跑道入侵防御系統的可重構性研究*

許 峰 湯新民 揭 東 洪網君

(南京航空航天大學民航學院 南京 210016)

跑道入侵防御系統的可重構性研究*

許 峰 湯新民 揭 東 洪網君

(南京航空航天大學民航學院 南京 210016)

為了實現跑道入侵防御系統應用的靈活性，提出了一種基于Petri網跑道入侵防御系統的重構方法.對監視數據源進行了數據分析與處理，并基于標準構建機場的矢量地圖模型，再結合機場場面跑道結構建立跑道Petri網控制器模型，構建跑道狀態燈模型，利用重構方法建立了各個模塊之間的接口，包括機場地圖模型與Petri網控制器模型、Petri網控制器與跑道狀態燈模型、車輛/航空器分布向量與Petri網控制器標識向量、可控變遷的使能狀態向量與跑道狀態燈狀態向量，并通過案例說明了跑道入侵防御系統重構方法的有效性.

跑道入侵防御；Petri網控制器；接口；可重構性

0 引 言

跑道是機場流量的瓶頸.隨著各個機場飛機架數的大幅增加，跑道入侵問題越來越嚴重，跑道入侵防御系統的研究與應用也越來越廣泛.國際民航組織(international civil aviation organization,ICAO)提出一個全新概念的“先進的場面活動引導和控制系統”(advanced surface movement guidance and control systems,A-SMGCS)[1]，將場面監視雷達、多點定位作為監視源獲取航空器的位置，通過融合器將數據進行融合，并將航空器和車輛位置信息顯示在機載活動地圖(HUD)和ATC監視器上，實現對區域內所有活動目標的自動引導與控制，但未對系統的通用性問題進行闡述；歐洲EUROCONTROL、美國NASA,FAA等組織也分別提出了自己的預防跑道入侵事件的機場管制計劃.EUROCONTROL在A-SMGCS的基礎上提出歐洲機場活動管理系統(european airport movement management by asmgcs,EMMA)，以監視雷達、多點定位、ADS-B和飛行計劃等作為監視數據源，以狀態機、預測機等作為邏輯器，以沖突告警、路徑引導、機載活動地圖等手段作為控制器，其系統結構較為完善，卻忽略了系統的重構性問題[2].美國NASA提出并研究了滑行道引導和情景意識系統(taxiway navigation and situation awareness system,T-NASA)[3]，將監視雷達、多點定位和終端區監控作為監視源，以狀態機、預測引擎等作為邏輯器，以燈光系統和ATC監視器作為控制器，但是該系統每應用一個機場都需要重新設計，缺少一定的靈活性.FAA提出的場面運行自動化(surface operation automation research,SOAR)[4]由監視數據源、邏輯器和控制器組成，利用監視數據源與飛行計劃融合信息進行邏輯處理，將場面情況、沖突信息、飛行計劃等信息在機載活動地圖上顯示并實現自動引導，但沒有考慮到場面自動化系統結構的通用化問題；國內以Tang等[5]為代表的學者對基于Petri網跑道入侵防御系統的運行過程進行了研究，注重于跑道入侵防御系統運行原理，但是缺乏對系統靈活性和通用性的研究.

基于上述不足，本文主要對跑道入侵防御系統的可重構性展開研究.

1 跑道入侵防御系統

跑道入侵防御系統主要是指通過目標探測工具獲取目標數據信息，將獲取數據信息通過有線或無線等路徑傳輸到信息融合中心，信息融合中心根據控制要求和管制規范等條件，自動將控制指令發送到控制終端，實現對運動目標進行引導和控制的系統[6].在此基礎上，本文提出了由監視數據源、機場地圖模型、Petri網控制器模型和跑道狀態燈模型四個模塊構成的可重構性跑道入侵防御系統，見圖1.由于本文中跑道入侵防御系統的可重構性是指僅通過改變監視數據源、機場地圖模型、Petri網控制器、跑道狀態燈模型以及它們之間的接口，實現對于不同機場跑道入侵防御系統的應用.因此，本文主要針對可重構性跑道入侵防御系統的四個模塊及其重構方法展開研究.

圖1 跑道入侵防御系統總結構

2 模塊構建

2.1 監視數據源處理

本文的監視信息源擬采用ADS-B和北斗導航系統兩種監視源的數據融合方式，利用ADS-B和北斗導航系統分別對航空器和車輛的位置信息進行實時獲取.

