深圳機(jī)場航班跑道占用時(shí)間統(tǒng)計(jì)分析研究

馮 超，張偉航

(中國民用航空深圳空中交通管理站 后勤服務(wù)中心，廣東 深圳 518000)

0 引言

深圳機(jī)場全稱深圳寶安國際機(jī)場(Shenzhen Bao′an International Airport，IATA代碼：SZX，ICAO代碼：ZGSZ)，位于深圳市寶安區(qū)，為4F級國際機(jī)場。深圳機(jī)場擁有2條跑道，2座航站樓，距離深圳市區(qū)32 km，未發(fā)生疫情時(shí)(2019年)航班吞吐量全國排名第五位。希思羅機(jī)場全稱倫敦希思羅機(jī)場(London Heathrow Airport，IATA代碼：LHR,ICAO代碼：EGLL)位于大倫敦希靈登區(qū)，為4F級國際機(jī)場。希思羅機(jī)場擁有2條跑道，5座航站樓，距倫敦市區(qū)23 km，為全世界最繁忙的機(jī)場之一。深圳機(jī)場與倫敦希思羅機(jī)場在空域結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式上存在很多相似之處。不過，深圳機(jī)場與希思羅機(jī)場在運(yùn)行效率上與希思羅機(jī)場還有一定差距：深圳寶安機(jī)場航班起降小時(shí)高峰航班量為68架次，進(jìn)港小時(shí)高峰航班量為42架次，出港為38架次；希思羅機(jī)場航班起降小時(shí)航班量為88～92架次，其中出港為46～48架次，進(jìn)港為42架次。

近年來，隨著航空通導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是各類航班監(jiān)視設(shè)備在機(jī)場的應(yīng)用，使應(yīng)用監(jiān)視設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行航班大數(shù)據(jù)分析成為可能。場面監(jiān)視雷達(dá)，ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng))及多點(diǎn)定位系統(tǒng)是機(jī)場運(yùn)營用到的監(jiān)視設(shè)備。場面監(jiān)視雷達(dá)是一次雷達(dá)，一般部署在機(jī)場管制塔臺頂部，用于實(shí)時(shí)掃描機(jī)場近空及場面情況，展示車輛及飛機(jī)實(shí)時(shí)位置[1]。ADS-B是以全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS為基礎(chǔ)開發(fā)的監(jiān)視系統(tǒng)，該技術(shù)是航空運(yùn)輸交通體系發(fā)展的重要技術(shù)成果[2-3]。多點(diǎn)定位場面監(jiān)測技術(shù)是新的場面監(jiān)視技術(shù)，相較于常規(guī)的監(jiān)測技術(shù)來說，效率更高，檢測速度更快[4]。本文基于深圳機(jī)場應(yīng)用較為成熟的場面監(jiān)視雷達(dá)、ADS-B設(shè)備信號，提出了實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)航班跑道占用時(shí)間的方法，為后續(xù)運(yùn)用大數(shù)據(jù)的分析方法，找出各時(shí)段、各航空公司或各類機(jī)型的跑道占用情況，優(yōu)化管制業(yè)務(wù)工作程序提供數(shù)據(jù)依據(jù)，最終達(dá)到實(shí)現(xiàn)減少每架航空器的跑道占用時(shí)間，跑道的空閑時(shí)間，提高跑道使用率和航班運(yùn)行效率的目的。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

通過分析NOVA9000自動化系統(tǒng)的場面監(jiān)視雷達(dá)信號，結(jié)合深圳機(jī)場地圖，提出了一套解決跑道占用時(shí)間統(tǒng)計(jì)的方法，并開發(fā)完成了跑道占用時(shí)間統(tǒng)計(jì)的工具。

跑道占用時(shí)間統(tǒng)計(jì)流程主要包括場面監(jiān)視雷達(dá)信號解析、ADS-B信號解析、電子圍欄繪制、航班信息匹配、跑道占用時(shí)間統(tǒng)計(jì)等步驟，實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

先通過UDP Client形式完成場監(jiān)雷達(dá)和ADS-B信號的引接，在此基礎(chǔ)上根據(jù)機(jī)場地圖繪制了電子圍欄。電子圍欄是在機(jī)場地圖中以多邊形或者圓形圈定的一些特定區(qū)域，用以監(jiān)控是否有航空器進(jìn)入，從而作出相應(yīng)的航空器穿越電子圍欄的響應(yīng)。

(1)數(shù)據(jù)解析。場面監(jiān)視雷達(dá)信號(以下簡稱場監(jiān)雷達(dá)信號)的數(shù)據(jù)格式為ASTERIX CAT011①，ADS-B數(shù)據(jù)的格式為ASTERIX CAT021②，需要根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行解析；

