一種用于機場場面管制的指令預警方法

付勝豪，徐秋程，蔣偉煜

（空中交通管理系統與技術國家重點實驗室，南京　210014）

基金項目：國家重點研發計劃（項目編號2016YFB0502405）。

作者簡介：付勝豪（1988—），男，江蘇新沂人，工程師，碩士，主要研究領域為空管態勢顯示、機場運行管理。E-mail：fushenghao@126.com

摘　要：機場場面運行安全是場面管制指揮最關鍵的部分，如何對存在潛在風險的管制指令進行及時預警是亟須解決的問題。綜合分析機場場面運行特點，提出了一種基于動態場面軌跡預測的預警方法。首先對場面停機位、跑道、滑行道等數據進行處理，構建拓撲關系模型；實時采集管制指令，結合場面模型及場面軌跡預測技術動態推算目標未來運動軌跡；在預測軌跡的基礎上提出了一種基于路段及關鍵點資源利用的沖突預測算法。實驗表明該方法正確可靠，為場面運行安全提供保障。

關鍵詞：機場場面；管制指令；軌跡預測；預警

中國分類號：V355　文獻標識碼：A

A Method of Command Prewarning Used for Airport Surface Control

Fu Shenghao，Xu Qiucheng，Jiang Weiyu

（The State Key Laboratory of Air Traffic Management System and Technology，Nanjing　210014，China）

Abstract：The airport surface security is the most important part of airport traffic control.It is an urgent problem how to give prewarning if the control command has potential risks.A prewarning method based on dynamic trajectory prediction is proposed.Firstly，the data of tarmac，runway and taxiway are processed and the topological relationship model is constructed.Real-time control commands are collected and combined with surface model and trajectory prediction technology，the target’s future trajectory is predicted dynamically.Finally，a collision prediction algorithm based on the road and key point resource usage is proposed.Experiments show that the method is correct and reliable，and provides guarantee for the airport surface security.

Key words：Airport surface；Control command；Trajectory prediction；Prewarning

0　引言

近年來，隨著空管運輸業的迅速發展，空中交通密度持續加大[1]，機場場面航空器運行活動越來越繁忙，場面航空器沖突也日益凸顯。機場場面飛行安全事故和事故征候屢有發生，其中人為因素占到了75.5%。管制員作為機場場面運行的重要參與者，肩負著保障運行安全的重任，如何避免因管制員疏忽導致錯誤指令下達而造成的安全隱患，亟須解決。

場面運行安全的研究有很多，如基于遺傳算法建立無沖突滑行路徑優化模型[2]；基于多Agent場面運行調整算法，智能發現排解沖突[3-4]；基于場面沖突熱點的航空器滑行路徑優化研究[5-6]等。但大多數都是靜態的沖突研究，屬于規劃階段的沖突判斷與解脫，缺少實時性。

實時場面沖突預測方面以跑道侵入告警的研究居多。如基于本體建模的跑道侵入評估[7-8]，基于模糊層次分析的跑道侵入評估[9]等，但大多使用定性的分析，缺少定量的評估，且缺少對管制指令的采集與考慮。

在管制指令采集方面，語音識別技術已經有所應用，但主要應用于模擬訓練系統[10-11]，作為管制指令采集手段，用于管制指令沖突判斷的應用還比較少。

本文基于指令識別技術，以采集并識別出的管制指令為預測基礎，推算目標未來軌跡，進行實時沖突預測，實現管制指令的實時感知與沖突評估，為管制員提供安全評估輔助手段，從而減少因人為疏忽導致的安全事故的發生。

1　系統組成

系統由指令采集模塊、軌跡推算模塊和沖突預測模塊組成，如圖1所示。指令采集模塊采集管制員的管制命令，通過指令識別技術轉換為文本信息，進而通過結構化分析、模板匹配等手段識別出結構化管制指令，從而作為后續處理的先決條件；軌跡推算模塊依據管制指令并基于場面拓撲模型解析出目標未來運行路徑，同時結合目標當前運行態勢及場面運行規則，推算出包含時間、位置信息的目標運行軌跡；沖突預測模塊在目標運行軌跡的基礎上，考慮對頭、交叉、追尾三種沖突形式進行沖突的預測。其中，本文重點闡述的是后兩個部分：軌跡推算和沖突預測。

