專利名稱：分布式機場助航燈光控制系統及方法
技術領域：
發明涉及一種分布式的機場助航燈光控制系統及方法，屬于機場場面活動控制系 統及其方法。
背景技術：
全球航空運輸業發展迅速，惡劣天氣、低能見度給機場的安全、高效運行帶來越 來越大的壓力。為解決上述兩大難題，國際上正逐步深入研究、試驗一種新的地面管制概 念——高級場面運動引導和控制系統(A-SMGCS)。A-SMGCS系統通過有效的監視技術將場 面運動目標的活動態勢直接反應到塔臺管制員面前的顯示器上，并對目標進行控制告警、 路由規劃和引導，使得機場在全天候的天氣下安全、有序、高效運作。國際上將A-SMGCS系統劃分了五個等級。在A-SMGCS的I級和II級定義中，飛行 員根據管制員的語音引導指令，按照地面的中心線和滑行引導標志進行滑行；當系統達到 III級水平時，已經在機場場面滑行道上布置了若干助航燈光，但此時的助航燈僅限于人工 控制；而A-SMGCS系統的IV級功能要求實現助航燈光的自動引導。為滿足自動引導飛機地面滑行的需求，II類運行機場配置有停止排燈和滑行道中 線燈，停止排燈位于重要的滑行道交叉口，將中線燈按60 180米劃分為多個燈段。因此， 機場布設的中線燈段和停止排燈數量巨大，由人工去控制助航燈引導飛機滑行是一項非常 艱巨的工作。另外，繁忙機場運行過程中，地面滑行沖突的增長與航空器數量成幾何關系的增 加，僅靠管制員通過控制助航燈光進而達到避免場面沖突，場面運行容易違背相關管制規 定，難以滿足機場場面安全要求，導致機場容量難以實現提升。
發明內容
本發明所要解決的技術問題就是對滑行道中線燈和停止排燈的有效控制。將機場 場面分為多個滑行道中線子系統和交叉口子系統，采用Petri網分別建立滑行道直線段運 行動態模型和交叉口運行動態模型，并給出相應的標識控制規范。然后，采用控制器綜合算 法對運行模型進行控制器綜合，以防止其進入禁止狀態。在此基礎上，通過模型中變遷的使 能狀態決策中線燈和交叉口停止排燈控制指令，通過可編程邏輯控制器，將控制邏輯指令 轉化為對燈光的控制高低電平信號。本發明為實現上述目的，采用如下技術方案
本發明分布式機場助航燈光控制系統，包括場面活動狀態傳感器即場監雷達、塔臺監 控站和燈光控制站，燈光控制站包括交叉口控制器、協調控制器、直線段控制器和燈光信號 PLC輸出接口 ；塔臺監控站將場面活動狀態傳感器檢測的場面移動對象的位置信號轉化為 場面活動的狀態信號并將所述狀態信號被分發到對應的交叉口、直線段和協調控制器，交 叉口、直線段和協調控制器將生成的管制邏輯指令編碼經過燈光信號PLC輸出接口后通過 冗余以太網傳送到指定的燈光站，燈光站通過燈光調光器控制場面燈光設備，燈光監視設備將采集的場面燈光設備的實時狀態反饋給塔臺監控站。優選地，所述交叉口控制器包括Petri網控制器、停止排燈執行器和滑行位置辨 識器，其中Petri網控制器利用滑行位置辨識器進行辨識航空器實時滑行位置，然后Petri 網控制器自動決策停止排燈光控制指令并通過停止排燈光執行器驅動燈光信號切換。分布式機場助航燈光控制系統的控制方法，包括如下步驟
a)采用場監雷達采集機場場面活動目標實時信息，將整個場面的活動目標的位置信息 通過以太網絡傳送給塔臺監控站；
b)塔臺監控站將步驟a所述的場面移動位置信號轉化成場面活動的狀態信號，該狀態 信號將會被發送到相應的交叉口控制器、直線段控制器和協調控制器；
c)步驟b所述的控制器將會生成相應的邏輯控制指令，然后通過冗余以太網傳送到指 定的燈光站；
