基于ADS-B和视频监控的兰州中川机场防跑道侵入系统设计

□ 民航西北地区空管局通导部 杨 斌/文

民航局空管局于2019年下发了《防止跑道侵入技术措施与实施路线》，将ADS-B确定为防止跑道侵入的相关成熟技术之一，并建议A类以下机场具备ADS-B监视能力。由于兰州中川机场当时的起降架次未达到行业内推荐使用相关设备的标准，中川机场塔台管制目前一直遵循“以目视指挥为主，以从机场引接的多路外场安防视频监控为辅”的防跑道侵入模式，塔台管制缺少有效的技防手段，管制员工作负荷较大。所幸的是，2019年8月中川机场三期可研获得批复，根据未来预测航班流量和调整的跑道构型，批复建设场监雷达、多点定位等场面监视系统，为中川机场防跑道侵入提供有效的技术手段。

但在现阶段，如何提高中川机场塔台管制对场面活动目标的监视能力，弥补跑道侵入技防手段的不足成为当前空管安全管理面临的又一问题。为此，西北空管局通导部牵头，从中川机场场面监视现状、跑道及航站楼构型、技术应用可行性、管制需求等多个方面进行调研，确定了中川机场塔台的主要监视手段，设计了中川机场跑道侵入技防系统，明确了系统整体架构和各模块功能，并计划于2020年建成使用。

中川机场场面监视现状

兰州中川国际机场位于甘肃省兰州市兰州新区中川镇，距市区75公里，机场现有跑道1条，平行滑行道1条，跑道长4000米，宽60米，飞行区等级4E，是西北地区主干机场之一。

机场现有5个垂直联络道A1、A2、A7、A8、A9，其中位于跑道两端的A1、A2、A8、A9垂直联络道是主用跑道入口，如图1所示。

近年来，兰州机场航班流量和旅客吞吐量持续增长，机场航站楼和站坪区不断扩建，机场布局愈加复杂，机场塔台目前防止跑道侵入主要靠管制员肉眼盯防，加上沙尘、多雾、雨雪天气等自然因素，导致机场发生跑道侵入的风险较大，给场面运行安全带来了较大的压力。

中川机场防跑道侵入主体技术的选取

（一）跑道侵入原因分析

跑道侵入是指在机场发生的任何航空器、车辆或人员误入指定用于航空器着陆和起飞的地面保护区的情况。

根据国际民航组织预防跑道侵入手册、以往发生的跑道侵入事件，跑道侵入的原因一般可以分为三个主要方面：①飞行员因素；②管制员因素；③机场、机场相关车辆和人员管理因素。据美国联邦航空局（FAA）统计，54%的跑道侵入是飞行员错误造成的，29%是管制员错误造成的，17%是车辆驾驶员或地面人员错误造成的。

针对跑道侵入发生的原因，作为空管部门，不仅要从管制流程入手制定相应的管制流程和应急处置程序，还要从技术方面考虑，加快引进和建设相关场面监视设备，应对和解决高密度及复杂天气条件下可能出现的场面运行风险，通过人防和技防两个维度，防止跑道侵入事件发生。

（二）防跑道侵入技术介绍

导致跑道侵入事件发生有多方面的原因，因此防止跑道侵入需要通过优化机场飞行区布局结构、改善机场设施配置及标识、提升运行管理水平、应用新技术等方面进行综合防控，以提升跑道运行的安全性。

近年来国际上出现了多种防止跑道侵入的技术和系统，但主要分两个路线：一是利用跑道状态灯，警示牌等可视设备对飞行员、驾驶员进行提示；二是利用场监雷达、多点定位、ADS-B、视频图像识别等场面监视技术对航空器、车辆进行高精度定位跟踪，为防跑道侵入系统提供数据源，实现跑道侵入告警。

1.跑道状态灯（RWSL）系统。跑道状态灯（RWSL）系统利用外部机场场面监视数据源，利用智能决策系统驱动灯光控制逻辑，自动控制位于跑道和滑行道上的灯具系统。这些灯的激活将为飞行员提供一个视觉指示，表明在跑道上进入、穿过或离开是不安全的。该系统的目的是在时间紧迫的冲突情况下为飞行员提供提前预警或指示。在这种情况下可能没有足够的时间通过正常的语音通信来警告机组人员。因此，能够及时根据航空器运行位置自动控制跑道状态灯是该系统一个极其重要的特性。

2.现有场面监视技术。根据民航局相关文件，现有场面监视技术有场监雷达、多点定位、电子进程单及ADS-B等，根据机场跑道构型、起降架次、穿越架次等标准，因地制宜进行实施应用。

