機(jī)場跑道入侵檢測方法研究

唐寧，李彥冬，程潔，曾旭

(中國民航飛行學(xué)院，四川廣漢，618300)

0 引言

安全始終是民航業(yè)的首要問題。隨著現(xiàn)代民航業(yè)以資本密集、技術(shù)密集和高風(fēng)險為標(biāo)志的高度規(guī)模化發(fā)展，現(xiàn)在和未來的地面交通安全已經(jīng)成為了一個更受重視并且更關(guān)鍵的問題。機(jī)場場面面臨的環(huán)境復(fù)雜多變，因此與跑道入侵相關(guān)的交通安全問題高發(fā)，極易造成飛機(jī)沖出跑道、復(fù)飛和碰撞等不安全事件。為了最大限度規(guī)避風(fēng)險，本文針對國內(nèi)外學(xué)者對預(yù)防跑道入侵(Runway Incursion，RI)相關(guān)方法進(jìn)行研究。

國際民用航空組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）定義的跑道入侵概念為：在機(jī)場中發(fā)生的任何涉及錯誤的出現(xiàn)在用于飛機(jī)起飛和降落的保護(hù)區(qū)表面的飛機(jī)，車輛以及行人的事件。美國聯(lián)邦航空局（Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA）則定義為：在機(jī)場發(fā)生的任何涉及地面上的飛機(jī)、車輛、人員或物體的事故，造成碰撞危險，或?qū)е嘛w機(jī)在起飛、準(zhǔn)備起飛、降落或準(zhǔn)備降落時失去與地面的距離。為了進(jìn)一步明確跑道入侵的不同情況，F(xiàn)AA還將跑道入侵劃分為表1所示四個類型。

跑道入侵問題已成為威脅機(jī)場運行安全的最主要原因之一，也是提高機(jī)場運行安全的關(guān)鍵。ICAO分別在2004年和2006年發(fā)布了《先進(jìn)的場面活動引導(dǎo)和控制系統(tǒng)手冊》（Doc9830）和《防止跑道入侵手冊》（Doc9870），對跑道入侵問題要求更嚴(yán)格和規(guī)范。目前國內(nèi)的跑道入侵研究還處于起步階段。只有不斷拓寬安全閾值，在成熟優(yōu)化安全問題的基礎(chǔ)上，才有更大空間考慮效益和環(huán)境保護(hù)問題，才能跳出安全與效益博弈的命題。因此，跑道入侵是當(dāng)下必要解決的問題。

表格1 美國聯(lián)邦航空局（FAA）跑道入侵分類

1 跑道入侵原因及分析方法

跑道入侵原因有多種分析方法，關(guān)鍵在于確定影響因素，分析其重要性[1]，再確定因素間內(nèi)在關(guān)聯(lián)[2,3]、關(guān)系強(qiáng)度和相互作用機(jī)制[4]。表2列舉了部分重要的影響因素。

表2 跑道入侵影響因素歸納

基于事件序列的評估方法，是利用著名的事件樹建模。多智能體動態(tài)風(fēng)險模型(Multi-agent Dynamic risk Model，MA-DRM) 是基于agent建模、混合Petri網(wǎng)和罕見事件蒙特卡洛模擬建立的模型。MA-DRM方法比基于事件序列評估方法能夠捕捉到系統(tǒng)中更多的問題，更值得深入研究[5]。

每個機(jī)場運行的機(jī)型、跑道運行模式等都有不同，很難找到系統(tǒng)規(guī)律，導(dǎo)致傳統(tǒng)分析方法如回歸分析、方差分析和主成分分析等都需要大量的數(shù)據(jù)?；诨疑碚摰幕疑P(guān)聯(lián)分析是一種通過灰色關(guān)聯(lián)度來分析和確定系統(tǒng)各因素之間的影響程度或各因素對系統(tǒng)主要動作的貢獻(xiàn)程度的方法?；疑P(guān)聯(lián)法[6]成功減少了數(shù)據(jù)需求量和計算量。用上述方法將影響因素進(jìn)行分層分類，方便后續(xù)對風(fēng)險向不同層面?zhèn)鬟f的方式、傳輸路徑的攔截方法、跑道入侵控制系統(tǒng)強(qiáng)化等進(jìn)行研究。

2 跑道入侵特點分析

機(jī)場跑道入侵存在諸多特征，這些特征是檢測系統(tǒng)和避免策略發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。表3羅列了跑道入侵的諸多特性。

