机场目标可见性性能建模与分析_王志巍.pdf

第 卷 第 期 年 月：机场目标可见性性能建模与分析王志巍（上海民航新时代机场设计研究院有限公司，上海）摘 要：机场场面目标的可见性是塔台管制员监视和指挥机场场面活动的基础，是机场塔台选址和建设的首要参考指标。在描述机场目标可见性基础上，明确可见性概念，提出目标可见性评估过程；借鉴光电成像技术，建立机场目标可见性模型，包括目标鉴别方法、目标任务性能、人眼对比度阈值函数、大气调制传递函数等。以国内某新建机场为例，对提出的数学模型进行了仿真计算，并以此为基础设计了机场现场目标可见性测验方法，由 名管制员进行测验。结果证明，测验与模型仿真在目标可见性趋势上是一致的。表明仿真模型具有一定的参考意义，可作为机场目标可见性的定性参考。关键词：机场；塔台选址；目标可见性；光电成像中图分类号：文献标志码：文章编号：（）（，）：，：；收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）作者简介：王志巍（），男，山东菏泽人，硕士，助理工程师。研究方向为交通运输规划与管理。：；：引 言塔台是机场建设的重要建筑物之一，也是机场安全、高效运行的核心设施。为保障机场塔台建设满足安全运行需求，我国民航局空管办下发了咨询通告，作为机场塔台建设的指导要求，但对于一些参数的计算方法并没有明确。塔台建设的最基本要求是 第 期王志巍：机场目标可见性性能建模与分析站在塔台的管制员能够通过肉眼感知机场运行的飞行器或车辆的存在，然而目前的规章和规定中，并没有对机场中的目标的可见性模型或评价方法。张涛研究了塔台通视各项指标，并以某机场为例，分析了不同情景下各指标是否满足塔台通视要求；李娜等研究了国内不同跑道构型、不同塔台位置情况下塔台通视情况，分析了机场塔台位置和高度专项论证所面临困境。本文结合国内已发布规章、国内外研究成果，建立机场目标可见性性能模型，并通过机场现场实验对比模型的可行性。该模型可用于对现有机场塔台的通视情况进行评估，也可用于对新建或扩建机场塔台选址、高度设计等提供机场可见性数据参考。机场目标可见性问题描述 问题描述机场在运行过程中，需要被塔台管制员时刻关注的最重要目标是运动的航空器或车辆。塔台管制员通过眼睛感知航空器或车辆的过程如图 所示。在机场大气条件下，太阳和天空漫射光把场面运动的航空器或车辆照亮；航空器的影像通过大气传输至管制员眼睛；影像由眼睛传至大脑进行分析和处理，并判断是否察觉或识别出目标。图 机场目标可视性示意图 机场目标可视性问题研究是在当前光照和大气条件下，机场塔台上的管制员通过裸眼，能否感知到机场关键点的航空器或车辆。在机场周边大气环境中，管制员需要依赖眼睛感知航空器或车辆，其感知过程的影响因素包括：管制员的视力；目标航空器或车辆与管制员之间的距离；航空器或车辆的大小、外貌等特性，航空器或车辆与背景环境的颜色、亮度等差异；机场大气对光的透射、衍射、散射等特性。目标可见性定义可见性是指目标物体的可见程度，即从人眼所在位置观察远处目标物体，能观测到的目标物体的清晰程度。人眼的感知过程需要依赖人眼视觉系统，根据人眼对目标细节感知程度的不同，可把目标的可见性分成：察觉、识别和辨认 种情况。察觉 目标察觉是通过人眼视觉系统能觉察到机场存在某物体（目标），例如航空器或车辆等物体，而不考虑该物体的类别、类型或型号等信息，即观察者知道存在某物，但无须识别或辨别该物体。识别 目标识别是通过人眼视觉系统区分一类物体的能力，例如单引擎类通用航空器。辨识 目标辨识是能通过人眼视觉系统观察辨认出目标是什么类型，例如 机型。在机场目标可见性性能评价时，由于机场运行瞬息万变，时间紧迫，首先是能察觉目标；其次判断目标能否被识别。目标能否被察觉是目标可见性性能分析的首要任务。