唐寧，李彥冬，程潔，曾旭

(中國(guó)民航飛行學(xué)院，四川廣漢，618300)

0 引言

安全始終是民航業(yè)的首要問(wèn)題。隨著現(xiàn)代民航業(yè)以資本密集、技術(shù)密集和高風(fēng)險(xiǎn)為標(biāo)志的高度規(guī)模化發(fā)展，現(xiàn)在和未來(lái)的地面交通安全已經(jīng)成為了一個(gè)更受重視并且更關(guān)鍵的問(wèn)題。機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面面臨的環(huán)境復(fù)雜多變，因此與跑道入侵相關(guān)的交通安全問(wèn)題高發(fā)，極易造成飛機(jī)沖出跑道、復(fù)飛和碰撞等不安全事件。為了最大限度規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，本文針對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)預(yù)防跑道入侵(Runway Incursion，RI)相關(guān)方法進(jìn)行研究。

國(guó)際民用航空組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）定義的跑道入侵概念為：在機(jī)場(chǎng)中發(fā)生的任何涉及錯(cuò)誤的出現(xiàn)在用于飛機(jī)起飛和降落的保護(hù)區(qū)表面的飛機(jī)，車輛以及行人的事件。美國(guó)聯(lián)邦航空局（Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA）則定義為：在機(jī)場(chǎng)發(fā)生的任何涉及地面上的飛機(jī)、車輛、人員或物體的事故，造成碰撞危險(xiǎn)，或?qū)е嘛w機(jī)在起飛、準(zhǔn)備起飛、降落或準(zhǔn)備降落時(shí)失去與地面的距離。為了進(jìn)一步明確跑道入侵的不同情況，F(xiàn)AA還將跑道入侵劃分為表1所示四個(gè)類型。

跑道入侵問(wèn)題已成為威脅機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全的最主要原因之一，也是提高機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全的關(guān)鍵。ICAO分別在2004年和2006年發(fā)布了《先進(jìn)的場(chǎng)面活動(dòng)引導(dǎo)和控制系統(tǒng)手冊(cè)》（Doc9830）和《防止跑道入侵手冊(cè)》（Doc9870），對(duì)跑道入侵問(wèn)題要求更嚴(yán)格和規(guī)范。目前國(guó)內(nèi)的跑道入侵研究還處于起步階段。只有不斷拓寬安全閾值，在成熟優(yōu)化安全問(wèn)題的基礎(chǔ)上，才有更大空間考慮效益和環(huán)境保護(hù)問(wèn)題，才能跳出安全與效益博弈的命題。因此，跑道入侵是當(dāng)下必要解決的問(wèn)題。

表格1 美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）跑道入侵分類

1 跑道入侵原因及分析方法

跑道入侵原因有多種分析方法，關(guān)鍵在于確定影響因素，分析其重要性[1]，再確定因素間內(nèi)在關(guān)聯(lián)[2,3]、關(guān)系強(qiáng)度和相互作用機(jī)制[4]。表2列舉了部分重要的影響因素。

表2 跑道入侵影響因素歸納

基于事件序列的評(píng)估方法，是利用著名的事件樹建模。多智能體動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)模型(Multi-agent Dynamic risk Model，MA-DRM) 是基于agent建模、混合Petri網(wǎng)和罕見(jiàn)事件蒙特卡洛模擬建立的模型。MA-DRM方法比基于事件序列評(píng)估方法能夠捕捉到系統(tǒng)中更多的問(wèn)題，更值得深入研究[5]。

每個(gè)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行的機(jī)型、跑道運(yùn)行模式等都有不同，很難找到系統(tǒng)規(guī)律，導(dǎo)致傳統(tǒng)分析方法如回歸分析、方差分析和主成分分析等都需要大量的數(shù)據(jù)?；诨疑碚摰幕疑P(guān)聯(lián)分析是一種通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度來(lái)分析和確定系統(tǒng)各因素之間的影響程度或各因素對(duì)系統(tǒng)主要?jiǎng)幼鞯呢暙I(xiàn)程度的方法?；疑P(guān)聯(lián)法[6]成功減少了數(shù)據(jù)需求量和計(jì)算量。用上述方法將影響因素進(jìn)行分層分類，方便后續(xù)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)向不同層面?zhèn)鬟f的方式、傳輸路徑的攔截方法、跑道入侵控制系統(tǒng)強(qiáng)化等進(jìn)行研究。

2 跑道入侵特點(diǎn)分析

機(jī)場(chǎng)跑道入侵存在諸多特征，這些特征是檢測(cè)系統(tǒng)和避免策略發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。表3羅列了跑道入侵的諸多特性。

