机场障碍物评估和三维可视化软件的开发应用

　　近几年的一份商业航空事故原因统计表明，近乎半数的空中交通事故发生在起飞、着陆阶段，均与地面障碍物有一定关系。为保障民航飞机起降安全、提高空中交通流量，对机场周边重要障碍物进行确定和评估至关重要。通常情况下，一个机场周围超过50个障碍物十分普遍，有的机场周围甚至会超过100个障碍物，为此我们需要一个能够完成输入、评估、确定和显示机场重要障碍物信息的一体化和自动化的机场重要障碍物评估软件，从而减轻飞行性能工程师的工作负荷，提高其工作效率。

　　1 重要评估基准

　　1.1 机场净空区

　　为保证飞机运行安全，机场上空及一定水平范围内会设立净空区。在这一区域内，障碍物不能超过一定高度，且不能出现其他有碍飞行的物体。

　　机场净空区的范围由障碍物限制面(附件14面)确定。机场净空区由升降带、端净空区、侧净空区组成，其中侧净空区又包含过渡面、内水平面、锥形面和外水平面。如图1所示。

　　图1 机场净空区

　　根据CCAR-121-R4[1]，第189条“涡轮发动机驱动的飞机的起飞限制”中(c)规定：涡轮发动机驱动的飞机不得以大于该飞机飞行手册中所确定的某个重量起飞。在该重量下，预定起飞飞行轨迹以10.7米(35英尺)的余度超越所有障碍物，或者能以一个特定距离侧向避开障碍物。该特定距离的值为下列两项目中规定值的较小值：90米(300英尺)+0.125D，其中D是指飞机起飞离可用起飞距离末端的距离值;对于目视飞行规则飞行，预定航迹的航向变化小于15度时，为300米，预定航迹的航向变化大于15度时，为600米;对于仪表飞行规则飞行，预定航迹的航向变化小于15度时，为600米，预定航迹的航向变化大于15度时，为900米。

　　1.2 障碍物限制面

　　障碍物限制面也被称为附件14面。ICAO为了保障飞机的起降安全，规定了几种障碍物限制面，可用于判别机场周边的某一物体是否为障碍物。障碍物限制面主要有内进近面、内过渡面、内水平面、进近面、过渡面、锥形面和起飞爬升面组成。我们可以通过确定障碍物在限制面上的分布情况，然后根据障碍物的实际标高和拟建高度，评估它是否穿透了障碍物限制面。如图2所示。

　　1.3 障碍物评价面

　　障碍物评价面也被称为OAS面。对于精密进近航段，障碍物限制面不能满足有关人员对于机场障碍物评价精度的需求，这时就需要引入了障碍物评价面，其作用在于在精密进近航段中对障碍物进行详细测量。障碍物评价面由以精密航段的航迹为对称轴的6个斜面和包含入口的水平面组成。如图3所示。

　　图2 附件14面 图3 障碍物评价面

　　作者认为，由于飞机在起降、进近阶段如遇到障碍物，其飞行轨迹将会受到很大影响，这种情况下，任何净空区内物体都将对飞行安全构成潜在影响，因此应将在机场净空区内的一切物体都认为“机场障碍物”;而对正常起落的飞机的飞行安全构成影响的机场障碍物应被认为“机场重要障碍物”——这也是本课题将深入研究的对象。

　　2 机场重要障碍物评估的软件语言

　　2.1 软件设计过程

　　2.1.1 获取原始数据并建立障碍物数据库

　　机场及周边障碍物的相关数据通常会以pdf文件形式公开，这样虽然可以避免原始数据被修改，但却不利于软件对数据进行提取和操作。因此在获取数据时，我们需要将pdf原始数据转换为EXCEL表格形式。之后再对数据进行筛选，把无关数据剔除并将相关数据按照一定格式排列，以便后续使用。

　　本程序中包含的数据筛选方式主要为以下两种，分别针对不同的情况：

　　①以位置为索引 整行、整列地删除无用数据、空单元格。机场障碍物数据中包含很多诸如无线电频率、除雪除冰等无关属性或空单元格，为避免这些数据对重要障碍物的分析过程造成影响，我们需要删除这些数据，以此统一工作表的格式，方便程序在判定过程中对有效数据进行引用，如图4所示。

　　图4 程序源码 图5程序源码

　　②以关键词为索引提取所需数据。在选定了活动工作表之后，以关键字为索引找到目标数据的位置，并进行数据提取。以图5为例，在指定区域内搜索关键字“磁方位”与“真方位”，若区域中包含这两个关键字，则再搜索关键字“跑道号码”。在确定了“跑道号码”的位置之后，便确定了目标数据的位置，就可以进一步地提取相应位置的数据。此处提取出的数据为相应障碍物相对指定跑道的磁方位与真方位。