2　指令采集

分析管制語音指令語法結構特征、專有詞匯、特殊用詞、指令構詞規則，并在此基礎上生成管制指令特征模板詞庫。在實時采集階段，對采集到的指令語句進行詞向量提取、語法模型分析等預處理，獲取語句特征參數，并基于匹配模型進行格式匹配，從而提取出結構化管制指令，交由軌跡推算模塊作為后續計算分析的輸入。指令采集模塊示意圖如圖2所示。

3　軌跡推算

3.1　場面拓撲模型

圖3所示為機場場面示意圖，其中字母標識的是滑行道名稱，線條是滑行道中線，如何通過管制指令中的滑行道名稱組合解析出精確的滑行路徑是首先需要解決的問題。首先對場面數據進行第一層建模，構建出以關鍵點和元路徑為基礎的元數據拓撲模型；以元數據拓撲模型為基礎，構建第二層以滑行道為單元的滑行道拓撲模型；并在這兩種模型基礎上結合管制指令解析出滑行路徑及運行軌跡。

3.1.1　元數據拓撲模型

首先，對機場活動區域進行抽象處理，包括：將機場活動區域全部抽象為點和折線段；機場停機位由點標識，跑道、滑行道、脫離道由折線段標識，一條跑道或一條滑行道由多條折線段共同組成；跑道中心線、滑行道、脫離道中心線相交叉的位置抽象為關鍵點；兩相鄰關鍵點之間確定的折線段定義為路徑元數據。

如圖4所示，在中心線交叉點的地方增加了關鍵點，相鄰的關鍵點之間確定唯一的路徑元數據。這樣，整個機場活動區域以關鍵點及路徑元數據為基本數據單元組織起來。通過任意關鍵點可以查找與其相鄰的關鍵點，并可以確定與任一相鄰關鍵點組成的路徑元數據。同樣，也可以通過任意路徑元數據確定該路徑元數據的兩個端關鍵點，從而確定與該路徑元相鄰的所有路徑元數據。如此，可以確定整個機場場面的關聯關系。

3.1.2　滑行道拓撲模型

一條滑行道包含多個路徑元數據，通過關鍵點與其他滑行道關聯。在滑行道拓撲模型這一層不關注滑行道內部的路徑元數據，只關注滑行道與其他滑行道之間的拓撲關系。

如圖5所示，滑行道C1、C2、C3、C4、C5與滑行道C和跑道35L通過關鍵點P1～P12構建了一個拓撲網絡。進一步抽象，構建滑行道與滑行道之間的關聯關系，如圖6所示。

3.2　路徑解析

路徑解析就是根據管制員的實時管制指令，結合目標的當前運行態勢，以場面拓撲模型為基礎，推算管制指令下達后未來一段時間內目標的滑行路徑。路徑解析的流程包括，目標所在滑行道確定、滑行道名稱序列確定、關鍵點序列集合解析、關鍵點序列確定、元路徑序列確定及精確路徑確定。

首先由場面監視雷達上報的目標當前位置，通過幾何位置關系確定目標當前所在的滑行道或跑道位置；同時從管制指令中提取出未來要滑行的滑行道名稱，從而構建目標滑行道名稱集合；根據滑行道拓撲模型提取出關鍵點序列集合，由于滑行道與滑行道之間的關聯關鍵點可能會有多個，因此解析出的關鍵點序列可能也是多個，如從35L跑道經C3、C、C2滑行道進347停機位，可能的組合如圖7所示。因此，需要對關鍵點序列集合進行甄別，從而確定最終的序列。關鍵點序列甄別確定的原則包括路徑最短、轉彎平滑等，如P1、P7、P10組合在P7點會出現銳角轉彎的情況，P1、P8、P10組合不滿足路徑最短原則；在關鍵點序列確定之后回歸到元數據拓撲模型，在該模型下采用A?算法確定元路徑序列及精確滑行路徑。

