基于Civil3D的機場凈空三維評估的設計與實現

郭莉++謝春生

摘 要：機場凈空環境遭到破壞時，機場就不能保證正常的運輸生產，因此凈空保護在民用機場安全生產中占有非常重要的地位。目前的機場飛行程序設計人員都是利用紙質掃描的方式來標注航圖上的要素，二維顯示方式使得在障礙物評估上存有一定的局限性，為此采用數據庫管理方式，在三維地理信息平臺基礎上，建立機場凈空障礙物評估的可視化系統，即在飛行程序設計過程中，按照民航相關標準，對障礙物評估環節進行分析計算，包括基本ILS面和OAS面數學模型的建立，障礙物評估算法的研究分析，并將結果進行三維可視化。三維電子航圖與二維平面圖相比，克服了平面航圖觀察視角不靈活、目標可視區域受到制約、空間信息量小等缺陷。

關鍵詞：凈空保護 障礙物評估 三維可視 航圖

中圖分類號：X949 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）09（c）-0076-05

Abstract： Considering the safety when aircrafts is taxing in the taxiway， one of the most important is to predict the conflict among aircrafts to avoid the conflict between two aircrafts. This paper presents a time bucket-based method taking the distance between aircrafts as standard. When considering the probability of conflict as standard， we assume that the position of aircraft follows two-dimension normal distribution first. Next step is to calculate the probability of conflict at any given time based on last algorithm. Through calculation shows that longitudinal and latitudinal variance accumulation effect should be considered when some uncertain factors exist in aircrafts taxing. Therefore， both the probability of conflict and the distance between aircrafts should be taken as standards in practice to assure the safety of the aircrafts.

Key Words： Aircraft taxi； Conflict prediction； Time bucket-based； Two-dimension normal distribution

近年來，隨著我國民用航空運輸業的蓬勃發展和機場數量的不斷增加，以及城市的發展擴張，機場周邊的民用高大建筑越來越多，當機場周邊出現超高建筑物時，機場凈空條件將遭到破壞，機場就不能保證正常的運輸生產，甚至導致關閉運營，這將造成機場當局和當地政府的損失，也會引起廣大旅客及社會各界的強烈反映，因此機場凈空保護在民用機場環境保護中占有十分重要的地位，如何保證民用機場擁有安全的凈空條件已成為日益凸顯的嚴重問題。

現階段對障礙物的評估及機場選址等工作仍采用紙質掃描圖的方式來標注顯示航圖上的要素，限于二維平面圖局限勢必使得空間信息表達不明了、不直觀。隨著計算機技術的發展，采用數據庫訪問管理方式已在很多領域得到廣泛應用。機場終端區障礙物評估檢測作為飛行程序設計工作中的關鍵環節，對各機場周邊的障礙物數據必須有詳細的統計與記錄。由于機場以及周邊建筑等不斷更新，造成了相應部門在統計障礙物數據工作上，重復性大、復雜、效率低等缺陷，為了彌補這方面的不足，利用數據庫技術進行高效管理與統計十分必要。本課題結合實際情況，主要研究基于三維地理信息平臺的機場凈空障礙物評估的可視化。為確保飛行器在終端區安全正常運行，首先在飛行程序設計過程中，按照民航相關標準，對障礙物評估環節進行分析計算，包括基本ILS面和OAS面數學模型的建立，障礙物評估算法的研究分析，并將結果進行三維可視化。三維電子航圖與二維平面圖相比，克服了平面航圖觀察視角不靈活、目標可視區域受到制約、空間信息量小等缺陷。

1 研究現狀及背景

各個國家對于機場凈空障礙物限制面的規章、標準和規范不盡相同，但是基本內容都按照國際民航組織民用航空公約附件十四的標準來執行。中國民航在凈空管理方面也有類似的技術標準——《民用機場飛行區技術標準》（MH5001-2013）中的第7部分“障礙物的限制和移除”中規定了民用機場的凈空要求，其要求完全與國際民航組織的標準保持一致。這些規章、標準和規范對機場凈空管理和控制提出了明確的要求，也是當前國內外凈空管理工作所遵循的基本依據。

