高級場面活動引導(dǎo)算法研究與實現(xiàn)

摘 要 隨著我國航空業(yè)的快速發(fā)展，大型機場飛機的日均架次迅速增長，管制員面臨的放行和管制壓力越來越大，為了緩解管制的指揮壓力，提高場面運行效率以及安全性，本文提出了高級場面活動引導(dǎo)算法，該算法根據(jù)場面活動的實時位置以及終點，實時計算得到活動目標(biāo)的最優(yōu)路徑。管制員通過對最優(yōu)路徑進(jìn)行少量的干預(yù)完成飛機的滑行路徑分配，這大大降低了管制員的工作負(fù)擔(dān)，并且提高了其工作效率。

關(guān)鍵詞 場面活動；引導(dǎo)；沖突

中圖分類號：V2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）23-0032-02

機場場面中的飛機無論是起飛的飛機還是降落的飛機，都需要按照管制員指定的滑行路線行走，對于降落的飛機其起點為跑道的端點終點為停機位，對于起飛的飛機其起點為停機位終點為跑道端點。由于機場在部分時段交通較為繁雜，這給管制員的指揮帶來了極大的挑戰(zhàn)，管制員不僅需要確保飛機安全行走，還要確保機場的交通應(yīng)該盡量通暢，盡量保證飛機能準(zhǔn)時的起飛或降落。這就給管制員指揮機場的交通提出更高的要求。而路徑自動規(guī)劃功能則能給管制員指揮交通提供了一定參考和幫助。

路徑自動規(guī)劃功能能根據(jù)飛機當(dāng)前的位置和要到達(dá)的位置進(jìn)行動態(tài)的計算，給出當(dāng)前飛機所有可行滑行路線中較優(yōu)的路線，而管制員可以根據(jù)該功能給出的路徑結(jié)合實際情況進(jìn)行機場交通的指揮，這也讓管制員的工作變得更加高效。

1 高級場面活動引導(dǎo)算法研究

1）高級場面活動引導(dǎo)算法需求分析。

我國的航空運輸業(yè)進(jìn)幾年進(jìn)入了一個快速發(fā)展的階段，從2005年開始，航空運輸周轉(zhuǎn)量已位居世界第二。2012年，全行業(yè)完成運輸總周轉(zhuǎn)量610.32億噸公里，比2011年增加32.88億噸公里，增長5.7%[1]。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，國家也加大了對航空運輸業(yè)的投資力度，預(yù)計在未來幾年里我國民航客運量的平均增長幅度將保持在一個較高的水平。這也對交通管制服務(wù)提出了更高的要求，怎樣在有限的空域容量內(nèi)提高航班量并給旅客提供高質(zhì)量的乘機體驗，這是一個急需解決的

問題。

隨著我國民航運輸業(yè)的快速發(fā)展，各地機場流量的迅速提升，大部分機場傳統(tǒng)的單跑道運行模式弊端日益凸顯，而隨著雙跑道乃至多跑道的修建，導(dǎo)致了機場交通日益復(fù)雜化，管制員面臨的指揮壓力越來越大。為了減輕管制員的工作壓力，提高繁忙機場的效率以及運行安全，在管制員指揮航班滑行的過程中，急需借助外部決策輔助系統(tǒng)，提高其決策的合理性。

目前我國場面監(jiān)視技術(shù)快速發(fā)展，在大密度樞紐機場普遍部署了場面監(jiān)視系統(tǒng)，主要包括一次雷達(dá)和二次雷達(dá)，而新的場面監(jiān)視技術(shù)也逐漸在大型機場應(yīng)用，例如多點定位監(jiān)視技術(shù)和廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）技術(shù)。這些場面監(jiān)視技術(shù)各有利弊，場面監(jiān)視一次雷達(dá)存在無法標(biāo)識目標(biāo)和監(jiān)視盲區(qū)的問題，而ADS-B存在目標(biāo)定位精度不夠的問題，因此只有這些場面監(jiān)視技術(shù)融合使用才能有效解決目前大流量機場的場面監(jiān)視需