(2)捕獲進(jìn)出跑道記錄。實(shí)時(shí)監(jiān)控航空器進(jìn)出跑道電子圍欄的情況，當(dāng)有飛機(jī)進(jìn)出跑道時(shí)觸發(fā)記錄航班進(jìn)出跑道的時(shí)刻；

(3)匹配航班信息。NOVA9000提供的場監(jiān)信號數(shù)據(jù)中，包含的航班基礎(chǔ)信息并不完整③，需要結(jié)合ADS-B數(shù)據(jù)，通過航班的經(jīng)度、緯度、高度和時(shí)間四個維度進(jìn)行實(shí)時(shí)匹配；

(4)數(shù)據(jù)存儲。對前述所得航班信息和進(jìn)出跑道時(shí)刻進(jìn)行存儲，用于后續(xù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 ASTERIX數(shù)據(jù)解析

ASTERIX (All Purpose Structured Eurocontrol Surveillance Information Exchange)，是歐洲航行安全組織為統(tǒng)一雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸和交換而制定的標(biāo)準(zhǔn)[5]。

場面監(jiān)視雷達(dá)信號包含有航班的軌跡號、時(shí)間戳、位置、速度、高度等信息。其中，根據(jù)報(bào)文信息確定航班的位置信息是解析過程中的關(guān)鍵。由于場監(jiān)雷達(dá)為一次雷達(dá)，信號本身不包含與航班計(jì)劃有關(guān)的數(shù)據(jù)，而ADS-B數(shù)據(jù)中包含有航班的航班號等相關(guān)信息，可以通過ADS-B的數(shù)據(jù)中的航班號等信息去關(guān)聯(lián)航班計(jì)劃數(shù)據(jù)。因此，通過將ADS-B數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)與場面監(jiān)視雷達(dá)信號進(jìn)行匹配，就可獲得航班計(jì)劃等相關(guān)信息。

2.1 數(shù)據(jù)解析

ASTERIX數(shù)據(jù)主要由數(shù)據(jù)協(xié)議標(biāo)識(CAT)、數(shù)據(jù)長度(LEN)和若干記錄(Record)組成②，如圖2所示。其中每條記錄由FSPEC和Data Field組成，包含航班在某時(shí)刻的信息。FSPEC為字段說明，它決定了Data Field中包含哪些數(shù)據(jù)項(xiàng)；Data Field為數(shù)據(jù)項(xiàng)集合，包含航班號、位置、時(shí)刻、航班計(jì)劃等信息。ASTERIX數(shù)據(jù)包可包含一條或者多條記錄，每條記錄對應(yīng)一個航班的相關(guān)信息。

2.1.1 CAT011航班計(jì)劃數(shù)據(jù)

CAT011中航班計(jì)劃信息包含在I011/390數(shù)據(jù)項(xiàng)中，如圖3所示。圖3示意了數(shù)據(jù)項(xiàng)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)后，各字節(jié)所代表數(shù)據(jù)項(xiàng)的內(nèi)容。

圖3中按照二進(jìn)制形式數(shù)值為“1”的位表示Data Field中包含該數(shù)據(jù)項(xiàng)。重要的數(shù)據(jù)項(xiàng)信息如表1所示。例如，若“CSN”位的數(shù)值為“1”，則表示Data Field中包含有7個字節(jié)數(shù)據(jù)包含了航班號信息。

表1 數(shù)據(jù)項(xiàng)信息

圖4所示為JSON格式的數(shù)據(jù)樣例。

根據(jù)圖4可知，此航班的航班號為YZR7932，機(jī)號為B752，尾流為中型機(jī)，起飛機(jī)場為北京首都國際機(jī)場，落地機(jī)場為深圳寶安國際機(jī)場，航班預(yù)計(jì)起飛時(shí)間為當(dāng)天20:32，預(yù)計(jì)落地時(shí)間為當(dāng)天23:30，落地后停機(jī)位為129。

2.1.2 CAT011航班位置

航班位置信息包含在I011/041和I011/042中，其中I011/041是WGS84坐標(biāo)的位置數(shù)據(jù)；I011/042是計(jì)算后的坐標(biāo)信息。具體包含的信息如表2所示。

表2 位置信息

011/041長度為8個字節(jié)，其中前4個字節(jié)表示緯度值(LATITUDE)，后4個字節(jié)表示經(jīng)度值(LONGITUDE)，最小單位為180/231°。精度和緯度計(jì)算公式均為(bytes[0]*224+bytes[1]*216+bytes[2]*28+bytes[1])*180/231,其中，bytes為數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)組。

011/042長度為4個字節(jié)，前2個字節(jié)表示X坐標(biāo)值的補(bǔ)碼形式，后兩個字節(jié)表示Y坐標(biāo)值的補(bǔ)碼形式。

