北京大兴机场A-SMGCS航空器路由规划的研究

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引言

近年来，随着我国经济蓬勃发展，人们的出行需求越来越多，出行方式越来越便捷，航班量与日俱增，机场运输能力也逐渐增强，国际民航组织提出的先进场面活动引导与控制系统（ Advanced Surface Movement Guidance and Control System，简称A－SMGCS）的应用越来越广泛。北京大兴机场是全国首家使用Ⅳ级A-SMGCS的机场，2019年开航至今，积累了无数经验。A-SMGCS具有监视、告警、路由规划和引导功能，集成各类与飞行和机场运行相关的信息，为塔台和机坪管制员提供服务，保证进离港航班有序高效的起降滑行。本文重点分析了A-SMGCS航空器自动路由规划的方式、原理及算法。

一、A-SMGCS的功能介绍

A-SMGCS的分级概念出自ICAO指导手册（ICAO 9830）。Ⅰ级提供监视服务，Ⅱ级提供告警服务，Ⅲ级提供滑行路径规划服务，Ⅳ级提供引导服务。目前大兴机场使用的是具有Ⅳ级引导功能的A-SMGCS，可以通过控制机场场面灯光引导航空器按照既定路由滑行。A-SMGCS系统通过对机场有关系统的信息进行集成处理，实现对机场航空器的自动化监视与控制，路径规划及滑行引导。上述功能的实现需要采集多种信息，包括雷达捕捉的监视数据信息、与飞行相关的飞行数据信息、场面气象信息以及与机场相关的情报信息等。系统这些信息，以及场面环境和运行规则，实时计算当前是否存在安全隐患，并及时发出告警，提示管制员进行人工干预。综上所述，A-SMGCS是一个能保证机场地面活动的运行效率和安全水平的综合系统。

二、A-SMGCS路由规划功能介绍

（1）总体介绍

路由规划旨在有效管理场面交通，减少航班滑行中的延误，充分提高机场资源的利用率，使场面流量达到最大化，它是实现Ⅳ级引导功能的基础。A-SMGCS可为进/离港、拖曳航班提供最优或管制习惯的滑行路由，各航班路由将共享跑道、滑行道、停机位以及除冰坪等机场资源。系统根据路由触发时机计算当前需要规划路由的航班，根据数据库中定义的各种基础数据和航班当前状态、场面限制信息等自动为航班规划出最短路由，并将其分段显示在人机界面上。如下图蓝色路线为离港航班路由，黄色路线为进港航班路由，粉色路线为拖曳航班路由。

路由规划的触发方式有自动触发和人工触发。针对进港航班，当航班接地后或停机位、穿越道口等发生变化，系统执行自动路由规划；针对离港航班，当航班推出或跑道、跑道入口、穿越道口等发生变化，系统执行自动路由规划。系统首先按照数据库中定义的默认路由自动为航班规划路由，若无默认路由则按照迪杰斯特拉算法（Dijkstra Algorithm）进行计算，自动规划出最佳路由。系统也支持人工指定路由，管制员可在界面上选择指定必经点或指定滑行道进行人工规划。

（2）路由规划方式

目前A-SMGCS最常用的路由规划方式为按默认路由规划。系统首先确定路由起始点和终点，根据默认滑行路径组合确定最终的滑行路由。航班类型不同路由起点/终点也不同。离港/拖曳航班以起始停机位对应推出方向的推出点作为起点；进港航班以脱离道口对应的关键点作为起点；滑行中的航班以当前位置作为起点；已有路由的航班以当前路由的起点作为新路由的起点。进港/拖曳航班以目的停机位对应的路由终止关键点作为终点；离港航班以上跑道等待点/进入道口对应的关键点作为终点；穿越的航班以穿越道口对应的起点作为终点；完成穿越后的航班以目的停机位/上跑道等待点/除冰点作为终点。这些关键点和关键点对应的路由在数据库中都有定义，若系统能在数据库中找到航班当前起点对应的路由，就按照默认路由规划。

如果关键点没有默认路由或者默认路由规划失败，系统转为自动规划。自动路由规划采用了迪杰斯特拉算法，用于跑道至停机位间最优路由的计算。该算法的原理为单源最短路径算法，用于计算一个节点到其他所有节点的最短路径，数据库中设置的关键点就是各节点，各关键点之间的距离和关系也在数据库中有定义。算法示意图如下：

如图，首先以A为起点，从A开始找，A-B=3；A-D=5。然后，以A为起点，B和D为中间点分别开始找，A-B-C=7;A-D-C=8;A-D-E=9;其中A-B-C=7和A-D-E=9是A到以B、D作为中间点到C、E最短的路径。再以C、E为中间点开始找，A-B-C-E=8;A-B-C-F=9;A-D-E-F=12;其中，A-B-C-E=8和A-D-E-F=12是以A为起点以B、D和C、E作为中间点到E、F最短的路径。此时所有点已遍历一边，以A为起点到达E和F的最短路径就是A-B-C-E和A-D-E-F。

（3）路由规划的约束因素

系统基于路由关键点、机场要素（跑道、进入道口、穿越道口、脱离道口、停机位、滑行道等）、限制信息（限制区、滑行道方向、除冰信息等）进行计算。其中最重要的就是关键点，系统根据关键点的位置坐标、相邻关系等用于最短路径的计算，最终产生滑行路由。除此之外，限制信息也是不能忽视的因素。为确保路由规划满足机场运行规则，需要设置各种场面限制，目前大兴机场场面滑行道存在方向限制，在计算路由过程中所规划路由必须满足设定的滑行道方向。若自动路由规划时航班滑行方向与滑行道方向冲突，则自动规划失败，需管制员人工规划。此外，管制员也可以在界面上实时划设滑行道限制，方便提示管制员场面滑行道的使用变化。

三、结束语

本文重点介绍了大兴机场A-SMGCS航空器路由自动规划的实现方式、算法原理，在实际使用中极大地减少了管制员的工作量，并配合灯光引导实现了A-SMGCSⅣ级功能，提升运行效率，降低安全风险。大兴机场投运的4年里，路由规划功能不断完善，技术人员与管制员积极发现问题并解决问题，与厂家一起进行了多次升级，为每一架在大兴机场起降的飞机保驾护航。相信在未来，A-SMGCS能为管制员提供更安全、高效、便捷的服务。