求[2]，為我國A-SMGSC的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

目前國外有關(guān)A-SMGCS的研究以及應(yīng)用取得了很大的進(jìn)展，并且在部分機場已進(jìn)行實際的應(yīng)用，例如在法國戴高樂機、場瑞典斯德哥爾奧蘭多機場、美國亞特蘭大機場等大型機場均已開展有關(guān)A-SMGCS方面的應(yīng)用。我國在A-SMGCS方面的研究開展的比較晚，不過已經(jīng)有部分研究機構(gòu)和單位在A-SMGCS的研究應(yīng)用方面取得了較大的進(jìn)展，目前我國在北京首都機場、南京祿口機場、杭州蕭山國際機場均有A-SMGCS不同層級的應(yīng)用。根據(jù)ICAO發(fā)布的有關(guān)A-SMGCS的手冊，A-SMGCS包括監(jiān)視、控制、路由和引導(dǎo)四個不同的等級，目前大部分應(yīng)用了場面監(jiān)視技術(shù)的機場基本都具備了監(jiān)視和控制功能，而有關(guān)路由和引導(dǎo)則在我國應(yīng)用較少，為了進(jìn)一步研究和實現(xiàn)A-SMGCS，本文開展A-SMGCS中路由層級的研究，其中提出的路徑規(guī)劃算法為開展A-SMGCS應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

結(jié)合機場場面活動的規(guī)則以及滑行路徑規(guī)劃的需求，本文提出的高級場面活動引導(dǎo)算法以飛機在滑行過程中變換滑行道次數(shù)最少作為路徑規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行航空器的路徑實時推算，對傳統(tǒng)的Dijkstra算法進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)機場跑道頭以及停機位計算出不同起點和終點之間的靜態(tài)備選路徑池。其中備選路徑池作為管制員人工為飛機分配滑行道時的可行路徑集，在航空器的當(dāng)前位置發(fā)生變化時重新規(guī)劃其路徑以保證規(guī)劃路徑的實時性以及合理性，并且當(dāng)航空器在滑行過程中偏離了規(guī)劃路徑時發(fā)出告警提示，對其規(guī)劃路徑進(jìn)行重新計算。該算法的成功應(yīng)用在一定程度上減少了管制員的工作量，并且提高了管制員分配滑行道的合理性以及安全性。

由于機場的場面運行情況變化頻繁，為了避免飛機與飛機之間、飛機與服務(wù)車輛之間發(fā)生沖突，提高場面管制自動化水平，故需對機場場面的整體運行情況進(jìn)行監(jiān)控和分析，對每架飛機的路徑進(jìn)行動態(tài)的規(guī)劃，并且實時更新規(guī)劃路徑的占用時間段，在默認(rèn)飛機將沿著路徑規(guī)劃算法計算出來的路徑滑行的前提下算出場面飛機在滑行過程中可能發(fā)生沖突的交叉口，并通過在該交叉口設(shè)置等待點避免飛機滑行的沖突。

2）滑行道路網(wǎng)拓?fù)浣！?/p>

機場場面上的動態(tài)物體主要包括航空器、服務(wù)車輛、工作人員等運行目標(biāo)，靜態(tài)物體主要包括跑道、滑行道、停機坪等靜態(tài)設(shè)施。其中靜態(tài)要素可以用抽象為由一系列的點、線段等幾何元素組成，其中點可以用（x，y）坐標(biāo)進(jìn)行表示。

機場靜態(tài)物體之間還存在拓?fù)潢P(guān)系，例如抽象出來的點、線段之間的包含于被包含關(guān)系、鄰接關(guān)系等，線段與線段之間的交叉、平行等關(guān)系，這些關(guān)系體現(xiàn)了這些靜態(tài)物體之間的空間邏輯關(guān)系，是路徑規(guī)劃算法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

故機場的滑行道可以抽象為由一條條滑行道組成的道路網(wǎng)，每條滑行道又由一系列的點組成，而點由（x，y）坐標(biāo)的值進(jìn)行具體的定位，在這些幾何關(guān)系基礎(chǔ)上增加點與滑行道，以及滑行道與滑行道之間的空間邏輯關(guān)系，這些為路徑規(guī)劃算法提供了計算的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。endprint