d)燈光站的控制計算機會判斷所接收到的邏輯控制指令，在驗證無誤后與之實現通 信，通過PLC輸出電平信號給燈光控制器來執行相應的場面燈光控制；
e)用燈光監視設備來監視整個場面的燈光情況，然后通過冗余以太網將信息反饋給 塔臺監控站，一旦發現故障，塔臺監控站報警。本發明的有益效果如下
1.場面助航燈自動控制決策的實現，將消除傳統控制模式對管制員個人工作經驗的 過度依賴，減輕管制員工作負荷。2. 將監控器與助航燈光系統通過助航燈控制指令生成與傳輸模塊終端實現無 縫連接，實時將管制指令轉換為燈光引導，實現對活動目標滑行和地面交通進行精確高效 引導。3. 將管制指令通過助航燈直接傳遞給飛行員，這樣可以保障飛行員有足夠的時 間執行滑行指令，從而提高了場面運行的安全和效率。這樣使得動態路徑規劃從戰術上避 免滑行沖突，減少航空器的等待時間，顯著提高場面交通容量，以適應未來航空運輸需求。
圖1機場助航燈光控制系統組成圖。
圖2滑行道交叉口停止排燈光控制決策結構。
圖3典型滑行道交叉口。
圖4圖3所示交叉口基于Petri網的運行模型。
圖5:滑行道中線燈控制結構。
圖6:滑行道中線燈運行。
圖7:圖6所示直線段Petri網運行模型。
圖8:滑行道直線段Petri網運行模型一部分。
圖9:滑行道系統局部運行情形。
圖10滑行道的Petri網運行模型。
具體實施例方式
下面結合附圖對發明的技術方案進行詳細說明如圖1所示，本發明提出基于離散事件監控理論的分布式場面助航燈控制系統，需要 依次實現交叉口運行模塊、直線段控制模塊和面向對頭沖突控制的停止排燈與中線燈協調 控制模塊。1.交叉口運行模塊
滑行道交叉口停止排燈控制采用混雜控制結構對停止排燈的控制決策結構進行設計， 其決策結構如圖2所示。以Petri網控制器作為停止排燈離散控制器，并通過接口部分實 現與航空器連續滑行狀態的信息交互。在交叉口運行過程中，Petri網控制器對航空器實 時滑行位置利用滑行位置辨識器進行辨識，然后自動決策停止排燈光控制指令，并通過停 止排燈光執行器驅動燈光信號切換，從而達到控制航空器在交叉口運行動態的目的。在該 控制決策結構中，離散控制部分的Petri網控制器是實現燈光控制決策自動化的核心。本專利采用一類典型交叉口如圖3所示，此交叉口連接四個直線滑行路段，并假 設每個路段均允許各類航空器分時雙向運行，也即在不同的時段內允許各類航空器沿某一 方向滑行。具體實施方案是
首先，我們建立一個滑行道交叉口 Petri網運行模型如下 MPN二 (^iUP1 UP^rf-UT1,Pr^PastMt)
其中，庫所ft e巧(i =Hr)表示交叉口活動區域，所含托肯表示處于活動區域
的航空器。1^=12 『-|>表示交叉口引導區域，ρ,表示交叉口核心區域；庫所rieij
，=為交叉口航空器運行指示庫所，當庫所=D中的托
肯代表即將進入(或離幵)核心區域的航空器時，Af(Pl)=I, M(Z0) = O丨成JfQ7;) = O ,
M(Fi) = I)；變遷t-B eTr成Iri eTr (i = -I)表示航空器進入或離幵交叉口核心區域
變遷&€&或1^€昊(| = 0 |^_0表示航空器進入或離開交叉口引導區域；Jfe為定義
在P3Cl1上的前向關聯矩陣；Jtaf為定義在Pxf上的后向關聯矩陣；為初始標識，表
示交叉口的初始運行狀態。其次，滑行道交叉口運行模型控制。第一步，運行模型標識控制。在交叉口 Petri網運行模型里，我們依據滑行道交 叉口管制規則，建立一些約束(1)交叉口引導區域和核心區域在同一時刻只允許被一架
