郭莉++谢春生

摘 要：机场净空环境遭到破坏时，机场就不能保证正常的运输生产，因此净空保护在民用机场安全生产中占有非常重要的地位。目前的机场飞行程序设计人员都是利用纸质扫描的方式来标注航图上的要素，二维显示方式使得在障碍物评估上存有一定的局限性，为此采用数据库管理方式，在三维地理信息平台基础上，建立机场净空障碍物评估的可视化系统，即在飞行程序设计过程中，按照民航相关标准，对障碍物评估环节进行分析计算，包括基本ILS面和OAS面数学模型的建立，障碍物评估算法的研究分析，并将结果进行三维可视化。三维电子航图与二维平面图相比，克服了平面航图观察视角不灵活、目标可视区域受到制约、空间信息量小等缺陷。

关键词：净空保护 障碍物评估 三维可视 航图

中图分类号：X949 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）09（c）-0076-05

Abstract： Considering the safety when aircrafts is taxing in the taxiway， one of the most important is to predict the conflict among aircrafts to avoid the conflict between two aircrafts. This paper presents a time bucket-based method taking the distance between aircrafts as standard. When considering the probability of conflict as standard， we assume that the position of aircraft follows two-dimension normal distribution first. Next step is to calculate the probability of conflict at any given time based on last algorithm. Through calculation shows that longitudinal and latitudinal variance accumulation effect should be considered when some uncertain factors exist in aircrafts taxing. Therefore， both the probability of conflict and the distance between aircrafts should be taken as standards in practice to assure the safety of the aircrafts.

Key Words： Aircraft taxi； Conflict prediction； Time bucket-based； Two-dimension normal distribution

近年来，随着我国民用航空运输业的蓬勃发展和机场数量的不断增加，以及城市的发展扩张，机场周边的民用高大建筑越来越多，当机场周边出现超高建筑物时，机场净空条件将遭到破坏，机场就不能保证正常的运输生产，甚至导致关闭运营，这将造成機场当局和当地政府的损失，也会引起广大旅客及社会各界的强烈反映，因此机场净空保护在民用机场环境保护中占有十分重要的地位，如何保证民用机场拥有安全的净空条件已成为日益凸显的严重问题。

现阶段对障碍物的评估及机场选址等工作仍采用纸质扫描图的方式来标注显示航图上的要素，限于二维平面图局限势必使得空间信息表达不明了、不直观。随着计算机技术的发展，采用数据库访问管理方式已在很多领域得到广泛应用。机场终端区障碍物评估检测作为飞行程序设计工作中的关键环节，对各机场周边的障碍物数据必须有详细的统计与记录。由于机场以及周边建筑等不断更新，造成了相应部门在统计障碍物数据工作上，重复性大、复杂、效率低等缺陷，为了弥补这方面的不足，利用数据库技术进行高效管理与统计十分必要。本课题结合实际情况，主要研究基于三维地理信息平台的机场净空障碍物评估的可视化。为确保飞行器在终端区安全正常运行，首先在飞行程序设计过程中，按照民航相关标准，对障碍物评估环节进行分析计算，包括基本ILS面和OAS面数学模型的建立，障碍物评估算法的研究分析，并将结果进行三维可视化。三维电子航图与二维平面图相比，克服了平面航图观察视角不灵活、目标可视区域受到制约、空间信息量小等缺陷。

1 研究现状及背景

各个国家对于机场净空障碍物限制面的规章、标准和规范不尽相同，但是基本内容都按照国际民航组织民用航空公约附件十四的标准来执行。中国民航在净空管理方面也有类似的技术标准——《民用机场飞行区技术标准》（MH5001-2013）中的第7部分“障碍物的限制和移除”中规定了民用机场的净空要求，其要求完全与国际民航组织的标准保持一致。这些规章、标准和规范对机场净空管理和控制提出了明确的要求，也是当前国内外净空管理工作所遵循的基本依据。

