一種改進(jìn)的A-SMGCS機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道清掃引導(dǎo)系統(tǒng)

摘" 要：隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，越來(lái)越多的人們選擇乘坐飛機(jī)出行。日益增多的航班量也給機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道（跑道、滑行道、機(jī)坪）清掃工作提出更多的挑戰(zhàn)。目前機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道清掃方式主要為人工駕駛清掃車(chē)輛進(jìn)行排查清掃，但是這種方式存在清掃作業(yè)與航空器運(yùn)行的沖突風(fēng)險(xiǎn)，場(chǎng)道全寬清掃作業(yè)難度大，清掃質(zhì)量不能保證的弊端。為消除弊端，該文運(yùn)用樹(shù)莓派進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，采用Python語(yǔ)言，在A-SMGCS系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)場(chǎng)道清掃模塊，包括路徑行駛方案規(guī)劃模塊、場(chǎng)道避障及循跡模塊、燈光識(shí)別模塊等，最終實(shí)現(xiàn)清掃系統(tǒng)的優(yōu)化，使其自動(dòng)規(guī)劃清掃路徑，避免與航空器運(yùn)行沖突，提高清掃車(chē)的清掃效率。

關(guān)鍵詞：A-SMGCS 系統(tǒng);場(chǎng)道清掃;道路引導(dǎo);避障循跡;機(jī)場(chǎng)滑行道

中圖分類(lèi)號(hào)：X738.2" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）26-0046-04

Abstract： With the continuous improvement of our national economy， more and more people choose to travel by air. The increasing number of flights also poses more challenges to the cleaning of airport runways （runways， taxiways， aprons）. At present， the way of cleaning the airport road is mainly for manually driven cleaning vehicles， but this method has the following disadvantages： There is a risk of conflict between the cleaning operation and the operation of the aircraft; the full-width cleaning operation of the airport road is very difficult， and the cleaning quality can not be guaranteed. In order to eliminate the above disadvantages， this paper uses raspberry pie to develop the system， uses Python language to develop the field road cleaning module in the A-SMGCS system， including the path driving scheme planning module， the field road obstacle avoidance and tracking module， light recognition module and so on， finally realizes the optimization of the cleaning system， so as to make it plan the cleaning path automatically， avoid the conflict with the aircraft operation， and improve the cleaning efficiency of the cleaning vehicle.

Keywords： A-SMGCS system; field road cleaning; road guidance; obstacle avoidance tracking; airport taxiway

交通運(yùn)輸部2018年第33號(hào)令《運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全管理規(guī)定》[1]第六十條規(guī)定：“對(duì)跑道、滑行道、機(jī)坪應(yīng)當(dāng)定期清掃。對(duì)跑道、滑行道的清掃每月不應(yīng)少于一次，應(yīng)當(dāng)建立機(jī)坪每日動(dòng)態(tài)巡查制度，及時(shí)清除外來(lái)物，對(duì)機(jī)坪每周至少全面清掃一次?！蓖ㄟ^(guò)查閱國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)場(chǎng)服務(wù)車(chē)輛的研究主要集中在車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)、車(chē)輛調(diào)度問(wèn)題、通信系統(tǒng)3個(gè)方面。劉俊強(qiáng)等[2]開(kāi)發(fā)出了一套車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)，并將其移植應(yīng)用到首都機(jī)場(chǎng);晏曉東[3]認(rèn)為目前我國(guó)民航機(jī)場(chǎng)主要借助人工調(diào)度和基本運(yùn)籌學(xué)的方法對(duì)機(jī)場(chǎng)地面服務(wù)車(chē)輛完成指揮、調(diào)度、監(jiān)視，但是這些方法一方面缺少全局良好的調(diào)度策略，另一方面認(rèn)為機(jī)場(chǎng)地面特種車(chē)輛調(diào)度問(wèn)題是一個(gè)靜態(tài)問(wèn)題，很難滿足航班地面保障的實(shí)時(shí)調(diào)度需求;樊瑋等[4-5]研究發(fā)現(xiàn)，雖然有些機(jī)場(chǎng)在機(jī)場(chǎng)服務(wù)車(chē)輛指揮引導(dǎo)系統(tǒng)中增加了通信技術(shù)，但是交互的信息數(shù)據(jù)只是來(lái)自于機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)和飛行通告，并沒(méi)有服務(wù)車(chē)輛的實(shí)際信息。