為了提高計算得到的路徑的安全性和合理性，本次提出了“滑行道最小粒子”概念?！盎械雷钚×Ｗ印敝父鶕?jù)ICAO規(guī)定的飛機在機場場面滑行過程中，飛機與飛機之間的最小安全距離加上目前世界上航空器的最大長度。將機場的滑行道按“滑行道最小粒子”進(jìn)行離散化，得到一系列滑行道最小粒子，故如果當(dāng)一個“滑行道最小粒子”中同時出現(xiàn)兩架或兩架以上的飛機時，此時兩架飛機之間將不符合安全標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)將予以提示告警。

為了避免飛機沿著規(guī)劃路徑滑行過程中出現(xiàn)沖突，規(guī)劃路徑對應(yīng)的“滑行道最小粒子”序列中每個“滑行道最小粒子”將增加一對時間戳，分別對應(yīng)飛機進(jìn)入該“滑行道最小粒子”的時間以及從其脫離的時間。這樣可以結(jié)合機場場面的“滑行道最小粒子”序列的時間戳，通過在相應(yīng)的路口設(shè)置等待點，有效避免飛機在滑行過程中出現(xiàn)沖突，提高運行的安全性。

3）高級場面活動引導(dǎo)算法設(shè)計。

為了提高路徑規(guī)劃算法的效率，動態(tài)路徑規(guī)劃算法按“誰請求，誰規(guī)劃”的原則，既當(dāng)管制員為某架滑行的飛機指定滑行道時，點擊該飛機的標(biāo)牌，則系統(tǒng)根據(jù)管制員選擇的飛機進(jìn)行規(guī)劃。算法假定飛機在機場場面滑行的路徑既定，既在其的備選路徑池中選擇符合要求的最優(yōu)路徑并提供給管制員，在規(guī)劃的過程中需要考慮當(dāng)前機場場面上其他飛機的滑行情況，避免滑行的飛機出現(xiàn)沖突。具體的算法步驟如下。

①獲取管制員選中飛機的信息。

②根據(jù)獲取的飛機信息，根據(jù)飛機當(dāng)前位置以及目的地中計算其備選路徑池。

③獲取場面上其他飛機的規(guī)劃路徑以及對應(yīng)“滑行道最小粒子”序列。

④從飛機的備選路徑池中刷選出與場面上其他飛機滑行路徑交叉點最少的路徑作為該飛機的推薦滑行路徑。

⑤根據(jù)管制員選擇的路徑設(shè)置該路徑的等待點，當(dāng)飛機滑行到等待點時進(jìn)行是否通過的提示。

為了提高航班在通過等待點的安全性和有序性，進(jìn)一步提升規(guī)劃路徑的合理性，加強路徑規(guī)劃算法為管制員提供管制決策的有效性，需為通過等待點的航班設(shè)計等待點通過算法，等待點通過算法需要解決的問題是：當(dāng)兩架或兩架以上其規(guī)劃路徑存在共同的等待點的航班即將通過等待點時，結(jié)合實際運行情況以及特定條件為航班設(shè)計通過的順序。

通過獲取機場場面實時監(jiān)視數(shù)據(jù)，我們可以得到場面滑行航班的實時位置以及航班的滑行速度，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以實時動態(tài)的呈現(xiàn)給管制用戶，在上文提到的對場面滑行道、跑道建模的基礎(chǔ)上，我們根據(jù)等待點的坐標(biāo)以及各段滑行道的長度可以實時得到航班距離等待點的距離，結(jié)合航班的滑行速度可以得到每個航班預(yù)計到達(dá)等待點的時間，從而可以初步得到在等待點可能發(fā)生沖突航班的通過順序，為了提高算法的合理性，在計算等待點通過順序時加入了人工干預(yù)的功能。具體的算法步驟如下。

①獲取在等待點沖突航班的實時位置信息以及滑行速度。

②根據(jù)實時位置信息計算航班與等待點的距離，并結(jié)合航班的滑行速度，實時預(yù)測航班滑行到等待點的時間。

③判斷航班在等待點的通過順序是否已受到人工干預(yù)，如果沒有則默認(rèn)情況下越先到達(dá)等待點的航班優(yōu)先通過等待點，其他航班則在到達(dá)等待點時發(fā)出在等待點等待的提示。