國外一些發達國家經過對機場凈空安全管理的多年研究，在管理經驗、運行機制、管理手段和法規措施方面已有了比較先進的方法和實踐經驗。但是由于各國民航相關規范和土地使用制度有所不同，所以我國直接照搬國外機場凈空管理制度會有很大難度。

面對日益復雜的凈空管理工作，我國在該領域也有了較深入的研究：在三維GIS技術的基礎上實現了對機場凈空障礙物的三維空間具體觀察；研究了對機場周邊障礙物特性研究和評定的方法，對機場側凈空與端凈空之間的過渡面區域提出了精確的分析方法，使機場凈空障礙物限制面和周圍障礙物高度更好的對比；創造性地運用三維模型，簡化了繁重的計算工作，結合具體機場的凈空實例，將此機場凈空區三維模型和凈空區障礙物模型進行比較，使得障礙物超高或否一目明了。近年來我國建立的相關法律法規和凈空管理條例對緩解凈空管理矛盾起到了一定作用。但是，由于在城市建設中前瞻性不充足、統籌性不合理、考慮不周全，以及凈空管理法律法規執行力不足等問題的存在，使得民用機場凈空保護管理水平還有待進一步提升，從技術層面上快速有效地評估機場凈空情況的方法還需研究改進。endprint

2 機場凈空三維評估系統建模原理

系統基于AutoDesk公司產品AutoCAD Civil 3D，通過二次開發建立地理信息投影轉換系統，利用投影轉換進行建筑物的定位；在設計端，通過算法實現三維自動建模，并對各個獨立限制面進行自動融合，生成模型等高線；在用戶端，通過模型碰撞進行限高檢測，對融合面和各個獨立的限制面分別進行限高評估，生成評估報告；在公眾端，用戶選取機場后，通過點擊地圖可以獲取允許建筑高度，同時用戶還可以查看等高線、航路航線等信息。基礎平臺選用 AutoCAD Civil 3D，與機場設計部門和飛行程序設計部門的設計軟件保持統一，支持導入AutoCAD設計文件，導出的設計文件符合規劃局、機場等部門統一的AutoCAD格式。

采用Civil 3D和Navisworks Manage作為建模和限高檢測的平臺，基于這兩個產品進行二次開發，以滿足用戶的具體需求。同時自主開發整合平臺，對Civil 3D和Navisworks Manage兩個軟件的界面進行整合，以達到這兩個軟件在同一窗口顯示的效果。將凈空結果通過網站對外發布，提高用戶凈空意識。

3 基于Civil3D的機場凈空三維評估關鍵技術

3.1 擴展的凈空限制面

在機場凈空限制面中，狹義的機場凈空只包含附件十四面，其中附件十四面又包含錐形面、內水平面、內進近面、進近面、過渡面、復飛面、起飛爬升面等。當前多數凈空控制系統均只考慮附件十四面。在凈空管理中，國際民航公約附件十四中的凈空限制面很容易被突破，因此，附件十四面很難達到凈空控制效果。而本系統研發的凈空管理分析系統綜合考慮了對飛行安全有影響的所有因素，包含飛行程序、飛機性能、通信導航、燈光系統、雷達管制等因素所產生的限制面，將各個面融合成單一的凈空限制面的同時保留了原始的各個獨立的限制面。因此系統對凈空限制的評估將更加的全面、客觀，目前業界屬于首創。

3.2 凈空限制面融合技術

在機場凈空限制面中，多個機場凈空單項限制面構成限制分面，限制分面構成機場凈空限制總面。限制分面與限制總面是融合面，需要融合才可以得到。這里的曲面融合，就是在不同高度的曲面中，取最低的曲面。三維立體曲面形狀各異，沒有固定規則，因此三維立體曲面融合很復雜。

基于GIS的三維凈空分析軟件大都采用柵格分析法去求得每個點的最低高度，把曲面根據柵格粒度離散成很多柵格，通過計算每個柵格點的高度來確定每一點的限高值，計算量較大。對于大面積區域，譬如機場周邊50km，采用1m精度，每個限制面都要算50000×50000=25億次，多個限制面高達數百億次，計算量巨大，精度不高。

