在跑道侵入中聯(lián)絡(luò)道飛機信息采集方法研究

楊昌其YANG Chang-qi；賢繼佳XIAN Ji-jia

（中國民用航空飛行學(xué)院空中交通管理學(xué)院，廣漢618307）

0 引言

據(jù)中國民航局統(tǒng)計，2006全國運輸機場完成起降架次348.6萬次，2011年則是598.6萬次，后者是前者的約1.7倍，在這起降架次越來越多，機場越來越繁忙的過程中，跑道侵入事件也突出了起來。通過表1顯示，2006年各機場發(fā)生的跑道侵入（不包括D類和E類）事件為6起，2011年則是23起，大約是2006年的4倍，盡管各項安全指標(biāo)控制在了合理的范圍內(nèi)并且事故率有較顯著的減少，但在飛機運行過程中仍然存在著許多不安全的因素[1]。民用航空空中交通事故相對其他交通事故發(fā)生概率非常低，一旦發(fā)生其死亡率和經(jīng)濟打擊是極高的，無論是航空公司還是乘客都是無以接受的重大損耗。所以說，航空器運行中的任何一個環(huán)節(jié)都至關(guān)重要，跑道安全的保障勢在必行。

表1 中國民航跑道侵入事件年度統(tǒng)計

航空器的起飛與著陸都是在跑道上進行的，同時也是出現(xiàn)事故最多的兩個環(huán)節(jié)。跑道作為承載航空器起飛和著陸的機場設(shè)施，是機場安全運行必不可少的環(huán)節(jié)。近幾十年來，隨著國際經(jīng)濟快速發(fā)展和民航運輸產(chǎn)業(yè)迅猛增長，不管是千萬級大型機場還是地區(qū)中小機場，其機場飛行區(qū)的交通狀態(tài)越來越繁忙，在一些機場環(huán)境復(fù)雜和氣象條件惡劣的條件下，塔臺管制員難以在沒有高級定位監(jiān)視設(shè)備的情況下精準(zhǔn)把握飛行區(qū)的交通情況，大大增加了跑道侵入的概率。跑道侵入一直是威脅航空器運行安全的重要問題，該問題具有普遍性、意外性和重要性，國際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）2006年發(fā)布Doc.9870文件《跑道侵入預(yù)防手冊》，手冊中詳細(xì)定義和解釋了與跑道侵入相關(guān)的概念，并提出解決跑道侵入的關(guān)鍵在于“人”、“機”、“環(huán)”三個方面。其中通過推進管制設(shè)備自動化發(fā)展，進而輔助管制員加強情景意識并獲得完整且精準(zhǔn)的場面航空器運行情況可以有效減少跑道侵入事件發(fā)生的可能性。

1 攝像頭相對其他監(jiān)視設(shè)備的優(yōu)勢研究

現(xiàn)階段場面監(jiān)視手段有很多，但普遍造價高昂，如多點定位系統(tǒng)（Multilateration systems，MLAT）、場面監(jiān)視雷達（Surface Monitoring Radar，SMR）、廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（Automatic dependent surveillance broadcast，ADS-B），值得一提的是，這幾種監(jiān)視技術(shù)都有其局限性導(dǎo)致不利于廣泛利用，具體表現(xiàn)在：

①多點定位系統(tǒng)和場面監(jiān)視雷達的信號傳遞受機場環(huán)境的復(fù)雜度的影響很大，即使環(huán)境并不復(fù)雜的機場，航空器與航空器之間也會互相折射雷達波形成混雜的探測區(qū)域，在這種區(qū)域里的移動目標(biāo)并不會被多點定位系統(tǒng)和場面監(jiān)視雷達所監(jiān)視到；

②在航空器沒有安裝機載二次雷達應(yīng)答機的情況下，ADS-B協(xié)同監(jiān)視無法對航空器進行標(biāo)記，且國內(nèi)大多數(shù)通航飛機和場面特種車輛大都沒有安裝機載二次雷達應(yīng)答機；

