高级场面活动引导算法研究与实现

摘 要 随着我国航空业的快速发展，大型机场飞机的日均架次迅速增长，管制员面临的放行和管制压力越来越大，为了缓解管制的指挥压力，提高场面运行效率以及安全性，本文提出了高级场面活动引导算法，该算法根据场面活动的实时位置以及终点，实时计算得到活动目标的最优路径。管制员通过对最优路径进行少量的干预完成飞机的滑行路径分配，这大大降低了管制员的工作负担，并且提高了其工作效率。

关键词 场面活动；引导；冲突

中图分类号：V2 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）23-0032-02

机场场面中的飞机无论是起飞的飞机还是降落的飞机，都需要按照管制员指定的滑行路线行走，对于降落的飞机其起点为跑道的端点终点为停机位，对于起飞的飞机其起点为停机位终点为跑道端点。由于机场在部分时段交通较为繁杂，这给管制员的指挥带来了极大的挑战，管制员不仅需要确保飞机安全行走，还要确保机场的交通应该尽量通畅，尽量保证飞机能准时的起飞或降落。这就给管制员指挥机场的交通提出更高的要求。而路径自动规划功能则能给管制员指挥交通提供了一定参考和帮助。

路径自动规划功能能根据飞机当前的位置和要到达的位置进行动态的计算，给出当前飞机所有可行滑行路线中较优的路线，而管制员可以根据该功能给出的路径结合实际情况进行机场交通的指挥，这也让管制员的工作变得更加高效。

1 高级场面活动引导算法研究

1）高级场面活动引导算法需求分析。

我国的航空运输业进几年进入了一个快速发展的阶段，从2005年开始，航空运输周转量已位居世界第二。2012年，全行业完成运输总周转量610.32亿吨公里，比2011年增加32.88亿吨公里，增长5.7%[1]。随着我国经济的快速发展，国家也加大了对航空运输业的投资力度，预计在未来几年里我国民航客运量的平均增长幅度将保持在一个较高的水平。这也对交通管制服务提出了更高的要求，怎样在有限的空域容量内提高航班量并给旅客提供高质量的乘机体验，这是一个急需解决的

问题。

随着我国民航运输业的快速发展，各地机场流量的迅速提升，大部分机场传统的单跑道运行模式弊端日益凸显，而随着双跑道乃至多跑道的修建，导致了机场交通日益复杂化，管制员面临的指挥压力越来越大。为了减轻管制员的工作压力，提高繁忙机场的效率以及运行安全，在管制员指挥航班滑行的过程中，急需借助外部决策辅助系统，提高其决策的合理性。

目前我国场面监视技术快速发展，在大密度枢纽机场普遍部署了场面监视系统，主要包括一次雷达和二次雷达，而新的场面监视技术也逐渐在大型机场应用，例如多点定位监视技术和广播式自动相关监视（ADS-B）技术。这些场面监视技术各有利弊，场面监视一次雷达存在无法标识目标和监视盲区的问题，而ADS-B存在目标定位精度不够的问题，因此只有这些场面监视技术融合使用才能有效解决目前大流量机场的场面监视需

求[2]，为我国A-SMGSC的发展奠定基础。

目前国外有关A-SMGCS的研究以及应用取得了很大的进展，并且在部分机场已进行实际的应用，例如在法国戴高乐机、场瑞典斯德哥尔奥兰多机场、美国亚特兰大机场等大型机场均已开展有关A-SMGCS方面的应用。我国在A-SMGCS方面的研究开展的比较晚，不过已经有部分研究机构和单位在A-SMGCS的研究应用方面取得了较大的进展，目前我国在北京首都机场、南京禄口机场、杭州萧山国际机场均有A-SMGCS不同层级的应用。根据ICAO发布的有关A-SMGCS的手册，A-SMGCS包括监视、控制、路由和引导四个不同的等级，目前大部分应用了场面监视技术的机场基本都具备了监视和控制功能，而有关路由和引导则在我国应用较少，为了进一步研究和实现A-SMGCS，本文开展A-SMGCS中路由层级的研究，其中提出的路径规划算法为开展A-SMGCS应用奠定了基础。