航空器占用(2)對某一個交叉口引導區而言，對應指示庫所WePi和/4<￡盡至多允許二
者之一含有一個托肯(3)在同一時刻，等待進入交叉口核心區域的航空器數量之和應少于 交叉口引導區個數。根據上述約束可綜合為運行模型標識控制規范 L M (p) <b
其中，Zi = IjJjj^flf Cy = IX.......其中，s為約束個數)為標識加權矩陣￡的一個非
負整數行向量Cf)為模型標識向量；ι為標識加權和的閾值向量。第二步，運行模型優先控制使能變遷選擇。根據相關資料，兩架航空器在交叉口交叉相遇，相對于另一架航空器而言，處于左側活動區域的航空器應優先進入交叉口核心區 域。由此可知，航空器所在交叉口引導區的相對方位關系是選擇模型JflW中相關變遷優先 控制使能的依據。最后，交叉口停止排燈控制指令決策方法實現。設定映射規則為當變遷‘的狀態 為使能時，其對應位置交叉口停止排燈給予開啟指令tm ；當變遷·%的狀態為失能時，其對 應位置交叉口停止排燈給予關閉指令《ff。根據交叉口模型控制的管制規則和優先使能變 遷選擇，若運行庫所滿足上述激發條件，就激發對應的變遷*，此變遷就使能，則相應的停止 排燈就會點亮，實現交叉口的運行控制。2.直線段控制模塊
采取“控制系統——監控切換單元——燈光段”三級控制模式，即將相鄰的幾個中線燈 編為一段，并由對應的監控切換單元執行控制系統發送的燈光切換指令，從而控制燈光段 的開啟和關閉。直線段模塊同樣以Petri網控制器作為中線燈離散控制器，其決策結構如圖5所 示。在中線燈運行過程中，Petri網控制器對航空器實時滑行位置利用傳感器進行辨識，然 后自動決策中線燈控制指令，并通過對應滑行區間燈光段的中線燈監控切換器驅動燈光信 號切換，從而達到引導航空器場面滑行的目的。在該控制結構中，“Petri網控制器”是實現 中線燈控制指令自動決策的關鍵。對滑行道中線燈光段運行區間進行劃分，得到其運行示意圖如圖6所示。其中， 5 α< <5)為滑行道B上直線段燈光段運行區間。當航空器1 即將進入滑行道上的燈光段
運行區間劣時，通過該區間的監控切換器控制其中線燈光段點亮，引導航空器運行進入；
當航空器巧離開燈光段運行區間劣時，通過該區間對應的監控切換器控制中線燈光段熄
滅，以示該區間的引導過程結束。具體實施方案是
首先，建立基于Petri網的直線段運行模型腦=(iH*，J^J^M )，其中庫所趕
、”I^eP代表同一個直線燈光段滑行區間(其中，ν為機場的滑行道名稱，J為滑行道Ψ
上所劃分的燈光段運行區間序號)；變遷 」表示航空器從滑行道燈光段運行區間實進入
_ ； J^r為定義在！^!·上的前向關聯矩陣；為定義在Pxf上的后向關聯矩陣；擬ο 為初始標識，表示滑行道直線段的初始運行狀態。其次，運行模型標識控制規范。本發明基于Petri網的滑行道直線段運行模型，利 用托肯的運行過程來反映航空器的運動，從而獲知直線段的運行態勢。我們用線性不等式
約束條件表示為i-Jf Sft，其中，& 是標識加權矩陣Jf為標識向量；向量i為標識加權
和的閾值向量，其中ff為約束不等式的個數為運行模型的庫所數量。從而建立相關的約
束(1)在直線段運行模型中，庫所對攻和'起代表同一燈光段運行區間，根據場面運行規
則，每一個燈光段運行區間，在同一時刻只能允許一架航空器運行(2 )在滑行道直線段運行過程中，為保持場面滑行間隔，相鄰兩個燈光段運行區間不能被兩個航空器同時占用(3)對 滑行道兩相鄰交叉口間的直線段而言，在同一時刻，只能有朝一個方向運行的航空器