由于不同曲面的高度不同，兩個空間曲面有高度差的地方就存在縫隙，影響美觀性。由于曲面的任意性，對曲面的裁剪融合在計算機圖形學上是很困難的，需要考慮很多種情況。因此，對不同高度曲面融合只能另辟蹊徑。這個問題在數學上可以表示為，任意一點（x，y）處的最低限高為h（x，y）。

（1）

這里引入限制空間的概念，對于任何曲面正上方的空間都是限制空間，曲面正下方的空間都是允許空間，對于曲面上任意一點都對應著允許空間與限制空間，如圖1所示。對于曲面S1上的一點S1（x，y）來說，允許空間就是C（S1（x，y）），限制空間就是L（S1（x，y））；同樣對于曲面S2來說，S2上面一點S2（x，y），允許空間是C（S2（x，y）），限制空間是L（S2（x，y））。限制空間就是不允許空間，凈空限制的原則是所有的點都取最低點，也就是說，對于某一點的限制空間L（x，y）為所有曲面對應限制空間的總和，即：

（2）

根據這一思路，我們把多個凈空限制面對應的凈空限制空間進行合并，就得到了總的限制空間，即：

曲面由點組成，即曲面對應限制空間為：

（3）

（4）

求得所有曲面對應的限制空間后，可以通過限制空間求得凈空限制面。凈空限制空間為實體，可以通過AutoCAD函數獲取凈空限制空間的表面，通過剖切表面，把外表面分為2個部分，下表面就對應凈空限制融合面，如圖2所示。以上通過AutoCAD編程接口Objectarx.net實現。

3.3 等高線的生成

綜合的凈空控制圖需送給相關政府機關審批，電子版文件利于傳閱，但是需要通過限制面等高線的方式形成正式報告作為上報和存檔的依據。等高線表示的限制面可直觀明了地反映凈空限制結果。通過系統中得到的凈空限制面與凈空限制空間，利用不同高度的水平面與凈空限制面相切獲得相應高度的等高線，由于AUTOCAD API未提供相關功能的調用，研發小組為此研究了相應算法實現了該功能。

3.4 建筑物模型的導入

（1）模型轉換。

建筑物三維模型包括大廈、住宅、電視塔、高壓線塔等等，這些模型的源文件一般為imx或3ds格式，不能直接導入Naivsworks Manager里。我們使用Autodesk 3D Max軟件打開模型源文件后，使用導出fbx文件的功能，將模型轉換為fbx文件，就可以導入Naivsworks Manager了。

（2）坐標轉換。

建筑物模型導入Naivsworks Manager以后，還需要定位到建筑物的實際位置。這就涉及經緯度坐標和AutoCAD XY坐標的轉換問題。系統支持北京54坐標、西安80坐標以及WGS-84坐標與AutoCAD XY坐標的互轉。

（3）模型變換。

確定了建筑物在AutoCAD里的正確的坐標以后，必須把建筑物模型平移到相應坐標點上，并且把建筑物模型的長、寬、高拉伸到真實的數值。系統使用計算機圖形學中的變換矩陣：

lt，0，0，0endprint

0，wt，0，0

0，0，ht，0

xt，yt，zt，1

其中，lt、wt、ht分別代表建筑物模型在x軸、y軸、z軸上的拉伸比例，xt、yt、zt分別代表建筑物模型在x軸、y軸、z軸上的平移距離。

使用Navisworks Manager API里面的COM接口，調用上述矩陣，就能在正確的位置建立起符合實際尺寸的建筑物模型。

3.5 建筑物超高檢測

Navisworks Manager自帶模型碰撞檢測的功能，其API中也實現了該功能。將需要檢測的凈空限制面加入選擇集A，將需要檢測的建筑物模型加入選擇集B，調用模型碰撞檢測的API，系統就能對A中任意元素與B中任意元素實施碰撞檢測，并將檢測結果加入結果集。

