一種新型中小機(jī)場場面運(yùn)行概念

黃龍楊　劉玥琳　李金峰　李誠龍

摘? 要：隨著我國民航業(yè)的不斷發(fā)展，促進(jìn)了各地區(qū)之間的交流，推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但與此同時(shí)，機(jī)場航班量的日益增加以及大量車輛的活動(dòng)，使得機(jī)場場面目標(biāo)之間的沖突日益增多。文章介紹了中小機(jī)場場面管理現(xiàn)狀，對(duì)機(jī)場場面道口自動(dòng)化沖突解脫運(yùn)行概念進(jìn)行闡述，提出ADS-B+視覺測距進(jìn)行監(jiān)視測距，最后構(gòu)建了基于Agent自動(dòng)控制模型，對(duì)航空器通過道口進(jìn)行模擬，與人工指揮航空器運(yùn)行進(jìn)行對(duì)比，自動(dòng)控制模型的通行效率提高了37.2%。

關(guān)鍵詞：機(jī)場場面;運(yùn)行沖突;Agent

中圖分類號(hào)：V351? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： With the increasing number of airport flights， the conflicts between aircraft on the airport surface are increasing. This paper introduces the current situation of surface management in small and medium airports， expounds the concept of automatic conflict relief operation at airport surface crossings， proposes ADS-B+ visual ranging for monitoring ranging， and finally builds an agent-based automatic control model.

Key words： airport surface; taxiing conflicts; Agent

0? 引? 言

目前主要有兩種方式解決滑行道交通擁擠問題：第一是通過擴(kuò)建機(jī)場、跑道、滑行道、停機(jī)位等實(shí)現(xiàn)，這種方法直接增大機(jī)場容量，但投入很大，而且建設(shè)周期長，還需要占用大量土地;第二是對(duì)航空器的滑行路徑進(jìn)行規(guī)劃，在避免航空器之間沖突的基礎(chǔ)上，減少滑行時(shí)間，從而提高場面運(yùn)行的安全性與效率性。例如許多大型機(jī)場使用的A-SMGCS先進(jìn)場面監(jiān)視引導(dǎo)系統(tǒng)便是這種原理。國內(nèi)外已有許多針對(duì)機(jī)場場面沖突的研究，主要圍繞航空器運(yùn)行調(diào)度優(yōu)化、風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別、沖突監(jiān)視與檢測、沖突告警與策略等角度展開。1998年，Pitfield等[1]針對(duì)機(jī)場高峰期流量的高峰期，基于飛機(jī)進(jìn)離場的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，采用蒙特卡洛模擬的方法對(duì)機(jī)場場面沖突進(jìn)行了模擬分析，奠定了機(jī)場場面沖突的研究基礎(chǔ)。1999年，Hesselink[2]在全面分析機(jī)場道路網(wǎng)絡(luò)的前提下，首次引入Dijkstra算法，分析了機(jī)場場面路徑規(guī)劃的問題，擴(kuò)展了機(jī)場的靜態(tài)路徑規(guī)劃方案的思路。孫瑜等[3]提出了基于4D航跡的航空器場面滑行路徑優(yōu)化研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了場面航空器動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃仿真系統(tǒng)。陳倩[4]對(duì)機(jī)場場面沖突風(fēng)險(xiǎn)管理的概念進(jìn)行闡述，構(gòu)建基于多Agent的機(jī)場場面沖突概念模型，并對(duì)機(jī)場場面監(jiān)視技術(shù)進(jìn)行了探討。高明[5]運(yùn)用多Agent模型和Petri網(wǎng)對(duì)場面交通沖突所涉及到的實(shí)體構(gòu)建了仿真概念模型，對(duì)場面交通工具行為路徑進(jìn)行了仿真說明。將多Agent模型與Petri網(wǎng)相結(jié)合，提出AOSCPN模型，構(gòu)建了場面交通沖突風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警仿真模型。周云帆[6]使用“節(jié)點(diǎn)—路段”模型對(duì)機(jī)場飛行區(qū)進(jìn)行建模，利用AirTOP軟件對(duì)場面運(yùn)行進(jìn)行建模與仿真，通過矩陣法判斷各疑似沖突熱點(diǎn)區(qū)域的沖突等級(jí)。對(duì)于中小機(jī)場來說，由于經(jīng)濟(jì)效益等諸多因素的影響，只能依賴人工監(jiān)視的方法來避免航空器之間發(fā)生沖突，因此急需一種技術(shù)來減少?zèng)_突，提高機(jī)場運(yùn)行效率，這也是本文研究的核心內(nèi)容。