国外一些发达国家经过对机场净空安全管理的多年研究，在管理经验、运行机制、管理手段和法规措施方面已有了比较先进的方法和实践经验。但是由于各国民航相关规范和土地使用制度有所不同，所以我国直接照搬国外机场净空管理制度会有很大难度。

面对日益复杂的净空管理工作，我国在该领域也有了较深入的研究：在三维GIS技术的基础上实现了对机场净空障碍物的三维空间具体观察；研究了对机场周边障碍物特性研究和评定的方法，对机场侧净空与端净空之间的过渡面区域提出了精确的分析方法，使机场净空障碍物限制面和周围障碍物高度更好的对比；创造性地运用三维模型，简化了繁重的计算工作，结合具体机场的净空实例，将此机场净空区三维模型和净空区障碍物模型进行比较，使得障碍物超高或否一目明了。近年来我国建立的相关法律法规和净空管理条例对缓解净空管理矛盾起到了一定作用。但是，由于在城市建设中前瞻性不充足、统筹性不合理、考虑不周全，以及净空管理法律法规执行力不足等问题的存在，使得民用机场净空保护管理水平还有待进一步提升，从技术层面上快速有效地评估机场净空情况的方法还需研究改进。endprint

2 机场净空三维评估系统建模原理

系统基于AutoDesk公司产品AutoCAD Civil 3D，通过二次开发建立地理信息投影转换系统，利用投影转换进行建筑物的定位；在设计端，通过算法实现三维自动建模，并对各个独立限制面进行自动融合，生成模型等高线；在用户端，通过模型碰撞进行限高检测，对融合面和各个独立的限制面分别进行限高评估，生成评估报告；在公众端，用户选取机场后，通过点击地图可以获取允许建筑高度，同时用户还可以查看等高线、航路航线等信息。基础平台选用 AutoCAD Civil 3D，与机场设计部门和飞行程序设计部门的设计软件保持统一，支持导入AutoCAD设计文件，导出的设计文件符合规划局、机场等部门统一的AutoCAD格式。

采用Civil 3D和Navisworks Manage作为建模和限高检测的平台，基于这两个产品进行二次开发，以满足用户的具体需求。同时自主开发整合平台，对Civil 3D和Navisworks Manage两个软件的界面进行整合，以达到这两个软件在同一窗口显示的效果。将净空结果通过网站对外发布，提高用户净空意识。

3 基于Civil3D的机场净空三维评估关键技术

3.1 扩展的净空限制面

在机场净空限制面中，狭义的机场净空只包含附件十四面，其中附件十四面又包含锥形面、内水平面、内进近面、进近面、过渡面、复飞面、起飞爬升面等。当前多数净空控制系统均只考虑附件十四面。在净空管理中，国际民航公约附件十四中的净空限制面很容易被突破，因此，附件十四面很难达到净空控制效果。而本系统研发的净空管理分析系统综合考虑了对飞行安全有影响的所有因素，包含飞行程序、飞机性能、通信导航、灯光系统、雷达管制等因素所产生的限制面，将各个面融合成单一的净空限制面的同时保留了原始的各个独立的限制面。因此系统对净空限制的评估将更加的全面、客观，目前业界属于首创。

3.2 净空限制面融合技术

在机场净空限制面中，多个机场净空单项限制面构成限制分面，限制分面构成机场净空限制总面。限制分面与限制总面是融合面，需要融合才可以得到。这里的曲面融合，就是在不同高度的曲面中，取最低的曲面。三维立体曲面形状各异，没有固定规则，因此三维立体曲面融合很复杂。

基于GIS的三维净空分析软件大都采用栅格分析法去求得每个点的最低高度，把曲面根据栅格粒度离散成很多栅格，通过计算每个栅格点的高度来确定每一点的限高值，计算量较大。对于大面积区域，譬如机场周边50km，采用1m精度，每个限制面都要算50000×50000=25亿次，多个限制面高达数百亿次，计算量巨大，精度不高。

