在跑道侵入中聯絡道飛機信息采集方法研究

楊昌其YANG Chang-qi；賢繼佳XIAN Ji-jia

（中國民用航空飛行學院空中交通管理學院，廣漢618307）

0 引言

據中國民航局統計，2006全國運輸機場完成起降架次348.6萬次，2011年則是598.6萬次，后者是前者的約1.7倍，在這起降架次越來越多，機場越來越繁忙的過程中，跑道侵入事件也突出了起來。通過表1顯示，2006年各機場發生的跑道侵入（不包括D類和E類）事件為6起，2011年則是23起，大約是2006年的4倍，盡管各項安全指標控制在了合理的范圍內并且事故率有較顯著的減少，但在飛機運行過程中仍然存在著許多不安全的因素[1]。民用航空空中交通事故相對其他交通事故發生概率非常低，一旦發生其死亡率和經濟打擊是極高的，無論是航空公司還是乘客都是無以接受的重大損耗。所以說，航空器運行中的任何一個環節都至關重要，跑道安全的保障勢在必行。

表1 中國民航跑道侵入事件年度統計

航空器的起飛與著陸都是在跑道上進行的，同時也是出現事故最多的兩個環節。跑道作為承載航空器起飛和著陸的機場設施，是機場安全運行必不可少的環節。近幾十年來，隨著國際經濟快速發展和民航運輸產業迅猛增長，不管是千萬級大型機場還是地區中小機場，其機場飛行區的交通狀態越來越繁忙，在一些機場環境復雜和氣象條件惡劣的條件下，塔臺管制員難以在沒有高級定位監視設備的情況下精準把握飛行區的交通情況，大大增加了跑道侵入的概率。跑道侵入一直是威脅航空器運行安全的重要問題，該問題具有普遍性、意外性和重要性，國際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）2006年發布Doc.9870文件《跑道侵入預防手冊》，手冊中詳細定義和解釋了與跑道侵入相關的概念，并提出解決跑道侵入的關鍵在于“人”、“機”、“環”三個方面。其中通過推進管制設備自動化發展，進而輔助管制員加強情景意識并獲得完整且精準的場面航空器運行情況可以有效減少跑道侵入事件發生的可能性。

1 攝像頭相對其他監視設備的優勢研究

現階段場面監視手段有很多，但普遍造價高昂，如多點定位系統（Multilateration systems，MLAT）、場面監視雷達（Surface Monitoring Radar，SMR）、廣播式自動相關監視系統（Automatic dependent surveillance broadcast，ADS-B），值得一提的是，這幾種監視技術都有其局限性導致不利于廣泛利用，具體表現在：

①多點定位系統和場面監視雷達的信號傳遞受機場環境的復雜度的影響很大，即使環境并不復雜的機場，航空器與航空器之間也會互相折射雷達波形成混雜的探測區域，在這種區域里的移動目標并不會被多點定位系統和場面監視雷達所監視到；

②在航空器沒有安裝機載二次雷達應答機的情況下，ADS-B協同監視無法對航空器進行標記，且國內大多數通航飛機和場面特種車輛大都沒有安裝機載二次雷達應答機；

③管制員難以在復雜的運行條件下主動控制跑道狀態燈來告知航空器和車輛駕駛員跑道被占用，既加大了管制員的管制壓力，也達不到機場場面安全要求。

攝像頭作為系統模塊或傳感器，是視覺領域必不可少的工具。市面上越來越多的廠家或機構投入攝像頭開發上，如視覺追蹤、物體/人臉追蹤、特征分類、無線傳輸等強大功能。采用攝像頭進行信息采集的形式被應用的越來越多，像軍事、搶險救災、視頻安防、無人機、交通態勢監視、危險區探測等都廣泛應用了攝像頭。在機場飛行區里安裝大型設備非常困難，攝像頭體積小、成本低，總體布局靈活的優勢下信息采集能力和采集精度優秀，且在低能見度和復雜條件下支持航空器和車輛在聯絡道安全、有序、迅速的移動。國內83%的機場都是缺少監視設備和輔助決策手段的中小機場，基于攝像頭網絡監測航空器運行態勢是一種性價比高，適用于且滿足國內大多數中小機場防跑道侵入的要求，對于保證機場安全防止發生跑道侵入具有重要意義。

2 基于機場聯絡道環境的攝像頭類型選擇

現在市面上的攝像頭種類豐富，功能強大，選擇一種適應機場運行環境，符合聯絡道采集信息要求的攝像頭是預防跑道侵入的重要一環[3]。

目前主流攝像頭按照視野范圍分類分為：全景攝像頭、云臺攝像頭、廣角攝像頭和普通攝像頭。（表2）

表2 視野攝像頭統計

按照安裝樣式分類分為：懸吊式、吸頂式、嵌入式和高桿式。

全景式攝像頭不符合機場避障需求，不滿足其安裝條件。云臺攝像頭需人為操作，為機場管制人員既增加工作負擔，又平添操作失誤的幾率，顯然在運行過程中是非常突兀的。普通攝像頭視野范圍狹窄不適合采集飛機這種大物體的相關信息，所以在視野類型方面應選擇廣角攝像頭。就安裝方式而言，因空曠的道面區域沒有可依附頂端設施，所以懸吊式和吸頂式攝像頭并不符合機場的環境，高桿式攝像頭自帶支持設備，配置靈活，更容易達到信息采集的目標。

