一种新型中小机场场面运行概念

黄龙杨，刘玥琳，李金峰，李诚龙

（中国民用航空飞行学院 空中交通管理学院，四川 广汉 618307）

0 引 言

目前主要有两种方式解决滑行道交通拥挤问题：第一是通过扩建机场、跑道、滑行道、停机位等实现，这种方法直接增大机场容量，但投入很大，而且建设周期长，还需要占用大量土地；第二是对航空器的滑行路径进行规划，在避免航空器之间冲突的基础上，减少滑行时间，从而提高场面运行的安全性与效率性。例如许多大型机场使用的A-SMGCS先进场面监视引导系统便是这种原理。国内外已有许多针对机场场面冲突的研究，主要围绕航空器运行调度优化、风险因素识别、冲突监视与检测、冲突告警与策略等角度展开。1998年，Pitfield等针对机场高峰期流量的高峰期，基于飞机进离场的统计结果，采用蒙特卡洛模拟的方法对机场场面冲突进行了模拟分析，奠定了机场场面冲突的研究基础。1999年，Hesselink在全面分析机场道路网络的前提下，首次引入Dijkstra算法，分析了机场场面路径规划的问题，扩展了机场的静态路径规划方案的思路。孙瑜等提出了基于4D航迹的航空器场面滑行路径优化研究，设计并实现了场面航空器动态路径规划仿真系统。陈倩对机场场面冲突风险管理的概念进行阐述，构建基于多Agent的机场场面冲突概念模型，并对机场场面监视技术进行了探讨。高明运用多Agent模型和Petri网对场面交通冲突所涉及到的实体构建了仿真概念模型，对场面交通工具行为路径进行了仿真说明。将多Agent模型与Petri网相结合，提出AOSCPN模型，构建了场面交通冲突风险预警仿真模型。周云帆使用“节点—路段”模型对机场飞行区进行建模，利用AirTOP软件对场面运行进行建模与仿真，通过矩阵法判断各疑似冲突热点区域的冲突等级。对于中小机场来说，由于经济效益等诸多因素的影响，只能依赖人工监视的方法来避免航空器之间发生冲突，因此急需一种技术来减少冲突，提高机场运行效率，这也是本文研究的核心内容。

1 中小机场发展现状

1.1 中小机场场面管理现状。截至2020年底，我国境内运输机场241个（不含港澳台），其中年旅客吞吐量在200万人次以下的中小机场有187个，占全国运输机场总数的77.59%。民用机场一般可划分为飞行区、候机楼区和地面运输区三个部分，冲突通常发生在航空器在飞行区内滑行时，航空器地面运行中，在滑行道系统中的运行时间最长。因此，从滑行道系统出发，研究降低机场地面管制员管制压力和提高航空器机场运行效率的方法是必要的。滑行道位于飞行区，起着连接跑道与停机坪的作用，由于滑行道上进行作业的除了航空器之外还有各种车辆，当这些车辆与航空器发生冲突时，应主动避让航空器。

航空器在滑行道上的滑行路线要遵循四个原则：单向、顺向、循环和固定。单向原则是指航空器在使用同一滑行道时，始终保持同一方向以避免发生对头冲突；顺向原则指保证航空器在各滑行道之间的滑行路径顺向衔接，当航空器在某交叉路口进行汇聚滑行时，汇聚方向不出现大于90°的转弯；循环原则是指进场航空器和离场航空器的滑行路线没有太多重叠路径，减少路径交叉，使得整个场面可以有序循环进行进离场飞行作业。固定原则指地面管制员一般会按照常用的滑行路线进行滑行指挥，在跑道运行模式固定不变的情况下，停机位到跑道头等待点的滑行路径也相对固定。其中滑行道交叉道口往往是机场的冲突热点区域。交叉道口冲突量大时，航空器需要停等来保持最小安全间隔，管制员需要花大量时间对航空器进行监控和发布指令，使得场面交通流动速度慢。

1.2 通用机场成本结构。通用机场的成本结构基本上包括劳动成本、资本费用和运营成本三类。

劳动成本主要指机场员工的工资、福利及保险金等。通用机场经营主要需要两类专业人员：一类是保障通用机场正常运行的专业人才，主要包括空中交通管制员、气象检测员、安检人员等；另一类是从事通用航空运营业的机场专业经营管理人员，这些人员除了需要具备一般企业管理人员的专业技能和管理能力之外，还必须通晓专业性强的通用航空领域知识。