2.1.1ADS-B數據格式

ADS-B的數據信息是以ADS-B報文形式進行傳輸，主要包括目標的四維位置信息(經度、緯度、高度和時間)和其它可能附加信息(沖突告警信息，飛行員輸入信息，航跡角，航線拐點等信息)以及飛機的識別信息和類別信息.為了提高ADS-B接收機的效率，ADS-B接收機僅提取了機場場面監視的有用信息，則每條ADS-B數據可以用向量表示為

j=(i,a,B,L,H,v,c)

式中：i為飛機識別號；a為ICAO地址；B為緯度；L為經度；H為海拔；v為速度；c為航向.

2.1.2北斗數據格式

北斗的數據信息主要包括目標的位置信息(經度、緯度、時間)和其他的附加信息(航向、速度、航線、起終點等信息)以及目標終端識別信息和類別信息.北斗數據接收機也僅提取了機場場面監視的有用信息，則每條北斗數據可以用向量表示為

k=(i,L,B,t,v,c)

式中：i為終端編號；L為經度；B為緯度；t為時間；v為地速；c為航向.

2.1.3坐標轉換

在場面監視系統中，機場地圖采用的是Mercator平面投影坐標，而目標的位置信息均采用的是WGS-84坐標系，所以需要將WGS-84坐標轉化為Mercator平面投影坐標，將轉換后的坐標經過平移、旋轉和縮放轉換為本地坐標，實現地圖坐標系與目標位置坐標的匹配.

假設目標M的經緯度坐標為(L，B，H)，目標在Mercator投影坐標系下的坐標為(x,y,z)，則WGS-84經緯度坐標轉換為Mercator投影坐標，并將投影坐標X(x,y)經過平移、旋轉和縮放，得到的平面坐標X′(x′,y′)滿足：

(x,y,z)=f*(L.B.H)

(1)

(x′,y′)=g*(x,y)

(2)

式中：f*，g*見文獻[7].

2.2 機場地圖模型構建

2.2.1機場矢量地圖模型構建

為了避免跑道地圖模型的局限性，本文擬從機場整體出發構建機場矢量地圖模型，即機場矢量地圖數據庫.文獻[7]中有關構建機場地圖數據庫的標準主要從跑道、滑行道、停機坪和施工區四個部分進行了描述.

機場的每個部分由多個要素組成，跑道由跑道元素、跑道交叉口、跑道入口點、跑道標志、中心線、等待線、跑道路肩等要素組成；滑行道由滑行道元素、滑行道交叉口、滑行道道肩、滑行引導線、滑行道等待標志等要素組成；停機坪主要由停機坪元素、等待引導線、停機點、停機區、除冰區等要素組成；施工區是指在飛行區內由于損壞、維修等原因而進行施工的多邊形區域.

2.2.2跑道入侵防御區域模型構建

根據機場地圖數據庫結構，利用跑道元素多邊形A和滑行道元素多邊形E構建跑道入侵防御區域模型.

將航空器和車輛活動影響跑道安全的區域定義為跑道入侵防御區域集合W=WZ∪WY，Wz為航空器的進近保護區wa和離場保護區wd集合，WY為由跑道元素多邊形A和與跑道連接的滑行道元素多邊形E組成的跑道入侵防御地面區域集合且WY=WA∪WE，利用分割線集合S=(s1,s2,…,sn)將跑道入侵防御地面區域WY分割，則WA={wR}，WE={w1,w2,w3,…,wn}，見圖2.wR為跑道區域圖形，wa為進近保護區圖形，wd為離場保護區圖形，w1,w2,w3,…,wn為與跑道連接滑行道子區域圖形.

圖2 跑道入侵防御區域

2.3 Petri網控制器模型構建

2.3.1跑道運行模型

跑道運行模型定義為Petri網N={P,T,Pre,Post,m}[8]，見圖3.機場的跑道運行方向pD采用主用方向1，其中庫所集合P=PA∪PR∪PT，PA為塔臺管制進近和離場區域WZ集合，PR為跑道區域WA集合，PT為與跑道連接的滑行道區域WE集合；變遷集合T=TC∪TU，TC和TU分別為可控變遷集合與不可控變遷集合；Pre為P×T的有向弧集，方向為庫所pi∈P到變遷tj∈T，權重為1；Post為T×P的有向弧集，方向為變遷tj∈T到庫所pi∈P，權重為1；m為標識向量，反映了跑道控制區域內航空器/車輛的分布狀況.

圖3 跑道運行模型

2.3.2跑道運行約束模型

根據跑道入侵防御規則，建立對車輛和航空器的跑道活動控制規范.場面活動模型狀態演變過程中所禁止狀態可描述為標識的加權和不超過某一上限，用線性不等式約束條件或與之等價的約束條件L·m≤b.L為標識加權矩陣；m為場面狀態標識，表示場面每個子區域內車輛或航空器的數量；向量b為標識加權和的閾值向量，對車輛和航空器主要有以下約束.

