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摘要：针对大型复杂机场场面运行存在安全、效率问题，研究攻克自动路由规划、冲突预警与解脱、滑行灯光引导等关键技术，研制国内首套具备ICAO A-SMGCS IV级标准的高级场面活动引导系统（A-SMGCS），提供对机场场面航空器和车辆的定位、识别和跟踪的监视服务、机场场面态势预警告警服务、路由规划服务、灯光引导服务，实现在所有天气条件下的机场空侧交通的安全、有序和高效运行。该系统成功应用于北京大兴机场，支撑其成为全球首个实现全场、全天候灯光引导的机场，技术水平国内领先、国际先进。
关键词：A-SMGCS IV级；灯光引导；路由规划；安全支持
Overall Design of Advanced Scene Activity Guidance System in Daxing Airport
DONG Shoujie
(North China Regional Air Traffic Management Bureau.CAAC,Beijing 100621)
【Abstract】：In view of the safety and efficiency problems existing in the surface operation of large and complex airports,this paper studies and overcomes the key technologies such as automatic route planning,conflict early warning and relief,taxi light guidance,and develops the first set of advanced surface activity guidance system(A-SMGCS)with ICAO A-SMGCS level IV standard in China,so as to realize the situation monitoring,alarm control and Route planning and aircraft taxiing light guidance to improve the safety and efficiency of surface operation.It has successfully applied the all-weather lighting system in Beijing airport and become thefirst all-weather support system in the world.
【Key words】：A-SMGCS IV;light guidance;routing planning;conflict warning
0引言
我国航空运输业处于高速发展期，国内机场规模越来越大，例如北京大兴机场具有“三纵一横”4条跑道，多跑道双塔台运行，航班流量大，场面运行极其复杂，存在着滑行道冲突、跑道侵入等运行风险，给航空器起飞、降落带来巨大的安全隐患，同时也面临低能见度运行，减少航班延误，提高场面运行效率的挑战。亟需研制机场高级场面活动引导系统（A-SMGCS），对机场场面航空器和车辆密集交通流进行自动化监控，智能管制疏导，保障机场航班安全、高效起降运行。国务院、民航局高瞻远瞩，从“四型机场”“四强空管”高标准要求出发，规划建设A-SMGCSⅣ级场面管理系统，支撑大兴机场场面运行安全、高效、协同运行。
1方案设计
1.1总体设计思路
北京大兴机场具有“三纵一横”4条跑道（远期规划“四纵两横”6条跑道），多跑道双塔台运行，航班流量大，场面运行极其复杂。为建设国际一流面向塔台管制用户的场面管理系统，打造一号“标杆”工程，从“四型机场”“四强空管”高标准要求出发，创新采用“集成塔台”理念建设协同、集成、一体化的高级场面活动引导与控制系统（A-SMGCS），攻克场面监视假目标、航迹跳变、冲突预警与解脱、滑行灯光引导等技术难题，提供场面监视服务、机场场面态势预警告警服务、路由规划服务、灯光引导服务四大服务能力，到达ICAO A-SMGCS IV级标准（目前最高等级），技术水平国内领先、国际先进。并且系统能够与同期建设的空管自动化系统、流量管理系统实现交互，支撑大兴机场进近、机场塔台、机坪协同高效运行，充分发挥整体效能。
1.2系统总体设计
