一种机场场面数字化引导系统及方法

技术领域

本发明属于机场场面运行管理技术领域，具体涉及一种机场场面数字化引导系统及方法时。

背景技术

随着机场飞机起降量增加以及多跑道机场越来越多，机场场面飞机、车辆交通运行复杂度显著增加，为避免危险接近、碰撞等运行冲突，机场目前主要采用引导车(followme)引导飞机从空管与机坪移交点到停机位。随着技术的发展，自20世纪90年代后，部分国家提出了采用高级场面活动引导及控制系统(A-SMGCS)控制安装在机场道面的滑行道中心、停止排灯的亮、灭实现飞机滑行引导(简称“灯光引导”)。目前该引导方式已在北京大兴国际机场等少数几个机场实现，一定程度上提高了场面滑行安全和效率。

目前机场场面运行引导采用引导车引导、灯光引导的方式，存在很多缺点。引导车引导方式存在人工调度人工驾驶工作负荷高、易“错忘漏”、指挥调度效率低、冲突风险预警仅靠目视安全性低等问题。灯光引导方式也存在很多问题，灯光引导需要机场提前建设大量机场助航灯光设备及监控系统，高成本、长周期、难维护；并且灯光开关延迟会减低运行效率；仅在管制员端显示场面运行态势，不能实现飞行员、车辆驾驶员、管制员共同的态势感知和风险预警，不能向飞行员、车辆驾驶员提供丰富的引导提示信息，存在信息不共享、降低运行安全、效率和体验度等问题。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种机场场面数字化引导系统及方法，以解决现有技术中机场场面运行引导采用灯光引导、引导车引导的方式所带来的诸多问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种机场场面数字化引导系统，包括：引导处理控制中心系统、机载数字化引导终端；所述引导处理控制中心系统与所述机载数字化引导终端通过无线网络进行数据传输；

所述引导处理控制中心系统，包括：输入接口模块、机/车协同路径规划模块、告警处理模块、冲突解脱控制模块、实时导航信息生成模块及通信模块；

输入接口模块，用于接收高级场面活动引导及控制系统发送的活动目标综合航迹、航班计划、飞机滑行规划路径、场面限制区的数据，并进行解析、处理后形成需求格式数据；

机/车协同路径规划模块，用于规划车辆行驶路径，生成全场活动目标路径规划数据，即规划路径；

告警处理模块，用于根据所述活动目标综合航迹中活动目标的位置、速度、运动方向，航班计划及飞机滑行规划路径，对不安全事件进行告警处理，产生相应的告警信息；

冲突解脱控制模块，用于对存在运行冲突的飞机、车辆进行冲突解脱处理，并生成冲突解脱控制指令信息；

实时导航信息生成模块，根据活动目标综合航迹、规划路径、告警信息、冲突解脱控制命令信息，结合3维矢量GIS机场地图，在地图上实时生成显示活动目标位置及趋势、已行进路径/未行进规划路径、告警信息、导航图形化指示标记、冲突解脱停止/前进图形化标记；

通信模块，用于与所述机载数字化引导终端进行无线通信；

所述机载数字化引导终端，包括：用户订阅模块、实时导航地图生成显示模块及导航语音播报模块；

用户订阅模块，用于对飞行员、车辆驾驶员的用户身份进行安全认证，并针对用户选择绑定的航班号或车辆编号，向引导处理控制中心系统订阅以获得本航班或车辆信息、相关的航班或车辆信息；

实时导航地图生成显示模块，用于将获得的本航班或车辆信息、相关的航班或车辆信息，与3维矢量GIS机场地图结合，生成实时导航地图显示；

导航语音播报模块，其用于实现飞机/车辆在行进引导、冲突解脱避让过程中导航信息转化为音频数据，供飞行员、车辆驾驶员导航信息播报使用。

进一步地，所述机/车协同路径规划模块以高级场面活动引导及控制系统发送的飞机滑行规划路径优先为原则，以车辆服务车道、滑行道、限制区、服务任务计划、场面运行规则为约束因素，规划车辆行驶路径，生成全场活动飞机、车辆路径规划数据。

