黃龍楊，劉玥琳，李金峰，李誠(chéng)龍

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 空中交通管理學(xué)院，四川 廣漢 618307）

0 引 言

目前主要有兩種方式解決滑行道交通擁擠問(wèn)題：第一是通過(guò)擴(kuò)建機(jī)場(chǎng)、跑道、滑行道、停機(jī)位等實(shí)現(xiàn)，這種方法直接增大機(jī)場(chǎng)容量，但投入很大，而且建設(shè)周期長(zhǎng)，還需要占用大量土地；第二是對(duì)航空器的滑行路徑進(jìn)行規(guī)劃，在避免航空器之間沖突的基礎(chǔ)上，減少滑行時(shí)間，從而提高場(chǎng)面運(yùn)行的安全性與效率性。例如許多大型機(jī)場(chǎng)使用的A-SMGCS先進(jìn)場(chǎng)面監(jiān)視引導(dǎo)系統(tǒng)便是這種原理。國(guó)內(nèi)外已有許多針對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面沖突的研究，主要圍繞航空器運(yùn)行調(diào)度優(yōu)化、風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別、沖突監(jiān)視與檢測(cè)、沖突告警與策略等角度展開(kāi)。1998年，Pitfield等針對(duì)機(jī)場(chǎng)高峰期流量的高峰期，基于飛機(jī)進(jìn)離場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，采用蒙特卡洛模擬的方法對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面沖突進(jìn)行了模擬分析，奠定了機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面沖突的研究基礎(chǔ)。1999年，Hesselink在全面分析機(jī)場(chǎng)道路網(wǎng)絡(luò)的前提下，首次引入Dijkstra算法，分析了機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面路徑規(guī)劃的問(wèn)題，擴(kuò)展了機(jī)場(chǎng)的靜態(tài)路徑規(guī)劃方案的思路。孫瑜等提出了基于4D航跡的航空器場(chǎng)面滑行路徑優(yōu)化研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)面航空器動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃仿真系統(tǒng)。陳倩對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面沖突風(fēng)險(xiǎn)管理的概念進(jìn)行闡述，構(gòu)建基于多Agent的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面沖突概念模型，并對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視技術(shù)進(jìn)行了探討。高明運(yùn)用多Agent模型和Petri網(wǎng)對(duì)場(chǎng)面交通沖突所涉及到的實(shí)體構(gòu)建了仿真概念模型，對(duì)場(chǎng)面交通工具行為路徑進(jìn)行了仿真說(shuō)明。將多Agent模型與Petri網(wǎng)相結(jié)合，提出AOSCPN模型，構(gòu)建了場(chǎng)面交通沖突風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警仿真模型。周云帆使用“節(jié)點(diǎn)—路段”模型對(duì)機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)進(jìn)行建模，利用AirTOP軟件對(duì)場(chǎng)面運(yùn)行進(jìn)行建模與仿真，通過(guò)矩陣法判斷各疑似沖突熱點(diǎn)區(qū)域的沖突等級(jí)。對(duì)于中小機(jī)場(chǎng)來(lái)說(shuō)，由于經(jīng)濟(jì)效益等諸多因素的影響，只能依賴人工監(jiān)視的方法來(lái)避免航空器之間發(fā)生沖突，因此急需一種技術(shù)來(lái)減少?zèng)_突，提高機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率，這也是本文研究的核心內(nèi)容。