對(duì)于A-SMGCS的研究主要集中在系統(tǒng)算法上。任寧等[6]從目前航空器入離位的運(yùn)行模式出發(fā)，參照機(jī)位操作引導(dǎo)燈設(shè)立規(guī)范，分析了目前航空器入離位方式的弊端，探究了泊位引導(dǎo)系統(tǒng)與A-SMGCS系統(tǒng)互聯(lián)運(yùn)行的優(yōu)化方案，解決了目前航空器入離位的痛點(diǎn);此外，還從航跡起始、航跡持續(xù)、航跡管理和環(huán)境評(píng)估4個(gè)方面探究HITT A3000型A-SMGCS系統(tǒng)的多傳感器目標(biāo)跟蹤算法。

綜上所述，國(guó)內(nèi)對(duì)A-SMGCS系統(tǒng)中機(jī)場(chǎng)服務(wù)車(chē)輛引導(dǎo)模塊的研究較少，因此，本文旨在A-SMGCS系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道清掃引導(dǎo)模塊，消除人工駕駛清掃車(chē)輛進(jìn)行排查清掃道面的弊端。

1" A-SMGCS 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

A-SMGCS（Advanced Surface Movement Guidance and Control System）系統(tǒng)，中文全稱為高級(jí)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面活動(dòng)引導(dǎo)與控制系統(tǒng)，是一套對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面航空器、車(chē)輛等目標(biāo)提供全面的監(jiān)視、控制、滑行路徑規(guī)劃及引導(dǎo)服務(wù)的綜合集成信息處理系統(tǒng)[7]。

A-SMGCS系統(tǒng)根據(jù)其功能不同分為4個(gè)等級(jí)，功能越多，對(duì)應(yīng)的等級(jí)越高。林濱等[8]提出，Ⅰ級(jí)應(yīng)該具備基本的監(jiān)視功能，能夠檢測(cè)到并精準(zhǔn)定位所有安裝應(yīng)答機(jī)的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面目標(biāo)，定位能精確到單位m，且能自動(dòng)識(shí)別所有車(chē)輛和飛機(jī);Ⅱ級(jí)除了具備監(jiān)視功能之外，還應(yīng)具有控制功能，能夠防止地面飛機(jī)和車(chē)輛等發(fā)生交通沖突及跑道侵入，并對(duì)地面交通中的各類(lèi)沖突、危險(xiǎn)及侵入進(jìn)行探測(cè)和告警;Ⅲ級(jí)在Ⅱ級(jí)的基礎(chǔ)上又增加了路由規(guī)劃功能，通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)規(guī)劃或人工干預(yù)的方式為飛機(jī)滑行和車(chē)輛行駛規(guī)劃最優(yōu)路徑，緩解地面管制員的工作壓力;Ⅳ級(jí)除了具備Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)具備的監(jiān)視、控制、路由規(guī)劃功能外，還增加了引導(dǎo)功能。

目前，我國(guó)已在北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)、上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)、廣州白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)等大型國(guó)際樞紐機(jī)場(chǎng)建設(shè)使用了A-SMGCS系統(tǒng)，并能提供II級(jí)服務(wù)。北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)是目前全國(guó)唯一實(shí)現(xiàn)A-SMGCS Ⅳ級(jí)燈光引導(dǎo)全天候應(yīng)用的機(jī)場(chǎng)，能對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面航空器、特種車(chē)輛等提供全面的監(jiān)視、控制、滑行路徑規(guī)劃及引導(dǎo)服務(wù)，效率國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。

2" 場(chǎng)道清掃引導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)作機(jī)制

2.1" 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

本項(xiàng)目主要基于樹(shù)莓派進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，運(yùn)用Python語(yǔ)言編譯，在A-SMGCS系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)場(chǎng)道清掃模塊。場(chǎng)道清掃模塊包括機(jī)場(chǎng)跑滑系統(tǒng)可能的路徑行駛方案規(guī)劃模塊、場(chǎng)道避障及循跡模塊、燈光識(shí)別模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與統(tǒng)計(jì)模塊、液晶屏幕顯示模塊和攝像模塊。

2.2" 系統(tǒng)運(yùn)作機(jī)制

首先，在清掃模塊系統(tǒng)中人為輸入機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道各部分的寬度及跑滑系統(tǒng)可能的路徑行駛方案，然后根據(jù)A-SMGCS系統(tǒng)的燈光引導(dǎo)作用，選出最優(yōu)的清掃方案。

其次，運(yùn)行循跡模塊、攝像模塊，小車(chē)開(kāi)始清掃，燈光識(shí)別模塊開(kāi)始運(yùn)行，遵循綠燈前進(jìn)，紅燈停車(chē)等待的原則，避障模塊運(yùn)行，避障范圍定為前方5 m，若該范圍內(nèi)存在障礙物，會(huì)在應(yīng)答機(jī)的屏幕上顯示，等待工作人員作出選擇是否重新選擇路線還是緊急情況，若視為緊急情況，停止前進(jìn)，停車(chē)等待，并保存清掃進(jìn)度，當(dāng)障礙物消失后繼續(xù)前進(jìn)清掃跑道。

