SURF IA在机场场面冲突探测中的应用研究

曲昌昊，张光明

(中国民用航空飞行学院 飞行技术学院，四川 广汉 618307)

为了满足日益增长的交通需求，提高机场的运行能力，往往通过扩张机场运行规模、增加航班起落架次、缩短航空器的运行间隔等措施来提高机场的容量。然而，在高密度条件下机场的设施和管制手段[以ATC(管制员)的目视观测为主]已经无法满足大型机场场面的运行要求，近年来机场场面冲突的事件不断发生。因此，通过采用先进的技术升级现有的设施，全面提高机场场面上移动飞机和车辆的监视和管制能力成为保障机场正常运行的重要手段。

广播式自动相关监视(automatic dependent surveillance-broadcast，ADS-B)[1]是一种将通信技术、卫星导航、机载设备与地面设备等相结合的未来主要监视技术。ADS-B有两类应用功能：ADS-B IN(接收)与ADS-B OUT(发送)，ADS-B OUT通过数据链技术按照规定的格式广播所获取的监视目标的经度、纬度、高度、时间、冲突告警等状态信息，ADS-B IN用来接收数据消息，处理后显示在CDTI(机载显示器)上供机组人员参考或发至管制中心便于ATC进行运行监控。

SURF IA(enhanced traffic situational awareness on the airport surface with indications and alerts)[2]是ADS-B IN监视应用之一，通过CDTI向机组提供航空器位置和机场场面附近的其他交通信息，以提高机组情景意识，降低跑道入侵和碰撞风险。本文通过分析场面运行中的冲突，结合SURF IA应用，建立机场场面冲突探测模型，以减缓ATC的工作压力、提高机场监视水平、增强机场运行能力。

1 场面运行分析与冲突类型

1.1 机场场面运行流程与结构

机场场面运行主要分为航空器的进场阶段与离场阶段的过程。进场阶段是指从ATC依照飞机的机型与预先分配的停机位资源等发布对于进场航班在场面跑道的着陆许可、选择航空器的滑行路径与快速脱离道，最后引导车指引航空器到达指定的停机位的过程；离场阶段是指在运控部门的放行许可下航空器由从停机位撤轮挡、引导车推出开车、跑道滑行起飞直到加入跑道端离场航班序列的过程。这些过程如图1所示。

图1 航空器进场与离场过程

机场场面区域主要由机场活动区与停机坪区域组成，其中机场活动区的两大主要构成为跑道与滑行道,下面按照这3个主要组成部分介绍冲突类型。

1.2 场面冲突类型

机场跑道是用于飞机起飞与进近着陆运行的活动区域，场面跑道的数量与空间结构方式直接关系到整个机场的运行容量与运行方式。根据跑道入侵的对象可分为航空器之间的冲突、航空器与车辆之间的冲突以及航空器/车辆与人员之间的冲突。目前国内的大型机场往往有多条跑道，多条跑道的空间分布结构有平行跑道、交叉跑道、近似平行跑道，以及其相互组合方式，其中交叉跑道很容易带来入侵飞机的穿越冲突问题。

滑行道是承接停机坪与机场跑道的中转区域，目前在大中型机场滑行道以及相应的交叉口的不仅数量众多而且结构复杂、交叉节点的数量呈现较大的耦合机率，滑行道所能提供的服务受到飞机多种因素呈现多样化趋势、设置快速脱离道数目较多，对于机场场面运行带来较大的压力与风险。目前按照航空器之间的运行方向，有3种冲突类型，分别是追尾冲突(同向运行)、对头冲突(相向而行)、交叉口冲突(均向同一交叉口)。

停机坪区域为航空器提供停泊的位置，目前国内大型机场机位数量众多，机坪类型与停放方式多样化，停机位的选址与所连接的滑行道关系复杂，存在飞机的滑入或滑出相互受限等问题。机场的停机坪区域综合了进离场的航空器、机场工作人员、各类工作车辆(旅客摆渡车、行李牵引车、升降平台车、传送带车、飞机拖车、除冰车、扫雪车、加油车、清水车、污水车、清扫车等)以及地面设备(廊桥、辅助灯光设施、消防与急救设施等)。机坪事故的种类繁多，国际机场协会将其分为7类：机坪设施操作不当对于停放/移动航空器造成的事故、航空器尾流等对机坪设施造成的事故、机坪设备之间造成的事故、机坪设备对机场设施造成的事故、因机坪设备或航空器漏油造成的事故以及以上事故对于机场工作人员造成的事故。

2 SURF IA冲突探测模型

2.1 机场场面冲突探测分析

针对跑道入侵的各种监视系统大多都是从保护区的概念作为基础，因此对于跑道入侵的冲突探测可以转换为判断是否侵入保护区。对于机场场面的飞机，主要考虑入侵飞机从联络道穿越跑道的冲突组块，设SURF IA冲突告警的门限值为T0，移动目标穿越跑道时间为T。对于穿越冲突，根据飞机的运行流程分为进场飞机与离场飞机，对于n架飞机，就有2n种情况；在实际运行中往往是本机与入侵飞机的双方冲突，这里取n=2，分析如下：

1)本机与入侵飞机均为进场飞机。入侵飞机进场时经过联络道口的时间为T1，本机运动至距离跑道入口距离为L的时刻为T2，则可用于穿越跑道的时间段为[T1，T2]。

2)本机与入侵飞机均为离场飞机。入侵飞机离场时经过联络道口的时间为T1，本机在时刻T2进入跑道头准备起飞，则可用于穿越跑道的时间段为[T1T2]。

3)入侵飞机为进场飞机，本机为离场飞机。入侵飞机进场时经过联络道口的时间为T1，本机在时刻T2进入跑道头准备起飞，则可用于穿越跑道的时间段为[T1，T2]。

4)入侵飞机为离场飞机，本机为进场飞机。入侵飞机离场时经过联络道口的时间为T1，本机运动至距离跑道入口距离为L的时刻为T2，则可用于穿越跑道的时间段为[T1，T2]。