1 中小機(jī)場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 中小機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面管理現(xiàn)狀。截至2020年底，我國(guó)境內(nèi)運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)241個(gè)（不含港澳臺(tái)），其中年旅客吞吐量在200萬(wàn)人次以下的中小機(jī)場(chǎng)有187個(gè)，占全國(guó)運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)總數(shù)的77.59%。民用機(jī)場(chǎng)一般可劃分為飛行區(qū)、候機(jī)樓區(qū)和地面運(yùn)輸區(qū)三個(gè)部分，沖突通常發(fā)生在航空器在飛行區(qū)內(nèi)滑行時(shí)，航空器地面運(yùn)行中，在滑行道系統(tǒng)中的運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)。因此，從滑行道系統(tǒng)出發(fā)，研究降低機(jī)場(chǎng)地面管制員管制壓力和提高航空器機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率的方法是必要的?；械牢挥陲w行區(qū)，起著連接跑道與停機(jī)坪的作用，由于滑行道上進(jìn)行作業(yè)的除了航空器之外還有各種車輛，當(dāng)這些車輛與航空器發(fā)生沖突時(shí)，應(yīng)主動(dòng)避讓航空器。

航空器在滑行道上的滑行路線要遵循四個(gè)原則：?jiǎn)蜗?、順向、循環(huán)和固定。單向原則是指航空器在使用同一滑行道時(shí)，始終保持同一方向以避免發(fā)生對(duì)頭沖突；順向原則指保證航空器在各滑行道之間的滑行路徑順向銜接，當(dāng)航空器在某交叉路口進(jìn)行匯聚滑行時(shí)，匯聚方向不出現(xiàn)大于90°的轉(zhuǎn)彎；循環(huán)原則是指進(jìn)場(chǎng)航空器和離場(chǎng)航空器的滑行路線沒(méi)有太多重疊路徑，減少路徑交叉，使得整個(gè)場(chǎng)面可以有序循環(huán)進(jìn)行進(jìn)離場(chǎng)飛行作業(yè)。固定原則指地面管制員一般會(huì)按照常用的滑行路線進(jìn)行滑行指揮，在跑道運(yùn)行模式固定不變的情況下，停機(jī)位到跑道頭等待點(diǎn)的滑行路徑也相對(duì)固定。其中滑行道交叉道口往往是機(jī)場(chǎng)的沖突熱點(diǎn)區(qū)域。交叉道口沖突量大時(shí)，航空器需要停等來(lái)保持最小安全間隔，管制員需要花大量時(shí)間對(duì)航空器進(jìn)行監(jiān)控和發(fā)布指令，使得場(chǎng)面交通流動(dòng)速度慢。

1.2 通用機(jī)場(chǎng)成本結(jié)構(gòu)。通用機(jī)場(chǎng)的成本結(jié)構(gòu)基本上包括勞動(dòng)成本、資本費(fèi)用和運(yùn)營(yíng)成本三類。

勞動(dòng)成本主要指機(jī)場(chǎng)員工的工資、福利及保險(xiǎn)金等。通用機(jī)場(chǎng)經(jīng)營(yíng)主要需要兩類專業(yè)人員：一類是保障通用機(jī)場(chǎng)正常運(yùn)行的專業(yè)人才，主要包括空中交通管制員、氣象檢測(cè)員、安檢人員等；另一類是從事通用航空運(yùn)營(yíng)業(yè)的機(jī)場(chǎng)專業(yè)經(jīng)營(yíng)管理人員，這些人員除了需要具備一般企業(yè)管理人員的專業(yè)技能和管理能力之外，還必須通曉專業(yè)性強(qiáng)的通用航空領(lǐng)域知識(shí)。

資本費(fèi)用指銀行貸款或發(fā)行債券的利息和機(jī)場(chǎng)提取的折舊費(fèi)。目前我國(guó)通用機(jī)場(chǎng)的建設(shè)規(guī)模較大，建設(shè)成本相對(duì)較高。飛行區(qū)土地成本和維護(hù)管理成本高，回報(bào)周期長(zhǎng)。航站綜合樓建設(shè)規(guī)模較大，裝修標(biāo)準(zhǔn)也較高，使得機(jī)場(chǎng)的總體維護(hù)成本較高，還本付息費(fèi)用較大，以致資本費(fèi)用在總的成本結(jié)構(gòu)中所占的比重較高。