进一步地，所述不安全事件包括：运行冲突、飞机滑行偏离路径、跑道侵入、限制区侵入、停机位冲突、超速。

进一步地，所述冲突解脱处理按照飞机优先、VIP航班优先、同类型航班先到先服务的原则产生冲突对中某一目标停止，另一目标前进的控制指令信息。

进一步地，所述本航班或车辆信息包括：航班号或车辆编号、活动目标位置/速度/航向、航班计划、规划路径、告警信息、冲突解脱控制命令信息；所述相关的航班或车辆为前序航班、距离本航班或车辆小于参数值范围的航班或车辆；所述相关的航班或车辆信息包括：航班号或车辆编号、活动目标位置/速度/航向、航班计划。

进一步地，所述实时导航地图显示内容包括：背景地图，本航班或车辆位置及趋势、已行进路径/未行进规划路径、告警、导航图形化指示标记、冲突解脱停止/前进图形化标记，相关的航班或车辆标识、位置、前序航班标志。

进一步地，所述导航信息播报内容包括：行进路径播报、交叉口指引、等待、停止、继续前进、告警。

本发明的一种机场场面数字化引导方法，基于上述系统，步骤如下：

1)接收高级场面活动引导及控制系统发送的综合航迹、航班计划、飞机滑行规划路径、场面限制区数据，并进行解析、处理后形成需求格式；

2)将高级场面活动引导及控制系统地图与机载数字化引导终端地图标定坐标对准处理；

3)生成全场活动目标(飞机、车辆)路径规划数据，即规划路径；

4)对不安全事件进行告警处理，产生相应的告警信息；

5)针对活动目标运行冲突事件，进行冲突解脱处理，并产生冲突解脱控制指令信息；

6)生成全局实时导航信息；

7)向机载数字化引导终端发送全局实时导航信息；

8)机载数字化引导终端导航信息订阅、显示、语音播报。

进一步地，所述步骤2)具体包括：

21)高级场面活动引导及控制系统采用CAD平面地图，机载数字化引导终端采用3维矢量GIS机场地图(为解决A-SMGCS系统与机载数字化引导终端所用2套地图显示坐标不一致问题，通过人工勘测跑道头、跑道中心点等至少4个点精确经纬度数据对A-SMGCS系统使用地图进行人工标定对准)；

22)将高级场面活动引导及控制系统的地图文件解析，统一转存为GeoJSON数据，并在机载数字化引导终端采用3维矢量GIS机场地图形式展示。

进一步地，所述步骤3)具体包括：

31)将机载数字化引导终端场面地图，抽象成一个由点和有向线段弧构成的二维网络图G＝(V,E)，其中V为点集，E为有向线段弧集；

32)将高级场面活动引导及控制系统的飞机滑行规划路径进行解析，形成点和有向线段弧集，且与所述二维网络图匹配处理；

33)以高级场面活动引导及控制系统发送的飞机滑行规划路径优先为原则，基于改进的Dijkstra算法，以车辆服务车道、滑行道、限制区、服务任务计划、场面运行规则、机场设置默认车辆行驶路径为约束因素，以最短路径同时兼顾冲突最少为规划目标，规划车辆行驶路径。

进一步地，所述步骤33)中的改进的Dijkstra算法路径规划具体包括：

设计使用边界矩形筛选方法对路由关键点进行筛选，具体包括：

在机场场面二维网格图G＝(V,E)中，假设每条边E[i]的长度为w[i]，得到由顶点V0到其余各点的最短路径；

设G＝(V,E)是一个带权有向图，把图中顶点集合V分成两组，第一组为已求出最短路径的顶点集合(用S表示，初始时S中只有一个源点，以后每求得一条最短路径,就将加入到集合S中，直到全部顶点都加入到S中，算法就结束了)，第二组为其余未确定最短路径的顶点集合U，按最短路径长度的递增次序依次把第二组的顶点加入S中；在加入的过程中，保持从源点V到S中各顶点的最短路径长度不大于从源点V到U中任何顶点的最短路径长度；每个顶点对应一个距离，S中的顶点的距离就是从V到此顶点的最短路径长度，U中的顶点的距离，是从V到此顶点只包括S中的顶点为中间顶点的当前最短路径长度；