1? 中小機(jī)場發(fā)展現(xiàn)狀

1.1? 中小機(jī)場場面管理現(xiàn)狀。截至2020年底，我國境內(nèi)運(yùn)輸機(jī)場241個(gè)（不含港澳臺(tái)），其中年旅客吞吐量在200萬人次以下的中小機(jī)場有187個(gè)，占全國運(yùn)輸機(jī)場總數(shù)的77.59%[7]。民用機(jī)場一般可劃分為飛行區(qū)、候機(jī)樓區(qū)和地面運(yùn)輸區(qū)三個(gè)部分[8]，沖突通常發(fā)生在航空器在飛行區(qū)內(nèi)滑行時(shí)，航空器地面運(yùn)行中，在滑行道系統(tǒng)中的運(yùn)行時(shí)間最長。因此，從滑行道系統(tǒng)出發(fā)，研究降低機(jī)場地面管制員管制壓力和提高航空器機(jī)場運(yùn)行效率的方法是必要的?；械牢挥陲w行區(qū)，起著連接跑道與停機(jī)坪的作用，由于滑行道上進(jìn)行作業(yè)的除了航空器之外還有各種車輛，當(dāng)這些車輛與航空器發(fā)生沖突時(shí)，應(yīng)主動(dòng)避讓航空器。

航空器在滑行道上的滑行路線要遵循四個(gè)原則：單向、順向、循環(huán)和固定。單向原則是指航空器在使用同一滑行道時(shí)，始終保持同一方向以避免發(fā)生對(duì)頭沖突;順向原則指保證航空器在各滑行道之間的滑行路徑順向銜接，當(dāng)航空器在某交叉路口進(jìn)行匯聚滑行時(shí)，匯聚方向不出現(xiàn)大于90°的轉(zhuǎn)彎;循環(huán)原則是指進(jìn)場航空器和離場航空器的滑行路線沒有太多重疊路徑，減少路徑交叉，使得整個(gè)場面可以有序循環(huán)進(jìn)行進(jìn)離場飛行作業(yè)。固定原則指地面管制員一般會(huì)按照常用的滑行路線進(jìn)行滑行指揮，在跑道運(yùn)行模式固定不變的情況下，停機(jī)位到跑道頭等待點(diǎn)的滑行路徑也相對(duì)固定。其中滑行道交叉道口往往是機(jī)場的沖突熱點(diǎn)區(qū)域。交叉道口沖突量大時(shí)，航空器需要停等來保持最小安全間隔，管制員需要花大量時(shí)間對(duì)航空器進(jìn)行監(jiān)控和發(fā)布指令，使得場面交通流動(dòng)速度慢。

1.2? 通用機(jī)場成本結(jié)構(gòu)。通用機(jī)場的成本結(jié)構(gòu)基本上包括勞動(dòng)成本、資本費(fèi)用和運(yùn)營成本三類。

勞動(dòng)成本主要指機(jī)場員工的工資、福利及保險(xiǎn)金等。通用機(jī)場經(jīng)營主要需要兩類專業(yè)人員：一類是保障通用機(jī)場正常運(yùn)行的專業(yè)人才，主要包括空中交通管制員、氣象檢測員、安檢人員等;另一類是從事通用航空運(yùn)營業(yè)的機(jī)場專業(yè)經(jīng)營管理人員，這些人員除了需要具備一般企業(yè)管理人員的專業(yè)技能和管理能力之外，還必須通曉專業(yè)性強(qiáng)的通用航空領(lǐng)域知識(shí)。