運(yùn)營(yíng)成本是通用機(jī)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中所發(fā)生的費(fèi)用，具體包括水暖電氣費(fèi)、通信費(fèi)、設(shè)備費(fèi)、輔料費(fèi)、維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)、管理費(fèi)，以及其他運(yùn)營(yíng)費(fèi)用等。由于通用機(jī)場(chǎng)設(shè)施設(shè)備安全系數(shù)要求高，運(yùn)營(yíng)管理的技術(shù)性強(qiáng)，使得機(jī)場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本較高。與支線機(jī)場(chǎng)類似，從事短途運(yùn)輸服務(wù)的通用機(jī)場(chǎng)需要進(jìn)行社會(huì)化功能的復(fù)位，以降低機(jī)場(chǎng)作為企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本。社會(huì)化功能具體包括公安、消防、醫(yī)療、氣象等方面。通用機(jī)場(chǎng)的社會(huì)化功能可顯著節(jié)約其運(yùn)營(yíng)成本及人工成本。

2 場(chǎng)面道口全自動(dòng)沖突解脫運(yùn)行技術(shù)

2.1 機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面沖突的概念。航空器在滑行中遇到?jīng)_突，根據(jù)航空器的相對(duì)位置及運(yùn)行情況不同，一般可分為以下三類滑行沖突：對(duì)頭沖突、追尾沖突、交叉口沖突。

（1）對(duì)頭沖突。對(duì)頭沖突是滑行中最危險(xiǎn)，危害最大的一種沖突。由于在滑行道運(yùn)行前期規(guī)劃（控制航空器推出開(kāi)車的時(shí)刻）中會(huì)對(duì)對(duì)頭沖突加以避免，實(shí)際運(yùn)行中很少有對(duì)頭沖突發(fā)生的可能，對(duì)頭沖突產(chǎn)生的原因是兩架航空器同時(shí)在一條滑行道上相向滑行，如圖1所示。（2）追尾沖突。追尾沖突是指兩架或兩架以上航空器在同一條滑行道上跟進(jìn)滑行時(shí)的距離小于最小安全距離D。追尾沖突通常是因?yàn)楹蠛娇掌鞯幕兴俣瘸^(guò)前航空器的滑行速度，如圖2所示。（3）交叉口沖突。多架航空器同時(shí)到達(dá)交叉口，由于交叉口每次只能通過(guò)一架航空器，因此出現(xiàn)交叉口沖突，如圖3所示。

圖1 對(duì)頭沖突

圖2 追尾沖突

圖3 交叉口沖突

2.2 道口全自動(dòng)沖突解脫運(yùn)行概念。由于中小機(jī)場(chǎng)條件落后，人手短缺，提出道口全自動(dòng)沖突解脫運(yùn)行概念，其概念框圖如圖4所示。通過(guò)獲取航空器的實(shí)時(shí)位置、速度等信息，根據(jù)計(jì)算得出距交叉道口的距離，道口自動(dòng)將航空器在道口附近的停等指令反饋給駕駛員，管制員只需在終端顯示屏上進(jìn)行監(jiān)視，這將有助于提高管制員的效率，減輕負(fù)荷。

圖4 場(chǎng)面道口全自動(dòng)沖突解脫運(yùn)行框圖

目前存在一些較為先進(jìn)的場(chǎng)面運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠很好地保證場(chǎng)面運(yùn)行的安全和效率，但這些系統(tǒng)往往價(jià)格高昂。因此提出道口自動(dòng)沖突解脫概念，不僅可以用于中小機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面自動(dòng)化管理，也可以單獨(dú)作為A-SMGCS系統(tǒng)中成為一個(gè)增強(qiáng)道口安全管控能力的模塊。

2.3 機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視。機(jī)場(chǎng)內(nèi)的交通是復(fù)雜多變的，機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面由跑道、滑行道、停機(jī)坪等部分組成，各部分的安全約束條件都有差異，運(yùn)行在不同的區(qū)域，時(shí)間間隔和距離間隔都會(huì)改變，因此機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面交通研究是一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

