付文勇

從安全性和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面分析了起飛一發(fā)失效應(yīng)急程序的重要性，結(jié)合國(guó)內(nèi)外一發(fā)失效應(yīng)急程序的設(shè)計(jì)規(guī)范、運(yùn)行要求和航空公司運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了起飛一發(fā)失效應(yīng)急程序的總體設(shè)計(jì)流程。針對(duì)手工選擇路徑的不足，提出用基于SRTM3 數(shù)據(jù)的A 星網(wǎng)格搜索算法自動(dòng)尋找EOSID 路徑，案例研究表明該算法能自動(dòng)搜索出符合條件的EOSID 路徑。

起飛一發(fā)失效應(yīng)急程序概述

安全和效益是民航發(fā)展的永恒主題。安全和效益又是一對(duì)矛盾體，在傳統(tǒng)的粗獷的民航運(yùn)作模式下，保證安全就可能犧牲效益，而提高效益就有可能有損安全?，F(xiàn)代交通運(yùn)輸系統(tǒng)中，動(dòng)車和高鐵迅猛發(fā)展，其快捷性和方便性已對(duì)民航發(fā)展造成較大沖擊，尤其是對(duì)500km 距離圈內(nèi)的支線航線。那么，國(guó)內(nèi)民航運(yùn)輸要生存和發(fā)展就有兩個(gè)選擇，降低成本或開(kāi)辟有價(jià)值的復(fù)雜地形地區(qū)的航線。在復(fù)雜地形地區(qū)開(kāi)辟航線，安全和效益的矛盾就更加凸顯。一發(fā)失效應(yīng)急程序（EOSID）的研究和設(shè)計(jì)，就是在滿足航空法規(guī)的限制下解決該問(wèn)題的手段之一。

一發(fā)失效應(yīng)急離場(chǎng)程序是相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)儀表離場(chǎng)程序（SID）而言的，它采用有別于制作SID 的設(shè)計(jì)規(guī)范和參數(shù)，使得保護(hù)區(qū)內(nèi)的障礙物通常都少于SID 程序保護(hù)區(qū)內(nèi)的障礙物，或者采用有別于SID 的離場(chǎng)航跡從而提供更多的越障距離或更少的需要超越的障礙物，以此來(lái)滿足法規(guī)限制的越障要求，并提高飛機(jī)起飛重量，從而為航空公司帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。

隨著我國(guó)民航運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展和西部大開(kāi)發(fā)的推進(jìn)，廣大西部地區(qū)對(duì)航空運(yùn)輸?shù)男枨笕找嫫惹?，而這些地區(qū)往往地形復(fù)雜、氣象條件惡劣且海拔較高。如西藏林芝機(jī)場(chǎng)，海拔2949m，屬于高原機(jī)場(chǎng)；周圍都是高山峻嶺，飛機(jī)起降只能在狹窄彎曲的河谷中飛行，飛行航道最窄處距離峽谷兩側(cè)山脊不到4km；機(jī)場(chǎng)多低云天氣，風(fēng)切變頻繁，飛機(jī)只能利用上午時(shí)刻起降，全年適航時(shí)間累計(jì)僅有100d。要在這樣的機(jī)場(chǎng)運(yùn)行，民航局規(guī)定航空承運(yùn)人必須設(shè)計(jì)相應(yīng)機(jī)型的起飛一發(fā)失效應(yīng)急程序。

起飛一發(fā)失效應(yīng)急程序設(shè)計(jì)策略

圖1 進(jìn)行EOSID 設(shè)計(jì)之前需要進(jìn)行的性能評(píng)估流程圖

圖2 EOSID 設(shè)計(jì)流程圖

國(guó)際上起飛一發(fā)失效應(yīng)急程序的研究始于20 世紀(jì)80 年代，但由于商業(yè)保密的原因，直到90 年代才有相關(guān)資料公布。歐洲的Monique Fueri 在《SIDs and EOSIDs》中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)儀表離場(chǎng)程序和起飛一發(fā)失效應(yīng)急程序進(jìn)行了比較分析。2002 年，空客公司的一發(fā)失效應(yīng)急程序工作小組在《AIRBUS EXERCISE GUIDEBOOK》中舉例分析了一發(fā)應(yīng)急程序的制作方法。參考文獻(xiàn)結(jié)合作者豐富的EOSID 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，分析了設(shè)計(jì)過(guò)程中風(fēng)的影響和轉(zhuǎn)彎梯度損失的問(wèn)題。民航局最新頒發(fā)的咨詢通告《飛機(jī)起飛一發(fā)失效應(yīng)急程序和一發(fā)失效復(fù)飛應(yīng)急程序制作規(guī)范》，統(tǒng)一了水平保護(hù)區(qū)范圍和垂直越障要求。

本文在閱讀研究了大量一發(fā)失效應(yīng)急程序相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)之上，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出了一種設(shè)計(jì)一發(fā)應(yīng)急程序的總體流程和思路，見(jiàn)圖1 和圖2。