机场目标可见性评估过程为建立基于人眼的目标感知模型，不失一般性，做如下假设：机场场面的目标一般是指航空器或车辆；所有观察都通过观察者肉眼进行的，观察者的视力正常；假定观察者处于指定的塔台高度，所有目标（例如航空器、车辆）的高度为 左右；如果相同条件下，小型航空器或车辆能够被察觉或识别，则正常运行的更大的航空器或车辆等也可被感知到。塔台管制员在塔台上通过裸眼确定机场中目标可见性评估过程如下：（）确定机场的关键点，把该点作为航空器、车辆等目标所在位置。（）指定塔台高度，确定管制员眼睛与关键点的距离。（）确定目标对象及其尺寸，即该机场运行时的航空器最小机型或车辆。（）确定机场光照环境和目标位置的亮度。（）确定目标对比度函数（，），即确定目标对象相对于机场环境的对比度。（）建立大气调制传递函数（，），通过 模拟机场大气湍流的散射和折射，大气透射率，大气能见度，大气气溶胶等影响。（）确 定 人 眼 对 比 度 阈 值 函 数（，），用于表示人眼视觉特征。（）计 算 目 标 任 务 性 能（，）。（）计算察觉和识别的概率，比较和评估目标感知概率是否达到可接受标准（例如，与最小值进行比较）。机场目标可见性模型本文将参照光电成像技术，建立目标可见性数学模型。机场目标鉴别方法目标的察觉、识别和辨识是基于目标鉴别方第 卷法。在相同对比度下，观察者感知目标的能力与其分辨不同频率的模式靶的能力有关。大量实验表明，可通过人眼对目标物体的等效条带的分辨能力，确定眼睛对目标的感知能力，即 准则。以概率完成察觉、识别和辨识等目标感知任务所需的等效条带周期数（）建立目标可见性感知准则。其中目标等效条带周期数可通过目标分辨力（）乘以目标尺寸（）获得。基于 准则，给出目标获取任务选择的数据，见表。表 准则中 取值是否含偶然概率是否察觉低杂波中等杂波 识别坦克货车 装甲车辨识 种目标组 种目标组 塔台管制员对目标物体的可见性概率（）（）（）（）式中：为达到 探测概率所需要的等效目标任务周期数，由视觉实验测试得到；为目标物体的可分辨周期数，该参数与目标的尺寸大小、和距离有关。一般以临界特征长度作为机场目标航空器或车辆的大小尺寸参考值，临界特征长度可简单表示为目标的正面或侧面横截面积的平方根。机场不同航空器或车辆特征尺寸不相同。在可见度评估时，通常选择较小的尺寸进行评估，如拖车、牵引车等，推荐的评估测试为 、等。如果从正面或侧面观察，航空器或车辆可分辨周期数 正面观察 侧面观察|（）式中：、和 分别为目标物体的外貌特征的长、宽和高；为目标物体与管制员之间的距离；为目标物体的任务性能。目标任务性能 是 等 人 基 于 准 则 提 出的。把 与 围成的区域作为人眼获取到的目标物体的信息，横坐标使用空间频率，在视觉领域定义为 ，纵坐标使用对比度表示，如图 中影响面积所示。本文采用的 模型（包括、和）（）（）（）图 准则示意图式中：、为 与 交点横坐标，即积分的起始点和截止点的空间频率。眼睛的横向视角限制导致具有空间带通响应，可更好的识别 和 间的空间频率。在该积分方程中，是 超过 的低空间频率，非常接近于零。是 超过人的高空间频率。如果目标物体与其背景的对比度减小，会使目标变得模糊不清，对于航空器或车辆的影像来说，可定义为（）（）（）式中：为目标物体亮度（或温度）的标准差；为目标物体周边场景的平均亮度（或温度）；为目标物体平均亮度与其背景平均亮度（或温度）的差值。此外，管制员与目标物体有一定的距离时，目标物体的亮度由于受到大气传输特性的影响发生衰减，导致航空器被管制员眼睛感知的视在亮度变小。通过大气对光线传输的衰减 进行讨论。人眼对比度阈值函数目标的可见性就是人眼在特定背景环境下对目标的察觉、识别和辨识过程。大脑中枢对刺激信号的感知和辨识与信号相对于其背景的对比度有关，对比度太大，或者太小，都会降低图像质量。常用人眼对比度阈值函数（）来表征人眼对信号感知的灵敏度：（）（）（）（）（）式中：为空间频率；为目标亮度；或 为人眼观测视角。大气调制传递函数大气通过影响光线的传播来影响目标物体影像的清晰程度，主要为大气湍流和悬浮颗粒构成的气溶胶，第 期王志巍：机场目标可见性性能建模与分析对光线的主要影响为散射、折射和吸收作用。