（三）中川机场防跑道侵入技术的选取

中川机场目前运行情况调研结果表明，中川机场场面监视设备仅有的监视源是一套ADS-B地面站，并且建设初期只设计用来监视兰州进近空域内的航班，但以ADS-B作为场面惟一监视源还存在一定不足，如：定位精度、稳定性、部分机型不支持等问题；而跑道状态灯更需要协调中川机场管理部门对现有跑道灯光系统进行升级改造，同时还需要与塔台管制系统进行交互互联。

从上述对比可以得出，建设将ADS-B和视频监控技术相结合的防跑道侵入系统，投资成本低、建设周期短，在兰州中川机场三期改扩建前，作为一种过渡系统，更符合中川机场塔台目前及今后2至3年的应用需求。

基于ADS-B和视频监控的防跑道侵入系统设计

（一）系统原理

系统通过在机场联络道口、快速脱离道口等关键区域安装的高清摄像头组，利用人工智能视频识别技术捕捉经过该区域的航空器、车辆等信息。同时，结合机场现有ADS-B、飞行计划、综合航迹等数据，利用大数据人工智能分析手段，根据符合管制程序的决策逻辑识别判断出跑道侵入行为，并通过多样提示告警手段通知管制员进行处理，以达到跑道侵入的预警，减少跑道侵入的发生概率。

（二）系统架构设计

根据系统原理，设计系统组成分为三个部分，如图2所示，分别为：智能视频图像识别子系统、防跑道侵入控制子系统及跑道侵入告警子系统，系统总体架构如下。

（三）子系统功能设计

1.智能视频图像识别子系统

智能视频图像识别子系统由前端视频采集和后端识别处理两部分组成：

（1）视频采集

视频采集由联络道口和快速脱离道口监控摄像机组成，采用主备冗余配置（每套含2台智能高清摄像机和2台红外热像摄像机）。该摄像机安装在关键区域附近的飞行区草地上，红外热像摄像机主要解决夜晚和低能见度下的视频监视。

（2）识别处理

识别处理由智能视频分析和视频存储两大软件模块和相应的服务器设备构成。前端摄像头采集视频图像后，利用人工智能视频分析手段可捕捉到所有经过该区域的航空器、车辆等信息。当有航空器、车辆穿越设定区域时，系统会发出提示信息给后续的防跑道侵入控制子系统。

智能视频图像识别子系统可识别越过起飞等待线的场面活动目标、降落后由快速脱离道滑出跑道的目标，并可判断该机尾末端是否离开设定区域等情况。摄像头可以以每秒20帧速度更新目标运动速度。根据摄像头安装具体角度，可计算出误差范围，并达到厘米级别，该定位判断精度优于ADS-B或多点定位系统。

2.防跑道侵入控制子系统

防跑道侵入控制子系统可以结合前端多种监视数据验证跑道的可用状态，采用大数据人工智能技术分析当前航空器及车辆越过等待线是否合法，实现跑道侵入的告警输出。告警信息送给后端跑道侵入告警显示子系统，提供给管制员可视化告警界面。

防跑道侵入控制子系统由数据接入、评估决策两大功能组成。

数据接入功能：防跑道侵入控制子系统接入的数据包括关键区域视频分析数据、ADS-B数据、飞行计划和综合航迹。接入数据用于目标航迹动态跟踪、初始航迹抑制、目标识别，用于后续对进港、离港和穿越跑道的目标提供间隔计算、监视。

评估决策处理：评估决策处理的主要作用是辅助管制员保持飞机间隔，并及时对潜在的违反最小间隔和违反管制运行规定的情况进行提示。系统通过评估融合处理后的系统航迹、飞行计划、跑道状态和前端视频识别系统检测出的过线检测结果等数据，实时检测场面目标的运动趋势。若有告警情况，则对目标标识出告警信息，生成目标告警报告，即可直接在监控席位上显示。

3. 跑道侵入告警显示子系统

系统通过告警窗口配合自动弹出实时视频方式提醒管制员处理告警信息。同时，可根据管制员需要增加音频告警提示，系统功能包含支持挂标牌显示、可视化报警提示、声学设备联动并提供告警提示音等。