由圖可看出，起飛一發(fā)失效應(yīng)急程序設(shè)計(jì)需要收集大量原始資料，然后結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)儀表離場(chǎng)程序和機(jī)場(chǎng)周圍地形情況，初步勾勒出能夠避開(kāi)高大障礙或提供更多爬升距離的路線?？梢?jiàn)，EOSID 設(shè)計(jì)是一個(gè)循環(huán)迭代的過(guò)程。如果初步設(shè)計(jì)的EOSID 程序不能達(dá)到增加商載的目的時(shí)，就需要重新選擇路徑，并進(jìn)行越障分析。

起飛一發(fā)失效應(yīng)急程序設(shè)計(jì)中最重要的就是要找到一條合理的路徑，使之能夠提供更多的爬升距離或飛越較少較矮的障礙物，從而在滿足安全的前提下提高商載。

但是，目前EOSID 的路徑選擇幾乎全是由人工地圖作業(yè)得出的。此項(xiàng)工作必須由富有經(jīng)驗(yàn)的性能工程人員和程序設(shè)計(jì)人員來(lái)完成，并且要經(jīng)過(guò)多次人工迭代試算和飛機(jī)性能驗(yàn)證，人力物力耗費(fèi)過(guò)大。而且，由此設(shè)計(jì)出的起飛一發(fā)失效應(yīng)急程序軌跡受人為主觀經(jīng)驗(yàn)的影響較大。為了解決這些問(wèn)題，受到網(wǎng)絡(luò)搜索法和機(jī)器人路徑搜索法的啟發(fā)，本文提出了用基于網(wǎng)格搜索的A 星算法來(lái)自動(dòng)尋找EOSID 的路徑。

起飛一發(fā)失效應(yīng)急程序路徑選擇算法研究

搜索空間的數(shù)據(jù)來(lái)源SRTM3

本文利用SRTM3 提供的高程數(shù)據(jù)作為數(shù)字地圖數(shù)據(jù)，進(jìn)行EOSID 路徑搜索仿真。

SRTM 地形數(shù)據(jù)是由美國(guó)、德國(guó)和意大利三國(guó)聯(lián)合測(cè)量處理和發(fā)布的。SRTM 的全稱是Shuttle Radar Topography Mission，即航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)量使命。美國(guó)的“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)于2000 年2 月發(fā)射升空，目的是利用合成孔徑雷達(dá)對(duì)全球地表進(jìn)行精確測(cè)量。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)11d 的測(cè)量，共采集了原始雷達(dá)影像數(shù)據(jù)9.8 萬(wàn)億字節(jié)，即近12TB。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)2 年多的數(shù)據(jù)處理，完成了全球數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)的制作。SRTM 數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)是迄今為止最為完整和精確的數(shù)字地形數(shù)據(jù)，水平精度達(dá)到±20m，垂直精度達(dá)到±16m。發(fā)布的SRTM由若干個(gè)文件組成，每個(gè)文件中存儲(chǔ)了一個(gè)經(jīng)緯網(wǎng)格的地形數(shù)據(jù)。在每個(gè)經(jīng)緯網(wǎng)格中，每隔1arc-second 和3arcsecond 進(jìn)行采樣，于是最小分辨單元就有30x30 和90x90 兩種形式。所以，在SRTM 產(chǎn)品中，就有SRTM1和SRTM3 兩類。目前公開(kāi)對(duì)外發(fā)布的只有基于SRTM3 的各種產(chǎn)品。

基于網(wǎng)格搜索空間的A星尋徑法

A 星算法是一種啟發(fā)式搜索算法。啟發(fā)式搜索就是一邊搜索一邊評(píng)估出相對(duì)較好的位置，然后再?gòu)脑撐恢眠M(jìn)行搜索并不斷評(píng)估和更新，直到找到目標(biāo)。啟發(fā)式搜索方式可以解決狀態(tài)空間非常巨大或狀態(tài)空間不可預(yù)測(cè)的搜索問(wèn)題，并能夠減少很多不必要的搜索路徑，從而縮短了搜索時(shí)間。在所有啟發(fā)搜索算法中，代價(jià)評(píng)估函數(shù)是十分重要的。A 星算法估計(jì)函數(shù)的基本形式如下：

式中，g（n）是起點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)n 的實(shí)際代價(jià)，它等于節(jié)點(diǎn)n 的父節(jié)點(diǎn)的g 值加上父節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)n 的單步代價(jià)值。

h（n）是節(jié)點(diǎn)n 到目標(biāo)點(diǎn)的路徑估計(jì)代價(jià)。

A 星算法基本思想是：首先確定起點(diǎn)，把起點(diǎn)作為一個(gè)中心點(diǎn)。然后搜索該中心點(diǎn)的所有相鄰點(diǎn)（稱為周邊節(jié)點(diǎn)），計(jì)算到所有周邊節(jié)點(diǎn)各自的實(shí)際代價(jià)g 和路徑估計(jì)代價(jià)h，從而計(jì)算出估計(jì)值f。

