CN101582201A - 基于离散事件监控器的机场场面活动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于离散事件监控器的机场场面活动控制系统及方法，本发明系统将机/车载移动终端、GPS地面站、VDL4地面站、WIFI地面站、离散事件监控器、ATC系统、助航灯管理模块、机场运行管理系统，通过WIFI网、VDL4网络和第三方网络进行组网连接。本发明所述方法依靠通信处理服务器和离散事件监控器完成对场面活动目标信息的及时获取、处理并依靠地面管制监控终端和助航灯控制指令生成与传输模块实施管控策略。本发明实现了全天候条件下机场场面活动的有效监视；通过离散事件监控器来自动监控场面活动对象的运行状态，并实时提供全局最优的活动对策建议；实现了对活动目标滑行和地面交通的高效精确引导。

Description

基于离散事件监控器的机场场面活动控制系统及方法

技术领域

发明涉及一种基于离散事件监控器的机场场面活动控制系统及方法，属于机场场面活动控制系统及其方法。

背景技术

机场场面活动监视与控制经历了由“简单视觉”到“复杂视觉”的演进，其技术特征实现了从“基于目视”到“基于场监雷达”的跨越，而适用范围也从“小型、低交通密度机场”扩大到“中大型、高交通密度机场”。但是，随着机场交通流量的增长、机场布局的复杂化和低能见度条件运行的迫切需求，上述传统的仅依靠管制员在监控中心来监视整个机场场面的方式已显示出其不足，主要体现在：

(1)机场场监雷达极易受到气候和地杂波影响，因此，现有场面控制系统在低能见度情况下运行时，容易出现监视盲区和不能识别场面目标的情况；

(2)传统监视手段依赖管制员人工决策，无法实现自动的场面冲突预测、探测以及解脱规划，且为场面活动提供自动引导的能力不足，不能满足高密度和复杂机场构型条件下的场面活动管理与控制；

(3)现有的场面控制系统只在监控中心实现一定的监控功能，场面各移动车辆和飞机之间并不能看到相对的位置信息，这种情形不利于发挥飞行员和驾驶员的操作判断能力，影响了场面运行效率。

鉴于传统场面控制手段的不足，国际民航组织提出实施“先进场面活动目标引导和控制系统”，该系统“由不同功能单元模块组成，无论机场平面在何密度、能见度和复杂条件下，均支持飞机和车辆安全、有序、迅速移动”。主要功能包括监视、控制、路径规划、引导。目前，在美国和欧洲正在进行各种实践性的示范和评估方案，尚无实际成熟的商用系统出现。国内关于这一系统的研究应用还处于起步阶段，在首都机场、上海虹桥、浦东机场以等几个大型枢纽机场建设有场面监视雷达，主要用于跑道、滑行道和机场场面移动目标的活动监视。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是是针对现有技术存在的缺陷解决现有场面活动控制中存在的低能见度条件下运行支持不足、场面控制决策中过度依赖管制人为经验、场面活动引导能力弱小等局限性，在国际民航组织“先进场面活动目标引导和控制”框架下，实现一种基于离散事件监控器的机场场面活动控制系统及方法，无论机场在何种交通密度、能见度和构型条件下均支持飞机和车辆安全、有序、迅速的移动。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明基于离散事件监控器的机场场面活动控制系统，其特征在于包括移动终端、WIFI网络、VDL4网络、监控中心、第三方网络、ATC系统、助航灯系统和机场运行管理系统，其中监控中心包括GPS地面站、WIFI地面站、VDL4地面站、通信处理服务器、离散事件监控器、地面管制监控终端和助航灯管理模块，移动终端通过WIFI网络与WIFI地面站连接或者移动终端通过VDL4网络与VDL4地面站连接，移动终端与GPS地面站无线连接，GPS地面站的输出端接通信处理服务器的输入端，WIFI地面站和VDL4地面站分别通过通信处理服务器与离散事件监控器连接，离散事件监控器的输出端接助航灯管理模块的输入端，离散事件监控器与地面管制监控终端双向连接，离散事件监控器通过第三方网络分别与ATC系统、助航灯系统和机场运行管理系统连接。

