在跑道侵入中联络道飞机信息采集方法研究

杨昌其YANG Chang-qi；贤继佳XIAN Ji-jia

（中国民用航空飞行学院空中交通管理学院，广汉618307）

0 引言

据中国民航局统计，2006全国运输机场完成起降架次348.6万次，2011年则是598.6万次，后者是前者的约1.7倍，在这起降架次越来越多，机场越来越繁忙的过程中，跑道侵入事件也突出了起来。通过表1显示，2006年各机场发生的跑道侵入（不包括D类和E类）事件为6起，2011年则是23起，大约是2006年的4倍，尽管各项安全指标控制在了合理的范围内并且事故率有较显著的减少，但在飞机运行过程中仍然存在着许多不安全的因素[1]。民用航空空中交通事故相对其他交通事故发生概率非常低，一旦发生其死亡率和经济打击是极高的，无论是航空公司还是乘客都是无以接受的重大损耗。所以说，航空器运行中的任何一个环节都至关重要，跑道安全的保障势在必行。

表1 中国民航跑道侵入事件年度统计

航空器的起飞与着陆都是在跑道上进行的，同时也是出现事故最多的两个环节。跑道作为承载航空器起飞和着陆的机场设施，是机场安全运行必不可少的环节。近几十年来，随着国际经济快速发展和民航运输产业迅猛增长，不管是千万级大型机场还是地区中小机场，其机场飞行区的交通状态越来越繁忙，在一些机场环境复杂和气象条件恶劣的条件下，塔台管制员难以在没有高级定位监视设备的情况下精准把握飞行区的交通情况，大大增加了跑道侵入的概率。跑道侵入一直是威胁航空器运行安全的重要问题，该问题具有普遍性、意外性和重要性，国际民航组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）2006年发布Doc.9870文件《跑道侵入预防手册》，手册中详细定义和解释了与跑道侵入相关的概念，并提出解决跑道侵入的关键在于“人”、“机”、“环”三个方面。其中通过推进管制设备自动化发展，进而辅助管制员加强情景意识并获得完整且精准的场面航空器运行情况可以有效减少跑道侵入事件发生的可能性。

1 摄像头相对其他监视设备的优势研究

现阶段场面监视手段有很多，但普遍造价高昂，如多点定位系统（Multilateration systems，MLAT）、场面监视雷达（Surface Monitoring Radar，SMR）、广播式自动相关监视系统（Automatic dependent surveillance broadcast，ADS-B），值得一提的是，这几种监视技术都有其局限性导致不利于广泛利用，具体表现在：

①多点定位系统和场面监视雷达的信号传递受机场环境的复杂度的影响很大，即使环境并不复杂的机场，航空器与航空器之间也会互相折射雷达波形成混杂的探测区域，在这种区域里的移动目标并不会被多点定位系统和场面监视雷达所监视到；

②在航空器没有安装机载二次雷达应答机的情况下，ADS-B协同监视无法对航空器进行标记，且国内大多数通航飞机和场面特种车辆大都没有安装机载二次雷达应答机；

③管制员难以在复杂的运行条件下主动控制跑道状态灯来告知航空器和车辆驾驶员跑道被占用，既加大了管制员的管制压力，也达不到机场场面安全要求。

摄像头作为系统模块或传感器，是视觉领域必不可少的工具。市面上越来越多的厂家或机构投入摄像头开发上，如视觉追踪、物体/人脸追踪、特征分类、无线传输等强大功能。采用摄像头进行信息采集的形式被应用的越来越多，像军事、抢险救灾、视频安防、无人机、交通态势监视、危险区探测等都广泛应用了摄像头。在机场飞行区里安装大型设备非常困难，摄像头体积小、成本低，总体布局灵活的优势下信息采集能力和采集精度优秀，且在低能见度和复杂条件下支持航空器和车辆在联络道安全、有序、迅速的移动。国内83%的机场都是缺少监视设备和辅助决策手段的中小机场，基于摄像头网络监测航空器运行态势是一种性价比高，适用于且满足国内大多数中小机场防跑道侵入的要求，对于保证机场安全防止发生跑道侵入具有重要意义。

2 基于机场联络道环境的摄像头类型选择

现在市面上的摄像头种类丰富，功能强大，选择一种适应机场运行环境，符合联络道采集信息要求的摄像头是预防跑道侵入的重要一环[3]。

目前主流摄像头按照视野范围分类分为：全景摄像头、云台摄像头、广角摄像头和普通摄像头。（表2）

表2 视野摄像头统计

按照安装样式分类分为：悬吊式、吸顶式、嵌入式和高杆式。

全景式摄像头不符合机场避障需求，不满足其安装条件。云台摄像头需人为操作，为机场管制人员既增加工作负担，又平添操作失误的几率，显然在运行过程中是非常突兀的。普通摄像头视野范围狭窄不适合采集飞机这种大物体的相关信息，所以在视野类型方面应选择广角摄像头。就安装方式而言，因空旷的道面区域没有可依附顶端设施，所以悬吊式和吸顶式摄像头并不符合机场的环境，高杆式摄像头自带支持设备，配置灵活，更容易达到信息采集的目标。

