唐寧，李彥冬，程潔，曾旭

(中國民航飛行學院，四川廣漢，618300)

0 引言

安全始終是民航業(yè)的首要問題。隨著現(xiàn)代民航業(yè)以資本密集、技術(shù)密集和高風險為標志的高度規(guī)模化發(fā)展，現(xiàn)在和未來的地面交通安全已經(jīng)成為了一個更受重視并且更關(guān)鍵的問題。機場場面面臨的環(huán)境復雜多變，因此與跑道入侵相關(guān)的交通安全問題高發(fā)，極易造成飛機沖出跑道、復飛和碰撞等不安全事件。為了最大限度規(guī)避風險，本文針對國內(nèi)外學者對預防跑道入侵(Runway Incursion，RI)相關(guān)方法進行研究。

國際民用航空組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）定義的跑道入侵概念為：在機場中發(fā)生的任何涉及錯誤的出現(xiàn)在用于飛機起飛和降落的保護區(qū)表面的飛機，車輛以及行人的事件。美國聯(lián)邦航空局（Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA）則定義為：在機場發(fā)生的任何涉及地面上的飛機、車輛、人員或物體的事故，造成碰撞危險，或?qū)е嘛w機在起飛、準備起飛、降落或準備降落時失去與地面的距離。為了進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所示四個類型。

跑道入侵問題已成為威脅機場運行安全的最主要原因之一，也是提高機場運行安全的關(guān)鍵。ICAO分別在2004年和2006年發(fā)布了《先進的場面活動引導和控制系統(tǒng)手冊》（Doc9830）和《防止跑道入侵手冊》（Doc9870），對跑道入侵問題要求更嚴格和規(guī)范。目前國內(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)化安全問題的基礎上，才有更大空間考慮效益和環(huán)境保護問題，才能跳出安全與效益博弈的命題。因此，跑道入侵是當下必要解決的問題。

表格1 美國聯(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)系強度和相互作用機制[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

基于事件序列的評估方法，是利用著名的事件樹建模。多智能體動態(tài)風險模型(Multi-agent Dynamic risk Model，MA-DRM) 是基于agent建模、混合Petri網(wǎng)和罕見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估方法能夠捕捉到系統(tǒng)中更多的問題，更值得深入研究[5]。

每個機場運行的機型、跑道運行模式等都有不同，很難找到系統(tǒng)規(guī)律，導致傳統(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)分析是一種通過灰色關(guān)聯(lián)度來分析和確定系統(tǒng)各因素之間的影響程度或各因素對系統(tǒng)主要動作的貢獻程度的方法?；疑P(guān)聯(lián)法[6]成功減少了數(shù)據(jù)需求量和計算量。用上述方法將影響因素進行分層分類，方便后續(xù)對風險向不同層面?zhèn)鬟f的方式、傳輸路徑的攔截方法、跑道入侵控制系統(tǒng)強化等進行研究。

2 跑道入侵特點分析

機場跑道入侵存在諸多特征，這些特征是檢測系統(tǒng)和避免策略發(fā)展的風向標。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

入侵危險性極高，使其成為每個機場首要解決的問題。從來源分析，操縱失誤需要花費大量的管制員精力去進行監(jiān)督，在關(guān)鍵道口設置報警器可以解決這個問題。報警器需要提供不正確時間段內(nèi)進入跑道保護區(qū)的告警，還需要根據(jù)數(shù)據(jù)鏈接來關(guān)注入侵目標動態(tài)，在下一個需要占用跑道的航空器到達之前判斷目標是否還在保護區(qū)內(nèi)。另外，機場所有參與人員尤其是領導的安全意識是解決跑道入侵的根本方法之一。在機場由上至下進行安全管理教育、宣揚安全文化、定期進行安全培訓是必要的?；谌肭终叽笮?、顏色和邊界特征，視頻監(jiān)控和圖像識別技術(shù)似乎是簡單有效的方法。但根據(jù)入侵類別分析，跑道入侵者大多是移動目標，使得圖像識別難度加大。入侵者移動特性也有優(yōu)勢，早期針對移動目標的檢測系統(tǒng)取得過一定成效。但高速度和靜止的目標是存在的，安全隱患并未徹底消除。總之，防止跑道入侵更關(guān)注視覺警告，防止飛行員誤聽帶來的操作失誤；關(guān)注靜止或速度大的目標，可能用高速攝像機完成對高速移動物體的拍攝，或是利用多點定位技術(shù)以掌控入侵者位置。