1) 一架航空器在跑道上起飛或著落，禁止車輛/航空器穿越跑道或在跑道上行駛 則其對應的約束條件可以描述為

m(p28)≤1

(3)

2) 已經發布落地許可，禁止車輛/航空器在跑道上行駛 則其對應的約束條件可以描述為

m(p27)+m(p28)≤1

(4)

3) 禁止車輛/航空器從用于脫離跑道的滑行道進入 當采用主方向1運行時m(pD)=1，航空器只能從滑行道w6,w8,w9,w10,w11,w12,w13脫離，所以脫離滑行道均禁止車輛/航空器進入，則其對應的約束條件可以描述為

(5)

2.3.3Petri網控制器模型設計

圖4為跑道采用主方向1時的Petri網控制器模型，本文擬在跑道運行模型上利用添加控制器庫所pC的方法，利用控制庫所去控制可控變遷的使能狀態；對于不可控變遷，給跑道添加觀測庫所利用禁止弧來控制起飛等待變遷的狀態.跑道Petri網控制器模型可以定義為

PN=(P,T,Pre,Post,C,V,m)

式中：C為控制庫所集，用于控制可控變遷的失能和使能；V為觀測庫所集，用于觀測從不可控變遷進入跑道庫所的目標.

圖4 Petri網控制器模型

2.4 跑道狀態燈模型構建

跑道狀態燈的作用主要是為了減少跑道入侵事件的頻率和嚴重程度，防止跑道入侵事故發生.為了利用跑道狀態燈去增強航空器和車輛駕駛員的情景意識，本文擬在跑道與滑行道交叉口的關鍵位置布置跑道進入燈和起飛等待燈.

將布置在跑道入侵防御區域用于禁止機場場面運動目標運行的點集定義為跑道狀態燈模型L=LRELs∪LTHLs.LRELs為跑道進入狀態燈集合，LTHLs為起飛等待狀態燈結合，見圖5.跑道進入燈開啟表示不允許航空器或車輛進入跑道，起飛等待燈開啟表示跑道端口的航空器處于等待起飛狀態.基于跑道狀態燈亮和滅的狀態實現控制整個跑道的運行態勢.

圖5 跑道狀態燈模型

3 重構方法

3.1 機場跑道入侵防御系統的重構方法設計

1) 根據前面所提到的模型構建方法，分別建立機場地圖模型、Petri網控制器模型和跑道狀態燈模型.在此基礎上，構建機場地圖模型與Petri網控制器接口，利用跑道防御區域觀測器標識Petri網控制器模型庫所，實現車輛/航空器分布向量到庫所標識向量的變換.

2) 以Petri網控制器模型為基礎，構建Petri網控制器模型與跑道狀態燈模型接口，根據Petri網可控變遷使能狀態向量與跑道狀態燈狀態向量變換關系，利用變遷使能狀態驅動跑道狀態燈狀態，從而實現變遷與跑道狀態燈的聯動作用.

3.2 機場地圖模型與Petri網控制器接口

3.2.1跑道入侵防御區域集合與Petri網控制器庫所集合映射

將可重構的跑道入侵防御區域集合W與跑道Petri網控制器模型中庫所集合P關聯關系的重構過程定義為跑道入侵防御區域集合與Petri網控制器庫所集合映射Ω=(W,P,α).α:W×P→K，α為重構規則下跑道入侵防御區域集合W與庫所集合P的關聯關系，關聯狀態K={0，1}.

因為Petri網模型中有進、出庫所，所以跑道入侵防御區域的一個子區域w可能對應跑道Petri網模型中的兩個庫所pi,pj.根據重構原理，將重構規則α用二維重構矩陣A表示，且滿足以下公式

p=Aw

(6)

3.2.2分割線集合與不可控變遷集合映射

將跑道入侵防御區域的分割線集合S與Petri網控制器模型中不可控變遷集合TU關聯關系的重構過程定義為分割線集合與不可控變遷集合映射Γ=(S,TU,β).β:S×TU→K，β為重構規則下分割線集合S與Petri網控制器不可控變遷集合TU的關聯關系，關聯狀態K={0，1}.則重構規則β用二維重構矩陣B表示，滿足下面公式：

tU=Bs

(7)

3.3 目標分布向量與標識向量變換

將映射δ:W→E稱為車輛航空器分布與跑道入侵防御區域的觀測器，E為n維單位向量的集合.δ滿足：假設車輛/航空器在τ時刻的位置為x(τ)，若x(τ)∈wj?δ(x(τ))=ej.ej為第j個元素的為1的單位向量.