高级场面活动引导系统（A-SMGCS）引接、处理、集成监视信息、飞行计划信息、航班信息、助航灯光信息、停机位信息、气象信息、管制信息等机场场面交通多元信息，通过对航空器、车辆等活动目标的多源监视信息综合处理，路径规划处理，交通态势预警告警处理，自动滑行引导处理，提升机场场面自动化管理水平，到达国际民航组织（ICAO）规范的A-SMGCS IV级标准[1]。能够实现降低跑道入侵、场面航班滑行冲突等不安全事故发生，提高场面运行安全；基于系统生成的优化的滑行路径，对机场助航灯光系统进行控制，自动开关滑行道中线灯、停止排灯，引导航空器跟随绿灯滑行，提高场面运行效率，降低塔台管制员工作负荷，尤其是在低能见度下机场运行容量、效率、安全，保证航班正点率，降低航班延误率[2]。从而保障机场在高密度航班流量、复杂机场环境下全天候运行，显著增强机场安全保障能力，大幅度提升机场运行容量与效率。
系统组成如图1所示。
系统主要功能：
（1）多源监视融合处理功能。系统对来自非合作目标传感器（如场面监视雷达（SMR）、进近雷达）和合作目标传感器（如多点相关监视（MLAT、广播式自动相关监视（ADS-B））系统信息通过数据融合过程与活动目标相结合，为用户提供机场场面覆盖范围内检测到的所有对象的全部监视数据，定位和识别管制员责任区内的目标，验证飞行机组人员/车辆驾驶员位置报告与人机界面上显示的信息，发现不合法的入侵目标。
（2）路径规划处理功能。系统接收来自机场场面航空器和车辆等所有活动目标的监视服务的位置和标识信息，获取活动目标的停机位、预期等待点、预定义跑道和预测跑道出口、运行规则等数据，在覆盖范围内为计划运行或运行的活动目标提供起点到终点的路由，并可随机场场面跑道、滑行道关闭等变化信息自动变化，管制员对生成的滑行路径能够手动进行修改。
（3）场面态势预警告警处理功能。系统根据监视信息输出、活动目标信息和机场运行状态数据，预测潜在的冲突，探测冲突和入侵风险，探测不遵循管制指令的目标，提供提醒和告警信息报告，使管制员能够防止管制员、机组人员或车辆驾驶员操作错误或偏差造成的危险和不安全事件[3]。
（4）场面灯光智能引导处理功能。系统根据机场航空器和车辆的滑行路线、当前位置和标识、机场配置、滑行道中线灯和停止排灯的状态等数据，决策何时何地激活哪些灯，并向助航灯光控制系统发送适当的命令，自动切换滑行道中线灯和停止排灯，保持运行间隔，避免冲突和死锁，引导航空器和车辆跟随绿灯滑行。
1.3关键技术攻关
1.3.1智能滑行路由规划技术
针对大型机场跑道等场面资源紧张、移交点多、规则复杂多样导致路径规划难、运行效率低的问题，针对进场、场面、离场不同的航班运行阶段，基于多目标优化建模，设计了多因素循环路径算法，提出了进离场一体化路径规划方法，基于四维轨迹预测模型，提出了基于速度剖面拟合的航空器场面滑行四维轨迹预测的方法，突破了大型机场场面路径规划技术，提高了运行效率，平均减少航空器滑行时间3分钟/架次。主要关键技术如下：
（1）进离场一体化路径规划方法。针对即将进离港航班，建立了基于空中优先或离场优先策略的进港、离港、时隙分配模型，考虑管制移交限制、流量限制等约束条件，结合场面运行规则，提出基于航班时刻优化的跑道分配算法，针对滑行时间最短、滑行路径最少及旅客感受最优的目标优化需求，将机场环境结构化剖析，形成含点、线、面的二维网络图，对路径循环扫描计算、比对，为航空器和车辆构建符合优化目标、机场环境、运行规则、尾流间隔的路径，如图2所示。
（2）基于四维轨迹预测模型的动态路径规划方法。针对推出或落地航班，基于活动目标运动特征的历史四维轨迹模型库，增加速度、加速度、转弯次数、坡度、低能见度条件、跑道类型、滑行道类型、机型、尾流类别等权重，结合活动目标当前监视信息和未来交通趋势信息，生成无冲突的时间窗向量，提供活动目标滑行时长加滑行距离加旅客感受的最优解滑行路径，有效减少了航班滑行时间。
1.3.2复杂机场场面滑行冲突快速预警技术
针对大型机场多跑道密集运行、场面交通环境动态多变等导致跑滑冲突风险高，难以及时、准确告警的问题，提出了基于热区计算的场面安全态势快速生成方法，突破机场场面冲突预警技术，对跑道入侵、穿越跑道、交叉道口冲突、落错跑道等重要场景下的平均预警时间由1s提前到2.5s，告警探测概率大于99.9%。
基于热区计算的场面安全态势快速生成方法，基于计算机对已经分配的路由进行实时计算，找出潜在的冲突可能，并结合当前航空器的位置、速度、飞行计划等数据进行快速的冲突计算，自动探测航空器冲突发生的时间和位置，设置“热区”，给出避让方案，并且允许管制员对避让方案进行人工干预。解决当前航空器场面引导和冲突避让完全依靠人工观察，存在人为误差、反应时间较长，进而效率降低，影响运行安全问题。
1.3.3智能灯光引导技术
系统基于活动目标管制许可的路线和灯光控制决策模型，向助航灯光系统发送合适的指令，自动切换滑行道中线灯和停止排灯，自动引导航空器跟随绿灯滑行，有效降低了大型繁忙机场管制员工作负荷，尤其对雾、霾等低能见度天气条件运行发挥巨大的作用，提高了管制效率。