建立一个虚拟区域，该区域是一个四边形，以两点为对角顶点，并向外扩一定的余量(可以通过经验参数设置)；运用地理关系运算，得出包含在此区域内的关键点和弧段；在进行地理关系运算时，选择地理坐标在此区域内的关键点形成新的关键点集合，和所述关键点相关联的弧段形成新的弧段集合，再对所述关键点和弧段运用Dijkstra算法进行路径优化，简化关键点和弧段数量。

进一步地，所述步骤4)具体包括：

基于高级场面活动引导及控制系统的综合航迹中活动目标的位置、速度、运动方向，以及航班计划、规划路径，分别对包括运行冲突(飞机分别与飞机、车辆运行冲突)、飞机滑行偏离路径、跑道侵入、限制区侵入、停机位冲突、超速的不安全事件进行告警处理，产生相应的告警信息。

进一步地，所述步骤4)中运行冲突告警处理具体包括：

运行冲突处理能够依据飞机/车辆综合航迹中的位置、速度、运动方向，以及飞机滑行路径规划参数数据，建立飞机与飞机之间、飞机与车辆之间的EVENT冲突碰撞模型进行冲突计算，当达到冲突阈值时，产生冲突告警。

进一步地，所述步骤5)具体包括：

针对飞机与飞机、飞机与车辆之间的运行冲突，按照飞机优先、VIP航班优先、同类型航班先到先服务的原则产生冲突对中某一目标停止，另一目标前进的冲突解脱控制指令信息，该控制指令发送至人机界面图形化显示，提醒飞行员、车辆驾驶员做停止、前进操作，实现冲突规避。

进一步地，所述步骤6)具体包括：

依据活动目标运行位置/速度/航向、规划路径、告警信息、冲突解脱控制指令，结合3维矢量GIS机场地图，在地图上实时生成显示所有活动目标位置及趋势、已行进路径/未行进规划路径、告警信息、导航图形化指示标记、冲突解脱停止/前进图形化标记。

进一步地，所述步骤8)具体包括：

81)选择飞行员、车辆驾驶员对应绑定的航班号或车辆编号，向引导处理控制中心系统订阅获得本航班或车辆、相关的航班或车辆的信息；

82)将订阅的本航班或车辆、相关的航班或车辆的信息，与3维矢量GIS机场地图相结合，生成实时导航地图显示；

83)将飞机/车辆在行进引导、冲突解脱避让过程中导航信息转化为音频数据，供向飞行员、车辆驾驶员导航信息播报使用。

进一步地，所述步骤81)具体包括：

所述本航班或车辆信息包括：航班号或车辆编号、活动目标位置/速度/航向、航班计划、规划路径、告警信息、冲突解脱控制命令信息；所述相关的航班或车辆为前序航班、距离本航班或车辆小于参数值范围的航班或车辆；所述相关的航班或车辆信息包括：航班号或车辆编号、活动目标位置/速度/航向、航班计划。

进一步地，所述步骤82)具体包括：

所述实时导航地图显示内容包括：背景地图，本航班或车辆位置及趋势、已行进路径/未行进规划路径、告警信息、导航图形化指示标记、冲突解脱停止/前进图形化标记，相关的航班或车辆标识、位置、前序航班标志。

进一步地，所述步骤83)具体包括：

所述导航信息播报内容包括：行进路径(滑行道编号、车道编号)播报、交叉口指引(到交叉口距离、转弯方向)、等待、停止、继续前进、告警(冲突、跑道侵入、限制区侵入、偏离滑行路径、超速等告警)。