最后，如若出現(xiàn)特殊情況，可在應(yīng)答機(jī)的液晶屏幕上選擇一鍵退出清掃模塊，退出后小車(chē)將保存清掃作業(yè)進(jìn)度，并保存所有此次作業(yè)的數(shù)據(jù)和采集的視頻，如若出現(xiàn)問(wèn)題，可及時(shí)復(fù)盤(pán)，車(chē)變?yōu)槠胀ㄐ≤?chē)，具體運(yùn)作機(jī)制如圖1所示。

3" 場(chǎng)道清掃引導(dǎo)系統(tǒng)各功能模塊設(shè)計(jì)

3.1" 路徑行駛方案規(guī)劃模塊

路徑行駛方案規(guī)劃模塊運(yùn)行可為清掃車(chē)提供最優(yōu)的路徑行駛方案，并當(dāng)場(chǎng)面發(fā)生沖突時(shí)，按照實(shí)時(shí)場(chǎng)面狀況重新規(guī)劃路線。

此模塊將應(yīng)用機(jī)場(chǎng)的場(chǎng)道參數(shù)輸入系統(tǒng)，包括各場(chǎng)道的寬度、長(zhǎng)度及各條道路上存在的固定建筑物或物體的位置及大小，根據(jù)各參數(shù)推算出道路行駛的多種方案，當(dāng)清掃車(chē)運(yùn)行時(shí)，依據(jù)上述輸入的參數(shù)，為清掃車(chē)自動(dòng)規(guī)劃道路行駛方案，如圖2所示。

3.2" 場(chǎng)道避障及循跡模塊

3.2.1" 避障模塊及其實(shí)現(xiàn)

避障模塊運(yùn)行時(shí)，車(chē)輛在行駛過(guò)程中能夠有效避免與航空器產(chǎn)生沖突，及時(shí)更換路線，并且能夠識(shí)別機(jī)場(chǎng)路面其他設(shè)施設(shè)備，防止出現(xiàn)沖突，同時(shí)能夠識(shí)別場(chǎng)道FOD，進(jìn)行清掃。

避障模塊采用的是超聲波測(cè)距模塊HC-SR04，該模塊包括一個(gè)超聲發(fā)射器和一個(gè)超聲波接收器，如圖3所示。該模塊可以不接觸地測(cè)量2～400 cm的距離，測(cè)距精度高達(dá)3 mm。

避障程序：測(cè)量小車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中獲取正前方距離，當(dāng)前方距離小于指定值時(shí)，小車(chē)停下進(jìn)行紅外掃描測(cè)距，在0°～180°內(nèi)，每10°進(jìn)行一次測(cè)距，根據(jù)測(cè)得的夾角大小大致判斷障礙物的尺寸。將掃描的距離進(jìn)行存儲(chǔ)，其中最小距離對(duì)應(yīng)的角度為Dmin，測(cè)量小車(chē)正向的角度為D0，那么最小距離tan（|D0-Dmin|）就是小車(chē)轉(zhuǎn)向后需要越過(guò)的大致障礙物距離，小車(chē)應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度即為最小距離角度減去邊緣角度D1絕對(duì)值，如圖4所示。通過(guò)中央處理后實(shí)現(xiàn)小車(chē)的控制，從而繞過(guò)障礙物。當(dāng)紅外循跡模塊檢測(cè)到黑線時(shí)，小車(chē)停止繞障并進(jìn)入循跡模式。

3.2.2" 循跡模塊及其實(shí)現(xiàn)

循跡?？爝\(yùn)行時(shí)可為清掃車(chē)在規(guī)劃好路線的情況下按照其軌跡行駛，使清掃覆蓋道面全寬如圖5所示。

循跡模塊采用的是ST188紅外一體式發(fā)射接收器，如圖6所示。為了保證檢查效果，能檢測(cè)更復(fù)雜的黑線，本系統(tǒng)采用了環(huán)境光線感應(yīng)能力較強(qiáng)的集成6路紅外循跡模塊，該模塊可以通過(guò)電位器旋鈕來(lái)調(diào)節(jié)檢測(cè)距離，有效距離范圍為2～30 cm，工作電壓為3.3～5 V。

