一种改进的A-SMGCS机场场道清扫引导系统

摘" 要：随着我国国民经济水平的不断提升，越来越多的人们选择乘坐飞机出行。日益增多的航班量也给机场场道（跑道、滑行道、机坪）清扫工作提出更多的挑战。目前机场场道清扫方式主要为人工驾驶清扫车辆进行排查清扫，但是这种方式存在清扫作业与航空器运行的冲突风险，场道全宽清扫作业难度大，清扫质量不能保证的弊端。为消除弊端，该文运用树莓派进行系统开发，采用Python语言，在A-SMGCS系统中开发场道清扫模块，包括路径行驶方案规划模块、场道避障及循迹模块、灯光识别模块等，最终实现清扫系统的优化，使其自动规划清扫路径，避免与航空器运行冲突，提高清扫车的清扫效率。

关键词：A-SMGCS 系统;场道清扫;道路引导;避障循迹;机场滑行道

中图分类号：X738.2" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2024）26-0046-04

Abstract： With the continuous improvement of our national economy， more and more people choose to travel by air. The increasing number of flights also poses more challenges to the cleaning of airport runways （runways， taxiways， aprons）. At present， the way of cleaning the airport road is mainly for manually driven cleaning vehicles， but this method has the following disadvantages： There is a risk of conflict between the cleaning operation and the operation of the aircraft; the full-width cleaning operation of the airport road is very difficult， and the cleaning quality can not be guaranteed. In order to eliminate the above disadvantages， this paper uses raspberry pie to develop the system， uses Python language to develop the field road cleaning module in the A-SMGCS system， including the path driving scheme planning module， the field road obstacle avoidance and tracking module， light recognition module and so on， finally realizes the optimization of the cleaning system， so as to make it plan the cleaning path automatically， avoid the conflict with the aircraft operation， and improve the cleaning efficiency of the cleaning vehicle.

Keywords： A-SMGCS system; field road cleaning; road guidance; obstacle avoidance tracking; airport taxiway

交通运输部2018年第33号令《运输机场运行安全管理规定》[1]第六十条规定：“对跑道、滑行道、机坪应当定期清扫。对跑道、滑行道的清扫每月不应少于一次，应当建立机坪每日动态巡查制度，及时清除外来物，对机坪每周至少全面清扫一次。”通过查阅国内文献发现，目前国内对机场服务车辆的研究主要集中在车辆监控系统、车辆调度问题、通信系统3个方面。刘俊强等[2]开发出了一套车辆监控系统，并将其移植应用到首都机场;晏晓东[3]认为目前我国民航机场主要借助人工调度和基本运筹学的方法对机场地面服务车辆完成指挥、调度、监视，但是这些方法一方面缺少全局良好的调度策略，另一方面认为机场地面特种车辆调度问题是一个静态问题，很难满足航班地面保障的实时调度需求;樊玮等[4-5]研究发现，虽然有些机场在机场服务车辆指挥引导系统中增加了通信技术，但是交互的信息数据只是来自于机场塔台和飞行通告，并没有服务车辆的实际信息。

对于A-SMGCS的研究主要集中在系统算法上。任宁等[6]从目前航空器入离位的运行模式出发，参照机位操作引导灯设立规范，分析了目前航空器入离位方式的弊端，探究了泊位引导系统与A-SMGCS系统互联运行的优化方案，解决了目前航空器入离位的痛点;此外，还从航迹起始、航迹持续、航迹管理和环境评估4个方面探究HITT A3000型A-SMGCS系统的多传感器目标跟踪算法。

综上所述，国内对A-SMGCS系统中机场服务车辆引导模块的研究较少，因此，本文旨在A-SMGCS系统中开发机场场道清扫引导模块，消除人工驾驶清扫车辆进行排查清扫道面的弊端。

1" A-SMGCS 系统简介

A-SMGCS（Advanced Surface Movement Guidance and Control System）系统，中文全称为高级机场场面活动引导与控制系统，是一套对机场场面航空器、车辆等目标提供全面的监视、控制、滑行路径规划及引导服务的综合集成信息处理系统[7]。