本发明的有益效果：

本发明实现了对机场场面运行的飞机、车辆进行数字化的滑行引导和控制信息指引，以及场面态势和信息共享、导航数字地图灵活显示、全面的引导信息显示与播报；相较于现有的灯光引导、引导车引导等方式具备信息共享全面、导航数字地图灵活显示、低成本、周期短、易部署、易维护等特点，提高机场场面引导运行安全、效率。

本发明的系统具备机/车协同路径规划能力，实现了机场场面飞机、车辆全面的行进路径规划，为后续引导提供了坚实的基础；提供了A-SMGCS系统地图与机载数字化引导终端地图标定坐标对准方法，解决了目前行业内不同系统之间不同类型地图对准效果不好，造成系统之间航迹、行驶路径显示错位问题；具备飞机、车辆运行冲突探测与解脱能力，实现引导过程中快速的冲突规避；具备基于3维矢量GIS机场地图结合活动目标运行位置/速度/航向、规划路径、告警、冲突解脱控制命令信息实时生成导航地图信息，并通过5GAeroMACS通信向机载数字化引导终端发送，实现实时场面态势和信息共享、导航数字地图灵活显示、全面的引导信息显示与播报，为飞机、车辆提供数字化的滑行引导和控制信息指引。

附图说明

图1为本发明系统的原理框图。

图2为本发明方法的原理图。

图3为机场场面二维网格示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1所示，本发明的一种机场场面数字化引导系统，包括：引导处理控制中心系统、机载数字化引导终端；所述引导处理控制中心系统与所述机载数字化引导终端通过无线网络(5G AeroMACS(Aeronautical Mobile Airport Communications System机场航空移动通信系统))进行数据传输；

所述引导处理控制中心系统，包括：输入接口模块、机/车协同路径规划模块、告警处理模块、冲突解脱控制模块、实时导航信息生成模块及通信模块；

输入接口模块，用于接收高级场面活动引导及控制系统发送的活动目标(飞机、车辆)综合航迹、航班计划、飞机滑行规划路径、场面限制区的数据，并进行解析、处理后形成需求格式数据；

机/车协同路径规划模块，用于规划车辆行驶路径，生成全场活动目标(飞机、车辆)路径规划数据，即规划路径；

其中，所述机/车协同路径规划模块以高级场面活动引导及控制系统发送的飞机滑行规划路径优先为原则，以车辆服务车道、滑行道、限制区、服务任务计划、场面运行规则为约束因素，规划车辆行驶路径，生成全场活动飞机、车辆路径规划数据；

告警处理模块，用于根据所述活动目标综合航迹中活动目标的位置、速度、运动方向，航班计划及飞机滑行规划路径，对不安全事件进行告警处理，产生相应的告警信息；

其中，所述不安全事件包括：运行冲突(飞机与飞机、车辆运行冲突)、飞机滑行偏离路径、跑道侵入、限制区侵入、停机位冲突、超速；

冲突解脱控制模块，用于对存在运行冲突的飞机、车辆进行冲突解脱处理，并生成冲突解脱控制指令信息；

其中，所述冲突解脱处理按照飞机优先、VIP航班优先、同类型航班先到先服务的原则产生冲突对中某一目标停止，另一目标前进的控制指令信息。

实时导航信息生成模块，根据活动目标综合航迹、规划路径、告警信息、冲突解脱控制命令信息，结合3维矢量GIS机场地图，在地图上实时生成显示活动目标位置及趋势、已行进路径/未行进规划路径、告警信息、导航图形化指示标记、冲突解脱停止/前进图形化标记；

通信模块，用于与所述机载数字化引导终端进行无线通信；

所述机载数字化引导终端，包括：用户订阅模块、实时导航地图生成显示模块及导航语音播报模块；

其中，所述实时导航地图显示内容包括：背景地图，本航班或车辆位置及趋势、已行进路径/未行进规划路径、告警、导航图形化指示标记、冲突解脱停止/前进图形化标记，相关的航班或车辆标识、位置、前序航班标志；