最后，中線燈控制指令決策方法。本發明采用基于局部關聯矩陣的Petri網控制器綜 合算法，對滑行道直線段Petri網運行模型展開控制器綜合。通過對運行模型進行控制器 綜合，能防止模型運行進入禁止狀態。在此基礎上，利用模型非禁止標識轉化過程中變遷的 使能狀態，即可實現中線燈控制指令自動決策，以支持航空器場面滑行過程的引導。見圖8
所示，若當前標識下，庫所的輸出變遷滿足控制使能，則表明庫所中托肯所代表 的航空器能進入庫所Ρ 對應的燈光段區間，故可利用此時變遷I^f的使能狀態，決策出庫 f'fipi對應區間中線燈光段的開啟指令，以便引導航空器進入；另外，當庫所被標識時， 表明航空器已離開對應的燈光段區間，由于設計的Petri網控制器可保證相鄰兩個燈 光段區間不被兩架航空器同時占用，故此時庫所乂不會被標識，也即庫所的輸入變遷
必處于失能狀態，因此，此時可利用變遷的失能狀態決策 對應區間中線燈光段的關
閉指令。這樣，通過對中線燈光的亮滅控制就可以引導航空器的運行。3.面向對頭沖突控制的停止排燈與中線燈協調控制模塊
基于模塊化建模思想，首先將滑行道資源分為交叉口和直線段兩類，分別建立受控 Petri網運行模型。每個資源類型對應模型為一個Petri子網，子網之間關系通過公共變 遷來描述。然后，利用同步合成技術將各Petri子網的公共變遷交疊起來，構成整個滑行道 Petri網運行模型。圖9為滑行道系統局部運行情形，活動區間Lt (k=UX^ )在同一時刻只允許 被一架航空器占用。為不失一般性，假設滑行道直線段和交叉口均允許各類航空器分時雙 向運行，也即在不同時段內允許各類航空器沿某一方向滑行。首先構建交叉口模型^PW1
、/？巧，直線段模型IJW1、/^1^、￡/ 用；然后對所建模型進行同步合成操作，得到對應的
Petri網模型如圖10所示。在該模型中，庫所A、l^分別為交叉口活動區間Z,、孓對應的
庫所；庫所(Jt=IJAO對應同一直線段運行區間；為對航空器進入交叉口進行
控制，為入交叉口變遷增加了控制庫所&。為了避免圖9這種情況，我們建立相應的協調控 制模塊。具體實施方案是
首先，建立Petri網運行模型。(1)交叉口 Petri網模型定義為
IPN =, Hjl1 P = CfJ, Λ 為交叉口區域庫所；變遷集 T = I^urff 表
示航空器的交叉口活動，其中唇為入交叉口變遷集，Tff為出交叉口變遷集；對Vferi,
有控制庫所cfeC使得; Jf為模型標識，描述航空器在場面所處位置；j|:Jpm
為庫所集合到航空器滑行路徑集合的映射，其中n = {jrJ,^>為航
空器·的滑行路徑序列(由其經過的庫所組成)。(2)直線段Petri網模型定義為
7LPN = IP1T,F,C,B,MM。庫所集合P=CftiUtfti ,其中庫所ft和’Λ對應同一個直線段
運行區間,但分另Ij表示不同運行方向；r = re UT1 Uro, Iijprc= {tMJ ,變遷用于描述 航空器穿越直線段運行區間，變遷用于描述航空器進入或離開直線段；(3)設模 .吧 Ni = IPilTi,Fi,a,Bi,MirR!} ( =12) , N = {P,T,F,C,B,M,R} , /川火況1、N7 和 N M 足條件1) F=F1UjP3, Jj1HjPj= Φ ；2) T = F1LIT2 ,IjHI"2*Φ ；則稱況是JV1 與JV2
