一種改進的A-SMGCS機場場道清掃引導系統(tǒng)

摘" 要：隨著我國國民經(jīng)濟水平的不斷提升，越來越多的人們選擇乘坐飛機出行。日益增多的航班量也給機場場道（跑道、滑行道、機坪）清掃工作提出更多的挑戰(zhàn)。目前機場場道清掃方式主要為人工駕駛清掃車輛進行排查清掃，但是這種方式存在清掃作業(yè)與航空器運行的沖突風險，場道全寬清掃作業(yè)難度大，清掃質(zhì)量不能保證的弊端。為消除弊端，該文運用樹莓派進行系統(tǒng)開發(fā)，采用Python語言，在A-SMGCS系統(tǒng)中開發(fā)場道清掃模塊，包括路徑行駛方案規(guī)劃模塊、場道避障及循跡模塊、燈光識別模塊等，最終實現(xiàn)清掃系統(tǒng)的優(yōu)化，使其自動規(guī)劃清掃路徑，避免與航空器運行沖突，提高清掃車的清掃效率。

關(guān)鍵詞：A-SMGCS 系統(tǒng);場道清掃;道路引導;避障循跡;機場滑行道

中圖分類號：X738.2" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：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

交通運輸部2018年第33號令《運輸機場運行安全管理規(guī)定》[1]第六十條規(guī)定：“對跑道、滑行道、機坪應當定期清掃。對跑道、滑行道的清掃每月不應少于一次，應當建立機坪每日動態(tài)巡查制度，及時清除外來物，對機坪每周至少全面清掃一次。”通過查閱國內(nèi)文獻發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)對機場服務車輛的研究主要集中在車輛監(jiān)控系統(tǒng)、車輛調(diào)度問題、通信系統(tǒng)3個方面。劉俊強等[2]開發(fā)出了一套車輛監(jiān)控系統(tǒng)，并將其移植應用到首都機場;晏曉東[3]認為目前我國民航機場主要借助人工調(diào)度和基本運籌學的方法對機場地面服務車輛完成指揮、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，另一方面認為機場地面特種車輛調(diào)度問題是一個靜態(tài)問題，很難滿足航班地面保障的實時調(diào)度需求;樊瑋等[4-5]研究發(fā)現(xiàn)，雖然有些機場在機場服務車輛指揮引導系統(tǒng)中增加了通信技術(shù)，但是交互的信息數(shù)據(jù)只是來自于機場塔臺和飛行通告，并沒有服務車輛的實際信息。

對于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行模式出發(fā)，參照機位操作引導燈設(shè)立規(guī)范，分析了目前航空器入離位方式的弊端，探究了泊位引導系統(tǒng)與A-SMGCS系統(tǒng)互聯(lián)運行的優(yōu)化方案，解決了目前航空器入離位的痛點;此外，還從航跡起始、航跡持續(xù)、航跡管理和環(huán)境評估4個方面探究HITT A3000型A-SMGCS系統(tǒng)的多傳感器目標跟蹤算法。

綜上所述，國內(nèi)對A-SMGCS系統(tǒng)中機場服務車輛引導模塊的研究較少，因此，本文旨在A-SMGCS系統(tǒng)中開發(fā)機場場道清掃引導模塊，消除人工駕駛清掃車輛進行排查清掃道面的弊端。

1" A-SMGCS 系統(tǒng)簡介

A-SMGCS（Advanced Surface Movement Guidance and Control System）系統(tǒng)，中文全稱為高級機場場面活動引導與控制系統(tǒng)，是一套對機場場面航空器、車輛等目標提供全面的監(jiān)視、控制、滑行路徑規(guī)劃及引導服務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個等級，功能越多，對應的等級越高。林濱等[8]提出，Ⅰ級應該具備基本的監(jiān)視功能，能夠檢測到并精準定位所有安裝應答機的機場場面目標，定位能精確到單位m，且能自動識別所有車輛和飛機;Ⅱ級除了具備監(jiān)視功能之外，還應具有控制功能，能夠防止地面飛機和車輛等發(fā)生交通沖突及跑道侵入，并對地面交通中的各類沖突、危險及侵入進行探測和告警;Ⅲ級在Ⅱ級的基礎(chǔ)上又增加了路由規(guī)劃功能，通過計算機自動規(guī)劃或人工干預的方式為飛機滑行和車輛行駛規(guī)劃最優(yōu)路徑，緩解地面管制員的工作壓力;Ⅳ級除了具備Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級具備的監(jiān)視、控制、路由規(guī)劃功能外，還增加了引導功能。

