基于ADS-B和視頻監(jiān)控的蘭州中川機(jī)場(chǎng)防跑道侵入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

□ 民航西北地區(qū)空管局通導(dǎo)部 楊 斌/文

民航局空管局于2019年下發(fā)了《防止跑道侵入技術(shù)措施與實(shí)施路線》，將ADS-B確定為防止跑道侵入的相關(guān)成熟技術(shù)之一，并建議A類(lèi)以下機(jī)場(chǎng)具備ADS-B監(jiān)視能力。由于蘭州中川機(jī)場(chǎng)當(dāng)時(shí)的起降架次未達(dá)到行業(yè)內(nèi)推薦使用相關(guān)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)，中川機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)管制目前一直遵循“以目視指揮為主，以從機(jī)場(chǎng)引接的多路外場(chǎng)安防視頻監(jiān)控為輔”的防跑道侵入模式，塔臺(tái)管制缺少有效的技防手段，管制員工作負(fù)荷較大。所幸的是，2019年8月中川機(jī)場(chǎng)三期可研獲得批復(fù)，根據(jù)未來(lái)預(yù)測(cè)航班流量和調(diào)整的跑道構(gòu)型，批復(fù)建設(shè)場(chǎng)監(jiān)雷達(dá)、多點(diǎn)定位等場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)，為中川機(jī)場(chǎng)防跑道侵入提供有效的技術(shù)手段。

但在現(xiàn)階段，如何提高中川機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)管制對(duì)場(chǎng)面活動(dòng)目標(biāo)的監(jiān)視能力，彌補(bǔ)跑道侵入技防手段的不足成為當(dāng)前空管安全管理面臨的又一問(wèn)題。為此，西北空管局通導(dǎo)部牽頭，從中川機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視現(xiàn)狀、跑道及航站樓構(gòu)型、技術(shù)應(yīng)用可行性、管制需求等多個(gè)方面進(jìn)行調(diào)研，確定了中川機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)的主要監(jiān)視手段，設(shè)計(jì)了中川機(jī)場(chǎng)跑道侵入技防系統(tǒng)，明確了系統(tǒng)整體架構(gòu)和各模塊功能，并計(jì)劃于2020年建成使用。

中川機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視現(xiàn)狀

蘭州中川國(guó)際機(jī)場(chǎng)位于甘肅省蘭州市蘭州新區(qū)中川鎮(zhèn)，距市區(qū)75公里，機(jī)場(chǎng)現(xiàn)有跑道1條，平行滑行道1條，跑道長(zhǎng)4000米，寬60米，飛行區(qū)等級(jí)4E，是西北地區(qū)主干機(jī)場(chǎng)之一。

機(jī)場(chǎng)現(xiàn)有5個(gè)垂直聯(lián)絡(luò)道A1、A2、A7、A8、A9，其中位于跑道兩端的A1、A2、A8、A9垂直聯(lián)絡(luò)道是主用跑道入口，如圖1所示。

近年來(lái)，蘭州機(jī)場(chǎng)航班流量和旅客吞吐量持續(xù)增長(zhǎng)，機(jī)場(chǎng)航站樓和站坪區(qū)不斷擴(kuò)建，機(jī)場(chǎng)布局愈加復(fù)雜，機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)目前防止跑道侵入主要靠管制員肉眼盯防，加上沙塵、多霧、雨雪天氣等自然因素，導(dǎo)致機(jī)場(chǎng)發(fā)生跑道侵入的風(fēng)險(xiǎn)較大，給場(chǎng)面運(yùn)行安全帶來(lái)了較大的壓力。