A-SMGCS系统根据其功能不同分为4个等级，功能越多，对应的等级越高。林滨等[8]提出，Ⅰ级应该具备基本的监视功能，能够检测到并精准定位所有安装应答机的机场场面目标，定位能精确到单位m，且能自动识别所有车辆和飞机;Ⅱ级除了具备监视功能之外，还应具有控制功能，能够防止地面飞机和车辆等发生交通冲突及跑道侵入，并对地面交通中的各类冲突、危险及侵入进行探测和告警;Ⅲ级在Ⅱ级的基础上又增加了路由规划功能，通过计算机自动规划或人工干预的方式为飞机滑行和车辆行驶规划最优路径，缓解地面管制员的工作压力;Ⅳ级除了具备Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级具备的监视、控制、路由规划功能外，还增加了引导功能。

目前，我国已在北京首都国际机场、上海浦东国际机场、广州白云国际机场等大型国际枢纽机场建设使用了A-SMGCS系统，并能提供II级服务。北京大兴国际机场是目前全国唯一实现A-SMGCS Ⅳ级灯光引导全天候应用的机场，能对机场场面航空器、特种车辆等提供全面的监视、控制、滑行路径规划及引导服务，效率国内领先。

2" 场道清扫引导系统运作机制

2.1" 系统开发

本项目主要基于树莓派进行系统开发，运用Python语言编译，在A-SMGCS系统中开发场道清扫模块。场道清扫模块包括机场跑滑系统可能的路径行驶方案规划模块、场道避障及循迹模块、灯光识别模块、数据存储与统计模块、液晶屏幕显示模块和摄像模块。

2.2" 系统运作机制

首先，在清扫模块系统中人为输入机场场道各部分的宽度及跑滑系统可能的路径行驶方案，然后根据A-SMGCS系统的灯光引导作用，选出最优的清扫方案。

其次，运行循迹模块、摄像模块，小车开始清扫，灯光识别模块开始运行，遵循绿灯前进，红灯停车等待的原则，避障模块运行，避障范围定为前方5 m，若该范围内存在障碍物，会在应答机的屏幕上显示，等待工作人员作出选择是否重新选择路线还是紧急情况，若视为紧急情况，停止前进，停车等待，并保存清扫进度，当障碍物消失后继续前进清扫跑道。

最后，如若出现特殊情况，可在应答机的液晶屏幕上选择一键退出清扫模块，退出后小车将保存清扫作业进度，并保存所有此次作业的数据和采集的视频，如若出现问题，可及时复盘，车变为普通小车，具体运作机制如图1所示。

3" 场道清扫引导系统各功能模块设计

3.1" 路径行驶方案规划模块

路径行驶方案规划模块运行可为清扫车提供最优的路径行驶方案，并当场面发生冲突时，按照实时场面状况重新规划路线。

此模块将应用机场的场道参数输入系统，包括各场道的宽度、长度及各条道路上存在的固定建筑物或物体的位置及大小，根据各参数推算出道路行驶的多种方案，当清扫车运行时，依据上述输入的参数，为清扫车自动规划道路行驶方案，如图2所示。

3.2" 场道避障及循迹模块

3.2.1" 避障模块及其实现

避障模块运行时，车辆在行驶过程中能够有效避免与航空器产生冲突，及时更换路线，并且能够识别机场路面其他设施设备，防止出现冲突，同时能够识别场道FOD，进行清扫。

避障模块采用的是超声波测距模块HC-SR04，该模块包括一个超声发射器和一个超声波接收器，如图3所示。该模块可以不接触地测量2～400 cm的距离，测距精度高达3 mm。

避障程序：测量小车在行进过程中获取正前方距离，当前方距离小于指定值时，小车停下进行红外扫描测距，在0°～180°内，每10°进行一次测距，根据测得的夹角大小大致判断障碍物的尺寸。将扫描的距离进行存储，其中最小距离对应的角度为Dmin，测量小车正向的角度为D0，那么最小距离tan（|D0-Dmin|）就是小车转向后需要越过的大致障碍物距离，小车应转过的角度即为最小距离角度减去边缘角度D1绝对值，如图4所示。通过中央处理后实现小车的控制，从而绕过障碍物。当红外循迹模块检测到黑线时，小车停止绕障并进入循迹模式。

3.2.2" 循迹模块及其实现

循迹模快运行时可为清扫车在规划好路线的情况下按照其轨迹行驶，使清扫覆盖道面全宽如图5所示。

循迹模块采用的是ST188红外一体式发射接收器，如图6所示。为了保证检查效果，能检测更复杂的黑线，本系统采用了环境光线感应能力较强的集成6路红外循迹模块，该模块可以通过电位器旋钮来调节检测距离，有效距离范围为2～30 cm，工作电压为3.3～5 V。