表3 跑道入侵關(guān)鍵特征介紹

入侵危險(xiǎn)性極高，使其成為每個(gè)機(jī)場(chǎng)首要解決的問(wèn)題。從來(lái)源分析，操縱失誤需要花費(fèi)大量的管制員精力去進(jìn)行監(jiān)督，在關(guān)鍵道口設(shè)置報(bào)警器可以解決這個(gè)問(wèn)題。報(bào)警器需要提供不正確時(shí)間段內(nèi)進(jìn)入跑道保護(hù)區(qū)的告警，還需要根據(jù)數(shù)據(jù)鏈接來(lái)關(guān)注入侵目標(biāo)動(dòng)態(tài)，在下一個(gè)需要占用跑道的航空器到達(dá)之前判斷目標(biāo)是否還在保護(hù)區(qū)內(nèi)。另外，機(jī)場(chǎng)所有參與人員尤其是領(lǐng)導(dǎo)的安全意識(shí)是解決跑道入侵的根本方法之一。在機(jī)場(chǎng)由上至下進(jìn)行安全管理教育、宣揚(yáng)安全文化、定期進(jìn)行安全培訓(xùn)是必要的?；谌肭终叽笮　㈩伾瓦吔缣卣?，視頻監(jiān)控和圖像識(shí)別技術(shù)似乎是簡(jiǎn)單有效的方法。但根據(jù)入侵類別分析，跑道入侵者大多是移動(dòng)目標(biāo)，使得圖像識(shí)別難度加大。入侵者移動(dòng)特性也有優(yōu)勢(shì)，早期針對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)系統(tǒng)取得過(guò)一定成效。但高速度和靜止的目標(biāo)是存在的，安全隱患并未徹底消除。總之，防止跑道入侵更關(guān)注視覺(jué)警告，防止飛行員誤聽(tīng)?zhēng)?lái)的操作失誤；關(guān)注靜止或速度大的目標(biāo)，可能用高速攝像機(jī)完成對(duì)高速移動(dòng)物體的拍攝，或是利用多點(diǎn)定位技術(shù)以掌控入侵者位置。

3 防范跑道入侵的方法

跑道入侵預(yù)測(cè)和檢測(cè)都至關(guān)重要，但預(yù)測(cè)避免優(yōu)于檢測(cè)調(diào)控。預(yù)測(cè)功能關(guān)注整個(gè)人在回路相關(guān)因素的挖掘，以及計(jì)算因素影響力加權(quán)。廣義加性模型 (Generalized Additive Model，GAM) 是一種用來(lái)探測(cè)非線性回歸影響的統(tǒng)計(jì)模型。GAM擁有強(qiáng)大的自由度和靈活性，在廣泛的建模分布中對(duì)許多變量幾乎沒(méi)有限制?；趯?duì)GAM的杠桿老化研究，一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的高級(jí)統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)和預(yù)測(cè)解決方案可以系統(tǒng)地獲取、解析和轉(zhuǎn)換不同數(shù)據(jù)庫(kù)中的各種因素，從而生成可解釋數(shù)據(jù)集的方法。它還提出了高性能的計(jì)算程序，以自動(dòng)選擇突出因素，以實(shí)現(xiàn)最佳的GAM與強(qiáng)大的預(yù)測(cè)能力[7]。檢測(cè)的難度在于進(jìn)近起降飛機(jī)速度快、停放的車輛和飛機(jī)速度為零。YOLO檢測(cè)器(You Only Look Once Detectors，YOLO)[8]可優(yōu)化高速和靜止目標(biāo)的跑道入侵探測(cè)。跑道入侵檢測(cè)算法(Runway Incursion Detection Algorithm，RIDA)[9]是目前較為成熟的監(jiān)視算法，被利用于實(shí)現(xiàn)先進(jìn)場(chǎng)面活動(dòng)引導(dǎo)控制系統(tǒng)(Advanced Surface Movement Guidance Control System，A-SMGCS)的場(chǎng)面監(jiān)視功能，其功能實(shí)現(xiàn)如圖1所示。通過(guò)輸入入侵保護(hù)區(qū)和交通活動(dòng)狀態(tài)信息，系統(tǒng)輸出實(shí)時(shí)的交通信息，并對(duì)可能的跑道入侵提供告警。為管制員增強(qiáng)態(tài)勢(shì)感知，補(bǔ)充引導(dǎo)提示。

圖1 RIDA系統(tǒng)功能流程

在預(yù)測(cè)和檢測(cè)之外，場(chǎng)面的可視化設(shè)備操作性更強(qiáng)，是避免跑道入侵的最直接手段和最有效方法。早在1991年提出的機(jī)場(chǎng)地面交通自動(dòng)化系統(tǒng)(Airport Surface Traffic Automation，ASTA)[10]就設(shè)想研究出能夠提供視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)共同警告、足以實(shí)現(xiàn)管制員和飛行員之間數(shù)據(jù)鏈通信（以減小通信頻率擁擠的影響）、可監(jiān)控位置、識(shí)別目標(biāo)并規(guī)劃顯示最優(yōu)滑行路線等功能。