目标物体图像光线被大气吸收、散射，引起光线在传播过程中不断衰减，造成图像对比度降低、形状扭曲变形、清晰度下降，影响管制员对目标航空器或车辆感知的准确性，把这两种影响分开考虑，则：（）式中：为大气湍流调制传递函数；为气溶胶调制传递函数。（）大气湍流的调制传递函数。可分为长曝光湍流 和短曝光湍流。一般认为人眼属于短曝光（曝光时间小于 ）：（）()（）式中：为大气折射率结构常数，通常采用经验模式计算；为大气波长；为系数，近场时为，远场时为 ；为成像光学系统入瞳直径。（）气溶胶的传递函数。大气气溶胶效应在目标识别研究中经常被忽视。气溶胶会对光线产生散射作用。计算模型（）（），（），|（）式中：为大气气溶胶的吸收系数；为大气气溶胶的散射系数；为气溶胶的空间频率，；为大气中主要气溶胶例子半径。根据 与 关系，分为低频区和高频区，时为高频区，时为低频区。假定气溶胶粒子直径为 ，波长 ，则 ，故 为高频区。由于高频区，与空间频率 无关，因此结果取大气透过率数值。仿真实验以国内某新建 类机场为例，如图 所示。图 某机场平面简图 机场场面运行时，跑道入口是重点关注区域，设置跑道入口处为目标可见度性能评估的关键位置点。该机场的塔台位置见图，距跑道中心线距离，塔台距机场地面的高度为 。塔台距关键点位置约 ，即 。考虑 种目标物体，具体尺寸见表。表 测试目标尺寸数据目标 引导车 基于模型的仿真结果根据某日该机场气温条件，背景温度为 ；目标与背景的温差为 ，目标对比度为 ；考虑大气轻微湍流和气溶胶高频率区影响，大气能见度设为。察觉、识别、辨识时选择的 分别为：、和 。假设距离 逐渐变化，根据上述模型，计算结果见表 和图。表 不同目标不同距离处的可见性概率距离引导车 察觉 识别 辨认 察觉 识别 辨认 第 卷图 不同距离和目标可见性预测概率对比 图 中分别为引导车和 飞机的察觉、识别和辨识的概率随距离的变化关系。基于不同距离、不同目标物体的可见性预测概率可知：在物体不变情况下，目标的可见性会随距离增大而下降；在距离不变情况下，人眼对场景目标的察觉比识别容易，识别比察觉容易；并且目标尺寸越大，预测概率越大。现场测验设计为了验证实际管制人员对机场目标的可见性，选择了该机场 名管制员进行现场测试。被测试人员不知道关键点会放置什么物体，要求通过裸眼观察关键点位置，识别和判断目标。关键点设置 个场景，依次放置 、引导车和无任何目标物体。根据 个场景，测验共进行 次。实验过程：针对每次测验，依次让测试人员从塔台指定位置窗口进行观察，每人观察时间为 ，然后回答调查问卷。调查问卷包含 个问题：问题 您是否在关键点看到了物体？（选择题，如果选择 请回答问题，如果选择 答卷结束。）（）有 没有问题 您看到的是车辆？航空器？（选择题，如果是选择 请回答问题，如果选择 请回答问题。）（）车辆 航空器 问题 您看到的是什么车辆？（）引导车 摆渡车 加油车问题 您看到的是什么航空器？（）小型航空器 中型航空器 大型航空器上述 个问题，问题 用于测试目标是否能够被察觉，问题 测试目标是否可以被识别，问题、测试目标是否可以被辨认。同时，可根据数学模型仿真计算出目标可见性的概率。对比测试结果和模型仿真结果，见表。表 中“测试”列是通过现场 人的测试结果。其中数据“”为参与人 人，选择结果与实际一致的有人。该测试可从统计结果上初步说明目标的可见性。表 中的“仿真”列为相同条件下通过数据模型仿真得出的结果。为详细对比 种方案结果，绘制成雷达图，如图、所示。表 现场测验与仿真结果对比场景 场景 场景 引导车无测验仿真测验仿真测验仿真察觉识别辨认 图 测试与仿真对比图 引导车测试与仿真对比 通过测试与仿真对比可知，仿真结果与测试结果在目标可见性趋势上是一致的，表明仿真模型有一定的参考意义，可作为定性的参考和判断。