(8)

又庫所向量與跑道入侵防御區域向量滿足p=Aw，所以標識向量m與目標分布向量y的變換可以表示為

m=qAy

(9)

3.4 Petri網控制器模型與跑道狀態燈模型接口

Petri網控制器模型與跑道狀態燈模型接口主要包括可控變遷與跑道狀態燈模型映射，可控變遷使能狀態向量與跑道狀態燈狀態向量變換.

將可重構的跑道狀態燈集合L與跑道Petri網控制器模型中可控變遷集合Tc關聯關系的重構過程定義為可控變遷與跑道狀態燈模型映射Λ=(L,TC,γ).γ:L×TC→K，γ為重構規則下跑道狀態燈集合L與變遷集合Tc的關聯關系，關聯狀態K={0，1}.

跑道狀態燈模型包括起飛等待狀態燈、跑道進入狀態燈.跑道Petri網模型中進出庫所由兩個變遷來控制，但是跑道入侵防御系統只需要控制進入跑道庫所的變遷狀態，而不需要控制從跑道庫所出去的變遷狀態.因此，跑道進入燈子狀態燈l只要與進入跑道庫所的變遷t對應.根據狀態燈重構原理，將重構規則γ用二維重構矩陣C表示，滿足：

l=CtC

(10)

3.5 可控變遷使能狀態向量與跑道狀態燈狀態向量變換

可控變遷使能狀態e={0,1}，其中1為變遷使能，0為變遷失能；狀態燈狀態f={0,1}，其中1為狀態燈l處于開啟狀態，0為燈l處于關閉狀態.

將可控變遷在τ時刻所處得使能狀態稱為可控變遷使能狀態向量u.將跑道狀態燈在τ時刻所處得狀態稱為跑道狀態燈狀態向量v.

又跑道狀態燈向量與可控變遷向量滿足l=CtC，所以可控變遷使能狀態向量與跑道狀態燈狀態向量的變換可以表示為

(11)

4 案例分析

本文在ArcGIS二次開發監視平臺上，以南京祿口機場為例，根據DOC 9881文件有關機場地圖數據的標準，建立了該機場的矢量地圖模型，見圖6.在此基礎上，對跑道入侵防御系統的重構進行分析.

圖6 祿口機場矢量地圖模型

在機場矢量地圖模型的基礎上，以祿口機場的06-24和07-25兩條跑道區域作為本文的研究對象，對兩條跑道入侵防御區域進行單元區域劃分，并在跑道的關鍵位置設置可控的跑道狀態燈模型，見圖7.兩條跑道劃分區域包括航空器的進近和離場單元保護區wa,wa2,wd,wd2,跑道單元區域wR,wR2，與跑道連接的滑行道單元區域w1～w13、w14～w21；l1,l2,l3,l4,l7,l8,l11分別為航空器/車輛由滑行道區域w1,w2,w12,w13,w14,w15,w21進入跑道的禁止狀態燈，l5,l6,l10,l11為起飛等待狀態燈.

根據圖7構建航空器和車輛聯合運行的Petri網控制器模型，并且Petri網控制器模型會以XML文件形式保存.

圖7 跑道入侵防御區域圖

在以上模型的基礎上，進行跑道入侵防御系統的重構分析.根據重構規則，采用映射關系建立機場地圖模型與Petri網控制器接口，Petri網控制器模型與跑道狀態燈模型接口.利用C#程序對機場矢量地圖模型、跑道入侵防御模型、Petri網控制器模型、跑道狀態燈模型以及他們之間的接口進行解析與加載，然后利用重構方法實現跑道入侵防御區域目標分布向量與庫所標識向量變換、可控變遷使能狀態向量與狀態燈狀態向量變換，即實現了跑道入侵防御系統的重構.

以祿口機場的07-25跑道入侵防御單元區域為例，則其接口對應的重構公式分別為

p′=A1w′

tU′=B1s′

l′=C1tC′

(12)

a1,1=a2,1=a3,2=a4,2=…=a25,13=a26,13=1，a27,14=a28,15=a29,16=1且其余值都為0；

b15,3=b21,4=…=b47,11=1且其余值都為0；

c1,6=c2,10=c3,50=c4,54=c5,3=1且其余值都為0.