　　③针对跑道方向的数据筛选。本程序对象为单跑道。单跑道在使用时可以有两种方向，两种跑道号相差18。使用的跑道方向不同时，需要考虑的障碍物也不同。在选定跑道方向后，确定相应障碍物的方法如图6所示。其中，RWY为选定的跑道的方向，范围为(0，360]。RWY1与RWY2分别为跑道右侧与左侧中垂线的方向。障碍物的坐标处于RWY1与RWY2之间的障碍物即为该跑道方向下应该考虑的障碍物。

　　图6跑道筛选程序源代码 图7障碍物坐标转换程序源代码

　　2.1.2 坐标系转换

　　由于机场的相关坐标通常通过以机场参考点为原点的极坐标系给出，用磁方位表示方位数据，因此在进行比对前需要将极坐标系转换为直角坐标系，并将相关数据统一为真方位数据，防止出现数据与实际不符的情况。

　　程序中以跑道所在直线为X轴，跑道方向为X轴正方向建立标准空间直角坐标系。障碍物的坐标转换过程如图7所示。得到的x1、y1、h分别为指定障碍物在该坐标系内的横坐标、竖坐标。

　　2.1.3 将障碍物的坐标数据与净空区边界的数据进行比对

　　由于净空区分界面由几个面组合而成，因此不同水平位置适用不同的平面方程。得到障碍物的坐标后，根据其坐标计算出该点的净空区边界高度，再与障碍物高度进行比对，即可判断出障碍物是否超限。

　　2.1.4 输出判断结果

　　本程序提供两种结果输出方式。一种为默认的EXCEL表格输出方式，程序运行完毕后各障碍物数据表格自动增加一列数据用于显示该障碍物是否超限。另一种方式为图形输出方式，通过matlab将障碍物与净空区边界的三维图像显示出来，从而为使用者提供一个更直观的观察方式。

　　2.2 程序展示

　　2.2.1 程序界面展示

程序包含一个窗体“处理程序”;控制按钮1“提取信息”、控制按钮2“判定”、控制按钮3“导出matlab”;标签“请选择跑道进行判定”;及一个用于跑道选择的下拉菜单。

　　2.2.2 过程说明

　　第一步： 将机场使用细则的pdf文件转换成excel

　　第二步：点击提取信息按钮，提取出关键信息

　　第三步：选择跑道，并点击判定，得到判定信息

　　第四步：结果展示

　　3 机场重要障碍物评估软件的三维可视化

　　3.1 目的

　　在本文的前两章节，我们已向大家阐述了我们设计机场重要障碍物评估软件的理论评估方法和VB评估方法，但对于净空区内包含大量障碍物的机场，这些方法并不直观;而且系统评估出的重要障碍物对于飞行安全的影响缺乏足够的视觉冲击力——为此，我们结合matlab编程软件，实现了机场重要障碍物评估的三维可视化。

　　3.2 程序展示

　　3.2.1 程序界面展示

　　在完成提取信息、判定步骤后，点击“导出MATLAB”命令按钮。

　　3.2.2 三维可视化展示

　　点击“导出MATLAB”命令按钮后，系统会自动输出代码文件“output”; 在手动运行“output”文件之后，matlab会再自动输出图像文件“ouput”。

除输出图像文件“output”之外，matlab还会显示三维图像Figure1。我们可以在matlab生成的Figure1界面使用其自带的“放大”、“缩小”、“移动”、“三维旋转”等功能调整至我们需要的视觉角度，如图13、图14所示。在此以上海虹桥机场36R跑道为例：

　　我们可以直观的看出上海虹桥机场36R跑道净空区内的主要障碍物和重要障碍物位置分布、高度比例等;对于影响航空器起降的重要障碍物，则将表示其高度的柱状图形变红显示。

　　3.3 小结

　　本章节以上海虹桥机场36R跑道为例，展示了基于matlab的机场重要障碍物评估的三维可视化结果，相信其可以使评估结果变得更直观、更有冲击力。此软件适用于任何已导入“机场重要障碍物评估软件”障碍物数据的机场。

　　4 结语

　　本文基于Visual Basic6.0和matlab，建立了机场障碍物数据库、设计了障碍物的坐标转换方法、阐述了机场重要障碍物的评估确定与输出方法，编写了机场重要障碍物的三维可视化输出语言，成功实现最终结果的三维可视化功能。另外，我们添加了将pdf列表文件直接导入数据库的功能。

　　因为在编程语言章节附有对应的语句解释和操作界面解释，VB的模块化特点也保证了操作此软件的便利，所以此软件可以快速部署在有关高校和部门的计算机上，希望该软件能够为飞行性能工程师和相关研究人员提供较大的便利，使民航运输业更加稳健、高速的发展。