中川機(jī)場(chǎng)防跑道侵入主體技術(shù)的選取

（一）跑道侵入原因分析

跑道侵入是指在機(jī)場(chǎng)發(fā)生的任何航空器、車(chē)輛或人員誤入指定用于航空器著陸和起飛的地面保護(hù)區(qū)的情況。

根據(jù)國(guó)際民航組織預(yù)防跑道侵入手冊(cè)、以往發(fā)生的跑道侵入事件，跑道侵入的原因一般可以分為三個(gè)主要方面：①飛行員因素；②管制員因素；③機(jī)場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)相關(guān)車(chē)輛和人員管理因素。據(jù)美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）統(tǒng)計(jì)，54%的跑道侵入是飛行員錯(cuò)誤造成的，29%是管制員錯(cuò)誤造成的，17%是車(chē)輛駕駛員或地面人員錯(cuò)誤造成的。

針對(duì)跑道侵入發(fā)生的原因，作為空管部門(mén)，不僅要從管制流程入手制定相應(yīng)的管制流程和應(yīng)急處置程序，還要從技術(shù)方面考慮，加快引進(jìn)和建設(shè)相關(guān)場(chǎng)面監(jiān)視設(shè)備，應(yīng)對(duì)和解決高密度及復(fù)雜天氣條件下可能出現(xiàn)的場(chǎng)面運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)人防和技防兩個(gè)維度，防止跑道侵入事件發(fā)生。

（二）防跑道侵入技術(shù)介紹

導(dǎo)致跑道侵入事件發(fā)生有多方面的原因，因此防止跑道侵入需要通過(guò)優(yōu)化機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)布局結(jié)構(gòu)、改善機(jī)場(chǎng)設(shè)施配置及標(biāo)識(shí)、提升運(yùn)行管理水平、應(yīng)用新技術(shù)等方面進(jìn)行綜合防控，以提升跑道運(yùn)行的安全性。

近年來(lái)國(guó)際上出現(xiàn)了多種防止跑道侵入的技術(shù)和系統(tǒng)，但主要分兩個(gè)路線：一是利用跑道狀態(tài)燈，警示牌等可視設(shè)備對(duì)飛行員、駕駛員進(jìn)行提示；二是利用場(chǎng)監(jiān)雷達(dá)、多點(diǎn)定位、ADS-B、視頻圖像識(shí)別等場(chǎng)面監(jiān)視技術(shù)對(duì)航空器、車(chē)輛進(jìn)行高精度定位跟蹤，為防跑道侵入系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)跑道侵入告警。

1.跑道狀態(tài)燈（RWSL）系統(tǒng)。跑道狀態(tài)燈（RWSL）系統(tǒng)利用外部機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視數(shù)據(jù)源，利用智能決策系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)燈光控制邏輯，自動(dòng)控制位于跑道和滑行道上的燈具系統(tǒng)。這些燈的激活將為飛行員提供一個(gè)視覺(jué)指示，表明在跑道上進(jìn)入、穿過(guò)或離開(kāi)是不安全的。該系統(tǒng)的目的是在時(shí)間緊迫的沖突情況下為飛行員提供提前預(yù)警或指示。在這種情況下可能沒(méi)有足夠的時(shí)間通過(guò)正常的語(yǔ)音通信來(lái)警告機(jī)組人員。因此，能夠及時(shí)根據(jù)航空器運(yùn)行位置自動(dòng)控制跑道狀態(tài)燈是該系統(tǒng)一個(gè)極其重要的特性。

2.現(xiàn)有場(chǎng)面監(jiān)視技術(shù)。根據(jù)民航局相關(guān)文件，現(xiàn)有場(chǎng)面監(jiān)視技術(shù)有場(chǎng)監(jiān)雷達(dá)、多點(diǎn)定位、電子進(jìn)程單及ADS-B等，根據(jù)機(jī)場(chǎng)跑道構(gòu)型、起降架次、穿越架次等標(biāo)準(zhǔn)，因地制宜進(jìn)行實(shí)施應(yīng)用。