③管制員難以在復(fù)雜的運行條件下主動控制跑道狀態(tài)燈來告知航空器和車輛駕駛員跑道被占用，既加大了管制員的管制壓力，也達不到機場場面安全要求。

攝像頭作為系統(tǒng)模塊或傳感器，是視覺領(lǐng)域必不可少的工具。市面上越來越多的廠家或機構(gòu)投入攝像頭開發(fā)上，如視覺追蹤、物體/人臉追蹤、特征分類、無線傳輸?shù)葟姶蠊δ?。采用攝像頭進行信息采集的形式被應(yīng)用的越來越多，像軍事、搶險救災(zāi)、視頻安防、無人機、交通態(tài)勢監(jiān)視、危險區(qū)探測等都廣泛應(yīng)用了攝像頭。在機場飛行區(qū)里安裝大型設(shè)備非常困難，攝像頭體積小、成本低，總體布局靈活的優(yōu)勢下信息采集能力和采集精度優(yōu)秀，且在低能見度和復(fù)雜條件下支持航空器和車輛在聯(lián)絡(luò)道安全、有序、迅速的移動。國內(nèi)83%的機場都是缺少監(jiān)視設(shè)備和輔助決策手段的中小機場，基于攝像頭網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測航空器運行態(tài)勢是一種性價比高，適用于且滿足國內(nèi)大多數(shù)中小機場防跑道侵入的要求，對于保證機場安全防止發(fā)生跑道侵入具有重要意義。

2 基于機場聯(lián)絡(luò)道環(huán)境的攝像頭類型選擇

現(xiàn)在市面上的攝像頭種類豐富，功能強大，選擇一種適應(yīng)機場運行環(huán)境，符合聯(lián)絡(luò)道采集信息要求的攝像頭是預(yù)防跑道侵入的重要一環(huán)[3]。

目前主流攝像頭按照視野范圍分類分為：全景攝像頭、云臺攝像頭、廣角攝像頭和普通攝像頭。（表2）

表2 視野攝像頭統(tǒng)計

按照安裝樣式分類分為：懸吊式、吸頂式、嵌入式和高桿式。

全景式攝像頭不符合機場避障需求，不滿足其安裝條件。云臺攝像頭需人為操作，為機場管制人員既增加工作負(fù)擔(dān)，又平添操作失誤的幾率，顯然在運行過程中是非常突兀的。普通攝像頭視野范圍狹窄不適合采集飛機這種大物體的相關(guān)信息，所以在視野類型方面應(yīng)選擇廣角攝像頭。就安裝方式而言，因空曠的道面區(qū)域沒有可依附頂端設(shè)施，所以懸吊式和吸頂式攝像頭并不符合機場的環(huán)境，高桿式攝像頭自帶支持設(shè)備，配置靈活，更容易達到信息采集的目標(biāo)。

機場道面環(huán)境屬于露天環(huán)境，水汽和灰塵是影響攝像頭效率的重要因素，所以在道面環(huán)境安裝的攝像頭必須至少達到以下兩個指標(biāo)：

①完全防止外物侵入，雖不能完全防止灰塵進入，但侵入的灰塵量并不會影響設(shè)備的正常工作；

②防止來自各方向噴射出的水進入設(shè)備內(nèi)造成損害。

攝像頭采用的編碼標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合壓縮率更高，錯誤恢復(fù)性更高，延時性更少的要求，根據(jù)市面上流行的編碼標(biāo)準(zhǔn)，H.265編碼標(biāo)準(zhǔn)較為適合[4]。

3 地面保護區(qū)

根據(jù)國際民航組織的定義，跑道侵入是指在機場發(fā)生的任何航空器、車輛或人員錯誤的出現(xiàn)或存在于指定航空器著陸和起飛的地面保護區(qū)的情況[5]。

地面保護區(qū)包括起飛著陸用跑道、聯(lián)絡(luò)道上跑道等待位置標(biāo)記延伸至跑道的區(qū)域、升降帶中跑道中線兩側(cè)各75m范圍內(nèi)的土面區(qū)、升降帶中的跑道兩端向外延伸300m的安全區(qū)，根據(jù)該機場的飛行程序還應(yīng)包括ILS敏感區(qū)、ILS臨界區(qū)，如圖1所示。

圖1 機場地面保護區(qū)

根據(jù)ICAO定義的跑道侵入概念和地面保護區(qū)區(qū)域范圍可見，防跑道侵入技術(shù)的關(guān)鍵就在于對在跑道運行或即將進入跑道的航空器信息的詳細(xì)度和精準(zhǔn)度。一般來說，根據(jù)跑道和聯(lián)絡(luò)道飛機的相對位置關(guān)系可以把航空器跑道侵入大體分為兩類：