資本費(fèi)用指銀行貸款或發(fā)行債券的利息和機(jī)場提取的折舊費(fèi)。目前我國通用機(jī)場的建設(shè)規(guī)模較大，建設(shè)成本相對(duì)較高。飛行區(qū)土地成本和維護(hù)管理成本高，回報(bào)周期長。航站綜合樓建設(shè)規(guī)模較大，裝修標(biāo)準(zhǔn)也較高，使得機(jī)場的總體維護(hù)成本較高，還本付息費(fèi)用較大，以致資本費(fèi)用在總的成本結(jié)構(gòu)中所占的比重較高。

運(yùn)營成本是通用機(jī)場運(yùn)行過程中所發(fā)生的費(fèi)用，具體包括水暖電氣費(fèi)、通信費(fèi)、設(shè)備費(fèi)、輔料費(fèi)、維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)、管理費(fèi)，以及其他運(yùn)營費(fèi)用等。由于通用機(jī)場設(shè)施設(shè)備安全系數(shù)要求高，運(yùn)營管理的技術(shù)性強(qiáng)，使得機(jī)場的運(yùn)營維護(hù)成本較高。與支線機(jī)場類似，從事短途運(yùn)輸服務(wù)的通用機(jī)場需要進(jìn)行社會(huì)化功能的復(fù)位，以降低機(jī)場作為企業(yè)的運(yùn)營成本。社會(huì)化功能具體包括公安、消防、醫(yī)療、氣象等方面。通用機(jī)場的社會(huì)化功能可顯著節(jié)約其運(yùn)營成本及人工成本。

2? 場面道口全自動(dòng)沖突解脫運(yùn)行技術(shù)

2.1? 機(jī)場場面沖突的概念。航空器在滑行中遇到?jīng)_突，根據(jù)航空器的相對(duì)位置及運(yùn)行情況不同，一般可分為以下三類滑行沖突：對(duì)頭沖突、追尾沖突、交叉口沖突。

（1）對(duì)頭沖突。對(duì)頭沖突是滑行中最危險(xiǎn)，危害最大的一種沖突。由于在滑行道運(yùn)行前期規(guī)劃（控制航空器推出開車的時(shí)刻）中會(huì)對(duì)對(duì)頭沖突加以避免，實(shí)際運(yùn)行中很少有對(duì)頭沖突發(fā)生的可能，對(duì)頭沖突產(chǎn)生的原因是兩架航空器同時(shí)在一條滑行道上相向滑行，如圖1所示。（2）追尾沖突。追尾沖突是指兩架或兩架以上航空器在同一條滑行道上跟進(jìn)滑行時(shí)的距離小于最小安全距離D。追尾沖突通常是因?yàn)楹蠛娇掌鞯幕兴俣瘸^前航空器的滑行速度，如圖2所示。（3）交叉口沖突。多架航空器同時(shí)到達(dá)交叉口，由于交叉口每次只能通過一架航空器，因此出現(xiàn)交叉口沖突，如圖3所示。

2.2? 道口全自動(dòng)沖突解脫運(yùn)行概念。由于中小機(jī)場條件落后，人手短缺，提出道口全自動(dòng)沖突解脫運(yùn)行概念，其概念框圖如圖4所示。通過獲取航空器的實(shí)時(shí)位置、速度等信息，根據(jù)計(jì)算得出距交叉道口的距離，道口自動(dòng)將航空器在道口附近的停等指令反饋給駕駛員，管制員只需在終端顯示屏上進(jìn)行監(jiān)視，這將有助于提高管制員的效率，減輕負(fù)荷。

目前存在一些較為先進(jìn)的場面運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠很好地保證場面運(yùn)行的安全和效率，但這些系統(tǒng)往往價(jià)格高昂。因此提出道口自動(dòng)沖突解脫概念，不僅可以用于中小機(jī)場場面自動(dòng)化管理，也可以單獨(dú)作為A-SMGCS系統(tǒng)中成為一個(gè)增強(qiáng)道口安全管控能力的模塊。