的同步合成網，記作AT =N1QN70其次，建立運行觀測器。第一步，對直線段運行情況我們構建狀態觀測器。模型中的庫所乂和稱為 模型UWi對應的狀態觀測器在模型中添加庫所pi ,使得^ = mw , J^ra=pjV ,連
接‘的有向弧上的權值為1，且* CiC) =^fOirf ;同樣在模型中添加庫所_‘，使得
—叨·Ψ，連接V的有向弧上的權值為1，且紙60^巧⑶;
Pm — ψ Pm. _ rPm
第二步，對交叉口運行情況我們構建趨勢觀測器。對交叉口模型^其輸出變遷集 合記為CWp,對V^eraP,添加庫所,使得If eg M0Csj)=O ,稱庫所< (i=\\ m。 H為交叉口所連直線段數)為模型JPW/的趨勢觀測器。交叉口模型"WWj的輸入變遷集合 為，在(氣靂)下其狀態使能的輸入變遷集合定義為Wj ={i| Af(Jj) =IjieVe Oj-J ,當
丨巧一◎時，表明存在即將進入交叉口_/的航空器。若丨巧陣2，表明有多架航空器同時達到
交叉口 Jr,此時需根據交叉口運行規則，確定優先進入的航空器。再次，對頭沖突監控器設計。第一步，無潛在對頭運行沖突條件。和ZPWt趨勢觀測器分別為‘，4 (i=XLii)。標識(或Jf(^i))表示依據交叉口運行規則，可允許進入IHVjO^irart )并轉向XlWf對應直線段的航空器數量，又記為。￡IWf的狀態觀測器^ ,‘乂，用 標識jr(f4)表示上滑向iHt對應交叉口的航空器數量，*6 )表示在IMTi上滑 向IFWt對應交叉口的航空器數量。當且僅當下列條件同時滿足=0；2)
χ Mipim) =0 ；3) M{4y χ Μ(>；) =0，則/JWi 無潛在對頭運行沖突。第二步，對頭沖突避免控制策略。第一步雖然給出了直線段無潛在對頭運行沖 突的條件，但在實際控制過程中還需相應的控制策略，以避免對頭運行沖突出現。為此，
分兩種情況討論交叉口變遷集合1}或rt的使能策略1)無潛在沖突情形控制策略策略1 對于交叉口翻乏的輸入變遷ieQ，若直線段及兩交叉口的觀測器滿足=1 ，Μ(ρ ) = 0 ,= 則該變遷使能；策略2 對于交叉口 IPNt的輸入變遷,若
直線段及兩交叉口的觀測器滿足ΜΟφ 二 O , M(prJ =O , M(^)=I,則該變遷使能；2) 有潛在沖突情形控制策略策略3 若直線段模型處于單交叉口請求沖突狀態，當 滿足條件*￠4)=1, JfCl^J = I, JT(W) = O時，變遷iel^失能；當滿足條件JfC4) = i>, = 1, M{4} =1 時，變遷f ert 失能； 第三步，沖突避免監控器算法。我們設計的算法為1:對某一直線段模型確定 其相聯的交叉口模型和ira^ ； 2:對直線段模型，構建其狀態觀測器ι 、> ；
3 對交叉口模型和腳兔，構建其趨勢觀測器4、4 ；4 利用條件jfCri) = XM(F)
和=，在當前標識Pfijo下，確定狀態觀測器和趨勢觀測器的標識，并確
定集合1}和rt。5 根據對頭沖突監控器設計的第一步的相關條件，判斷是否出現對頭運行
沖突，若無沖突則按策略1或策略2決策相關變遷控制策略；否則步驟6 ;6 若滿足條件1)
=1, M(^i) = I , Mi4} = O 和條件 2) Md^ = O , M(pi) = 1, =1 之一時，判
斷是否為單交叉口請求沖突狀態，若是，則根據策略3，決策相關變遷控制策略；否則，根據 雙交叉口請求沖突狀態控制策略，選擇優先級最高的航空器先行；7 對其它直線段模型
,及其相聯交叉口模型—』·，執行上述步驟1至6 ；