所述的基于离散事件监控器的机场场面活动控制系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

a)将移动终端设置于机场场面活动目标上，并采用移动终端采集机场场面活动目标实时信息；

b)将步骤a所述的移动终端中的GPS模块采集机场场面活动目标位置信息通过WIFI网络输出至WIFI地面站或通过VDL4网络输出至VDL4地面站，并利用GPS地面站对获取的目标位置进行修正；

c)采用通信处理服务器将步骤b所述的机场场面活动目标位置信息输出至离散事件监控器的动态静态数据采集模块，同时采用离散事件监控器的状态反馈控制模块通过第三方网络获取空中交通管制自动化ATC系统和机场运行管理系统输出的机场场面活动目标标识信息；

d)将步骤c所述的机场场面活动目标位置信息和目标标识信息经过离散事件监控器对场面运行状态实施冲突探测和解脱；

e)对探测到的冲突和需要采取的解脱策略经由离散事件监控器的执行器模块向移动终端以及场面助航灯管理模块发出告警和控制信号。

本发明的有益效果如下：

1.通过事先采集机场场面的活动区域以及障碍物信息，并依靠GPS位置信息和无线自组织网络可在活动控制系统中综合显示监控飞行区和关键区域的活动目标运行状态，并突破了传统的场监雷达监视方式，实现了全天候条件下机场场面活动的有效监视。

2.将完全依靠管制员监视整个机场场面活动并实施人为管制决策的工作方式转换为通过离散事件监控器来自动监控场面活动对象的运行状态，并实时提供全局最优的活动对策建议(包括路径规划、冲突预测、探测与解脱)的工作方式，为高密度交通条件下的场面活动提供了有效地控制和路由手段。

3.将监控器与助航灯光系统通过助航灯控制指令生成与传输模块终端实现无缝连接，实时将管制指令转换为灯光引导，实现对活动目标滑行和地面交通进行精确高效引导。

附图说明

图1场面活动控制系统系统组成图。

图2机/车载移动终端模块图。

图3场面活动控制系统中的离散事件监控器图。

图4逻辑控制器设计算法流程图。

图5助航灯控制指令生成与传输模块图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本发明提出基于离散事件监控器的场面活动控制系统，需要依次实现机/车载移动终端、监控器和助航灯管理模块。

1.机/车载移动终端

机/车载移动终端包括移动通信处理模块103、GPS模块102以及移动终端应用层模块101。移动终端通过通信处理模块建立与监控中心WIFI地面站之间的信息通道，完成相关指令的接收；通过GPS模块102与GPS地面站实现场面活动位置信息的自动传输；将接收的各种信息通过应用层模块101综合处理后，实现移动终端的前台显示。

2.监控器

(1)被控对象建模201

本发明中监控器的第一部分功能——被控对象建模201，包括场面GIS静态信息和场面活动对象动态信息采集两部分。静态数据采集是将GIS技术描述的地理位置空间转换为库所描述的离散逻辑空间，建立不同离散元素与GIS图形对象的匹配条件。动态数据采集是将场面活动对象的状态信息匹配到相应的离散逻辑空间。

具体实施方案是：

首先，建立场面图形模型。采用地理信息系统依据场面航空器滑行路线和车辆移动路线，将机场场面拓扑分割为离散的图形元素(如多边形、封闭图形等)，航空器/车辆准入区域集合和航空器/车辆禁入区域集合。

然后，建立场面活动模型。鉴于Petri网在离散事件监控器开发中的优势，本发明采用Petri网建立场面的活动模型N＝{P，T，Pre，Post，m}。其中，库所集P表示场面图形模型中的航空器/车辆准入区域集合，即场面活动目标所处场面环境中的相关区域；变迁集T表示活动对象所处的区域与下一区域的转换条件；Pre与Post分别表示P与T的前向和后向关联关系；m为场面活动状态标识，代表了当前场面内航空器/车辆的活动状态。由于GIS图形元素对象具备有形的物理尺寸等性质，在将其抽象为离散元素(库所与变迁)之前，需建立不同GIS拓扑元素与离散元素的匹配条件，并保证这些匹配条件集合的完整性、无冗余性和无冲突性。