（三）中川機(jī)場(chǎng)防跑道侵入技術(shù)的選取

中川機(jī)場(chǎng)目前運(yùn)行情況調(diào)研結(jié)果表明，中川機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視設(shè)備僅有的監(jiān)視源是一套ADS-B地面站，并且建設(shè)初期只設(shè)計(jì)用來(lái)監(jiān)視蘭州進(jìn)近空域內(nèi)的航班，但以ADS-B作為場(chǎng)面惟一監(jiān)視源還存在一定不足，如：定位精度、穩(wěn)定性、部分機(jī)型不支持等問(wèn)題；而跑道狀態(tài)燈更需要協(xié)調(diào)中川機(jī)場(chǎng)管理部門(mén)對(duì)現(xiàn)有跑道燈光系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，同時(shí)還需要與塔臺(tái)管制系統(tǒng)進(jìn)行交互互聯(lián)。

從上述對(duì)比可以得出，建設(shè)將ADS-B和視頻監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合的防跑道侵入系統(tǒng)，投資成本低、建設(shè)周期短，在蘭州中川機(jī)場(chǎng)三期改擴(kuò)建前，作為一種過(guò)渡系統(tǒng)，更符合中川機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)目前及今后2至3年的應(yīng)用需求。

基于ADS-B和視頻監(jiān)控的防跑道侵入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)原理

系統(tǒng)通過(guò)在機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道口、快速脫離道口等關(guān)鍵區(qū)域安裝的高清攝像頭組，利用人工智能視頻識(shí)別技術(shù)捕捉經(jīng)過(guò)該區(qū)域的航空器、車(chē)輛等信息。同時(shí)，結(jié)合機(jī)場(chǎng)現(xiàn)有ADS-B、飛行計(jì)劃、綜合航跡等數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)人工智能分析手段，根據(jù)符合管制程序的決策邏輯識(shí)別判斷出跑道侵入行為，并通過(guò)多樣提示告警手段通知管制員進(jìn)行處理，以達(dá)到跑道侵入的預(yù)警，減少跑道侵入的發(fā)生概率。

（二）系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)原理，設(shè)計(jì)系統(tǒng)組成分為三個(gè)部分，如圖2所示，分別為：智能視頻圖像識(shí)別子系統(tǒng)、防跑道侵入控制子系統(tǒng)及跑道侵入告警子系統(tǒng)，系統(tǒng)總體架構(gòu)如下。

（三）子系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.智能視頻圖像識(shí)別子系統(tǒng)

智能視頻圖像識(shí)別子系統(tǒng)由前端視頻采集和后端識(shí)別處理兩部分組成：

（1）視頻采集

視頻采集由聯(lián)絡(luò)道口和快速脫離道口監(jiān)控?cái)z像機(jī)組成，采用主備冗余配置（每套含2臺(tái)智能高清攝像機(jī)和2臺(tái)紅外熱像攝像機(jī)）。該攝像機(jī)安裝在關(guān)鍵區(qū)域附近的飛行區(qū)草地上，紅外熱像攝像機(jī)主要解決夜晚和低能見(jiàn)度下的視頻監(jiān)視。

（2）識(shí)別處理

識(shí)別處理由智能視頻分析和視頻存儲(chǔ)兩大軟件模塊和相應(yīng)的服務(wù)器設(shè)備構(gòu)成。前端攝像頭采集視頻圖像后，利用人工智能視頻分析手段可捕捉到所有經(jīng)過(guò)該區(qū)域的航空器、車(chē)輛等信息。當(dāng)有航空器、車(chē)輛穿越設(shè)定區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出提示信息給后續(xù)的防跑道侵入控制子系統(tǒng)。

智能視頻圖像識(shí)別子系統(tǒng)可識(shí)別越過(guò)起飛等待線的場(chǎng)面活動(dòng)目標(biāo)、降落后由快速脫離道滑出跑道的目標(biāo)，并可判斷該機(jī)尾末端是否離開(kāi)設(shè)定區(qū)域等情況。攝像頭可以以每秒20幀速度更新目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度。根據(jù)攝像頭安裝具體角度，可計(jì)算出誤差范圍，并達(dá)到厘米級(jí)別，該定位判斷精度優(yōu)于ADS-B或多點(diǎn)定位系統(tǒng)。