最后，基于變遷使能狀態的停止排燈控制指令決策。在交叉口運行過程中，設其Petri
網運行模型中變遷的狀態集^到停止排燈控制指令集《4的映射為11: 4i/&，其
映射規則為當變遷&的狀態為使能時，其對應位置交叉口停止排燈給予開啟指令■；當
變遷的狀態為失能時，其對應位置交叉口停止排燈給予關閉指令Off 下面我們設計算 法1 利用沖突避免監控器算法，對滑行道Petri網運行模型在線展開控制器綜合，并確 定滿足激發使能條件的變遷集合^ ；2 對VieS ,為其對應位置的停止排燈根據上述映射 決策開啟指令m ； 3:對其它變遷對應位置的停止排燈決策關閉指令《ff ； 4:輸出控制指 令集合。這樣，我們就能控制整合場面燈光的亮滅，來引導航空器的滑行。
權利要求
1.一種分布式機場助航燈光控制系統，其特征在于包括場面活動狀態傳感器即場監雷 達、塔臺監控站和燈光控制站，燈光控制站包括交叉口控制器、協調控制器、直線段控制器 和燈光信號PLC輸出接口 ；塔臺監控站將場面活動狀態傳感器檢測的場面移動對象的位置 信號轉化為場面活動的狀態信號并將所述狀態信號被分發到對應的交叉口、直線段和協調 控制器，交叉口、直線段和協調控制器將生成的管制邏輯指令編碼經過燈光信號PLC輸出 接口后通過冗余以太網傳送到指定的燈光站，燈光站通過燈光調光器控制場面燈光設備， 燈光監視設備將采集的場面燈光設備的實時狀態反饋給塔臺監控站。
2.根據權利要求1所述的分布式機場助航燈光控制系統，其特征在于所述交叉口控制 器包括Petri網控制器、停止排燈執行器和滑行位置辨識器，其中Petri網控制器利用滑行 位置辨識器進行辨識航空器實時滑行位置，然后Petri網控制器自動決策停止排燈光控制 指令并通過停止排燈光執行器驅動燈光信號切換。
3.—種如權利要求1所述的分布式機場助航燈光控制系統的控制方法，其特征在于包 括如下步驟a)采用場監雷達采集機場場面活動目標實時信息，將整個場面的活動目標的位置信息 通過以太網絡傳送給塔臺監控站；b)塔臺監控站將步驟a所述的場面移動位置信號轉化成場面活動的狀態信號，該狀態 信號將會被發送到相應的交叉口控制器、直線段控制器和協調控制器；c)步驟b所述的控制器將會生成相應的邏輯控制指令，然后通過冗余以太網傳送到指 定的燈光站；d)燈光站的控制計算機會判斷所接收到的邏輯控制指令，在驗證無誤后與之實現通 信，通過PLC輸出電平信號給燈光控制器來執行相應的場面燈光控制；e)用燈光監視設備來監視整個場面的燈光情況，然后通過冗余以太網將信息反饋給 塔臺監控站，一旦發現故障，塔臺監控站報警。
全文摘要
本發明公布了一種分布式機場助航燈光控制系統及方法，本發明系統包括場面活動狀態傳感器、塔臺監控站、交叉口控制器、協調控制器、直線段控制器、燈光信號PLC輸出接口，通過冗余以太網進行組網連接。本發明所述方法依靠塔臺監控站將場面移動對象的位置信號轉化為場面活動的狀態信號，該狀態信號被發送到燈光控制器，控制器將生成的管制指令編碼，通過冗余以太網傳送到指定的燈光站對各被控對象的調光器進行控制的策略。本發明實現了全天候條件下機場場面活動的有效引導；通過燈光控制器來自動控制場面燈光的開啟狀態，并實時提供全局最優的活動對策建議；實現了對活動目標滑行和地面交通的高效精確引導。
文檔編號H05B37/02GK102098832SQ201010536400
公開日2011年6月15日 申請日期2010年11月9日 優先權日2010年11月9日
發明者湯新民 申請人:南京航空航天大學