（四）可设置的告警过滤能力

系统可设置告警过滤区域、优先级、触发各类告警的目标类型、边界长度和宽度等参数。

1.跑道关闭告警功能

进港目标距离跑道入口在预设距离区间内，检测情况在下列之一则发出告警。

（1）跑道处于关闭状态。

（2）飞机对准的跑道为不可用。但与对面跑道的起降状态匹配，就进行方向错误告警，否则进行跑道不可用告警。

（3）跑道正在检修或有穿越情况，有进港或出港飞机则告警。

2.进港冲突告警

（1）当进港目标对准跑道实施降落时，跑道内（非安全区内）有其他目标：

①空中目标距离跑道入口在预设距离内，并且判断跑道上目标已经无法在预定时间内脱离或起飞, 发出告警。

②空中目标与地面目标距离之和小于预设距离，发出告警。

③TCPA算法计算出进港目标与跑道上的目标相遇的时间差小于预设阈值，发出告警。

（2）如果地面目标在安全区或检测区内（不在跑道上），若目标有运动趋势并且靠近跑道，进行告警。

3.出港冲突

（1）当前目标在跑道上（对准区域或跑道起飞区域），靠近其正前方的另一目标（跑道内或安全区内），并且当前航班开始启动并距离前方目标小于预设阈值， 发出告警。

（2）跑道上两目标距离小于预设阈值，直接发出告警。

系统处理前端视频识别系统输出的过线或进入/离开预设区域的提示，作为判断跑道侵入的检测依据。实时评估和刷新检测场面活动目标的活动态势，若出现发生跑道侵入的潜在风险，即对目标标识告警信息，生成的目标告警报告为后端跑道侵入告警显示子系统提供告警服务。

系统建设和应用

（一）ADS-B 地面站

目前中川机场安装有1套ADS-B地面站，位于塔台顶部，为能充分覆盖跑道两端和靠近航站楼位置的飞行器，计划在跑道对面原有信标台加装1套ADS-B地面站，如图3所示。同时，两套地面站还增加了设备进行冗余，提高了保障裕度。

（二）道口及重点区域视频监控

在关键区域设置摄像头（可见光及热像）精确获取航空器是否越线的实时图像信息。中川机场A1、A2、A3、A4、A5、A6、A8、A9道口均有航空器通过，因此考虑在跑道两端垂直联络 道A1、A2、A8、A9等待线处安装道口摄像机（包含一台高清可见光摄像机和一台红外热成像摄像机），如图4所示，在快速脱离道A3、A4、A5、A6禁 止 线处安装道口摄像机（包含一台高清可见光摄像机和一台红外热成像摄像机）用于捕获该8个道口的场面活动目标，达到全面的防跑道侵入检测。作为防跑道侵入系统中视频处理子系统的前端，考虑到该系统的重要性，整个系统采用双网冗余架构，前端摄像机和后台服务器均采用主备配置，同时配置1套监控维护终端和1套告警显示终端。

道口摄像机在跑道两侧航向台引接电源和网络，航向台中已有光纤连接至机场光环网并最终到达空管机房。西侧航向台到联络道距离约为400米，采用开挖埋管方式铺设。通过顶管穿越垂直联络道A1、A2方式给A3快速脱离道口摄像机供电和光纤接驳，不破坏联络道道面，如图5所示。

东侧航向台到联络道距离约为500米，采用开挖埋管方式铺设。通过顶管穿越垂直联络道A5～A9方式给A5、A6、A7快速脱离道口摄像机供电和光纤接驳，如图6所示。

（三）后端系统

后端系统采用主备冗余设置，包括了智能视频图像识别子系统、防跑道侵入控制子系统、跑道侵入告警显示子系统及相关交换接入设备，如图7所示。

当前端多路视频信号回传后，视频识别处理服务器可实现多通道视频拼接及融合、夜间及低能见度下机场全景视频增强。当完成视频拼接融合后，防跑道侵入控制子系统结合系统接入的ADS-B数据、飞行计划和综合航迹信息实现对视频内飞行器挂牌，并根据系统设置的评估决策，实现对跑道、道口及关键区域的潜在冲突告警。跑道侵入告警显示子系统由告警显示工作站和显示器组成，其中显示部分配置4台高清液晶拼接屏，可采用吊装及挂壁式，为管制人员提供场面实时态势全景监视。

结语：

为应对多跑道、低能见度、大流量的复杂场面环境，防止跑道侵入事件的发生，西北空管局自2012年就按照系统配置标准率先在西安咸阳国际机场二期改扩建空管工程中建设了场监雷达与多点定位系统，并为塔台管制配置了达到II级标准的A-SMGCS系统，成为全区机场的标杆。近年来，随着各省会机场和部分支线机场航班量的快速增长，跑道侵入风险不断增大，建设成本低、建设周期短、设备可靠性高、实用性强的防跑道侵入系统需求在西北地区变得愈发迫切。中川机场的基于ADS-B和视频监控的防跑道侵入系统即将进入项目实施阶段。该系统的设计过程，充分考虑了中川机场塔台管制员的运行需求、利用现有运行设备和场区作业环境，利用较低成本降低了机场跑道侵入系统风险，并为其他机场防跑道侵入提供解决思路。