防止跑道入侵的方法中，視覺(jué)警告是最為直接的。忽略、誤聽(tīng)管制員指揮是RI事件共同特征，改進(jìn)機(jī)場(chǎng)空側(cè)標(biāo)識(shí)[11]是避免措施之一。標(biāo)識(shí)具有動(dòng)態(tài)性、及時(shí)性和絕對(duì)有效性?？諅?cè)動(dòng)態(tài)標(biāo)識(shí)[12]中信息顯示的內(nèi)容、樣式和更新頻率都對(duì)飛行員判斷有影響。具體的研究可以深入到動(dòng)態(tài)標(biāo)識(shí)是如何影響飛行員判斷的，可以更加深入優(yōu)化空側(cè)標(biāo)識(shí)的告警作用。綜合地面預(yù)警系統(tǒng)(Integrated Ground-Based Warning Systems)[13]利用跑道交叉燈(Runway Intersection Lights， RILs)提供地面交通視覺(jué)警告。實(shí)驗(yàn)證明，交叉燈位置擺放和開(kāi)始閃爍的時(shí)機(jī)至關(guān)重要，并且正確的交叉燈使用可以大幅提升跑道安全。

4 檢測(cè)系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)

自動(dòng)化、智能化和簡(jiǎn)明化是未來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)的共同特征。多點(diǎn)相關(guān)定位系統(tǒng)(Multilateration，MLAT)的原理是飛機(jī)自身發(fā)出信號(hào)，利用多個(gè)地面定位基站之間接收信號(hào)的時(shí)間差計(jì)算得到飛機(jī)當(dāng)前位置。它由場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)和進(jìn)近監(jiān)視系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)組成，類似一個(gè)放在地面的GPS定位系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位后，首先判斷保護(hù)區(qū)內(nèi)目標(biāo)數(shù)目和種類，再判斷被定位目標(biāo)是否為正?；顒?dòng)目標(biāo)或目標(biāo)正?；顒?dòng)是否會(huì)被干擾，隨后選擇給出告警提示或不告警，隨后進(jìn)行新一輪定位，及時(shí)提供目標(biāo)實(shí)時(shí)定位。無(wú)論是否告警都會(huì)進(jìn)行新一輪的實(shí)時(shí)定位。

判斷的標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)事先設(shè)置的飛機(jī)正常狀態(tài)與不正常狀態(tài)組合。例如：當(dāng)目標(biāo)為飛機(jī)時(shí)，部分（兩個(gè)正常狀態(tài)可以出現(xiàn)在同一個(gè)保護(hù)區(qū)內(nèi)，例如落地在跑道滑行的飛機(jī)和正在上跑道等待起飛的飛機(jī)）兩個(gè)正常狀態(tài)出現(xiàn)在同一個(gè)入侵保護(hù)區(qū)或者有一個(gè)不正常狀態(tài)即報(bào)警，當(dāng)保護(hù)區(qū)內(nèi)僅有一個(gè)正常狀態(tài)時(shí)不報(bào)警。當(dāng)目標(biāo)為車輛時(shí)，不允許保護(hù)區(qū)內(nèi)出現(xiàn)飛機(jī)目標(biāo)。流程圖如圖3所示。

圖3 告警信息產(chǎn)生原理

新的檢測(cè)系統(tǒng)將告警信息同時(shí)告知入侵者、正常航班和管制員三方終端系統(tǒng)，如圖2所示。進(jìn)近和起落階段，飛行員操縱復(fù)雜，精力集中，只提供燈光閃爍或短促提示音，需要根據(jù)管制員指令進(jìn)行操縱。根據(jù)ICAO的跑道入侵概念，入侵者可能是人、機(jī)或車輛，在入侵者的終端提示方式不同，當(dāng)車輛構(gòu)成跑道入侵時(shí)，告警可以通過(guò)駕駛員移動(dòng)設(shè)備提供，也可以利用車載設(shè)備進(jìn)行語(yǔ)音提示。

圖4 入侵告警處理回路

管制員終端類似二次雷達(dá)屏幕顯示系統(tǒng)，在跑道入侵保護(hù)區(qū)平面圖上，人、機(jī)、車輛以標(biāo)牌模式顯示，管制員可以拖動(dòng)標(biāo)牌，并進(jìn)行標(biāo)牌信息快速閱讀。方便管制員進(jìn)行保護(hù)區(qū)監(jiān)視、做出快速精準(zhǔn)的判斷、給出指令以及監(jiān)督警告解除進(jìn)度。

5 結(jié)束語(yǔ)

高自動(dòng)化和簡(jiǎn)明的終端可以有效提高管制員工作效率。本文針對(duì)跑道入侵原因、檢測(cè)系統(tǒng)和避免方法做了研究，突出了RI特征和探測(cè)發(fā)展的要點(diǎn)，并對(duì)管制員終端做了簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)。未來(lái)，通過(guò)交通信息和地理信息的導(dǎo)入，在管制員終端建立3D立體模型將更加有利于管制員快速做出預(yù)判，給出指令，降低跑道入侵概率，保障跑道安全。

圖5 終端顯示內(nèi)容