2.防跑道侵入控制子系統(tǒng)

防跑道侵入控制子系統(tǒng)可以結(jié)合前端多種監(jiān)視數(shù)據(jù)驗(yàn)證跑道的可用狀態(tài)，采用大數(shù)據(jù)人工智能技術(shù)分析當(dāng)前航空器及車(chē)輛越過(guò)等待線是否合法，實(shí)現(xiàn)跑道侵入的告警輸出。告警信息送給后端跑道侵入告警顯示子系統(tǒng)，提供給管制員可視化告警界面。

防跑道侵入控制子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接入、評(píng)估決策兩大功能組成。

數(shù)據(jù)接入功能：防跑道侵入控制子系統(tǒng)接入的數(shù)據(jù)包括關(guān)鍵區(qū)域視頻分析數(shù)據(jù)、ADS-B數(shù)據(jù)、飛行計(jì)劃和綜合航跡。接入數(shù)據(jù)用于目標(biāo)航跡動(dòng)態(tài)跟蹤、初始航跡抑制、目標(biāo)識(shí)別，用于后續(xù)對(duì)進(jìn)港、離港和穿越跑道的目標(biāo)提供間隔計(jì)算、監(jiān)視。

評(píng)估決策處理：評(píng)估決策處理的主要作用是輔助管制員保持飛機(jī)間隔，并及時(shí)對(duì)潛在的違反最小間隔和違反管制運(yùn)行規(guī)定的情況進(jìn)行提示。系統(tǒng)通過(guò)評(píng)估融合處理后的系統(tǒng)航跡、飛行計(jì)劃、跑道狀態(tài)和前端視頻識(shí)別系統(tǒng)檢測(cè)出的過(guò)線檢測(cè)結(jié)果等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)檢測(cè)場(chǎng)面目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。若有告警情況，則對(duì)目標(biāo)標(biāo)識(shí)出告警信息，生成目標(biāo)告警報(bào)告，即可直接在監(jiān)控席位上顯示。

3. 跑道侵入告警顯示子系統(tǒng)

系統(tǒng)通過(guò)告警窗口配合自動(dòng)彈出實(shí)時(shí)視頻方式提醒管制員處理告警信息。同時(shí)，可根據(jù)管制員需要增加音頻告警提示，系統(tǒng)功能包含支持掛標(biāo)牌顯示、可視化報(bào)警提示、聲學(xué)設(shè)備聯(lián)動(dòng)并提供告警提示音等。

（四）可設(shè)置的告警過(guò)濾能力

系統(tǒng)可設(shè)置告警過(guò)濾區(qū)域、優(yōu)先級(jí)、觸發(fā)各類(lèi)告警的目標(biāo)類(lèi)型、邊界長(zhǎng)度和寬度等參數(shù)。

1.跑道關(guān)閉告警功能

進(jìn)港目標(biāo)距離跑道入口在預(yù)設(shè)距離區(qū)間內(nèi)，檢測(cè)情況在下列之一則發(fā)出告警。

（1）跑道處于關(guān)閉狀態(tài)。

（2）飛機(jī)對(duì)準(zhǔn)的跑道為不可用。但與對(duì)面跑道的起降狀態(tài)匹配，就進(jìn)行方向錯(cuò)誤告警，否則進(jìn)行跑道不可用告警。

（3）跑道正在檢修或有穿越情況，有進(jìn)港或出港飛機(jī)則告警。

2.進(jìn)港沖突告警

（1）當(dāng)進(jìn)港目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)跑道實(shí)施降落時(shí)，跑道內(nèi)（非安全區(qū)內(nèi)）有其他目標(biāo)：