结合机场场面活动的规则以及滑行路径规划的需求，本文提出的高级场面活动引导算法以飞机在滑行过程中变换滑行道次数最少作为路径规划目标函数进行航空器的路径实时推算，对传统的Dijkstra算法进行改进，根据机场跑道头以及停机位计算出不同起点和终点之间的静态备选路径池。其中备选路径池作为管制员人工为飞机分配滑行道时的可行路径集，在航空器的当前位置发生变化时重新规划其路径以保证规划路径的实时性以及合理性，并且当航空器在滑行过程中偏离了规划路径时发出告警提示，对其规划路径进行重新计算。该算法的成功应用在一定程度上减少了管制员的工作量，并且提高了管制员分配滑行道的合理性以及安全性。

由于机场的场面运行情况变化频繁，为了避免飞机与飞机之间、飞机与服务车辆之间发生冲突，提高场面管制自动化水平，故需对机场场面的整体运行情况进行监控和分析，对每架飞机的路径进行动态的规划，并且实时更新规划路径的占用时间段，在默认飞机将沿着路径规划算法计算出来的路径滑行的前提下算出场面飞机在滑行过程中可能发生冲突的交叉口，并通过在该交叉口设置等待点避免飞机滑行的冲突。

2）滑行道路网拓扑建模。

机场场面上的动态物体主要包括航空器、服务车辆、工作人员等运行目标，静态物体主要包括跑道、滑行道、停机坪等静态设施。其中静态要素可以用抽象为由一系列的点、线段等几何元素组成，其中点可以用（x，y）坐标进行表示。

机场静态物体之间还存在拓扑关系，例如抽象出来的点、线段之间的包含于被包含关系、邻接关系等，线段与线段之间的交叉、平行等关系，这些关系体现了这些静态物体之间的空间逻辑关系，是路径规划算法的数据结构基础。

故机场的滑行道可以抽象为由一条条滑行道组成的道路网，每条滑行道又由一系列的点组成，而点由（x，y）坐标的值进行具体的定位，在这些几何关系基础上增加点与滑行道，以及滑行道与滑行道之间的空间逻辑关系，这些为路径规划算法提供了计算的数据基础。

为了提高计算得到的路径的安全性和合理性，本次提出了“滑行道最小粒子”概念。“滑行道最小粒子”指根据ICAO规定的飞机在机场场面滑行过程中，飞机与飞机之间的最小安全距离加上目前世界上航空器的最大长度。将机场的滑行道按“滑行道最小粒子”进行离散化，得到一系列滑行道最小粒子，故如果当一个“滑行道最小粒子”中同时出现两架或两架以上的飞机时，此时两架飞机之间将不符合安全标准，系统将予以提示告警。

为了避免飞机沿着规划路径滑行过程中出现冲突，规划路径对应的“滑行道最小粒子”序列中每个“滑行道最小粒子”将增加一对时间戳，分别对应飞机进入该“滑行道最小粒子”的时间以及从其脱离的时间。这样可以结合机场场面的“滑行道最小粒子”序列的时间戳，通过在相应的路口设置等待点，有效避免飞机在滑行过程中出现冲突，提高运行的安全性。

3）高级场面活动引导算法设计。

为了提高路径规划算法的效率，动态路径规划算法按“谁请求，谁规划”的原则，既当管制员为某架滑行的飞机指定滑行道时，点击该飞机的标牌，则系统根据管制员选择的飞机进行规划。算法假定飞机在机场场面滑行的路径既定，既在其的备选路径池中选择符合要求的最优路径并提供给管制员，在规划的过程中需要考虑当前机场场面上其他飞机的滑行情况，避免滑行的飞机出现冲突。具体的算法步骤如下。

①获取管制员选中飞机的信息。

②根据获取的飞机信息，根据飞机当前位置以及目的地中计算其备选路径池。

③获取场面上其他飞机的规划路径以及对应“滑行道最小粒子”序列。

④从飞机的备选路径池中刷选出与场面上其他飞机滑行路径交叉点最少的路径作为该飞机的推荐滑行路径。

⑤根据管制员选择的路径设置该路径的等待点，当飞机滑行到等待点时进行是否通过的提示。

为了提高航班在通过等待点的安全性和有序性，进一步提升规划路径的合理性，加强路径规划算法为管制员提供管制决策的有效性，需为通过等待点的航班设计等待点通过算法，等待点通过算法需要解决的问题是：当两架或两架以上其规划路径存在共同的等待点的航班即将通过等待点时，结合实际运行情况以及特定条件为航班设计通过的顺序。