一般情况下，需要满足T0

滑行道冲突检测更为复杂，一是机场场面运行的道路结构复杂多样；二是在此运行的移动目标不具有一定的规则，移动目标的转向、加减速等物理因素具有不确定性。当前普遍的滑行道冲突类型有追尾冲突(同向运行)、对头冲突(相向而行)、交叉口冲突(均向同一交叉口)3种。结合冲突类型，构建相应的机场场面运行滑行道入侵探测模型。

通常，停机坪内的滑行道距离较短，停机坪滑行道往往被多个停机位共同占有，航空器滑行速度较小，对于判定停机坪冲突来讲相对于滑行道难度更大。停机坪的停机位预留属于资源分配问题，在以后的工作中拟用运筹学里的排队论方法解决此问题。

2.2 SURF IA冲突告警模型

SURF IA告警逻辑主要是基于预测本机和入侵飞机之间发生冲突的时间，冲突预测是基于相对速度和轨迹(即相对速度)。如果预计冲突时间少于30 s，则发出警示告警(caution alert)；如果预计冲突时间少于15 s则发出警告告警(warning alert)[3]。注意：当本机起飞时速度大于80节，所有告警都被抑制。

对于机场场面运行的移动目标，结合基本运动特性以及规则要求，近似地用CV(匀速)、CA(匀加速)、CT(匀速转弯运动)3种运动模型描述[4]。以ADS-B给出的位置参考点定义的矩形几何中心作为位置参考点P(XP,YP)，外推时间为t，加速度为a,机组反映时间为c。取单位向量i平行于初始速度V、单位向量j垂直于速度V(VX,VY)，定义飞机的安全区域(矩形)为飞机尾流区域(长度为l)加定义参考点的几何长度(长L宽W)区域再加飞机的制动距离d的区域，定义矩形的4个端点为A、B、C、D，如图2所示。

图2 飞机保护区域的设立

(1)

修正后的位置参考点

P′=(XP+XVt,YP+YVt)

(2)

单位向量

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

矩形四边线段方程为

AB：(XB-XA)(y-YB)=(YB-YA)(x-XB),x∈[min(XB,XA),max(XB,XA)]

(8)

BC:(XC-XB)(y-YC)=(YC-YB)(x-XC),x∈[min(XB,XC),max(XB,XC)]

(9)

CD:(XD-XC)(y-YD)=(YD-YC)(x-XD),x∈[min(XC,XD),max(XC,XD)]

(10)

DA:(XD-XA)(y-YD)=(YD-YA)(x-XD),x∈[min(XD,XA),max(XD,XA)]

(11)

3 案例与仿真分析

以上海虹桥“10.11”案例为代表：本机A320被定义[5]的保护区长45 m宽39.5 m，尾流10 m，机组反应时间2 s，本机的位置参考点坐标(550,80)m，速度V1(-67,0)m/s,加速度a为3 m/s2;入侵飞机A330以V2(0,15)m/s匀速穿越跑道，被定义的保护区长65 m，宽67 m，尾流为10 m位置参考点取坐标原点。

本机的A、B、C、D坐标为A：(-822.5,13.5)；B：(-822.5,46.5)；C：(-102.5,46.5)；D：(-102.5,13.5)。

入侵飞机的A、B、C、D坐标为A：(33.5,102.5)；B：(-33.5,102.5)；C：(-33.5,22.5)；D：(33.5,22.5)。

代入公式依次得到本机的边界方程为

(-822.5+102.5)(y-46.5)=(46.5-13.5)(x+822.5)

(12)

(-102.5-822.5)(y-46.5)=(46.5-46.5)(x+102.5)

(13)

(-822.5-102.5)(y-13.5)=(13.5-46.5)(x+822.5)

(14)

(-822.5+102.5)(y-13.5)=(13.5-13.5)(x+822.5)

(15)

入侵飞机的边界方程为

(-33.5-33.5)(y-102.5)=(102.5-102.5)(x+33.5)

(16)

(33.5+33.5)(y-22.5)=(22.5-102.5)(x-33.5)

(17)

(33.5-33.5)(y-22.5)=(22.5-22.5)(x+33.5)

(18)

(33.5+33.5)(y-22.5)=(22.5-102.5)(x-33.5)

(19)

由表1可以看出，联立各组边界方程求解外推时间t。当且仅当t有正解的时候本机与入侵飞机会发生冲突，案例里的t最小解为4.5 s小于预计冲突时间15 s，SURF IA 会发出警告警报。仿真的结果与RTCA DO-323规范性文件中的案例场景保持一致，同时检验了模型和仿真的成果。案例场景如图3所示。

表1 方程组计算结果

图3 对方飞机穿越，本机起飞速度>40节并<80节

4 结论

通过对于SURF IA的应用的研究，能够有效预警机场场面运行中的冲突，减缓ATC的工作压力与提高机场监视水平，以及增强机场运行能力。由本文的模型建立以及案例分析的结果可得，基于ADS-B IN的SURF IA应用在机场场面运行冲突探测之时能够有效得到告警反馈，减少或避免场面冲突的风险。主要研究了航空器之间的场面冲突探测，限于篇幅，对于航空器/车辆与行人之间的冲突分析与案例在以后的研究中给出。