實(shí)現(xiàn)循跡功能：首先由3組紅外傳感器檢測(cè)路面黑線，然后根據(jù)信號(hào)-灰度對(duì)應(yīng)關(guān)系，來(lái)控制測(cè)量小車(chē)行為。

3.3" 場(chǎng)道清掃其他輔助模塊

3.3.1" 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

小車(chē)通過(guò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊將小車(chē)運(yùn)行的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)清掃車(chē)因出現(xiàn)暫停工作并撤離清掃現(xiàn)場(chǎng)后，若想要恢復(fù)工作，小車(chē)可以通過(guò)保存的清掃數(shù)據(jù)直接找到中斷清掃的道路位置，從而繼續(xù)清掃。

3.3.2" 攝像模塊

在清掃車(chē)上安裝攝像頭，監(jiān)控路況，利用視覺(jué)處理技術(shù)對(duì)拍攝的圖像實(shí)時(shí)處理，識(shí)別出各種障礙物并將所有視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，便于及時(shí)復(fù)盤(pán)。

3.3.3" 液晶屏幕顯示模塊

該模塊鏈接所有模塊，將攝像模塊所拍攝畫(huà)面經(jīng)過(guò)處理后，顯示在液晶屏幕上，方便駕駛員識(shí)別各種不同的情況，以便做出不同的應(yīng)對(duì)措施。

3.3.4" 燈光識(shí)別模塊

燈光識(shí)別模塊可以識(shí)別紅綠信號(hào)燈，識(shí)別成功后通過(guò)液晶屏幕顯示模塊反饋給清掃車(chē)駕駛員，遵循清掃車(chē)綠燈正常清掃，紅燈停止前進(jìn)的規(guī)則。

4" 場(chǎng)道清掃引導(dǎo)系統(tǒng)創(chuàng)新性分析

本場(chǎng)道清掃引導(dǎo)系統(tǒng)的創(chuàng)新性最主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面。

第一，基于A-SMGCS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)場(chǎng)道清掃模塊。本系統(tǒng)主要基于樹(shù)莓派進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，運(yùn)用Python語(yǔ)言編譯，在A-SMGCS系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)場(chǎng)道清掃模塊。場(chǎng)道清掃模塊包括機(jī)場(chǎng)跑滑系統(tǒng)可能的路徑行駛方案、場(chǎng)道各部分寬度的統(tǒng)計(jì)及輸入、避障模塊、燈光識(shí)別模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與統(tǒng)計(jì)模塊、液晶屏幕顯示模塊、循跡模塊和攝像模塊。

第二，本系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)場(chǎng)道清掃車(chē)清掃難度大、與航空器存在運(yùn)行沖突風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題。通過(guò)運(yùn)行清掃模塊解決跑道場(chǎng)道全寬清掃難度較大、清掃質(zhì)量提升遇瓶頸、清掃作業(yè)與航空器運(yùn)行存在沖突風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題，與傳統(tǒng)清掃車(chē)相比，本清掃車(chē)能夠制訂清掃作業(yè)計(jì)劃，全面清掃道路，做到不重不漏，并存在作業(yè)過(guò)程全程記錄并保存，能夠做到事前有保障，事后可復(fù)盤(pán)。

5" 總結(jié)與展望

本系統(tǒng)以A-SMGCS系統(tǒng)為背景實(shí)施，該系統(tǒng)是ICAO（國(guó)際民用航空組織）大力推進(jìn)的一項(xiàng)新技術(shù)，也是ASBU（Aviation System Block Upgrade，航空系統(tǒng)組塊升級(jí)）推薦的用于改進(jìn)機(jī)場(chǎng)綜合運(yùn)行效能的一項(xiàng)重要技術(shù)，目前已在國(guó)內(nèi)外多個(gè)機(jī)場(chǎng)應(yīng)用，因此完全有實(shí)現(xiàn)的可能。

下一步則將進(jìn)一步完善A-SMGCS系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)其掃道作業(yè)功能。該項(xiàng)目實(shí)行后能夠大大提高機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行效率，降低運(yùn)行成本，大大緩解了清掃作業(yè)與航空器運(yùn)行存在的沖突，既保障了航空器的正常運(yùn)行，又能提升場(chǎng)務(wù)監(jiān)管員清掃滑行道作業(yè)的效率，體現(xiàn)了民航總局倡導(dǎo)的四型機(jī)場(chǎng)理念。

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基金項(xiàng)目：2022年山東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S202210449021）

第一作者簡(jiǎn)介：王娟（2001-），女。研究方向?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸。

*通信作者：趙明明（1989-），女，碩士，講師。研究方向?yàn)闄C(jī)場(chǎng)規(guī)劃。