3 防范跑道入侵的方法

跑道入侵預測和檢測都至關(guān)重要，但預測避免優(yōu)于檢測調(diào)控。預測功能關(guān)注整個人在回路相關(guān)因素的挖掘，以及計算因素影響力加權(quán)。廣義加性模型 (Generalized Additive Model，GAM) 是一種用來探測非線性回歸影響的統(tǒng)計模型。GAM擁有強大的自由度和靈活性，在廣泛的建模分布中對許多變量幾乎沒有限制。基于對GAM的杠桿老化研究，一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的高級統(tǒng)計學習和預測解決方案可以系統(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算程序，以自動選擇突出因素，以實現(xiàn)最佳的GAM與強大的預測能力[7]。檢測的難度在于進近起降飛機速度快、停放的車輛和飛機速度為零。YOLO檢測器(You Only Look Once Detectors，YOLO)[8]可優(yōu)化高速和靜止目標的跑道入侵探測。跑道入侵檢測算法(Runway Incursion Detection Algorithm，RIDA)[9]是目前較為成熟的監(jiān)視算法，被利用于實現(xiàn)先進場面活動引導控制系統(tǒng)(Advanced Surface Movement Guidance Control System，A-SMGCS)的場面監(jiān)視功能，其功能實現(xiàn)如圖1所示。通過輸入入侵保護區(qū)和交通活動狀態(tài)信息，系統(tǒng)輸出實時的交通信息，并對可能的跑道入侵提供告警。為管制員增強態(tài)勢感知，補充引導提示。

圖1 RIDA系統(tǒng)功能流程

在預測和檢測之外，場面的可視化設備操作性更強，是避免跑道入侵的最直接手段和最有效方法。早在1991年提出的機場地面交通自動化系統(tǒng)(Airport Surface Traffic Automation，ASTA)[10]就設想研究出能夠提供視覺和聽覺共同警告、足以實現(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、識別目標并規(guī)劃顯示最優(yōu)滑行路線等功能。

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

4 檢測系統(tǒng)終端設計

自動化、智能化和簡明化是未來檢測系統(tǒng)的共同特征。多點相關(guān)定位系統(tǒng)(Multilateration，MLAT)的原理是飛機自身發(fā)出信號，利用多個地面定位基站之間接收信號的時間差計算得到飛機當前位置。它由場面監(jiān)視系統(tǒng)和進近監(jiān)視系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)組成，類似一個放在地面的GPS定位系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)定位后，首先判斷保護區(qū)內(nèi)目標數(shù)目和種類，再判斷被定位目標是否為正?；顒幽繕嘶蚰繕苏；顒邮欠駮桓蓴_，隨后選擇給出告警提示或不告警，隨后進行新一輪定位，及時提供目標實時定位。無論是否告警都會進行新一輪的實時定位。

判斷的標準是依據(jù)事先設置的飛機正常狀態(tài)與不正常狀態(tài)組合。例如：當目標為飛機時，部分（兩個正常狀態(tài)可以出現(xiàn)在同一個保護區(qū)內(nèi)，例如落地在跑道滑行的飛機和正在上跑道等待起飛的飛機）兩個正常狀態(tài)出現(xiàn)在同一個入侵保護區(qū)或者有一個不正常狀態(tài)即報警，當保護區(qū)內(nèi)僅有一個正常狀態(tài)時不報警。當目標為車輛時，不允許保護區(qū)內(nèi)出現(xiàn)飛機目標。流程圖如圖3所示。

圖3 告警信息產(chǎn)生原理

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

圖4 入侵告警處理回路

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

5 結(jié)束語

高自動化和簡明的終端可以有效提高管制員工作效率。本文針對跑道入侵原因、檢測系統(tǒng)和避免方法做了研究，突出了RI特征和探測發(fā)展的要點，并對管制員終端做了簡要設計。未來，通過交通信息和地理信息的導入，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