2.1.3 CAT011航班高度

航班高度信息包含在I011/090中。I011/090在Data Field中占用2個字節(jié)，如圖5所示，并且是補(bǔ)碼形式進(jìn)行存儲，需要根據(jù)補(bǔ)碼值求出真值，它的LSB(Least Significant Bit，最低有效位)為0.25 FL。

2.1.4 CAT011航班速度

航班速度信息包含在I011/202中。I011/202在Data Field中占4個字節(jié)，如圖6所示，前兩個字節(jié)為X軸方向速度值，并且是補(bǔ)碼形式；后兩個字節(jié)為Y軸方向的速度值，其存儲值為補(bǔ)碼形式,需要根據(jù)補(bǔ)碼值求出真值。LSB(Least Significant Bit，最低有效位)為0.25 。

2.1.5 CAT021 航班號

ADS-B數(shù)據(jù)中航班號信息包含在I021/170數(shù)據(jù)項(xiàng)中。其具體解析規(guī)則如圖7所示。

每六位二進(jìn)制數(shù)代表一個字母，一共六個字節(jié)共48位代表8個字母。其中，每個字母與數(shù)值的對應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 I021/170數(shù)值字母對照表

2.2 位置信息轉(zhuǎn)換

場監(jiān)雷達(dá)信號中關(guān)于航班的位置信息包括WGS84坐標(biāo)和笛卡爾坐標(biāo)兩種，其中：前者為航班的經(jīng)緯度坐標(biāo)信息；后者是相對于場監(jiān)雷達(dá)自身位置的相對坐標(biāo)(以m為單位)。根據(jù)這兩種信息可在機(jī)場地圖中繪制出航班某一時(shí)刻所在的位置，以一個點(diǎn)跡表示，則同一航班所有點(diǎn)跡組成該航班的軌跡，場監(jiān)雷達(dá)數(shù)據(jù)中包含一個或多個航班在某時(shí)刻的點(diǎn)跡信息。在上述兩種坐標(biāo)中，計(jì)算后的笛卡爾坐標(biāo)并不包含所有的點(diǎn)跡信息，而WGS84坐標(biāo)包含所有點(diǎn)跡信息。

為方便計(jì)算，機(jī)場地圖使用笛卡爾坐標(biāo)，在確定一個點(diǎn)跡的位置時(shí)需結(jié)合笛卡爾坐標(biāo)和WGS84坐標(biāo)共同得出，笛卡爾坐標(biāo)不包含的點(diǎn)跡需根據(jù)WGS84坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算后得到其所在笛卡爾坐標(biāo)的位置。

設(shè)WGS84坐標(biāo)系中點(diǎn)跡(緯度，經(jīng)度)坐標(biāo)為(φ,λ)，使用國際標(biāo)準(zhǔn)化的地圖投影法通用橫軸墨卡托投影[3]將點(diǎn)跡轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標(biāo)(Xf,Yf)，轉(zhuǎn)換公式為

(1)

A=(λ-λ0)cosφ

(2)

式中，λ0為基準(zhǔn)參考子午線的經(jīng)度值。

(3)

T=tan2φ

(4)

(5)

則

(6)

(7)

式中：a為赤道半徑；E0=500 km；k0=0.999 6；北半球N0= 0 km；南半球N0=10 000 km。

根據(jù)式(1)～(7)，可將場監(jiān)雷達(dá)的WGS84點(diǎn)跡坐標(biāo)(φ,λ)轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標(biāo)(Xf,Yf)。計(jì)算出航班點(diǎn)跡以場監(jiān)雷達(dá)為原點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)系下的相對位置坐標(biāo)(Xr,Yr)，則點(diǎn)跡的笛卡爾坐標(biāo)(X,Y)可由下式確定

X=Xf-Xr

(8)

Y=Yf-Yr

(9)

將點(diǎn)跡的WGS84坐標(biāo)信息和笛卡爾坐標(biāo)系信息相結(jié)合，并將笛卡爾坐標(biāo)系中不包含的WGS84坐標(biāo)系中的點(diǎn)跡信息根據(jù)式(1)～(9)換算為笛卡爾坐標(biāo)系信息，據(jù)此可繪制電子圍欄。

3 電子圍欄的繪制方法

根據(jù)機(jī)場地圖笛卡爾坐標(biāo)，以矩形和直線為基礎(chǔ)形狀，應(yīng)用Direct2D繪制機(jī)場地圖和電子圍欄，如圖8所示。圖8中的矩形是按照跑道實(shí)際地理位置坐標(biāo)繪制的跑道電子圍欄，黑色點(diǎn)跡為航班的實(shí)際飛行軌跡，當(dāng)監(jiān)控有航班點(diǎn)跡進(jìn)入電子圍欄時(shí)便觸發(fā)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行跑道占用時(shí)間的統(tǒng)計(jì)。