機場道面環境屬于露天環境，水汽和灰塵是影響攝像頭效率的重要因素，所以在道面環境安裝的攝像頭必須至少達到以下兩個指標：

①完全防止外物侵入，雖不能完全防止灰塵進入，但侵入的灰塵量并不會影響設備的正常工作；

②防止來自各方向噴射出的水進入設備內造成損害。

攝像頭采用的編碼標準應符合壓縮率更高，錯誤恢復性更高，延時性更少的要求，根據市面上流行的編碼標準，H.265編碼標準較為適合[4]。

3 地面保護區

根據國際民航組織的定義，跑道侵入是指在機場發生的任何航空器、車輛或人員錯誤的出現或存在于指定航空器著陸和起飛的地面保護區的情況[5]。

地面保護區包括起飛著陸用跑道、聯絡道上跑道等待位置標記延伸至跑道的區域、升降帶中跑道中線兩側各75m范圍內的土面區、升降帶中的跑道兩端向外延伸300m的安全區，根據該機場的飛行程序還應包括ILS敏感區、ILS臨界區，如圖1所示。

圖1 機場地面保護區

根據ICAO定義的跑道侵入概念和地面保護區區域范圍可見，防跑道侵入技術的關鍵就在于對在跑道運行或即將進入跑道的航空器信息的詳細度和精準度。一般來說，根據跑道和聯絡道飛機的相對位置關系可以把航空器跑道侵入大體分為兩類：

①在跑道正在被占用的情況下，聯絡道上滑行的飛機在未經管制員允許情況下穿越跑道等待位置影響跑道上正在起飛或降落航空器的運行；

②場面上有多條跑道，航空器正在穿越跑道的情況下，在跑道上的航空器在沒有清空的跑道上運行起飛或著陸動作。

4 攝像頭三維視野要求研究

在跑道侵入中，在聯絡道跑道等待線等待的航空器和跑道上運行中的航空器是重要的研究目標，是否能采集到全面的場面信息決定了管制員對飛行區運行情況的把握，進而影響機場的運行安全。

圖2 為檢測地面保護區域中航空器的攝像頭，攝像頭的有效檢測范圍如圖所示，其中圖2（a）為平視圖，圖2（b）為俯視圖。考慮到機型不同，尺寸差異較大，假設機場運行的最小航空器長度為Lmin，高度為Hmin，主起落架外側輪間距為Tmin，最大航空器長度為Lmax，高度為Hmax，主起落架外側輪間距為Tmax，那么圖中滑行道寬度應大于（Tmax+4.5）m，攝像頭與聯絡道邊線距離為L1，跑道入口等待線與跑道中線距離為L2，攝像頭水平方向視角為θ，縱向視角為β1，仰角為α1，攝像頭距離地面的高度為H1，則可得到約束關系：

圖2 a平視圖和b俯視圖

式（1）表示在聯絡道側邊的攝像頭監視視野能捕捉到的最小航空器最低高度的約束條件，式（2）表示在聯絡道側邊的攝像頭監視視野能捕捉到的最大航空器最高高度的約束條件，式（3）表示在跑道道側邊聯絡道遠邊的攝像頭監視視野高于捕捉到的最大航空器高度且無法捕捉到航空器，式（4）表示攝像頭水平視野捕捉到最大航空器圖像。

2021年6月21日成都天府機場開航，其跑道有三條，選取其中一條——西跑道02號跑道為例，如圖3所示。已知西跑道02號跑道入口處的跑道等待線距跑道中線108m，聯絡道寬60m。假設定運行最小機型為A320，機身長度為31.45m，機身高度為12.56m，主起落架外側輪間距為7.59m，最大機型為A380，機身長度為72.75m，機身高度為24.09m，主起落架外側輪間距為12.56m。將數據代入約束條件中，可得滑行道攝像頭需滿足條件θ≥62.5°，β≥10.5°，α=11.3°，L1=60m，L2=108m。即所選的攝像頭水平視角大于等于62.5°，縱向視角大于等于10.5°，仰角11.3°，攝像頭距滑行道近側邊界距離大于45m，符合攝像頭設置標準。

圖3 天府國際機場02號跑道端參數圖

5 結束語

本文在開始強調了跑道侵入問題的重要性，重述了一次跑道侵入的定義，提出強調防止跑道侵入事件的關鍵在于對進入聯絡道飛機的信息采集加強決策依靠。通過攝像頭類型分析和地面保護區定義給出了圖像獲取設備要求，針對攝像頭對不同結構聯絡道區域的信息采集策略大體總結成了量化公式，根據不同機場和不同規格的跑道描述了布局方法，并以天府國際機場的實際數據為例進行布局參數的計算。此設計解決了管制員對聯絡道中跑道等待區飛機信息模糊的問題，有效預防跑道等待飛機誤入跑道的情況發生，對空中交通管理自動化有一定的正面意義。