④如果航班在等待點的通過順序已受到人工干預(yù)，則根據(jù)人工干預(yù)的結(jié)果在航班到達(dá)等待點時給出是否需要等待的提示。

路徑規(guī)劃的基本算法是獲取飛機當(dāng)前點所在的滑行道集合以及飛機所要達(dá)到終點的滑行道集合，如果兩個集合的滑行道存在交點則飛機當(dāng)前位置的點和交點之間的點序列、交點和終點之間的點序列添加到飛機的規(guī)劃路徑點序列中。如果上述兩個滑行道集合的滑行道不存在交點則進(jìn)行遞歸運算，找出連接兩個滑行道集合的滑行道，也即在一個滑行道集合的點序列中找出一個點與另一個滑行道集合中的點序列中的一個點組成一條滑行道，如果該滑行道存在，則將飛機當(dāng)前點與上述兩個點以及終點之間的點補全并添加到飛機的規(guī)劃路徑點序列中，以此類推進(jìn)行遞歸運算。

結(jié)合實際情況，在該算法中增加了一些特點條件，分別

如下。

對于降落的飛機，如果飛機到達(dá)停機位則不再進(jìn)行路徑規(guī)劃的計算。

對于起飛的飛機，如果飛機當(dāng)前位于跑道中則不進(jìn)行路徑規(guī)劃的運算。如果飛機當(dāng)前不處于跑道中則以飛機的當(dāng)前位置為起點，以飛機的起飛跑道為終點進(jìn)行路徑的規(guī)劃運算。

由于在實際情況中，應(yīng)盡量減少飛機在道口所在滑行道的停留時間，所以如果有其他的可行路徑應(yīng)將道口所在的滑行道剔除，再進(jìn)行路徑規(guī)劃的運算。

2 結(jié)論

目前國外有關(guān)A-SMGCS的研究以及應(yīng)用取得了很大的進(jìn)展，并且在部分機場已進(jìn)行實際的應(yīng)用，例如在法國戴高樂機、場瑞典斯德哥爾奧蘭多機場、美國亞特蘭大機場等大型機場均已開展有關(guān)A-SMGCS方面的應(yīng)用。我國在A-SMGCS方面的研究開展的比較晚，不過已經(jīng)有部分研究機構(gòu)和單位在A-SMGCS的研究應(yīng)用方面取得了較大的進(jìn)展，目前我國在北京首都機場、南京祿口機場、杭州蕭山國際機場均有A-SMGCS不同層級的應(yīng)用。根據(jù)ICAO發(fā)布的有關(guān)A-SMGCS的手冊，A-SMGCS包括監(jiān)視、控制、路由和引導(dǎo)四個不同的等級，目前大部分應(yīng)用了場面監(jiān)視技術(shù)的機場基本都具備了監(jiān)視和控制功能，而有關(guān)路由和引導(dǎo)則在我國應(yīng)用較少，為了進(jìn)一步研究和實現(xiàn)A-SMGCS，本文開展A-SMGCS中路由層級的研究，其中提出的路徑規(guī)劃算法為開展A-SMGCS應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

結(jié)合機場場面活動的規(guī)則以及滑行路徑規(guī)劃的需求，本文提出的高級場面活動引導(dǎo)算法以飛機在滑行過程中變換滑行道次數(shù)最少為路徑規(guī)劃目標(biāo)，對傳統(tǒng)的Dijkstra算法進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)機場跑道頭以及停機位計算出不同起點和終點之間的靜態(tài)備選路徑池。其中備選路徑池作為管制員人工為飛機分配滑行道時的可行路徑集，這一定程度上減少了管制員的工作量，并且提高了管制員分配滑行道的合理性以及安全性。

參考文獻(xiàn)

[1]中國民用航空總局.2012年民航行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報[EB/OL].http：//news.carnoc.com/list/252/252198.html，2013-

05-20.

[2]NOSRATINIA A，HUNTER T E，HEDAYAT A.Cooperative communication in wireless networks[J].IEEE Communications Magazine，2004，42（10）：74-80.

作者簡介

高標(biāo)雄（1989-），男，廣東廣州人，助理工程師，研究方向：場面沖突告警及活動引導(dǎo)。endprint