2.3? 機(jī)場場面監(jiān)視。機(jī)場內(nèi)的交通是復(fù)雜多變的，機(jī)場場面由跑道、滑行道、停機(jī)坪等部分組成，各部分的安全約束條件都有差異，運(yùn)行在不同的區(qū)域，時(shí)間間隔和距離間隔都會(huì)改變，因此機(jī)場場面交通研究是一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的問題。

場面監(jiān)視技術(shù)主要分為以下幾種：一次雷達(dá)技術(shù)、二次雷達(dá)技術(shù)、ADS-B以及多點(diǎn)定位技術(shù)。

一次雷達(dá)頻繁不斷地發(fā)射脈沖信號(hào)，雷達(dá)根據(jù)信號(hào)的頻率幅度來檢測到物體的距離方向。二次雷達(dá)可以利用發(fā)射機(jī)發(fā)射出脈沖信號(hào)，接受器將信號(hào)翻譯成編碼，在地面上可以顯示出飛機(jī)的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。MLAT是基于A/C或S模式應(yīng)答機(jī)的多基站定位系統(tǒng)。ADS-B是通過獲取周圍其他交通工具的位置，實(shí)現(xiàn)交通工具之間相互通信、感知周圍環(huán)境的監(jiān)視技術(shù)，能夠?yàn)樗_(tái)提供全面的監(jiān)視目標(biāo)信息，所帶來的定位精度更高，需要的建設(shè)周期較短。距離測量系統(tǒng)如圖5所示。

中小機(jī)場和通航機(jī)場限于運(yùn)行成本，部分將放棄場面監(jiān)視雷達(dá)這一高成本場面監(jiān)視方案。對(duì)于場面管制可考慮采用ADS-B+視覺測距這一組合監(jiān)視，對(duì)航空器到達(dá)道口的距離信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測?；谝曈X的場面目標(biāo)識(shí)別如圖6所示。

3? 機(jī)場場面沖突模型

3.1? 機(jī)場場面建模。機(jī)場場面的建模主要分為場面運(yùn)行區(qū)域建模和航空器滑行屬性建模兩種，場面飛行區(qū)建模中較為常用的方法包括混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）模型，有向圖模型及Petri網(wǎng)建模等。

MILP作為整數(shù)線性規(guī)劃模型中的一部分，這種模型代表了目標(biāo)函數(shù)和相關(guān)約束條件都為線性相關(guān)，但是在關(guān)鍵的決策變量中有相對(duì)應(yīng)的部分變量需要作為整數(shù)的規(guī)劃模型來使用。

有向圖模型是將機(jī)場場面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)化為有向圖的形式，有向圖G代表了一個(gè)有序的三元組V，E，W，其中W代表了關(guān)聯(lián)函數(shù)，它讓有向邊E其中的每個(gè)成員都會(huì)一一對(duì)應(yīng)VG中的一個(gè)有序元素?，F(xiàn)階段大多數(shù)的論文或研究中采用的都為此類方法來構(gòu)建場面活動(dòng)區(qū)域。

Petri網(wǎng)模型可以被視作一種面向過程的建模方法，主要分三類：描述、分析和設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)。此模型會(huì)將機(jī)場的運(yùn)行區(qū)域劃分為跑道、滑行道直線段和交叉口等模塊，之后將其中每個(gè)模塊都會(huì)通過Petri網(wǎng)模型來進(jìn)行建模。

3.2? 場面沖突模型選擇。目前國內(nèi)外對(duì)場面安全風(fēng)險(xiǎn)的研究多采用遺傳算法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、多Agent模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Petri網(wǎng)等。