由于不同曲面的高度不同，两个空间曲面有高度差的地方就存在缝隙，影响美观性。由于曲面的任意性，对曲面的裁剪融合在计算机图形学上是很困难的，需要考虑很多种情况。因此，对不同高度曲面融合只能另辟蹊径。这个问题在数学上可以表示为，任意一点（x，y）处的最低限高为h（x，y）。

（1）

这里引入限制空间的概念，对于任何曲面正上方的空间都是限制空间，曲面正下方的空間都是允许空间，对于曲面上任意一点都对应着允许空间与限制空间，如图1所示。对于曲面S1上的一点S1（x，y）来说，允许空间就是C（S1（x，y）），限制空间就是L（S1（x，y））；同样对于曲面S2来说，S2上面一点S2（x，y），允许空间是C（S2（x，y）），限制空间是L（S2（x，y））。限制空间就是不允许空间，净空限制的原则是所有的点都取最低点，也就是说，对于某一点的限制空间L（x，y）为所有曲面对应限制空间的总和，即：

（2）

根据这一思路，我们把多个净空限制面对应的净空限制空间进行合并，就得到了总的限制空间，即：

曲面由点组成，即曲面对应限制空间为：

（3）

（4）

求得所有曲面对应的限制空间后，可以通过限制空间求得净空限制面。净空限制空间为实体，可以通过AutoCAD函数获取净空限制空间的表面，通过剖切表面，把外表面分为2个部分，下表面就对应净空限制融合面，如图2所示。以上通过AutoCAD编程接口Objectarx.net实现。

3.3 等高线的生成

综合的净空控制图需送给相关政府机关审批，电子版文件利于传阅，但是需要通过限制面等高线的方式形成正式报告作为上报和存档的依据。等高线表示的限制面可直观明了地反映净空限制结果。通过系统中得到的净空限制面与净空限制空间，利用不同高度的水平面与净空限制面相切获得相应高度的等高线，由于AUTOCAD API未提供相关功能的调用，研发小组为此研究了相应算法实现了该功能。

3.4 建筑物模型的导入

（1）模型转换。

建筑物三维模型包括大厦、住宅、电视塔、高压线塔等等，这些模型的源文件一般为imx或3ds格式，不能直接导入Naivsworks Manager里。我们使用Autodesk 3D Max软件打开模型源文件后，使用导出fbx文件的功能，将模型转换为fbx文件，就可以导入Naivsworks Manager了。

（2）坐标转换。

建筑物模型导入Naivsworks Manager以后，还需要定位到建筑物的实际位置。这就涉及经纬度坐标和AutoCAD XY坐标的转换问题。系统支持北京54坐标、西安80坐标以及WGS-84坐标与AutoCAD XY坐标的互转。

（3）模型变换。

确定了建筑物在AutoCAD里的正确的坐标以后，必须把建筑物模型平移到相应坐标点上，并且把建筑物模型的长、宽、高拉伸到真实的数值。系统使用计算机图形学中的变换矩阵：

lt，0，0，0endprint

0，wt，0，0

0，0，ht，0

xt，yt，zt，1

其中，lt、wt、ht分别代表建筑物模型在x轴、y轴、z轴上的拉伸比例，xt、yt、zt分别代表建筑物模型在x轴、y轴、z轴上的平移距离。

使用Navisworks Manager API里面的COM接口，调用上述矩阵，就能在正确的位置建立起符合实际尺寸的建筑物模型。

3.5 建筑物超高检测

Navisworks Manager自带模型碰撞检测的功能，其API中也实现了该功能。将需要检测的净空限制面加入选择集A，将需要检测的建筑物模型加入选择集B，调用模型碰撞检测的API，系统就能对A中任意元素与B中任意元素实施碰撞检测，并将检测结果加入结果集。