机场道面环境属于露天环境，水汽和灰尘是影响摄像头效率的重要因素，所以在道面环境安装的摄像头必须至少达到以下两个指标：

①完全防止外物侵入，虽不能完全防止灰尘进入，但侵入的灰尘量并不会影响设备的正常工作；

②防止来自各方向喷射出的水进入设备内造成损害。

摄像头采用的编码标准应符合压缩率更高，错误恢复性更高，延时性更少的要求，根据市面上流行的编码标准，H.265编码标准较为适合[4]。

3 地面保护区

根据国际民航组织的定义，跑道侵入是指在机场发生的任何航空器、车辆或人员错误的出现或存在于指定航空器着陆和起飞的地面保护区的情况[5]。

地面保护区包括起飞着陆用跑道、联络道上跑道等待位置标记延伸至跑道的区域、升降带中跑道中线两侧各75m范围内的土面区、升降带中的跑道两端向外延伸300m的安全区，根据该机场的飞行程序还应包括ILS敏感区、ILS临界区，如图1所示。

图1 机场地面保护区

根据ICAO定义的跑道侵入概念和地面保护区区域范围可见，防跑道侵入技术的关键就在于对在跑道运行或即将进入跑道的航空器信息的详细度和精准度。一般来说，根据跑道和联络道飞机的相对位置关系可以把航空器跑道侵入大体分为两类：

①在跑道正在被占用的情况下，联络道上滑行的飞机在未经管制员允许情况下穿越跑道等待位置影响跑道上正在起飞或降落航空器的运行；

②场面上有多条跑道，航空器正在穿越跑道的情况下，在跑道上的航空器在没有清空的跑道上运行起飞或着陆动作。

4 摄像头三维视野要求研究

在跑道侵入中，在联络道跑道等待线等待的航空器和跑道上运行中的航空器是重要的研究目标，是否能采集到全面的场面信息决定了管制员对飞行区运行情况的把握，进而影响机场的运行安全。

图2 为检测地面保护区域中航空器的摄像头，摄像头的有效检测范围如图所示，其中图2（a）为平视图，图2（b）为俯视图。考虑到机型不同，尺寸差异较大，假设机场运行的最小航空器长度为Lmin，高度为Hmin，主起落架外侧轮间距为Tmin，最大航空器长度为Lmax，高度为Hmax，主起落架外侧轮间距为Tmax，那么图中滑行道宽度应大于（Tmax+4.5）m，摄像头与联络道边线距离为L1，跑道入口等待线与跑道中线距离为L2，摄像头水平方向视角为θ，纵向视角为β1，仰角为α1，摄像头距离地面的高度为H1，则可得到约束关系：

图2 a平视图和b俯视图

式（1）表示在联络道侧边的摄像头监视视野能捕捉到的最小航空器最低高度的约束条件，式（2）表示在联络道侧边的摄像头监视视野能捕捉到的最大航空器最高高度的约束条件，式（3）表示在跑道道侧边联络道远边的摄像头监视视野高于捕捉到的最大航空器高度且无法捕捉到航空器，式（4）表示摄像头水平视野捕捉到最大航空器图像。

2021年6月21日成都天府机场开航，其跑道有三条，选取其中一条——西跑道02号跑道为例，如图3所示。已知西跑道02号跑道入口处的跑道等待线距跑道中线108m，联络道宽60m。假设定运行最小机型为A320，机身长度为31.45m，机身高度为12.56m，主起落架外侧轮间距为7.59m，最大机型为A380，机身长度为72.75m，机身高度为24.09m，主起落架外侧轮间距为12.56m。将数据代入约束条件中，可得滑行道摄像头需满足条件θ≥62.5°，β≥10.5°，α=11.3°，L1=60m，L2=108m。即所选的摄像头水平视角大于等于62.5°，纵向视角大于等于10.5°，仰角11.3°，摄像头距滑行道近侧边界距离大于45m，符合摄像头设置标准。

图3 天府国际机场02号跑道端参数图

5 结束语

本文在开始强调了跑道侵入问题的重要性，重述了一次跑道侵入的定义，提出强调防止跑道侵入事件的关键在于对进入联络道飞机的信息采集加强决策依靠。通过摄像头类型分析和地面保护区定义给出了图像获取设备要求，针对摄像头对不同结构联络道区域的信息采集策略大体总结成了量化公式，根据不同机场和不同规格的跑道描述了布局方法，并以天府国际机场的实际数据为例进行布局参数的计算。此设计解决了管制员对联络道中跑道等待区飞机信息模糊的问题，有效预防跑道等待飞机误入跑道的情况发生，对空中交通管理自动化有一定的正面意义。