用户订阅模块，用于对飞行员、车辆驾驶员的用户身份进行安全认证，并针对用户选择绑定的航班号或车辆编号，向引导处理控制中心系统订阅以获得本航班或车辆信息、相关的航班或车辆信息；

其中，所述本航班或车辆信息包括：航班号或车辆编号、活动目标位置/速度/航向、航班计划、规划路径、告警信息、冲突解脱控制命令信息；所述相关的航班或车辆为前序航班、距离本航班或车辆小于参数值范围的航班或车辆；所述相关的航班或车辆信息包括：航班号或车辆编号、活动目标位置/速度/航向、航班计划；

实时导航地图生成显示模块，用于将获得的本航班或车辆信息、相关的航班或车辆信息，与3维矢量GIS机场地图结合，生成实时导航地图显示；

导航语音播报模块，其用于实现飞机/车辆在行进引导、冲突解脱避让过程中导航信息转化为音频数据，供飞行员、车辆驾驶员导航信息播报使用。

其中，所述导航信息播报内容包括：行进路径(滑行道编号、车道编号)播报、交叉口指引(到交叉口距离、转弯方向)、等待、停止、继续前进、告警(冲突、跑道侵入、限制区侵入、偏离滑行路径、超速等告警)。

参照图2所示，本发明的一种机场场面数字化引导方法，基于上述系统，步骤如下：

1)接收高级场面活动引导及控制系统发送的综合航迹、航班计划、飞机滑行规划路径、场面限制区数据，并进行解析、处理后形成需求格式；

2)将高级场面活动引导及控制系统地图与机载数字化引导终端地图标定坐标对准处理；

21)高级场面活动引导及控制系统采用CAD平面地图，机载数字化引导终端采用3维矢量GIS机场地图(为解决A-SMGCS系统与机载数字化引导终端所用2套地图显示坐标不一致问题，通过人工勘测跑道头、跑道中心点等至少4个点精确经纬度数据对A-SMGCS系统使用地图进行人工标定对准)；

22)将高级场面活动引导及控制系统的地图文件解析，统一转存为GeoJSON数据，并在机载数字化引导终端采用3维矢量GIS机场地图形式展示。

3)生成全场活动目标(飞机、车辆)路径规划数据，即规划路径；

31)将机载数字化引导终端场面地图，抽象成一个由点和有向线段弧构成的二维网络图G＝(V,E)，其中V为点集，E为有向线段弧集；

32)将高级场面活动引导及控制系统的飞机滑行规划路径进行解析，形成点和有向线段弧集，且与所述二维网络图匹配处理；

33)以高级场面活动引导及控制系统发送的飞机滑行规划路径优先为原则，基于改进的Dijkstra算法，以车辆服务车道、滑行道、限制区、服务任务计划、场面运行规则、机场设置默认车辆行驶路径为约束因素，以最短路径同时兼顾冲突最少为规划目标，规划车辆行驶路径。

具体地，所述步骤33)中的改进的Dijkstra算法路径规划具体包括：

设计使用边界矩形筛选方法对路由关键点进行筛选，具体包括：

在机场场面二维网格图G＝(V,E)中，假设每条边E[i]的长度为w[i]，得到由顶点V0到其余各点的最短路径；

设G＝(V,E)是一个带权有向图，把图中顶点集合V分成两组，第一组为已求出最短路径的顶点集合(用S表示，初始时S中只有一个源点，以后每求得一条最短路径,就将加入到集合S中，直到全部顶点都加入到S中，算法就结束了)，第二组为其余未确定最短路径的顶点集合U，按最短路径长度的递增次序依次把第二组的顶点加入S中；在加入的过程中，保持从源点V到S中各顶点的最短路径长度不大于从源点V到U中任何顶点的最短路径长度；每个顶点对应一个距离，S中的顶点的距离就是从V到此顶点的最短路径长度，U中的顶点的距离，是从V到此顶点只包括S中的顶点为中间顶点的当前最短路径长度；