場(chǎng)面監(jiān)視技術(shù)主要分為以下幾種：一次雷達(dá)技術(shù)、二次雷達(dá)技術(shù)、ADS-B以及多點(diǎn)定位技術(shù)。

一次雷達(dá)頻繁不斷地發(fā)射脈沖信號(hào)，雷達(dá)根據(jù)信號(hào)的頻率幅度來(lái)檢測(cè)到物體的距離方向。二次雷達(dá)可以利用發(fā)射機(jī)發(fā)射出脈沖信號(hào)，接受器將信號(hào)翻譯成編碼，在地面上可以顯示出飛機(jī)的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。MLAT是基于A/C或S模式應(yīng)答機(jī)的多基站定位系統(tǒng)。ADS-B是通過(guò)獲取周圍其他交通工具的位置，實(shí)現(xiàn)交通工具之間相互通信、感知周圍環(huán)境的監(jiān)視技術(shù)，能夠?yàn)樗_(tái)提供全面的監(jiān)視目標(biāo)信息，所帶來(lái)的定位精度更高，需要的建設(shè)周期較短。距離測(cè)量系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 距離測(cè)量系統(tǒng)

中小機(jī)場(chǎng)和通航機(jī)場(chǎng)限于運(yùn)行成本，部分將放棄場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)這一高成本場(chǎng)面監(jiān)視方案。對(duì)于場(chǎng)面管制可考慮采用ADS-B+視覺(jué)測(cè)距這一組合監(jiān)視，對(duì)航空器到達(dá)道口的距離信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。基于視覺(jué)的場(chǎng)面目標(biāo)識(shí)別如圖6所示。

圖6 基于視覺(jué)的場(chǎng)面目標(biāo)識(shí)別

3 機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面沖突模型

3.1 機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面建模。機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面的建模主要分為場(chǎng)面運(yùn)行區(qū)域建模和航空器滑行屬性建模兩種，場(chǎng)面飛行區(qū)建模中較為常用的方法包括混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）模型，有向圖模型及Petri網(wǎng)建模等。

MILP作為整數(shù)線性規(guī)劃模型中的一部分，這種模型代表了目標(biāo)函數(shù)和相關(guān)約束條件都為線性相關(guān)，但是在關(guān)鍵的決策變量中有相對(duì)應(yīng)的部分變量需要作為整數(shù)的規(guī)劃模型來(lái)使用。

有向圖模型是將機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)化為有向圖的形式，有向圖G代表了一個(gè)有序的三元組(V, E,W)，其中W代表了關(guān)聯(lián)函數(shù)，它讓有向邊E其中的每個(gè)成員都會(huì)一一對(duì)應(yīng)V(G)中的一個(gè)有序元素?，F(xiàn)階段大多數(shù)的論文或研究中采用的都為此類方法來(lái)構(gòu)建場(chǎng)面活動(dòng)區(qū)域。

Petri網(wǎng)模型可以被視作一種面向過(guò)程的建模方法，主要分三類：描述、分析和設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)。此模型會(huì)將機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行區(qū)域劃分為跑道、滑行道直線段和交叉口等模塊，之后將其中每個(gè)模塊都會(huì)通過(guò)Petri網(wǎng)模型來(lái)進(jìn)行建模。

3.2 場(chǎng)面沖突模型選擇。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)場(chǎng)面安全風(fēng)險(xiǎn)的研究多采用遺傳算法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、多Agent模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Petri網(wǎng)等。

遺傳算法可能收斂于局部最優(yōu)，而非全局最優(yōu)，編碼復(fù)雜，處理規(guī)模略小。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的適用范圍尚不明確，不能確定在多大范圍內(nèi)是有效的。多Agent模型在提供框架方面，適配性較好，而在細(xì)節(jié)仿真方面，適配性較弱。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不宜用來(lái)求解用數(shù)字計(jì)算機(jī)解決得很好的問(wèn)題。Petri網(wǎng)能夠清楚地描述作業(yè)進(jìn)程間的同步和異步，能夠動(dòng)態(tài)地展示系統(tǒng)內(nèi)部元素的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但不支持構(gòu)造大規(guī)模模型。另外傳統(tǒng)算法在解決場(chǎng)面沖突問(wèn)題上大多基于航空器的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序，導(dǎo)致優(yōu)先級(jí)低的航空器排隊(duì)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，靈活性較差，效率較低。