随后，建立场面活动控制规范。本发明场面活动模型中场面活动目标被抽象为托肯，其运行可映射为场面活动模型状态的演化，因此基于避免冲突的场面管制规则，可对场面活动目标建立约束条件。具体而言，本发明将场面管制规则进行转化，建立基于离散事件控制的场面活动控制规范，可以使得场面活动的冲突探测与解脱问题转化为状态禁止问题。鉴于线性不等式约束条件的建模能力，将线性不等式约束的形式用于冲突状态禁止问题。场面活动模型状态自主演变过程中存在的禁止状态，这些状态可描述为标识的加权和不超过某一上限，用线性不等式约束条件或与之等价的约束条件：L·m≤b，式中，L_c×n是标识加权矩阵，而向量b为标识加权和的阈值向量，其中c为约束不等式的个数，n为场面活动模型Petri网库所的数量。

(2)反馈控制器

本发明中监控器的第二部分——反馈控制器。场面活动分为可控事件和不可控事件。前者可以通过告警、信号、通信等方式实现控制，后者则不可。在本发明中，依据建立的场面活动控制规范，若约束不等式不会禁止不可控变迁(事件)，则采用结构控制器202，反之采用逻辑控制器204实施控制。前者本身就是一个Petri子网，受控Petri网中的对象运行受到控制器子网的制约，而后者是指控制策略由一个函数表示，每个控制动作都根据系统当前的状态由该函数决定。

在结构控制器设计中，采用基于不变量的设计算法：控制器S＝{P_c，C_c，m_c0}，其中：P_c为控制器库所集，C_c为控制器库所集到受控变迁集的关联矩阵，满足：C_c＝-L·C，控制器初始标识m_c0满足：m_c0＝b-L·m₀，m₀为场面活动模型的初始标识。

在逻辑控制器设计中，首先采用库所融合技术，把一个约束涉及的多个库所融合为一个观测库所p_s，进而构造观测器P_s203，观测器203跟踪每个约束库所的状态，向上层的控制器传递信息，而控制器利用对得到的信息和控制器算法205计算控制率，不同状态下控制率的组合就构成了对场面活动模型的控制策略，并实施控制。在逻辑控制器工作过程中，控制器算法首先利用输入的当前标识m和观测器标识m_s计算满足弱约束规范条件的使能可控变迁集T_ce，并计算其中某一使能可控变迁t∈T_ce激发后的标识m_t；然后，计算在标识m_t下任一不可控变迁 $t_{\mathrm{ue}}^k\∈T_{\mathrm{ue}}$ 激发后的标识m_t ^k，并对该标识判断其是否满足强约束规范条件，如满足，则可以令其控制率为1，否则，应继续对T_ce中的其他变迁展开上述计算过程。当所有的变迁计算完毕后，可以得到在标识m下的控制率u_q，从而完成逻辑控制器的控制过程。

由于场面活动引导与控制的目标是在满足场面活动目标安全、有序移动的前提下，保证机场场面交通流量的最大化，因此控制器既需要实现禁止状态避免，又要最大限度的保留了系统原有的可达状态，即设计的控制器一定是极大允许的。

(3)执行器

本发明中监控器的第三部分——执行器206，主要任务是执行控制器的相关控制策略，并进行路径规划及冲突解脱模块。其中，路径规划模块需要根据着陆航空器的停靠机位或即将起飞航空器机位及其使用跑道，充分考虑与场面其他活动目标相对位置，为场面活动目标动态提供优化的滑行路径；冲突解脱从预测控制的角度来避免场面活动冲突的产生，对场面活动潜在的冲突进行探测、预测，并提供活动对策建议。