表3 跑道入侵關(guān)鍵特征介紹

入侵危險性極高，使其成為每個機(jī)場首要解決的問題。從來源分析，操縱失誤需要花費大量的管制員精力去進(jìn)行監(jiān)督，在關(guān)鍵道口設(shè)置報警器可以解決這個問題。報警器需要提供不正確時間段內(nèi)進(jìn)入跑道保護(hù)區(qū)的告警，還需要根據(jù)數(shù)據(jù)鏈接來關(guān)注入侵目標(biāo)動態(tài)，在下一個需要占用跑道的航空器到達(dá)之前判斷目標(biāo)是否還在保護(hù)區(qū)內(nèi)。另外，機(jī)場所有參與人員尤其是領(lǐng)導(dǎo)的安全意識是解決跑道入侵的根本方法之一。在機(jī)場由上至下進(jìn)行安全管理教育、宣揚安全文化、定期進(jìn)行安全培訓(xùn)是必要的?；谌肭终叽笮?、顏色和邊界特征，視頻監(jiān)控和圖像識別技術(shù)似乎是簡單有效的方法。但根據(jù)入侵類別分析，跑道入侵者大多是移動目標(biāo)，使得圖像識別難度加大。入侵者移動特性也有優(yōu)勢，早期針對移動目標(biāo)的檢測系統(tǒng)取得過一定成效。但高速度和靜止的目標(biāo)是存在的，安全隱患并未徹底消除?？傊?，防止跑道入侵更關(guān)注視覺警告，防止飛行員誤聽帶來的操作失誤；關(guān)注靜止或速度大的目標(biāo)，可能用高速攝像機(jī)完成對高速移動物體的拍攝，或是利用多點定位技術(shù)以掌控入侵者位置。

3 防范跑道入侵的方法

跑道入侵預(yù)測和檢測都至關(guān)重要，但預(yù)測避免優(yōu)于檢測調(diào)控。預(yù)測功能關(guān)注整個人在回路相關(guān)因素的挖掘，以及計算因素影響力加權(quán)。廣義加性模型 (Generalized Additive Model，GAM) 是一種用來探測非線性回歸影響的統(tǒng)計模型。GAM擁有強(qiáng)大的自由度和靈活性，在廣泛的建模分布中對許多變量幾乎沒有限制?；趯AM的杠桿老化研究，一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的高級統(tǒng)計學(xué)習(xí)和預(yù)測解決方案可以系統(tǒng)地獲取、解析和轉(zhuǎn)換不同數(shù)據(jù)庫中的各種因素，從而生成可解釋數(shù)據(jù)集的方法。它還提出了高性能的計算程序，以自動選擇突出因素，以實現(xiàn)最佳的GAM與強(qiáng)大的預(yù)測能力[7]。檢測的難度在于進(jìn)近起降飛機(jī)速度快、停放的車輛和飛機(jī)速度為零。YOLO檢測器(You Only Look Once Detectors，YOLO)[8]可優(yōu)化高速和靜止目標(biāo)的跑道入侵探測。跑道入侵檢測算法(Runway Incursion Detection Algorithm，RIDA)[9]是目前較為成熟的監(jiān)視算法，被利用于實現(xiàn)先進(jìn)場面活動引導(dǎo)控制系統(tǒng)(Advanced Surface Movement Guidance Control System，A-SMGCS)的場面監(jiān)視功能，其功能實現(xiàn)如圖1所示。通過輸入入侵保護(hù)區(qū)和交通活動狀態(tài)信息，系統(tǒng)輸出實時的交通信息，并對可能的跑道入侵提供告警。為管制員增強(qiáng)態(tài)勢感知，補(bǔ)充引導(dǎo)提示。

圖1 RIDA系統(tǒng)功能流程

在預(yù)測和檢測之外，場面的可視化設(shè)備操作性更強(qiáng)，是避免跑道入侵的最直接手段和最有效方法。早在1991年提出的機(jī)場地面交通自動化系統(tǒng)(Airport Surface Traffic Automation，ASTA)[10]就設(shè)想研究出能夠提供視覺和聽覺共同警告、足以實現(xiàn)管制員和飛行員之間數(shù)據(jù)鏈通信（以減小通信頻率擁擠的影響）、可監(jiān)控位置、識別目標(biāo)并規(guī)劃顯示最優(yōu)滑行路線等功能。