①在跑道正在被占用的情況下，聯(lián)絡(luò)道上滑行的飛機在未經(jīng)管制員允許情況下穿越跑道等待位置影響跑道上正在起飛或降落航空器的運行；

②場面上有多條跑道，航空器正在穿越跑道的情況下，在跑道上的航空器在沒有清空的跑道上運行起飛或著陸動作。

4 攝像頭三維視野要求研究

在跑道侵入中，在聯(lián)絡(luò)道跑道等待線等待的航空器和跑道上運行中的航空器是重要的研究目標(biāo)，是否能采集到全面的場面信息決定了管制員對飛行區(qū)運行情況的把握，進而影響機場的運行安全。

圖2 為檢測地面保護區(qū)域中航空器的攝像頭，攝像頭的有效檢測范圍如圖所示，其中圖2（a）為平視圖，圖2（b）為俯視圖。考慮到機型不同，尺寸差異較大，假設(shè)機場運行的最小航空器長度為Lmin，高度為Hmin，主起落架外側(cè)輪間距為Tmin，最大航空器長度為Lmax，高度為Hmax，主起落架外側(cè)輪間距為Tmax，那么圖中滑行道寬度應(yīng)大于（Tmax+4.5）m，攝像頭與聯(lián)絡(luò)道邊線距離為L1，跑道入口等待線與跑道中線距離為L2，攝像頭水平方向視角為θ，縱向視角為β1，仰角為α1，攝像頭距離地面的高度為H1，則可得到約束關(guān)系：

圖2 a平視圖和b俯視圖

式（1）表示在聯(lián)絡(luò)道側(cè)邊的攝像頭監(jiān)視視野能捕捉到的最小航空器最低高度的約束條件，式（2）表示在聯(lián)絡(luò)道側(cè)邊的攝像頭監(jiān)視視野能捕捉到的最大航空器最高高度的約束條件，式（3）表示在跑道道側(cè)邊聯(lián)絡(luò)道遠(yuǎn)邊的攝像頭監(jiān)視視野高于捕捉到的最大航空器高度且無法捕捉到航空器，式（4）表示攝像頭水平視野捕捉到最大航空器圖像。

2021年6月21日成都天府機場開航，其跑道有三條，選取其中一條——西跑道02號跑道為例，如圖3所示。已知西跑道02號跑道入口處的跑道等待線距跑道中線108m，聯(lián)絡(luò)道寬60m。假設(shè)定運行最小機型為A320，機身長度為31.45m，機身高度為12.56m，主起落架外側(cè)輪間距為7.59m，最大機型為A380，機身長度為72.75m，機身高度為24.09m，主起落架外側(cè)輪間距為12.56m。將數(shù)據(jù)代入約束條件中，可得滑行道攝像頭需滿足條件θ≥62.5°，β≥10.5°，α=11.3°，L1=60m，L2=108m。即所選的攝像頭水平視角大于等于62.5°，縱向視角大于等于10.5°，仰角11.3°，攝像頭距滑行道近側(cè)邊界距離大于45m，符合攝像頭設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 天府國際機場02號跑道端參數(shù)圖

5 結(jié)束語

本文在開始強調(diào)了跑道侵入問題的重要性，重述了一次跑道侵入的定義，提出強調(diào)防止跑道侵入事件的關(guān)鍵在于對進入聯(lián)絡(luò)道飛機的信息采集加強決策依靠。通過攝像頭類型分析和地面保護區(qū)定義給出了圖像獲取設(shè)備要求，針對攝像頭對不同結(jié)構(gòu)聯(lián)絡(luò)道區(qū)域的信息采集策略大體總結(jié)成了量化公式，根據(jù)不同機場和不同規(guī)格的跑道描述了布局方法，并以天府國際機場的實際數(shù)據(jù)為例進行布局參數(shù)的計算。此設(shè)計解決了管制員對聯(lián)絡(luò)道中跑道等待區(qū)飛機信息模糊的問題，有效預(yù)防跑道等待飛機誤入跑道的情況發(fā)生，對空中交通管理自動化有一定的正面意義。