资本费用指银行贷款或发行债券的利息和机场提取的折旧费。目前我国通用机场的建设规模较大，建设成本相对较高。飞行区土地成本和维护管理成本高，回报周期长。航站综合楼建设规模较大，装修标准也较高，使得机场的总体维护成本较高，还本付息费用较大，以致资本费用在总的成本结构中所占的比重较高。

运营成本是通用机场运行过程中所发生的费用，具体包括水暖电气费、通信费、设备费、辅料费、维护保养费、管理费，以及其他运营费用等。由于通用机场设施设备安全系数要求高，运营管理的技术性强，使得机场的运营维护成本较高。与支线机场类似，从事短途运输服务的通用机场需要进行社会化功能的复位，以降低机场作为企业的运营成本。社会化功能具体包括公安、消防、医疗、气象等方面。通用机场的社会化功能可显著节约其运营成本及人工成本。

2 场面道口全自动冲突解脱运行技术

2.1 机场场面冲突的概念。航空器在滑行中遇到冲突，根据航空器的相对位置及运行情况不同，一般可分为以下三类滑行冲突：对头冲突、追尾冲突、交叉口冲突。

（1）对头冲突。对头冲突是滑行中最危险，危害最大的一种冲突。由于在滑行道运行前期规划（控制航空器推出开车的时刻）中会对对头冲突加以避免，实际运行中很少有对头冲突发生的可能，对头冲突产生的原因是两架航空器同时在一条滑行道上相向滑行，如图1所示。（2）追尾冲突。追尾冲突是指两架或两架以上航空器在同一条滑行道上跟进滑行时的距离小于最小安全距离D。追尾冲突通常是因为后航空器的滑行速度超过前航空器的滑行速度，如图2所示。（3）交叉口冲突。多架航空器同时到达交叉口，由于交叉口每次只能通过一架航空器，因此出现交叉口冲突，如图3所示。

图1 对头冲突

图2 追尾冲突

图3 交叉口冲突

2.2 道口全自动冲突解脱运行概念。由于中小机场条件落后，人手短缺，提出道口全自动冲突解脱运行概念，其概念框图如图4所示。通过获取航空器的实时位置、速度等信息，根据计算得出距交叉道口的距离，道口自动将航空器在道口附近的停等指令反馈给驾驶员，管制员只需在终端显示屏上进行监视，这将有助于提高管制员的效率，减轻负荷。

图4 场面道口全自动冲突解脱运行框图

目前存在一些较为先进的场面运行自动控制系统，能够很好地保证场面运行的安全和效率，但这些系统往往价格高昂。因此提出道口自动冲突解脱概念，不仅可以用于中小机场场面自动化管理，也可以单独作为A-SMGCS系统中成为一个增强道口安全管控能力的模块。

2.3 机场场面监视。机场内的交通是复杂多变的，机场场面由跑道、滑行道、停机坪等部分组成，各部分的安全约束条件都有差异，运行在不同的区域，时间间隔和距离间隔都会改变，因此机场场面交通研究是一个富有挑战性的问题。

场面监视技术主要分为以下几种：一次雷达技术、二次雷达技术、ADS-B以及多点定位技术。

一次雷达频繁不断地发射脉冲信号，雷达根据信号的频率幅度来检测到物体的距离方向。二次雷达可以利用发射机发射出脉冲信号，接受器将信号翻译成编码，在地面上可以显示出飞机的位置进行实时监控。MLAT是基于A/C或S模式应答机的多基站定位系统。ADS-B是通过获取周围其他交通工具的位置，实现交通工具之间相互通信、感知周围环境的监视技术，能够为塔台提供全面的监视目标信息，所带来的定位精度更高，需要的建设周期较短。距离测量系统如图5所示。

图5 距离测量系统

中小机场和通航机场限于运行成本，部分将放弃场面监视雷达这一高成本场面监视方案。对于场面管制可考虑采用ADS-B+视觉测距这一组合监视，对航空器到达道口的距离信息进行实时监测。基于视觉的场面目标识别如图6所示。