具体实施方案如下：

首先，进行路径规划。根据当前机场场面构型，在尽可能满足进离场航班按时停靠机位和起飞的情况下，综合考虑减少滑行冲突、保持平稳滑行速度等条件，为场面活动目标提供最优滑行路径，并随时应对可能出现的场面活动应急状态(如跑道使用方向、滑行道的关闭与开放、临时危险和障碍的避让)提供备选路径方案。

其次，冲突探测规划。虽然在规划航空器/车辆滑行路径过程中从战略上避免了冲突的发生，但是在滑行过程中场面活动目标并非完全按照系统设定的理想模式滑行，极有可能发生滑行路线偏移、滑行冲突等现象。此时，需要根据活动对象的优先级和避撞规则，改变活动目标的局部运行路线，规划方法同全局路径规划。

3.助航灯管理模块

助航灯管理模块由通过冗余以太网304连接的塔台302、主灯光控制站306、次灯光控制站308组成。在塔台、主灯光控制站分别设置了监控计算机，各站之间采用光缆进行通信传输。离散事件监控器将生成的管制指令编码，通过冗余以太网304传送到指定的灯光站，灯光站控制计算机检验接收指令无误后，对各被控对象(跑道、滑行道等各种灯光)的调光器进行控制，并与之通信，传送各种控制指令。若发现故障立即进行处理，并将响应信息送返塔台，塔台监控机显示出整个机场灯光回路的工作状态，表明此命令得到响应。航空器沿着开启绿光滑行道中线灯滑行，意为“跟从”，如果跟随的绿光消失，则指示航空器应立即停住。此时的助航灯光已经从传统的辅助作用转变为对航空器地面运行实施实实在在的引导和控制。

Claims (3)

1、一种基于离散事件监控器的机场场面活动控制系统，其特征在于包括移动终端、WIFI网络、VDL4网络、监控中心、第三方网络、ATC系统、助航灯系统和机场运行管理系统，其中监控中心包括GPS地面站、WIFI地面站、VDL4地面站、通信处理服务器、离散事件监控器、地面管制监控终端和助航灯管理模块，移动终端通过WIFI网络与WIFI地面站连接或者移动终端通过VDL4网络与VDL4地面站连接，移动终端与GPS地面站无线连接，GPS地面站的输出端接通信处理服务器的输入端，WIFI地面站和VDL4地面站分别通过通信处理服务器与离散事件监控器连接，离散事件监控器的输出端接助航灯管理模块的输入端，离散事件监控器与地面管制监控终端双向连接，离散事件监控器通过第三方网络分别与ATC系统、助航灯系统和机场运行管理系统连接。

2、根据权利要求1所述的基于离散事件监控器的机场场面活动控制系统，其特征在于所述移动终端包括移动通信处理模块、GPS模块以及移动终端应用层模块，其中移动通信处理模块、GPS模块分别与移动终端应用层模块双向连接。

3、一种如权利要求1所述的基于离散事件监控器的机场场面活动控制系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

a)将移动终端设置于机场场面活动目标上，并采用移动终端采集机场场面活动目标实时信息；

b)将步骤a所述的移动终端中的GPS模块采集机场场面活动目标位置信息通过WIFI网络输出至WIFI地面站或通过VDL4网络输出至VDL4地面站，并利用GPS地面站对获取的目标位置进行修正；

c)采用通信处理服务器将步骤b所述的机场场面活动目标位置信息输出至离散事件监控器的动态静态数据采集模块，同时采用离散事件监控器的状态反馈控制模块通过第三方网络获取空中交通管制自动化ATC系统和机场运行管理系统输出的机场场面活动目标标识信息；

d)将步骤c所述的机场场面活动目标位置信息和目标标识信息经过离散事件监控器对场面运行状态实施冲突探测和解脱；

e)对探测到的冲突和需要采取的解脱策略经由离散事件监控器的执行器模块向移动终端以及场面助航灯管理模块发出告警和控制信号。

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