目前，我國已在北京首都國際機場、上海浦東國際機場、廣州白云國際機場等大型國際樞紐機場建設(shè)使用了A-SMGCS系統(tǒng)，并能提供II級服務。北京大興國際機場是目前全國唯一實現(xiàn)A-SMGCS Ⅳ級燈光引導全天候應用的機場，能對機場場面航空器、特種車輛等提供全面的監(jiān)視、控制、滑行路徑規(guī)劃及引導服務，效率國內(nèi)領(lǐng)先。

2" 場道清掃引導系統(tǒng)運作機制

2.1" 系統(tǒng)開發(fā)

本項目主要基于樹莓派進行系統(tǒng)開發(fā)，運用Python語言編譯，在A-SMGCS系統(tǒng)中開發(fā)場道清掃模塊。場道清掃模塊包括機場跑滑系統(tǒng)可能的路徑行駛方案規(guī)劃模塊、場道避障及循跡模塊、燈光識別模塊、數(shù)據(jù)存儲與統(tǒng)計模塊、液晶屏幕顯示模塊和攝像模塊。

2.2" 系統(tǒng)運作機制

首先，在清掃模塊系統(tǒng)中人為輸入機場場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)的燈光引導作用，選出最優(yōu)的清掃方案。

其次，運行循跡模塊、攝像模塊，小車開始清掃，燈光識別模塊開始運行，遵循綠燈前進，紅燈停車等待的原則，避障模塊運行，避障范圍定為前方5 m，若該范圍內(nèi)存在障礙物，會在應答機的屏幕上顯示，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，停車等待，并保存清掃進度，當障礙物消失后繼續(xù)前進清掃跑道。

最后，如若出現(xiàn)特殊情況，可在應答機的液晶屏幕上選擇一鍵退出清掃模塊，退出后小車將保存清掃作業(yè)進度，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)問題，可及時復盤，車變?yōu)槠胀ㄐ≤嚕唧w運作機制如圖1所示。

3" 場道清掃引導系統(tǒng)各功能模塊設(shè)計

3.1" 路徑行駛方案規(guī)劃模塊

路徑行駛方案規(guī)劃模塊運行可為清掃車提供最優(yōu)的路徑行駛方案，并當場面發(fā)生沖突時，按照實時場面狀況重新規(guī)劃路線。

此模塊將應用機場的場道參數(shù)輸入系統(tǒng)，包括各場道的寬度、長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，當清掃車運行時，依據(jù)上述輸入的參數(shù)，為清掃車自動規(guī)劃道路行駛方案，如圖2所示。

3.2" 場道避障及循跡模塊

3.2.1" 避障模塊及其實現(xiàn)

避障模塊運行時，車輛在行駛過程中能夠有效避免與航空器產(chǎn)生沖突，及時更換路線，并且能夠識別機場路面其他設(shè)施設(shè)備，防止出現(xiàn)沖突，同時能夠識別場道FOD，進行清掃。

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

避障程序：測量小車在行進過程中獲取正前方距離，當前方距離小于指定值時，小車停下進行紅外掃描測距，在0°～180°內(nèi)，每10°進行一次測距，根據(jù)測得的夾角大小大致判斷障礙物的尺寸。將掃描的距離進行存儲，其中最小距離對應的角度為Dmin，測量小車正向的角度為D0，那么最小距離tan（|D0-Dmin|）就是小車轉(zhuǎn)向后需要越過的大致障礙物距離，小車應轉(zhuǎn)過的角度即為最小距離角度減去邊緣角度D1絕對值，如圖4所示。通過中央處理后實現(xiàn)小車的控制，從而繞過障礙物。當紅外循跡模塊檢測到黑線時，小車停止繞障并進入循跡模式。

3.2.2" 循跡模塊及其實現(xiàn)

循跡模快運行時可為清掃車在規(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，能檢測更復雜的黑線，本系統(tǒng)采用了環(huán)境光線感應能力較強的集成6路紅外循跡模塊，該模塊可以通過電位器旋鈕來調(diào)節(jié)檢測距離，有效距離范圍為2～30 cm，工作電壓為3.3～5 V。

實現(xiàn)循跡功能：首先由3組紅外傳感器檢測路面黑線，然后根據(jù)信號-灰度對應關(guān)系，來控制測量小車行為。

3.3" 場道清掃其他輔助模塊

3.3.1" 數(shù)據(jù)存儲模塊

小車通過數(shù)據(jù)存儲模塊將小車運行的所有數(shù)據(jù)進行存儲，當清掃車因出現(xiàn)暫停工作并撤離清掃現(xiàn)場后，若想要恢復工作，小車可以通過保存的清掃數(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