通过获取机场场面实时监视数据，我们可以得到场面滑行航班的实时位置以及航班的滑行速度，通过坐标转换可以实时动态的呈现给管制用户，在上文提到的对场面滑行道、跑道建模的基础上，我们根据等待点的坐标以及各段滑行道的长度可以实时得到航班距离等待点的距离，结合航班的滑行速度可以得到每个航班预计到达等待点的时间，从而可以初步得到在等待点可能发生冲突航班的通过顺序，为了提高算法的合理性，在计算等待点通过顺序时加入了人工干预的功能。具体的算法步骤如下。

①获取在等待点冲突航班的实时位置信息以及滑行速度。

②根据实时位置信息计算航班与等待点的距离，并结合航班的滑行速度，实时预测航班滑行到等待点的时间。

③判断航班在等待点的通过顺序是否已受到人工干预，如果没有则默认情况下越先到达等待点的航班优先通过等待点，其他航班则在到达等待点时发出在等待点等待的提示。

④如果航班在等待点的通过顺序已受到人工干预，则根据人工干预的结果在航班到达等待点时给出是否需要等待的提示。

路径规划的基本算法是获取飞机当前点所在的滑行道集合以及飞机所要达到终点的滑行道集合，如果两个集合的滑行道存在交点则飞机当前位置的点和交点之间的点序列、交点和终点之间的点序列添加到飞机的规划路径点序列中。如果上述两个滑行道集合的滑行道不存在交点则进行递归运算，找出连接两个滑行道集合的滑行道，也即在一个滑行道集合的点序列中找出一个点与另一个滑行道集合中的点序列中的一个点组成一条滑行道，如果该滑行道存在，则将飞机当前点与上述两个点以及终点之间的点补全并添加到飞机的规划路径点序列中，以此类推进行递归运算。

结合实际情况，在该算法中增加了一些特点条件，分别

如下。

对于降落的飞机，如果飞机到达停机位则不再进行路径规划的计算。

对于起飞的飞机，如果飞机当前位于跑道中则不进行路径规划的运算。如果飞机当前不处于跑道中则以飞机的当前位置为起点，以飞机的起飞跑道为终点进行路径的规划运算。

由于在实际情况中，应尽量减少飞机在道口所在滑行道的停留时间，所以如果有其他的可行路径应将道口所在的滑行道剔除，再进行路径规划的运算。

2 结论

目前国外有关A-SMGCS的研究以及应用取得了很大的进展，并且在部分机场已进行实际的应用，例如在法国戴高乐机、场瑞典斯德哥尔奥兰多机场、美国亚特兰大机场等大型机场均已开展有关A-SMGCS方面的应用。我国在A-SMGCS方面的研究开展的比较晚，不过已经有部分研究机构和单位在A-SMGCS的研究应用方面取得了较大的进展，目前我国在北京首都机场、南京禄口机场、杭州萧山国际机场均有A-SMGCS不同层级的应用。根据ICAO发布的有关A-SMGCS的手册，A-SMGCS包括监视、控制、路由和引导四个不同的等级，目前大部分应用了场面监视技术的机场基本都具备了监视和控制功能，而有关路由和引导则在我国应用较少，为了进一步研究和实现A-SMGCS，本文开展A-SMGCS中路由层级的研究，其中提出的路径规划算法为开展A-SMGCS应用奠定了基础。

结合机场场面活动的规则以及滑行路径规划的需求，本文提出的高级场面活动引导算法以飞机在滑行过程中变换滑行道次数最少为路径规划目标，对传统的Dijkstra算法进行改进，根据机场跑道头以及停机位计算出不同起点和终点之间的静态备选路径池。其中备选路径池作为管制员人工为飞机分配滑行道时的可行路径集，这一定程度上减少了管制员的工作量，并且提高了管制员分配滑行道的合理性以及安全性。

参考文献

[1]中国民用航空总局.2012年民航行业发展统计公报[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.

作者简介

高标雄（1989-），男，广东广州人，助理工程师，研究方向：场面冲突告警及活动引导。

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