图6 基于视觉的场面目标识别

3 机场场面冲突模型

3.1 机场场面建模。机场场面的建模主要分为场面运行区域建模和航空器滑行属性建模两种，场面飞行区建模中较为常用的方法包括混合整数线性规划（MILP）模型，有向图模型及Petri网建模等。

MILP作为整数线性规划模型中的一部分，这种模型代表了目标函数和相关约束条件都为线性相关，但是在关键的决策变量中有相对应的部分变量需要作为整数的规划模型来使用。

有向图模型是将机场场面网络结构图转化为有向图的形式，有向图G代表了一个有序的三元组(V, E,W)，其中W代表了关联函数，它让有向边E其中的每个成员都会一一对应V(G)中的一个有序元素。现阶段大多数的论文或研究中采用的都为此类方法来构建场面活动区域。

Petri网模型可以被视作一种面向过程的建模方法，主要分三类：描述、分析和设计复杂系统。此模型会将机场的运行区域划分为跑道、滑行道直线段和交叉口等模块，之后将其中每个模块都会通过Petri网模型来进行建模。

3.2 场面冲突模型选择。目前国内外对场面安全风险的研究多采用遗传算法、系统动力学、多Agent模型、神经网络和Petri网等。

遗传算法可能收敛于局部最优，而非全局最优，编码复杂，处理规模略小。系统动力学的适用范围尚不明确，不能确定在多大范围内是有效的。多Agent模型在提供框架方面，适配性较好，而在细节仿真方面，适配性较弱。神经网络不宜用来求解用数字计算机解决得很好的问题。Petri网能够清楚地描述作业进程间的同步和异步，能够动态地展示系统内部元素的运动状态，但不支持构造大规模模型。另外传统算法在解决场面冲突问题上大多基于航空器的优先级进行排序，导致优先级低的航空器排队时间过长，灵活性较差，效率较低。

在对以上几种方法的优缺点进行分析后，在构建场面冲突模型时一般是选用多Agent仿真模型和Petri网仿真模型。本文基于多Agent的仿真概念模型为例结合航空器自身属性进行讨论，有较强的灵活性。

3.3 基于Agent自动道口控制模型。基于Agent自动道口控制模型要包含四部分（如图7所示），管制人员、航空器、道口管理系统、场面监视系统。

图7 基于Agent的道口自动控制系统

管制人员不需要实时指挥航空器，只需要在管制室对航空器进行监视，管制员可以获得航空器在滑行中收到的每一个来自道口管理系统给航空器的指令。

航空器的位置、滑行轨迹等状态信息，实时传输给场面监视系统，航空器的下一步动作由道口管理系统给出，优先以道口自动系统为主，当与管制员指令冲突时，由飞行员自行判断。

道口管理系统根据航空器实时速度，并基于飞行型号尺寸和距道口的距离以及运动状态做出决策后，立即反馈给飞行员。

场面监视系统由ADS-B和视觉两部分组成。通过ADS-B和目标监测获取到航空器的位置，以此测量航空器距道口的距离。

基于Agent的道口自动控制系统对实际机场场面道口环境进行了模拟，可以在一定程度上减少冲突的发生，即使发生冲突，也可以尽快解决。

3.4 案例分析。设计人工组与自动模型进行对比，需要通过道口航空器数量为100架，邀请3名一线塔台管制员进行场景模拟，考虑到实际情况下，管制员从发现冲突到做出决策，需要反应时间，因此，人工组每做出一次的决策，时间加2秒，测试结果如表1所示：

表1 道口通行所需时间

自动道口控制模型下，通过100架航空器需要618.25秒，而人工组通过100架航空器平均需要984.41秒，表明基于Agent自动道口管控相比于人工指挥通行效率提高了37.2%。

4 结束语

民航业的发展大大的拉近了人与人之间的距离，为人们出行提供了极大的便利。航空器场面滑行问题是一个诸多因素相互影响的过程，而滑行冲突的数量极大地影响了机场整体运行效率。为了避免机场场面冲突，本文针对航空器场面滑行中几种常见的冲突进行了分析，探讨了机场场面概念监视技术，分析了场面冲突模型的优缺点，构建了基于多Agent的自动道口控制模型，为解决机场场面冲突问题提供了一种有效的方法。相信随着自动控制技术的发展，机场场面运行会变的越来越安全、高效。