①空中目標(biāo)距離跑道入口在預(yù)設(shè)距離內(nèi)，并且判斷跑道上目標(biāo)已經(jīng)無(wú)法在預(yù)定時(shí)間內(nèi)脫離或起飛, 發(fā)出告警。

②空中目標(biāo)與地面目標(biāo)距離之和小于預(yù)設(shè)距離，發(fā)出告警。

③TCPA算法計(jì)算出進(jìn)港目標(biāo)與跑道上的目標(biāo)相遇的時(shí)間差小于預(yù)設(shè)閾值，發(fā)出告警。

（2）如果地面目標(biāo)在安全區(qū)或檢測(cè)區(qū)內(nèi)（不在跑道上），若目標(biāo)有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)并且靠近跑道，進(jìn)行告警。

3.出港沖突

（1）當(dāng)前目標(biāo)在跑道上（對(duì)準(zhǔn)區(qū)域或跑道起飛區(qū)域），靠近其正前方的另一目標(biāo)（跑道內(nèi)或安全區(qū)內(nèi)），并且當(dāng)前航班開(kāi)始啟動(dòng)并距離前方目標(biāo)小于預(yù)設(shè)閾值， 發(fā)出告警。

（2）跑道上兩目標(biāo)距離小于預(yù)設(shè)閾值，直接發(fā)出告警。

系統(tǒng)處理前端視頻識(shí)別系統(tǒng)輸出的過(guò)線或進(jìn)入/離開(kāi)預(yù)設(shè)區(qū)域的提示，作為判斷跑道侵入的檢測(cè)依據(jù)。實(shí)時(shí)評(píng)估和刷新檢測(cè)場(chǎng)面活動(dòng)目標(biāo)的活動(dòng)態(tài)勢(shì)，若出現(xiàn)發(fā)生跑道侵入的潛在風(fēng)險(xiǎn)，即對(duì)目標(biāo)標(biāo)識(shí)告警信息，生成的目標(biāo)告警報(bào)告為后端跑道侵入告警顯示子系統(tǒng)提供告警服務(wù)。

系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用

（一）ADS-B 地面站

目前中川機(jī)場(chǎng)安裝有1套ADS-B地面站，位于塔臺(tái)頂部，為能充分覆蓋跑道兩端和靠近航站樓位置的飛行器，計(jì)劃在跑道對(duì)面原有信標(biāo)臺(tái)加裝1套ADS-B地面站，如圖3所示。同時(shí)，兩套地面站還增加了設(shè)備進(jìn)行冗余，提高了保障裕度。

（二）道口及重點(diǎn)區(qū)域視頻監(jiān)控

在關(guān)鍵區(qū)域設(shè)置攝像頭（可見(jiàn)光及熱像）精確獲取航空器是否越線的實(shí)時(shí)圖像信息。中川機(jī)場(chǎng)A1、A2、A3、A4、A5、A6、A8、A9道口均有航空器通過(guò)，因此考慮在跑道兩端垂直聯(lián)絡(luò) 道A1、A2、A8、A9等待線處安裝道口攝像機(jī)（包含一臺(tái)高清可見(jiàn)光攝像機(jī)和一臺(tái)紅外熱成像攝像機(jī)），如圖4所示，在快速脫離道A3、A4、A5、A6禁 止 線處安裝道口攝像機(jī)（包含一臺(tái)高清可見(jiàn)光攝像機(jī)和一臺(tái)紅外熱成像攝像機(jī)）用于捕獲該8個(gè)道口的場(chǎng)面活動(dòng)目標(biāo)，達(dá)到全面的防跑道侵入檢測(cè)。作為防跑道侵入系統(tǒng)中視頻處理子系統(tǒng)的前端，考慮到該系統(tǒng)的重要性，整個(gè)系統(tǒng)采用雙網(wǎng)冗余架構(gòu)，前端攝像機(jī)和后臺(tái)服務(wù)器均采用主備配置，同時(shí)配置1套監(jiān)控維護(hù)終端和1套告警顯示終端。