在對(duì)以上幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析后，在構(gòu)建場(chǎng)面沖突模型時(shí)一般是選用多Agent仿真模型和Petri網(wǎng)仿真模型。本文基于多Agent的仿真概念模型為例結(jié)合航空器自身屬性進(jìn)行討論，有較強(qiáng)的靈活性。

3.3 基于Agent自動(dòng)道口控制模型?；贏gent自動(dòng)道口控制模型要包含四部分（如圖7所示），管制人員、航空器、道口管理系統(tǒng)、場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)。

圖7 基于Agent的道口自動(dòng)控制系統(tǒng)

管制人員不需要實(shí)時(shí)指揮航空器，只需要在管制室對(duì)航空器進(jìn)行監(jiān)視，管制員可以獲得航空器在滑行中收到的每一個(gè)來(lái)自道口管理系統(tǒng)給航空器的指令。

航空器的位置、滑行軌跡等狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)傳輸給場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)，航空器的下一步動(dòng)作由道口管理系統(tǒng)給出，優(yōu)先以道口自動(dòng)系統(tǒng)為主，當(dāng)與管制員指令沖突時(shí)，由飛行員自行判斷。

道口管理系統(tǒng)根據(jù)航空器實(shí)時(shí)速度，并基于飛行型號(hào)尺寸和距道口的距離以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)做出決策后，立即反饋給飛行員。

場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)由ADS-B和視覺(jué)兩部分組成。通過(guò)ADS-B和目標(biāo)監(jiān)測(cè)獲取到航空器的位置，以此測(cè)量航空器距道口的距離。

基于Agent的道口自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)際機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面道口環(huán)境進(jìn)行了模擬，可以在一定程度上減少?zèng)_突的發(fā)生，即使發(fā)生沖突，也可以盡快解決。

3.4 案例分析。設(shè)計(jì)人工組與自動(dòng)模型進(jìn)行對(duì)比，需要通過(guò)道口航空器數(shù)量為100架，邀請(qǐng)3名一線塔臺(tái)管制員進(jìn)行場(chǎng)景模擬，考慮到實(shí)際情況下，管制員從發(fā)現(xiàn)沖突到做出決策，需要反應(yīng)時(shí)間，因此，人工組每做出一次的決策，時(shí)間加2秒，測(cè)試結(jié)果如表1所示：

表1 道口通行所需時(shí)間

自動(dòng)道口控制模型下，通過(guò)100架航空器需要618.25秒，而人工組通過(guò)100架航空器平均需要984.41秒，表明基于Agent自動(dòng)道口管控相比于人工指揮通行效率提高了37.2%。

4 結(jié)束語(yǔ)

民航業(yè)的發(fā)展大大的拉近了人與人之間的距離，為人們出行提供了極大的便利。航空器場(chǎng)面滑行問(wèn)題是一個(gè)諸多因素相互影響的過(guò)程，而滑行沖突的數(shù)量極大地影響了機(jī)場(chǎng)整體運(yùn)行效率。為了避免機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面沖突，本文針對(duì)航空器場(chǎng)面滑行中幾種常見(jiàn)的沖突進(jìn)行了分析，探討了機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面概念監(jiān)視技術(shù)，分析了場(chǎng)面沖突模型的優(yōu)缺點(diǎn)，構(gòu)建了基于多Agent的自動(dòng)道口控制模型，為解決機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面沖突問(wèn)題提供了一種有效的方法。相信隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面運(yùn)行會(huì)變的越來(lái)越安全、高效。