=2，分析如下：

1)本機與入侵飛機均為進場飛機。入侵飛機進場時經(jīng)過聯(lián)絡(luò)道口的時間為T1，本機運動至距離跑道入口距離為L的時刻為T2，則可用于穿越跑道的時間段為[T1，T2]。

2)本機與入侵飛機均為離場飛機。入侵飛機離場時經(jīng)過聯(lián)絡(luò)道口的時間為T1，本機在時刻T2進入跑道頭準備起飛，則可用于穿越跑道的時間段為[T1T2]。

3)入侵飛機為進場飛機，本機為離場飛機。入侵飛機進場時經(jīng)過聯(lián)絡(luò)道口的時間為T1，本機在時刻T2進入跑道頭準備起飛，則可用于穿越跑道的時間段為[T1，T2]。

4)入侵飛機為離場飛機，本機為進場飛機。入侵飛機離場時經(jīng)過聯(lián)絡(luò)道口的時間為T1，本機運動至距離跑道入口距離為L的時刻為T2，則可用于穿越跑道的時間段為[T1，T2]。

一般情況下，需要滿足T0

滑行道沖突檢測更為復(fù)雜，一是機場場面運行的道路結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣；二是在此運行的移動目標不具有一定的規(guī)則，移動目標的轉(zhuǎn)向、加減速等物理因素具有不確定性。當前普遍的滑行道沖突類型有追尾沖突(同向運行)、對頭沖突(相向而行)、交叉口沖突(均向同一交叉口)3種。結(jié)合沖突類型，構(gòu)建相應(yīng)的機場場面運行滑行道入侵探測模型。

通常，停機坪內(nèi)的滑行道距離較短，停機坪滑行道往往被多個停機位共同占有，航空器滑行速度較小，對于判定停機坪沖突來講相對于滑行道難度更大。停機坪的停機位預(yù)留屬于資源分配問題，在以后的工作中擬用運籌學(xué)里的排隊論方法解決此問題。

2.2 SURF IA沖突告警模型

SURF IA告警邏輯主要是基于預(yù)測本機和入侵飛機之間發(fā)生沖突的時間，沖突預(yù)測是基于相對速度和軌跡(即相對速度)。如果預(yù)計沖突時間少于30 s，則發(fā)出警示告警(caution alert)；如果預(yù)計沖突時間少于15 s則發(fā)出警告告警(warning alert)[3]。注意：當本機起飛時速度大于80節(jié)，所有告警都被抑制。

對于機場場面運行的移動目標，結(jié)合基本運動特性以及規(guī)則要求，近似地用CV(勻速)、CA(勻加速)、CT(勻速轉(zhuǎn)彎運動)3種運動模型描述[4]。以ADS-B給出的位置參考點定義的矩形幾何中心作為位置參考點P(XP,YP)，外推時間為t，加速度為a,機組反映時間為c。取單位向量i平行于初始速度V、單位向量j垂直于速度V(VX,VY)，定義飛機的安全區(qū)域(矩形)為飛機尾流區(qū)域(長度為l)加定義參考點的幾何長度(長L寬W)區(qū)域再加飛機的制動距離d的區(qū)域，定義矩形的4個端點為A、B、C、D，如圖2所示。

圖2 飛機保護區(qū)域的設(shè)立

(1)

修正后的位置參考點

P′=(XP+XVt,YP+YVt)

(2)

單位向量

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

矩形四邊線段方程為

AB：(XB-XA)(y-YB)=(YB-YA)(x-XB),x∈[min(XB,XA),max(XB,XA)]

(8)

BC:(XC-XB)(y-YC)=(YC-YB)(x-XC),x∈[min(XB,XC),max(XB,XC)]

(9)

CD:(XD-XC)(y-YD)=(YD-YC)(x-XD),x∈[min(XC,XD),max(XC,XD)]

(10)

DA:(XD-XA)(y-YD)=(YD-YA)(x-XD),x∈[min(XD,XA),max(XD,XA)]

(11)

3 案例與仿真分析

以上海虹橋“10.11”案例為代表：本機A320被定義[5]的保護區(qū)長45 m寬39.5 m，尾流10 m，機組反應(yīng)時間2 s，本機的位置參考點坐標(550,80)m，速度V1(-67,0)m/s,加速度a為3 m/s2;入侵飛機A330以V2(0,15)m/s勻速穿越跑道，被定義的保護區(qū)長65 m，寬67 m，尾流為10 m位置參考點取坐標原點。

本機的A、B、C、D坐標為A：(-822.5,13.5)；B：(-822.5,46.5)；C：(-102.5,46.5)；D：(-102.5,13.5)。

入侵飛機的A、B、C、D坐標為A：(33.5,102.5)；B：(-33.5,102.5)；C：(-33.5,22.5)；D：(33.5,22.5)。

代入公式依次得到本機的邊界方程為

(-822.5+102.5)(y-46.5)=(46.5-13.5)(x+822.5)

(12)

(-102.5-822.5)(y-46.5)=(46.5-46.5)(x+102.5)

(13)

(-822.5-102.5)(y-13.5)=(13.5-46.5)(x+822.5)

(14)

(-822.5+102.5)(y-13.5)=(13.5-13.5)(x+822.5)

(15)

入侵飛機的邊界方程為

(-33.5-33.5)(y-102.5)=(102.5-102.5)(x+33.5)

(16)

(33.5+33.5)(y-22.5)=(22.5-102.5)(x-33.5)

(17)

(33.5-33.5)(y-22.5)=(22.5-22.5)(x+33.5)

(18)

(33.5+33.5)(y-22.5)=(22.5-102.5)(x-33.5)

(19)

由表1可以看出，聯(lián)立各組邊界方程求解外推時間t。當且僅當t有正解的時候本機與入侵飛機會發(fā)生沖突，案例里的t最小解為4.5 s小于預(yù)計沖突時間15 s，SURF IA 會發(fā)出警告警報。仿真的結(jié)果與RTCA DO-323規(guī)范性文件中的案例場景保持一致，同時檢驗了模型和仿真的成果。案例場景如圖3所示。

表1 方程組計算結(jié)果

圖3 對方飛機穿越，本機起飛速度>40節(jié)并<80節(jié)

4 結(jié)論

通過對于SURF IA的應(yīng)用的研究，能夠有效預(yù)警機場場面運行中的沖突，減緩ATC的工作壓力與提高機場監(jiān)視水平，以及增強機場運行能力。由本文的模型建立以及案例分析的結(jié)果可得，基于ADS-B IN的SURF IA應(yīng)用在機場場面運行沖突探測之時能夠有效得到告警反饋，減少或避免場面沖突的風(fēng)險。主要研究了航空器之間的場面沖突探測，限于篇幅，對于航空器/車輛與行人之間的沖突分析與案例在以后的研究中給出。