道口攝像機(jī)在跑道兩側(cè)航向臺(tái)引接電源和網(wǎng)絡(luò)，航向臺(tái)中已有光纖連接至機(jī)場(chǎng)光環(huán)網(wǎng)并最終到達(dá)空管機(jī)房。西側(cè)航向臺(tái)到聯(lián)絡(luò)道距離約為400米，采用開(kāi)挖埋管方式鋪設(shè)。通過(guò)頂管穿越垂直聯(lián)絡(luò)道A1、A2方式給A3快速脫離道口攝像機(jī)供電和光纖接駁，不破壞聯(lián)絡(luò)道道面，如圖5所示。

東側(cè)航向臺(tái)到聯(lián)絡(luò)道距離約為500米，采用開(kāi)挖埋管方式鋪設(shè)。通過(guò)頂管穿越垂直聯(lián)絡(luò)道A5～A9方式給A5、A6、A7快速脫離道口攝像機(jī)供電和光纖接駁，如圖6所示。

（三）后端系統(tǒng)

后端系統(tǒng)采用主備冗余設(shè)置，包括了智能視頻圖像識(shí)別子系統(tǒng)、防跑道侵入控制子系統(tǒng)、跑道侵入告警顯示子系統(tǒng)及相關(guān)交換接入設(shè)備，如圖7所示。

當(dāng)前端多路視頻信號(hào)回傳后，視頻識(shí)別處理服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)多通道視頻拼接及融合、夜間及低能見(jiàn)度下機(jī)場(chǎng)全景視頻增強(qiáng)。當(dāng)完成視頻拼接融合后，防跑道侵入控制子系統(tǒng)結(jié)合系統(tǒng)接入的ADS-B數(shù)據(jù)、飛行計(jì)劃和綜合航跡信息實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻內(nèi)飛行器掛牌，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的評(píng)估決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)跑道、道口及關(guān)鍵區(qū)域的潛在沖突告警。跑道侵入告警顯示子系統(tǒng)由告警顯示工作站和顯示器組成，其中顯示部分配置4臺(tái)高清液晶拼接屏，可采用吊裝及掛壁式，為管制人員提供場(chǎng)面實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)全景監(jiān)視。

結(jié)語(yǔ)：

為應(yīng)對(duì)多跑道、低能見(jiàn)度、大流量的復(fù)雜場(chǎng)面環(huán)境，防止跑道侵入事件的發(fā)生，西北空管局自2012年就按照系統(tǒng)配置標(biāo)準(zhǔn)率先在西安咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)二期改擴(kuò)建空管工程中建設(shè)了場(chǎng)監(jiān)雷達(dá)與多點(diǎn)定位系統(tǒng)，并為塔臺(tái)管制配置了達(dá)到II級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的A-SMGCS系統(tǒng)，成為全區(qū)機(jī)場(chǎng)的標(biāo)桿。近年來(lái)，隨著各省會(huì)機(jī)場(chǎng)和部分支線機(jī)場(chǎng)航班量的快速增長(zhǎng)，跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)不斷增大，建設(shè)成本低、建設(shè)周期短、設(shè)備可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)的防跑道侵入系統(tǒng)需求在西北地區(qū)變得愈發(fā)迫切。中川機(jī)場(chǎng)的基于ADS-B和視頻監(jiān)控的防跑道侵入系統(tǒng)即將進(jìn)入項(xiàng)目實(shí)施階段。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，充分考慮了中川機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)管制員的運(yùn)行需求、利用現(xiàn)有運(yùn)行設(shè)備和場(chǎng)區(qū)作業(yè)環(huán)境，利用較低成本降低了機(jī)場(chǎng)跑道侵入系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，并為其他機(jī)場(chǎng)防跑道侵入提供解決思路。