4 跑道占用時(shí)間統(tǒng)計(jì)流程

根據(jù)航班的軌跡進(jìn)入跑道第一個點(diǎn)跡的時(shí)間戳及離開跑道第一個點(diǎn)跡的時(shí)間戳差值，計(jì)算航班的跑道占用時(shí)長，具體統(tǒng)計(jì)方法如圖9所示。

系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收航班的場監(jiān)雷達(dá)信號數(shù)據(jù)，并將接收到的點(diǎn)跡數(shù)據(jù)按照軌跡號進(jìn)行分組，然后判斷該點(diǎn)跡是否進(jìn)入跑道及滑行道等電子圍欄，若接收到的點(diǎn)跡數(shù)據(jù)未在電子圍欄內(nèi)，則繼續(xù)接收下一個數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到的點(diǎn)跡數(shù)據(jù)進(jìn)入跑道或滑行道區(qū)域電子圍欄時(shí)，便將此點(diǎn)跡所在組的所有點(diǎn)跡數(shù)據(jù)按照點(diǎn)跡時(shí)間戳由小到大排序，檢查軌跡中所有點(diǎn)跡，若此軌跡有點(diǎn)跡進(jìn)入跑道，則記錄第一個進(jìn)入跑道的點(diǎn)跡的時(shí)間戳作為此航班進(jìn)入跑道的時(shí)間；若有點(diǎn)跡離開跑道，則記錄第一個離開跑道區(qū)域的點(diǎn)跡時(shí)間戳作為航班離開跑道時(shí)間；若此軌跡沒有離開跑道的點(diǎn)跡，則繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，并重復(fù)上述計(jì)算，直到接收到該軌跡離開跑道的點(diǎn)跡并記錄離開跑道點(diǎn)跡的時(shí)間戳作為離開跑道時(shí)刻。航班離開跑道時(shí)刻與進(jìn)入跑道時(shí)刻時(shí)間差即為該航班占用跑道的時(shí)間。

應(yīng)用以上統(tǒng)計(jì)方法，結(jié)合ASP.net core框架[6]、Redis緩存、MySql存儲、JavaScript等技術(shù)，完成了航班跑道占用時(shí)間統(tǒng)計(jì)功能，功能界面如圖10所示。

系統(tǒng)可按照時(shí)間段、航班脫離道口、跑道方向、機(jī)型、航空公司等條件對航班跑道占用時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)不僅列出了航班跑道使用信息，還可展示航班的起飛、落地時(shí)間等信息。同時(shí)，系統(tǒng)還會根據(jù)所選擇的查詢條件，對查詢出滿足條件的所有航班求取跑道占用時(shí)間的均值，并能夠?qū)⒔Y(jié)果導(dǎo)出到EXCEL文件中。圖11是根據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，按照進(jìn)港不同機(jī)型所展示的跑道占用時(shí)間均值柱狀圖，可清晰了解每個機(jī)型在落地過程中占用跑道的時(shí)間均值。同時(shí)，系統(tǒng)也可以按照航空公司、落地機(jī)場、尾流、跑道脫離道口等進(jìn)行相似的分類統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而得到不同維度的跑道占用時(shí)間的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

5 結(jié)論

深圳機(jī)場與同為4F級的希思羅機(jī)場相比較，航班起降小時(shí)航班量差距明顯。為提高深圳機(jī)場的運(yùn)營效率，以深圳機(jī)場場面監(jiān)視雷達(dá)信號為基礎(chǔ)，結(jié)合ADS-B數(shù)據(jù)，通過解析場面監(jiān)視信號，匹配進(jìn)、離港航班的信息，繪制深圳機(jī)場地圖和電子圍欄，對機(jī)場航班起飛和降落時(shí)進(jìn)入和離開跑道的占用時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)機(jī)場跑道占用時(shí)間統(tǒng)計(jì)分析的目的。據(jù)此，可結(jié)合管制業(yè)務(wù)流程的各環(huán)節(jié)，有針對性地提出縮短航班跑道占用時(shí)間的解決方案，為優(yōu)化航班指揮工作程序提供數(shù)據(jù)依據(jù)，提高管制效率。

注釋：

①見Eurocontrol standard document for surveillance data exchange Part 8:Category 011 Transmission of A-SMGCS Data.1.2 ed.2008.5.

②見Eurocontrol standard document for surveillance data exchange Part 12:Category 021 ADS-B Reports.2.1 ed.2011.5.

③見NOVA 9000 SMR INTERFACE CONTROL DOCUMENT ASTERIX CAT011 Output.1.0 ed. 2008,4,14.