然后，創(chuàng)建兩個(gè)容器，分別稱為open 和close。open 用來(lái)存放要進(jìn)行評(píng)估計(jì)算的點(diǎn)，開(kāi)始時(shí)open 中只放入一個(gè)元素，就是起點(diǎn)。close 初始化為空值，它用以存放每一步的中心點(diǎn)（父節(jié)點(diǎn)）。當(dāng)進(jìn)行第一輪搜索之前，把起點(diǎn)的所有周邊節(jié)點(diǎn)都放入open 表中，并以計(jì)算出的估價(jià)值f 進(jìn)行排序。找出代價(jià)最小的節(jié)點(diǎn)作為下一輪計(jì)算的父節(jié)點(diǎn)，并把該輪計(jì)算的父節(jié)點(diǎn)存入close 中。

新一輪搜索，尋找出上一輪搜索得出的父節(jié)點(diǎn)的所有周邊節(jié)點(diǎn)。在這些節(jié)點(diǎn)中，跳過(guò)障礙物及不可通過(guò)的節(jié)點(diǎn)；然后檢查除障礙物之外的所有周邊節(jié)點(diǎn)是否都已在open表中，把沒(méi)有在open 中的周邊節(jié)點(diǎn)加入open 表中。對(duì)于已經(jīng)在open 表中的本輪中心節(jié)點(diǎn)的周邊節(jié)點(diǎn)，要計(jì)算其新的g 值，并與上一輪的g 值作比較。若新g 值更小，則把該節(jié)點(diǎn)改作當(dāng)前父節(jié)點(diǎn)，并重新計(jì)算f 值。否則，不改變當(dāng)前父節(jié)點(diǎn)。比較open 表中各節(jié)點(diǎn)的估價(jià)值f，找出f 值最小的節(jié)點(diǎn)作為下一輪搜索的父節(jié)點(diǎn)，并把當(dāng)前父節(jié)點(diǎn)加入到close 表，然后將其從open 表中刪除。重復(fù)搜索，直到達(dá)到終點(diǎn)或搜索完整個(gè)區(qū)域。

本文設(shè)計(jì)的算法流程圖如圖3。

圖3 算法流程圖

圖4 圓錐確定搜索區(qū)域示意圖

圖5 2%梯度確定的搜索區(qū)

圖6 EOSID 軌跡生成

案例研究

根據(jù)前面研究的基于網(wǎng)格空間的A 星尋徑算法，首先確定搜索區(qū)域，進(jìn)行網(wǎng)格的劃分和地形障礙物的標(biāo)定。

一種確定搜索區(qū)域的劃分方法是“梯度圓錐法”。以跑道離場(chǎng)末端DER 為圓錐頂點(diǎn)，以與水平面成某一梯度的圓錐向上散開(kāi)，如圖4 所示。機(jī)場(chǎng)周圍的地形，若穿透圓錐面都將被認(rèn)為是障礙物，障礙物的水平大小以與圓錐面的交線為界。低于該梯度圓錐面的地形不予以搜索。如下圖，以某機(jī)場(chǎng)為例，搜索起點(diǎn)確定為跑道的DER 點(diǎn)，終點(diǎn)為跑道南端的一點(diǎn)。數(shù)據(jù)來(lái)源于SRTM3 高程數(shù)據(jù)，用Global Mapper 軟件進(jìn)行預(yù)處理。藍(lán)色區(qū)域是低洼地形區(qū)域，不存在障礙物。圖5 所示為2%梯度時(shí)的搜索區(qū)域。

確定好搜索區(qū)并標(biāo)識(shí)障礙物后，需要進(jìn)行網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)劃分。這里，根據(jù)SRTM 數(shù)據(jù)，以90x90m 劃分網(wǎng)格。

然后，確定A＊算法的代價(jià)函數(shù)f。公式5.1：

算法仿真結(jié)果如圖6 所示。

案例分析中，成功地自動(dòng)找到了一條路徑，該路徑能夠避開(kāi)所設(shè)障礙物，并以較短的距離到達(dá)預(yù)定的起飛一發(fā)失效應(yīng)急程序的終點(diǎn)。

總結(jié)

本文在閱讀研究了大量一發(fā)失效應(yīng)急程序相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)之上，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出了一種設(shè)計(jì)一發(fā)應(yīng)急程序的總體流程和思路。然后針對(duì)目前手工選擇起飛一發(fā)失效應(yīng)急程序路徑時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，重點(diǎn)研究了基于SRTM3數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，用A 星算法自動(dòng)搜索EOSID 軌跡的方法。案例研究表明，該方法能尋找到避開(kāi)障礙物的航跡。在下一步研究中，可改進(jìn)A 星算法的代價(jià)函數(shù)以進(jìn)一步優(yōu)化A 星算法，更快地搜索到最優(yōu)的EOSID 路徑，從而為設(shè)計(jì)起飛一發(fā)失效應(yīng)急程序提供更有力的支持。在未來(lái)的EOSID 程序設(shè)計(jì)中，智能自動(dòng)選擇必將成為路徑選擇的趨勢(shì)，手工選擇路徑的方式將會(huì)逐漸被替代。