实现循迹功能：首先由3组红外传感器检测路面黑线，然后根据信号-灰度对应关系，来控制测量小车行为。

3.3" 场道清扫其他辅助模块

3.3.1" 数据存储模块

小车通过数据存储模块将小车运行的所有数据进行存储，当清扫车因出现暂停工作并撤离清扫现场后，若想要恢复工作，小车可以通过保存的清扫数据直接找到中断清扫的道路位置，从而继续清扫。

3.3.2" 摄像模块

在清扫车上安装摄像头，监控路况，利用视觉处理技术对拍摄的图像实时处理，识别出各种障碍物并将所有视频数据进行存储，便于及时复盘。

3.3.3" 液晶屏幕显示模块

该模块链接所有模块，将摄像模块所拍摄画面经过处理后，显示在液晶屏幕上，方便驾驶员识别各种不同的情况，以便做出不同的应对措施。

3.3.4" 灯光识别模块

灯光识别模块可以识别红绿信号灯，识别成功后通过液晶屏幕显示模块反馈给清扫车驾驶员，遵循清扫车绿灯正常清扫，红灯停止前进的规则。

4" 场道清扫引导系统创新性分析

本场道清扫引导系统的创新性最主要体现在以下2个方面。

第一，基于A-SMGCS系统开发场道清扫模块。本系统主要基于树莓派进行系统开发，运用Python语言编译，在A-SMGCS系统中开发场道清扫模块。场道清扫模块包括机场跑滑系统可能的路径行驶方案、场道各部分宽度的统计及输入、避障模块、灯光识别模块、数据存储与统计模块、液晶屏幕显示模块、循迹模块和摄像模块。

第二，本系统解决了传统场道清扫车清扫难度大、与航空器存在运行冲突风险的问题。通过运行清扫模块解决跑道场道全宽清扫难度较大、清扫质量提升遇瓶颈、清扫作业与航空器运行存在冲突风险的问题，与传统清扫车相比，本清扫车能够制订清扫作业计划，全面清扫道路，做到不重不漏，并存在作业过程全程记录并保存，能够做到事前有保障，事后可复盘。

5" 总结与展望

本系统以A-SMGCS系统为背景实施，该系统是ICAO（国际民用航空组织）大力推进的一项新技术，也是ASBU（Aviation System Block Upgrade，航空系统组块升级）推荐的用于改进机场综合运行效能的一项重要技术，目前已在国内外多个机场应用，因此完全有实现的可能。

下一步则将进一步完善A-SMGCS系统，开发其扫道作业功能。该项目实行后能够大大提高机场的运行效率，降低运行成本，大大缓解了清扫作业与航空器运行存在的冲突，既保障了航空器的正常运行，又能提升场务监管员清扫滑行道作业的效率，体现了民航总局倡导的四型机场理念。

参考文献：

[1] 李小鹏.中华人民共和国交通运输部令2018年第33号——交通运输部关于修改《民用机场运行管理规定》的决策[N].中华人民共和国国务院公报，2018-11-16.

[2] 刘俊强，毛刚.多源融合导航技术在机坪车辆监控中的应用[C]//第九届中国卫星导航学术年会论文集——S10多源融合导航技术，2018：141-145.

[3] 晏晓东.机场特种车辆调度问题研究[D].天津：中国民航大学，2017.

[4] 樊玮，吴建波，衡红军.基于多Agent的机场地面服务车辆调度方法研究[J].计算机应用与软件，2015，32（10）：256-259， 272.

[5] 刘洋，肖伟.粒子群优化的改进机场车辆调度模型研究[J].计算机工程与应用，2015，51（11）：252-255，270.

[6] 任宁，徐乃付.泊位引导系统与A-SMGCS系统运行方式探究[C]//中国计算机用户协会网络应用分会.中国计算机用户协会网络应用分会2021年第二十五届网络新技术与应用年会论文集.《计算机科学》编辑部，2021：4.

[7] 中国民用航空局.民航局开展A-SMGCS系统应用专项调研[EB/OL].http：//www.caacnews.com.cn/1/1/201906/t20190605_1275091_wap.html.

[8] 林滨，柯如峰，黄明亮.浅谈A-SMGCS系统在空中交通管制工作中的应用[J].数字通信世界，2019（11）：91.

基金项目：2022年山东省大学生创新创业训练计划项目（S202210449021）

第一作者简介：王娟（2001-），女。研究方向为交通运输。

*通信作者：赵明明（1989-），女，硕士，讲师。研究方向为机场规划。