3.3　軌跡推算

軌跡推算就是在滑行路徑確定后，根據運動學模型推算目標在各關鍵點的到點時間，從而形成場面4D預測軌跡。

圖8展示的是一段預測路徑，其中實心點是關鍵點，包括關鍵點0，1，…，n-1，n等，空心點為元路徑的最小組成點，如關鍵點n-1與n之間的最小組成點0，1，2，…，k等。任意兩個相鄰最小組成點之間的距離可表示為Dis（n-1）（k-2），由n-1點的到點時間可推算出n點的到點時間，如公式（1）所示。

考慮到飛機在滑行道轉彎位置和直行的不同速度，對關鍵點的速度采用經驗值進行賦值。

4　沖突預測

在軌跡推算的基礎上，以場面拓撲模型中的元路徑和關鍵點的資源使用為研究對象進行沖突的預測。基于軌跡推算數據計算出目標未來即將占用的元路徑及關鍵點，以及對各元路徑的使用時段范圍（進入該元路徑及退出該元路段的時間以及經過各關鍵點的時刻）。對沖突方式進行分析，歸類為三種形式的沖突類型：對頭沖突、交叉沖突和追尾沖突。

4.1　對頭沖突

兩架飛機以不同的方向進入元路段，如圖9所示，如果對元路段的使用時間范圍不滿足安全間隔要求，就會產生沖突。

針對對頭沖突，以元路段為分析對象，對使用該路段的目標進行分析，如圖10所示。方框部分代表各航空器對該元路段使用的時間窗，其中Tin為第一架飛機進入元路段的時刻，Tout為第一架飛機離開元路段的時刻，Tsafe為兩架飛機的安全間隔時間，T1為允許其他航空器釋放元路段資源的時刻，T2為允許其他航空器占用元路段資源的時刻，T′in為其他航空器占用元路段資源的時刻，T′out為其他航空器釋放元路段資源的時刻。

由此可見，以元路段資源占用角度分析，對頭運行情況下發生沖突的條件如公式（2）所示：

4.2　追尾沖突

兩架飛機以相同的方向進入元路段，如圖11所示，如果對元路段的使用時間范圍不滿足安全間隔要求，就會產生沖突。

針對追尾沖突，同樣以元路段為分析對象，元路段資源的使用情況進行分析，如圖12所示。

追尾運行情況下發生沖突的條件如公式（3）所示：

4.3　交叉沖突

兩架飛機沒有使用公共的元路徑，但經過公共的關鍵點，同樣可能產生沖突，如圖13所示。

針對交叉沖突的情況，以關鍵點為分析對象，對關鍵點資源的使用進行分析，如圖14所示，其中T為當前飛機經過該關鍵點的時刻，T1為該飛機占用該關鍵點前允許其他飛機使用的最晚時刻，T2為該飛機釋放該關鍵點資源后允許其他飛機使用的最早時刻。

由此可見，交叉沖突發生的條件如公式（4）所示：

5　實驗驗證

模擬一架飛機穿越跑道，另外一架飛機在跑道上滑跑起飛的場景。管制員首先下達滑行命令：“CCA1207請沿滑行道D8-D9開始滑行”，此時系統自動在場面地圖上規劃出CCA1207未來滑行的路徑，如圖15所示。

待CCA1207滑行一段時間后，管制員對另外一架等待起飛的飛機下達起飛命令“CES3984立即起飛”，此時系統規劃出CES3984的未來軌跡，并預測出未來即將發生沖突，系統自動給出沖突預警提示，從而避免錯誤的管制指令導致意外的發生，如圖16所示。

6　結束語

對機場場面管制指令進行預警判斷，能夠有效避免錯誤指令引發的滑行沖突，為場面安全提供保障。本文構建了元數據拓撲模型及滑行道拓撲模型，結合管制員的實時管制指令進行路徑解析與軌跡推算，以對頭、追尾和交叉三種形式的沖突模式對預測軌跡進行評估，實現指令的實時自動預警。試驗表明該方法可行有效，能夠達到既定目標。

參考文獻

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