防止跑道入侵的方法中，視覺警告是最為直接的。忽略、誤聽管制員指揮是RI事件共同特征，改進(jìn)機(jī)場空側(cè)標(biāo)識[11]是避免措施之一。標(biāo)識具有動態(tài)性、及時性和絕對有效性?？諅?cè)動態(tài)標(biāo)識[12]中信息顯示的內(nèi)容、樣式和更新頻率都對飛行員判斷有影響。具體的研究可以深入到動態(tài)標(biāo)識是如何影響飛行員判斷的，可以更加深入優(yōu)化空側(cè)標(biāo)識的告警作用。綜合地面預(yù)警系統(tǒng)(Integrated Ground-Based Warning Systems)[13]利用跑道交叉燈(Runway Intersection Lights， RILs)提供地面交通視覺警告。實驗證明，交叉燈位置擺放和開始閃爍的時機(jī)至關(guān)重要，并且正確的交叉燈使用可以大幅提升跑道安全。

4 檢測系統(tǒng)終端設(shè)計

自動化、智能化和簡明化是未來檢測系統(tǒng)的共同特征。多點相關(guān)定位系統(tǒng)(Multilateration，MLAT)的原理是飛機(jī)自身發(fā)出信號，利用多個地面定位基站之間接收信號的時間差計算得到飛機(jī)當(dāng)前位置。它由場面監(jiān)視系統(tǒng)和進(jìn)近監(jiān)視系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)組成，類似一個放在地面的GPS定位系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)定位后，首先判斷保護(hù)區(qū)內(nèi)目標(biāo)數(shù)目和種類，再判斷被定位目標(biāo)是否為正?；顒幽繕?biāo)或目標(biāo)正?；顒邮欠駮桓蓴_，隨后選擇給出告警提示或不告警，隨后進(jìn)行新一輪定位，及時提供目標(biāo)實時定位。無論是否告警都會進(jìn)行新一輪的實時定位。

判斷的標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)事先設(shè)置的飛機(jī)正常狀態(tài)與不正常狀態(tài)組合。例如：當(dāng)目標(biāo)為飛機(jī)時，部分（兩個正常狀態(tài)可以出現(xiàn)在同一個保護(hù)區(qū)內(nèi)，例如落地在跑道滑行的飛機(jī)和正在上跑道等待起飛的飛機(jī)）兩個正常狀態(tài)出現(xiàn)在同一個入侵保護(hù)區(qū)或者有一個不正常狀態(tài)即報警，當(dāng)保護(hù)區(qū)內(nèi)僅有一個正常狀態(tài)時不報警。當(dāng)目標(biāo)為車輛時，不允許保護(hù)區(qū)內(nèi)出現(xiàn)飛機(jī)目標(biāo)。流程圖如圖3所示。

圖3 告警信息產(chǎn)生原理

新的檢測系統(tǒng)將告警信息同時告知入侵者、正常航班和管制員三方終端系統(tǒng)，如圖2所示。進(jìn)近和起落階段，飛行員操縱復(fù)雜，精力集中，只提供燈光閃爍或短促提示音，需要根據(jù)管制員指令進(jìn)行操縱。根據(jù)ICAO的跑道入侵概念，入侵者可能是人、機(jī)或車輛，在入侵者的終端提示方式不同，當(dāng)車輛構(gòu)成跑道入侵時，告警可以通過駕駛員移動設(shè)備提供，也可以利用車載設(shè)備進(jìn)行語音提示。

圖4 入侵告警處理回路

管制員終端類似二次雷達(dá)屏幕顯示系統(tǒng)，在跑道入侵保護(hù)區(qū)平面圖上，人、機(jī)、車輛以標(biāo)牌模式顯示，管制員可以拖動標(biāo)牌，并進(jìn)行標(biāo)牌信息快速閱讀。方便管制員進(jìn)行保護(hù)區(qū)監(jiān)視、做出快速精準(zhǔn)的判斷、給出指令以及監(jiān)督警告解除進(jìn)度。

5 結(jié)束語

高自動化和簡明的終端可以有效提高管制員工作效率。本文針對跑道入侵原因、檢測系統(tǒng)和避免方法做了研究，突出了RI特征和探測發(fā)展的要點，并對管制員終端做了簡要設(shè)計。未來，通過交通信息和地理信息的導(dǎo)入，在管制員終端建立3D立體模型將更加有利于管制員快速做出預(yù)判，給出指令，降低跑道入侵概率，保障跑道安全。

圖5 終端顯示內(nèi)容