同理，06-24跑道入侵防御單元區域的重構公式為

p″=A2w″

tU″=B2s″

l″=C2tC″

(13)

利用祿口機場接口的重構規則，將其作用于跑道入侵防御區域模型、Petri網控制器模型和跑道狀態燈模型，得到重構后的關系模型，見圖8.

另外，此時跑道運行方向m(pD)=1，控制器庫所標識m(pC)=1，當跑道單元區域不存在航空器或車輛時，Petri網控制器的動態初始狀態滿足以下兩個條件：

圖8 祿口機場重構關系模型

1) 由重構矩陣A(A1，A2)可知，航空器/車輛在跑道入侵防御區域內目標分布向量與庫所標識向量的關系滿足

(14)

(15)

式中：目標分布向量y′=y″=0，目標方向向量q′=q″=0，庫所標識向量m′=m″=0.

2) 由重構矩陣C(C1，C2)可知，可控變遷使能狀態向量與跑道狀態燈狀態向量關系為

(16)

(17)

通過以上的重構規則，分別得到祿口機場兩條跑道單元區域重構后的關系模型以及動態變換關系.根據以上祿口機場跑道防御區域的重構過程分析可知，通過改變重構矩陣A(A1，A2)，B(B1，B2)和C(C1，C2)，可以實現機場跑道入侵防御系統單跑道或多跑道的重構和應用，從而保證了跑道入侵防御系統的靈活性.

5 結 束 語

針對當前跑道入侵防御系統可重構性的問題，本文提出了一種基于Petri網控制器跑道入侵防御系統的重構方法，該方法具有模塊化、靈活性及通用性的特點.建立了跑道入侵防御系統各模塊的模型，并利用重構方法建立了各模塊之間的接口.通過祿口機場案例應用重構方法對跑道入侵防御系統的可重構性進行了分析與評價，得出可以通過改變重構矩陣將其應用于單個跑道或多個跑道，甚至其他機場的結論，證明了本文跑道入侵防御系統重構方法的可行性.

[1] ICAO. Advanced surface movement guidance and control systems(A-SMGCS) manual [Z]. Canada:ICAO,2004.

[2] EUROCONTROL. European airport movement management by A-SMGCS[R]. EMMA-Publishable Final Activity Report,2007.

[3] FOYLE D, ANDRE A, MCCANN R. Taxiway navigation and situation awareness (t-nasa)system:problem, design philosophy, and description of an integrated display suite forlow-visibility airport surface operations[J]. SAE Transactions: Journal of Aerospace,1996,105:1411-1418.

[4] VICTORH, CHENG L. Surface operation automation research for airport tower and flight deck automation[C]. IEEE lntelllgent Transpoltation Systems Conference,Washington D C,USA,2004.

[5] TANG X M, ZHU X P, HAN S C. Petri net controller synthesis for advanced surface movement guidance and control system[C]. Proceedings of IEEE International Conference on Information and Automation,Piscataway, USA,2009.

[6] 陳平,湯新民,邢健,等.跑道入侵防御燈光控制指令決策方法[J].航空計算技術,2013,43(4):22-26.

[7] ICAO. Guidelines for electronic ter-rain, obstacle and aerodrome mapping information[Z].Canada:ICAO,2000.

[8] 湯新民,朱新平.PETRI網原理及其在民航交通運輸工程中的應用[M].北京：中國民航出版社,2014.

Research on the Reconstitution of Runway Incursion Prevention System

XUFengTANGXinminJIEDongHONGWangjun

(CollegeofCivilAviation,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)

In order to achieve the flexibility of the application of runway incursion system, a method named the reconstitution of Petri-net-based runway incursion prevention system is proposed. Firstly, the data from monitoring source is analyzed. Based on the standard the model of the airport vector map are constructed. Then the model of Petri-net controller is built in reference to the structure of runway in airport, and the model of runway lights is constructed. Moreover, connections between four models are constructed with the method of reconstitution, including the connection between the model of airport map and the model of Petri-net controller, the connection between the model of Petri-net controller and the model of runway lights, the mapping relationship between the distribution of aircrafts/vehicles and the marking vector of place, the mapping relationship between the enable state of transition under control and the state of runway lights. Finally, a case study is given to validate the effectiveness of the reconstitution method of runway incursion prevention system.

runway incursion prevention; Petri-net controller; connection; reconstitution

V355

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.05.022

2017-08-10

許峰(1992—)：男，碩士生，主要研究領域為先進場面活動引導與控制系統

*國家自然科學基金項目(U1433125,61773202)、江蘇省自然科學基金項目(BK20141413)、中央高校基本科研業務費專項資金項目(NS2014065)資助