在清掃車上安裝攝像頭，監(jiān)控路況，利用視覺處理技術(shù)對拍攝的圖像實時處理，識別出各種障礙物并將所有視頻數(shù)據(jù)進行存儲，便于及時復盤。

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面經(jīng)過處理后，顯示在液晶屏幕上，方便駕駛員識別各種不同的情況，以便做出不同的應對措施。

3.3.4" 燈光識別模塊

燈光識別模塊可以識別紅綠信號燈，識別成功后通過液晶屏幕顯示模塊反饋給清掃車駕駛員，遵循清掃車綠燈正常清掃，紅燈停止前進的規(guī)則。

4" 場道清掃引導系統(tǒng)創(chuàng)新性分析

本場道清掃引導系統(tǒng)的創(chuàng)新性最主要體現(xiàn)在以下2個方面。

第一，基于A-SMGCS系統(tǒng)開發(fā)場道清掃模塊。本系統(tǒng)主要基于樹莓派進行系統(tǒng)開發(fā)，運用Python語言編譯，在A-SMGCS系統(tǒng)中開發(fā)場道清掃模塊。場道清掃模塊包括機場跑滑系統(tǒng)可能的路徑行駛方案、場道各部分寬度的統(tǒng)計及輸入、避障模塊、燈光識別模塊、數(shù)據(jù)存儲與統(tǒng)計模塊、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)場道清掃車清掃難度大、與航空器存在運行沖突風險的問題。通過運行清掃模塊解決跑道場道全寬清掃難度較大、清掃質(zhì)量提升遇瓶頸、清掃作業(yè)與航空器運行存在沖突風險的問題，與傳統(tǒng)清掃車相比，本清掃車能夠制訂清掃作業(yè)計劃，全面清掃道路，做到不重不漏，并存在作業(yè)過程全程記錄并保存，能夠做到事前有保障，事后可復盤。

5" 總結(jié)與展望

本系統(tǒng)以A-SMGCS系統(tǒng)為背景實施，該系統(tǒng)是ICAO（國際民用航空組織）大力推進的一項新技術(shù)，也是ASBU（Aviation System Block Upgrade，航空系統(tǒng)組塊升級）推薦的用于改進機場綜合運行效能的一項重要技術(shù)，目前已在國內(nèi)外多個機場應用，因此完全有實現(xiàn)的可能。

下一步則將進一步完善A-SMGCS系統(tǒng)，開發(fā)其掃道作業(yè)功能。該項目實行后能夠大大提高機場的運行效率，降低運行成本，大大緩解了清掃作業(yè)與航空器運行存在的沖突，既保障了航空器的正常運行，又能提升場務監(jiān)管員清掃滑行道作業(yè)的效率，體現(xiàn)了民航總局倡導的四型機場理念。

參考文獻：

[1] 李小鵬.中華人民共和國交通運輸部令2018年第33號——交通運輸部關(guān)于修改《民用機場運行管理規(guī)定》的決策[N].中華人民共和國國務院公報，2018-11-16.

[2] 劉俊強，毛剛.多源融合導航技術(shù)在機坪車輛監(jiān)控中的應用[C]//第九屆中國衛(wèi)星導航學術(shù)年會論文集——S10多源融合導航技術(shù)，2018：141-145.

[3] 晏曉東.機場特種車輛調(diào)度問題研究[D].天津：中國民航大學，2017.

[4] 樊瑋，吳建波，衡紅軍.基于多Agent的機場地面服務車輛調(diào)度方法研究[J].計算機應用與軟件，2015，32（10）：256-259， 272.

[5] 劉洋，肖偉.粒子群優(yōu)化的改進機場車輛調(diào)度模型研究[J].計算機工程與應用，2015，51（11）：252-255，270.

[6] 任寧，徐乃付.泊位引導系統(tǒng)與A-SMGCS系統(tǒng)運行方式探究[C]//中國計算機用戶協(xié)會網(wǎng)絡應用分會.中國計算機用戶協(xié)會網(wǎng)絡應用分會2021年第二十五屆網(wǎng)絡新技術(shù)與應用年會論文集.《計算機科學》編輯部，2021：4.

[7] 中國民用航空局.民航局開展A-SMGCS系統(tǒng)應用專項調(diào)研[EB/OL].http：//www.caacnews.com.cn/1/1/201906/t20190605_1275091_wap.html.

[8] 林濱，柯如峰，黃明亮.淺談A-SMGCS系統(tǒng)在空中交通管制工作中的應用[J].數(shù)字通信世界，2019（11）：91.

基金項目：2022年山東省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（S202210449021）

第一作者簡介：王娟（2001-），女。研究方向為交通運輸。

*通信作者：趙明明（1989-），女，碩士，講師。研究方向為機場規(guī)劃。