现场人员测试方法受到物理的距离、大气环境等条件限制，只能测试和评估特定条件下的目标可见性，对机场设计或建设阶段缺少必要条件，无法开展相关测试；测试需要投入大量人力、物力和时间，成本较大；因此测验方法在实际应用中受到较大限制。而仿真可通过调整不同的参数，获得所需条件的任意情况数据，这正是目标可见性数学模型的意义。结 语本文针对机场场面目标的可见性问题进行详细的分析。分析了机场目标可见性的具体问题，详细定义了机场目标的可见性概念，基于一般性假设，给出了机（下转第 页）第 期马 良，等：新型研发机构公共科研平台绩效评估实证研究前沿发展，持续做好设备升级更新和技术研发，保持核心竞争力；成长型平台依托科研任务需求，抢抓发展机遇加大支持，持续做好设备升级更新和技术研发，保持核心竞争力；瓶颈型平台，应及时梳理前期建设运行经验和问题，明确平台在新型研发机构中的任务定位，积极构建核心业务能力和竞争优势，实现转型升级。参考文献（）：中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 年远景目标纲要 人民日报，（）科技部印发关于促进新型研发机构发展的指导意见的通知 （）：刘心蕊，杨 巍，张鹤达 我国高校大型科研仪器设备共享评价模型构建 实验技术与管理，（）：董 诚，赵 伟，涂 勇 我国科学数据机构共享绩效评估研究 中国科技论坛，（）：赵红专，翟立新，李 强 公共科研机构绩效评价的指标与方法 科学学研究，（）：杨博文，涂 平 北京新型研发机构评价指标体系研究 科研管理，（）：王梦婷，邓 媚 基于概率统计的新型研发机构绩效评价测算方法 科技创新发展战略研究，（）：郭百涛，王帅斌，王冀宁，等 基于网络层次分析的新型研发机构共建绩效评价体系研究 科技管理研究，（）：张晓纯，谢冬梅，王雨欣，等 基于层次分析法和熵值法的智慧医疗服务可及性评价 卫生经济研究，（）：赵 硕，张诗敏，张 南，等 基于层次分析法的企业科研项目后评价指标体系构建研究 企业改革与管理，（）：李晓夏 基于层次分析法的乡村振兴评价指标体系构建 南方农机，（）：左 伟，周慧珍，王桥 区域生态安全评价指标体系选取的概念框架研究 土壤，（）：周炳中，杨 浩，包浩生，等 模型及在土地可持续利用评价中的应用 自然资源学报，（）：谢小青，黄晶晶 基于 模型的城市创业环境评价分析 以武汉市为例 中国软科学，（）：诸大建，王欢明，刘淑妍 基于 模型的公共服务治理系统性研究 经济与管理研究，（）：时 歌，黄 涛 基于 模型的湖北省新型研发机构发展机制研究 科学管理研究，（）：（上接第 页）场目标可见性的评估过程。借鉴光学成像技术，建立了目标可见性模型。论述了目标鉴别方法、目标任务性能、人眼对比度阈值函数、大气环境调制传递函数等影响因素模型建立过程。根据模型完成了对某机场场面目标可见性性能的预测评估。设计现场测试实验，通过现场测试统计数据与模型仿真预测数据对比发现，种方法的结果在目标可见性趋势上具有一致性，表明了该模型的可行性。由于现场测试数据较少，未来工作需进一步丰富和完善现场测试，进一步论证、修正和完善模型。参考文献（）：中国民用航空局空管行业管理办公室 塔台管制室位置和高度技术论证办法：北京，张 涛 机场管制塔台通视能力评估方法研究 天津：中国民航大学，李 娜，霍志勤 塔台位置和高度专项论证的困境 民航学报，（）：，（）：，（），张建奇，王晓蕊 光电成像系统建模及性能评估理论 西安：西安电子科技大学出版社，：，：荆卫国，王红培，栾光琦，等 基于成像对比度的微光装备侦察能力研究 红外技术，（）：周立伟 目标探测与识别 北京：北京理工大学出版社，范媛媛，沈湘衡，桑英军 对比敏感度下的图像对比度评价 沈阳建筑大学学报，（）：白廷柱，金伟其 光电成像原理与技术 北京：北京理工大学出版社，叶春芳 光学系统 快速测量仪的研究 杭州：浙江大学，王少游 地球静止轨道区域凝视光学系统成像性能分析哈尔滨：哈尔滨工业大学，：，王振国，耿则勋，赵振磊，等 气象数据估计大气 的遥感影像恢复 光电工程，（）：，（）：，：