建立一个虚拟区域，该区域是一个四边形，以两点为对角顶点，并向外扩一定的余量(可以通过经验参数设置)；运用地理关系运算，得出包含在此区域内的关键点和弧段；在进行地理关系运算时，选择地理坐标在此区域内的关键点形成新的关键点集合，和所述关键点相关联的弧段形成新的弧段集合，再对所述关键点和弧段运用Dijkstra算法进行路径优化，简化关键点和弧段数量；

参照图3所示，优化后的算法过程如下表1所示：

表1

优化后的算法效果明显：

a.算法遍历次数、耗时减少；

b.算法过程中，更新最短路径的次数减少，提升了算法的稳定性；

c.算法更早地规划出第一条成功的路由，这样可以更早地采用边界矩形法筛选路由关键点，也是节省算法耗时的一种因素。

4)对不安全事件进行告警处理，产生相应的告警信息；具体包括：

基于高级场面活动引导及控制系统的综合航迹中活动目标的位置、速度、运动方向，以及航班计划、规划路径，分别对包括运行冲突(飞机分别与飞机、车辆运行冲突)、飞机滑行偏离路径、跑道侵入、限制区侵入、停机位冲突、超速的不安全事件进行告警处理，产生相应的告警信息。

所述运行冲突告警处理具体包括：

运行冲突处理能够依据飞机/车辆综合航迹中的位置、速度、运动方向，以及飞机滑行路径规划参数数据，建立飞机与飞机之间、飞机与车辆之间的EVENT冲突碰撞模型进行冲突计算，当达到冲突阈值时，产生冲突告警。

5)针对活动目标运行冲突事件，进行冲突解脱处理，并产生冲突解脱控制指令信息；

针对飞机与飞机、飞机与车辆之间的运行冲突，按照飞机优先、VIP航班优先、同类型航班先到先服务的原则产生冲突对中某一目标停止，另一目标前进的冲突解脱控制指令信息，该控制指令发送至人机界面图形化显示，提醒飞行员、车辆驾驶员做停止、前进操作，实现冲突规避。

6)生成全局实时导航信息；

依据活动目标运行位置/速度/航向、规划路径、告警信息、冲突解脱控制指令，结合3维矢量GIS机场地图，在地图上实时生成显示所有活动目标位置及趋势、已行进路径/未行进规划路径、告警信息、导航图形化指示标记、冲突解脱停止/前进图形化标记。

7)向机载数字化引导终端发送全局实时导航信息；

8)机载数字化引导终端导航信息订阅、显示、语音播报；

81)选择飞行员、车辆驾驶员对应绑定的航班号或车辆编号，向引导处理控制中心系统订阅获得本航班或车辆、相关的航班或车辆的信息；

82)将订阅的本航班或车辆、相关的航班或车辆的信息，与3维矢量GIS机场地图相结合，生成实时导航地图显示；

83)将飞机/车辆在行进引导、冲突解脱避让过程中导航信息转化为音频数据，供向飞行员、车辆驾驶员导航信息播报使用。

其中，所述步骤81)具体包括：

所述本航班或车辆信息包括：航班号或车辆编号、活动目标位置/速度/航向、航班计划、规划路径、告警信息、冲突解脱控制命令信息；所述相关的航班或车辆为前序航班、距离本航班或车辆小于参数值范围的航班或车辆；所述相关的航班或车辆信息包括：航班号或车辆编号、活动目标位置/速度/航向、航班计划。

所述步骤82)具体包括：

所述实时导航地图显示内容包括：背景地图，本航班或车辆位置及趋势、已行进路径/未行进规划路径、告警信息、导航图形化指示标记、冲突解脱停止/前进图形化标记，相关的航班或车辆标识、位置、前序航班标志。

所述步骤83)具体包括：

所述导航信息播报内容包括：行进路径(滑行道编号、车道编号)播报、交叉口指引(到交叉口距离、转弯方向)、等待、停止、继续前进、告警(冲突、跑道侵入、限制区侵入、偏离滑行路径、超速等告警)。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。