檢測結果一般為碰撞點的坐標Zr，假設建筑物的底高為Zb，整體高度為H，則建筑物相對于該凈空限制面的超高高度He為：

He=H-Zr+Zb （5）

3.6 單點限高結合谷歌地圖的展示

系統支持在谷歌地圖窗口上點擊鼠標，然后直接得出該點的限高結果，如圖3所示。該功能的實現原理如下。

（1）通過捕獲谷歌地圖的鼠標點擊事件，獲取該點的WGS-84坐標。

（2）通過坐標轉換，將該點的WGS-84坐標轉換成AutoCAD XY坐標。

（3）在該點導入一個直徑為0.1m、高為3000m的垂直圓柱體模型，讓其與凈空限制面發生碰撞，得出碰撞點的坐標。

（4）碰撞點的Z軸坐標就是該點的限高結果。

4 基于Civil3D的機場凈空三維評估的系統設計與實現

4.1 設計版設計

設計版是自AutoCAD上面進行插件開發的方式。根據用戶的選擇生成不同的凈空限制面，用戶可以編輯自定義限制面，最后生成機場凈空綜合限制面、等高線等。

4.2 客戶版設計

客戶版采用的是在Navisworks Manager上進行二次開發的方式。系統通過SQLite讀取配置好的機場和建筑物等數據，導入凈空限制面模型及建筑物模型，在超高檢測模塊對兩者進行碰撞檢測，得出超高結果后以表格的方式展現，同時界面還提供凈空限制面模型及建筑物模型的三維展示。

4.3 公眾版設計

公眾版采用服務器/瀏覽器模式，用戶只要登錄到網站，選定機場后，點擊地圖上的某一點就可以獲取限制高度，用戶還可以查看等高線、測距、坐標定位。

5 總結及展望

本文主要講述基于Civil3D的機場凈空三維評估系統的實現過程，解決了二維視角中不直觀、更新緩慢的局限，基于建立障礙物數據庫基礎上，將機場限制面進行融合，利用投影轉換將建筑物定位，生成模型等高線；在用戶端，通過模型碰撞進行限高檢測，對融合面和各個獨立的限制面分別進行限高評估，生成評估報告；在公眾端，用戶選取機場后，通過點擊地圖可以獲取允許建筑高度，同時用戶還可以查看等高線、航路航線等信息，對障礙物進行評估分析，并將三維系統中實現。

隨著國民經濟的飛速發展和旅游業的日漸興旺，越來越多的省市以新建或改擴建機場來滿足日益增長的需求，隨著城市的不斷發展擴張，機場的凈空環境越來越惡劣，為確保航空生產安全，建議在城市規劃、機場改擴建等過程中，采用專業的視角進行合理的規劃，同時對機場周邊障礙物進行充分科學的評估。同時，嚴格執行國家關于凈空保護的法律法規，共同建設良好的機場凈空環境。

參考文獻

[1] Krozel J，Peters M，Bilimoria K D，et al. System Performance Characteristics of Centralized and Decentralized Air Traffic Separation Strategies[C].4th USA/Europe Air Traffic R&D Seminar，2001.

[2] Kuchar J K，Yang L C.A Review of Conflict Detection and Resolution Modeling Methods[J].IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems，2000，1（4）：179-189.

[3] Yang L C，Kuchar J K.Performance Metric Alerting： A New Design Approach for Complex Alerting Problems[J].IEEE Transactions on Man and Cybernetics，2002， 30（4）：123-134.

[4] Anuja D.Aircraft Position Prediction Using Neural Networks[D].USA：Massachusetts Institute of Technology，2005.

[5] Yu C.Solving Push-Out Conflicts in Apron Taxiways of Airports by A Network-Based Simulation[J].Computers，1998，34（2）：351-369.

[6] 徐肖豪，藏志恒.基于MILP的飛機滑行排序的優化[J].交通與計算機，2007，25（2）：142-145.

[7] 尹嘉男，胡明華，趙征.多跑道機場停機位分配仿真模型及算法[J].交通運輸工程學報，2010，10（5）：71-76.

[8] 陳世林，胡明華，張洪海.SMS中基于沖突探測的滑行道軌跡預測算法研究[J].四川大學學報：自然科學版， 2008，45（6）：357-1361.

[9] 王艷軍，胡明華，蘇煒.基于沖突回避的動態滑行路徑算法[J].西南交通大學學報，2009，44（6）：933-939.endprint