系统在分析、总结国内外助航灯光的建设和使用方法的基础上，构建了基于离散事件监控理论的灯光控制决策装置，并重点对滑行道交叉口停止排灯和直线段中线灯控制的自动决策技术、以及面向直线段对头冲突控制的灯光协调控制技术进行了研究。如图3所示为基于离散事件监控理论的场面助航灯控制决策结构，由如下的几部分构成：（1）需要被引导与控制的航空器；（2）不断报告航空器位置及速度的传感器；（3）实现场面活动引导的助航灯及其控制系统；（4）利用传感器信息进行决策，并通过助航灯执行实现最大安全性的助航灯反馈控制器。该反馈控制器主要分为三个部分，包括Petri网控制器、位置辨识器和响应决策器三部分。在场面助航灯控制决策过程中，根据滑行位置辨识器感应活动目标是否通过滑行道交叉口，结合航空器和车辆的路由、实时监视信息及灯光状态信息，给出滑行道中线灯和停止排灯联动切换命令，由响应决策器将命令发送给助航灯光控制系统，自动对滑行道中线灯和停止排灯点亮或关闭，引导航空器和车辆跟随绿灯滑行。
该技术成功控制大兴机场机场飞行区内309个停止排灯组，和2053中线灯光段共17980个中线灯，实现了航空器滑行、停止和穿越交叉口的自动智能灯光引导，代表全球机场场面交通管制自动化最高技术水平。
2应用实例
2019年9月25日，随着大兴机场正式投运，研制的具有Ⅳ级灯光引导能力的高级场面活动引导系统（ASMGCS）正式启用运行。25日下午系统陆续对七个航空公司包括南航CZ3001（A380）等数十架飞机的起落进行灯光引导滑行，场面灯光引导状态稳定，运行正常，支撑北京大兴机场成为全球首个实现全场、全天候灯光引导的枢纽机场。至目前为止系统已经平稳运行1年半，支撑日900余架次航班场面监控、告警控制、自动路由规划及灯光引导，系统运行稳定，状态良好。
系统可同时处理的航迹数≥800批，在覆盖区域内，系统能够监视大兴机场机动区域的所有移动物体，系统的跟踪容量满足500架飞机和300辆地面运行车辆，告警探测概率大于99.9%，告警监测概率大于99.9%；虚警概率低于0.1%。总体性能指标国内领先，国际先进。系统基于系统智能自动生成的路由，以及航空器、车辆的实时态势，通过与灯光监控系统交互控制灯光状态，对航空器和车辆进行引导和控制。如图4所示，系统统一控制大兴机场飞行区内309个停止排灯组，和2053中线灯光段共17980个中线灯。该系统通过灯光段/单灯引导方式实现对航空器滑行引导，系统对航空器滑行的路径自动作出最优规划，并逐次控制打开航空器前方若干滑行道中线的灯光段/单灯，关闭已滑过灯光段/单灯，飞行员只需跟随灯光（绿灯）指引即可操纵航空器到达对应停机位或跑道起飞位置。停止排灯主要用于滑行冲突控制解脱和预防跑道侵入事件发生，停止排灯类似与公路交通信号灯，红灯停、绿灯行，简洁明晰，指示飞行员实现停止或滑行，实现航空器滑行冲突解脱和降低跑道侵入事件发生，如图5所示。采用该种智能灯光引导技术，大幅降低管制员与飞行员语音通话，降低语音通话错误，显著提高场面运行安全和效率，降低人员的工作负荷。在低能见度下，采用灯光引导航空器滑行，可极大极高机场运行容量、效率、安全，保证航班正点率，降低航班延误率。同时通过替代引导车，较少机场运行费用。
3总结展望
北京大兴机场高级场面活动引导系统（A-SMGCS）首次采用“集成塔台”理念建设，实现塔台管制系统运行集成式、一体化。攻克了自动路由规划、冲突预警与解脱、滑行灯光引导等技术难题，实现关键技术自主可控，打破国际垄断，实现机场场面管理全面自动化，提供覆盖范围内所有活动目标的精准定位、识别和跟踪，交通态势的快速预警告警，路由的智能规划，航空器和车辆的自动灯光引导，到达ICAO A-SMGCS IV级标准，支撑北京大兴机场成为全球首个实现全场、全天候灯光引导的机场，技术水平国内领先、国际先进。系统成功投入运行，成为了行业建设的全球标杆，实现技术和发展引领，给国内空管和机场用户吃了定心丸，国内其他机场对先进的Ⅳ级A-SMGCS系统的建设需求显著提升，系统将在国内广泛推广使用，将产生更多的经济、社会效益，助力我国“四型机场”“四强空管”建设。
参考文献
[1]ICAO.Doc 9830 AN452.Advanced Surface Movement Guidance and Control Systems(A-SMGCS)Manual[S].Montreal,Canada:International Civil Aviation Organization,2004.
[2]中国民航局.MH/T4042-2014,高级地面活动引导与控制自动化系统技术要求[S].北京:中国民航局,2014.
[3]王振飞,黄琰,靳学梅.集成式预防跑道侵入技术及应用[J].中国民用航空,2020(10):53-55.
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