遺傳算法可能收斂于局部最優(yōu)，而非全局最優(yōu)，編碼復(fù)雜，處理規(guī)模略小。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的適用范圍尚不明確，不能確定在多大范圍內(nèi)是有效的。多Agent模型在提供框架方面，適配性較好，而在細(xì)節(jié)仿真方面，適配性較弱。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不宜用來求解用數(shù)字計(jì)算機(jī)解決得很好的問題。Petri網(wǎng)能夠清楚地描述作業(yè)進(jìn)程間的同步和異步，能夠動(dòng)態(tài)地展示系統(tǒng)內(nèi)部元素的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但不支持構(gòu)造大規(guī)模模型。另外傳統(tǒng)算法在解決場面沖突問題上大多基于航空器的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序，導(dǎo)致優(yōu)先級(jí)低的航空器排隊(duì)時(shí)間過長，靈活性較差，效率較低。

在對(duì)以上幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析后，在構(gòu)建場面沖突模型時(shí)一般是選用多Agent仿真模型和Petri網(wǎng)仿真模型。本文基于多Agent的仿真概念模型為例結(jié)合航空器自身屬性進(jìn)行討論，有較強(qiáng)的靈活性。

3.3? 基于Agent自動(dòng)道口控制模型。基于Agent自動(dòng)道口控制模型要包含四部分（如圖7所示），管制人員、航空器、道口管理系統(tǒng)、場面監(jiān)視系統(tǒng)。

管制人員不需要實(shí)時(shí)指揮航空器，只需要在管制室對(duì)航空器進(jìn)行監(jiān)視，管制員可以獲得航空器在滑行中收到的每一個(gè)來自道口管理系統(tǒng)給航空器的指令。

航空器的位置、滑行軌跡等狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)傳輸給場面監(jiān)視系統(tǒng)，航空器的下一步動(dòng)作由道口管理系統(tǒng)給出，優(yōu)先以道口自動(dòng)系統(tǒng)為主，當(dāng)與管制員指令沖突時(shí)，由飛行員自行判斷。

道口管理系統(tǒng)根據(jù)航空器實(shí)時(shí)速度，并基于飛行型號(hào)尺寸和距道口的距離以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)做出決策后，立即反饋給飛行員。

場面監(jiān)視系統(tǒng)由ADS-B和視覺兩部分組成。通過ADS-B和目標(biāo)監(jiān)測獲取到航空器的位置，以此測量航空器距道口的距離。

基于Agent的道口自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)際機(jī)場場面道口環(huán)境進(jìn)行了模擬，可以在一定程度上減少?zèng)_突的發(fā)生，即使發(fā)生沖突，也可以盡快解決。

3.4? 案例分析。設(shè)計(jì)人工組與自動(dòng)模型進(jìn)行對(duì)比，需要通過道口航空器數(shù)量為100架，邀請3名一線塔臺(tái)管制員進(jìn)行場景模擬，考慮到實(shí)際情況下，管制員從發(fā)現(xiàn)沖突到做出決策，需要反應(yīng)時(shí)間，因此，人工組每做出一次的決策，時(shí)間加2秒，測試結(jié)果如表1所示：

自動(dòng)道口控制模型下，通過100架航空器需要618.25秒，而人工組通過100架航空器平均需要984.41秒，表明基于Agent自動(dòng)道口管控相比于人工指揮通行效率提高了37.2%。

4? 結(jié)束語

民航業(yè)的發(fā)展大大的拉近了人與人之間的距離，為人們出行提供了極大的便利。航空器場面滑行問題是一個(gè)諸多因素相互影響的過程，而滑行沖突的數(shù)量極大地影響了機(jī)場整體運(yùn)行效率。為了避免機(jī)場場面沖突，本文針對(duì)航空器場面滑行中幾種常見的沖突進(jìn)行了分析，探討了機(jī)場場面概念監(jiān)視技術(shù)，分析了場面沖突模型的優(yōu)缺點(diǎn)，構(gòu)建了基于多Agent的自動(dòng)道口控制模型，為解決機(jī)場場面沖突問題提供了一種有效的方法。相信隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，機(jī)場場面運(yùn)行會(huì)變的越來越安全、高效。

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