检测结果一般为碰撞点的坐标Zr，假设建筑物的底高为Zb，整体高度为H，则建筑物相对于该净空限制面的超高高度He为：

He=H-Zr+Zb （5）

3.6 单点限高结合谷歌地图的展示

系统支持在谷歌地圖窗口上点击鼠标，然后直接得出该点的限高结果，如图3所示。该功能的实现原理如下。

（1）通过捕获谷歌地图的鼠标点击事件，获取该点的WGS-84坐标。

（2）通过坐标转换，将该点的WGS-84坐标转换成AutoCAD XY坐标。

（3）在该点导入一个直径为0.1m、高为3000m的垂直圆柱体模型，让其与净空限制面发生碰撞，得出碰撞点的坐标。

（4）碰撞点的Z轴坐标就是该点的限高结果。

4 基于Civil3D的机场净空三维评估的系统设计与实现

4.1 设计版设计

设计版是自AutoCAD上面进行插件开发的方式。根据用户的选择生成不同的净空限制面，用户可以编辑自定义限制面，最后生成机场净空综合限制面、等高线等。

4.2 客户版设计

客户版采用的是在Navisworks Manager上进行二次开发的方式。系统通过SQLite读取配置好的机场和建筑物等数据，导入净空限制面模型及建筑物模型，在超高检测模块对两者进行碰撞检测，得出超高结果后以表格的方式展现，同时界面还提供净空限制面模型及建筑物模型的三维展示。

4.3 公众版设计

公众版采用服务器/浏览器模式，用户只要登录到网站，选定机场后，点击地图上的某一点就可以获取限制高度，用户还可以查看等高线、测距、坐标定位。

5 总结及展望

本文主要讲述基于Civil3D的机场净空三维评估系统的实现过程，解决了二维视角中不直观、更新缓慢的局限，基于建立障碍物数据库基础上，将机场限制面进行融合，利用投影转换将建筑物定位，生成模型等高线；在用户端，通过模型碰撞进行限高检测，对融合面和各个独立的限制面分别进行限高评估，生成评估报告；在公众端，用户选取机场后，通过点击地图可以获取允许建筑高度，同时用户还可以查看等高线、航路航线等信息，对障碍物进行评估分析，并将三维系统中实现。

随着国民经济的飞速发展和旅游业的日渐兴旺，越来越多的省市以新建或改扩建机场来满足日益增长的需求，随着城市的不断发展扩张，机场的净空环境越来越恶劣，为确保航空生产安全，建议在城市规划、机场改扩建等过程中，采用专业的视角进行合理的规划，同时对机场周边障碍物进行充分科学的评估。同时，严格执行国家关于净空保护的法律法规，共同建设良好的机场净空环境。

参考文献

[1] Krozel J，Peters M，Bilimoria K D，et al. System Performance Characteristics of Centralized and Decentralized Air Traffic Separation Strategies[C].4th USA/Europe Air Traffic R&D Seminar，2001.

[2] Kuchar J K，Yang L C.A Review of Conflict Detection and Resolution Modeling Methods[J].IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems，2000，1（4）：179-189.

[3] Yang L C，Kuchar J K.Performance Metric Alerting： A New Design Approach for Complex Alerting Problems[J].IEEE Transactions on Man and Cybernetics，2002， 30（4）：123-134.

[4] Anuja D.Aircraft Position Prediction Using Neural Networks[D].USA：Massachusetts Institute of Technology，2005.

[5] Yu C.Solving Push-Out Conflicts in Apron Taxiways of Airports by A Network-Based Simulation[J].Computers，1998，34（2）：351-369.

[6] 徐肖豪，藏志恒.基于MILP的飞机滑行排序的优化[J].交通与计算机，2007，25（2）：142-145.

[7] 尹嘉男，胡明华，赵征.多跑道机场停机位分配仿真模型及算法[J].交通运输工程学报，2010，10（5）：71-76.

[8] 陈世林，胡明华，张洪海.SMS中基于冲突探测的滑行道轨迹预测算法研究[J].四川大学学报：自然科学版， 2008，45（6）：357-1361.

[9] 王艳军，胡明华，苏炜.基于冲突回避的动态滑行路径算法[J].西南交通大学学报，2009，44（6）：933-939.endprint