亞運(yùn)奧體演繹燈光對民航飛行員視覺影響評估研究

摘 要：本文主要研究亞運(yùn)奧體演繹燈光組的強(qiáng)光束對空中航行民用航空器飛行員視覺影響的數(shù)值評估方法。首先，對民航領(lǐng)域相關(guān)法律法規(guī)與飛行程序規(guī)章制度進(jìn)行調(diào)研。其次，根據(jù)燈光物理參數(shù)與光束照度理論，對單個(gè)光束燈的照度值進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。再次，構(gòu)建飛行程序保護(hù)區(qū)指定高度任意點(diǎn)處燈光組的總和照度值計(jì)算模型。最后，通過杭州亞運(yùn)會奧體演繹燈光對杭州蕭山機(jī)場附近空中飛行員視覺影響進(jìn)行評估，驗(yàn)證本文所提方法的有效性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：光束燈；視覺影響；飛行程序

中圖分類號：V 271" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

2023年亞運(yùn)會在杭州舉行，開幕式和閉幕式中均有大型演繹燈光表演，“亞運(yùn)奧體演繹燈光項(xiàng)目”擬建設(shè)沿江與建筑屋頂850W防水光束燈共389個(gè)。1）沿江區(qū)域的濱江段1km，光束燈109個(gè)；蕭山段2km，光束燈210個(gè)，因此沿江區(qū)域的光束燈共109+210=319個(gè)。2）建筑區(qū)域潤奧中心2個(gè)樓的樓頂光束燈各10個(gè)，杭州之門2個(gè)樓的樓頂光束燈各10個(gè)，信達(dá)中心3個(gè)樓的樓頂光束燈各10個(gè)。因此，建筑區(qū)域的光束燈共10×2+10×2+10×3=70個(gè)。燈光組與杭州蕭山機(jī)場06/24號跑道中心點(diǎn)距離18.578km，與06/24號跑道入口距離16.921km，與06/24號跑道延長線最近距離6.564km。根據(jù)民航機(jī)場相關(guān)凈空管理規(guī)定，需要對該燈光組對空中航行民用航空器飛行員的視覺影響進(jìn)行評估。因此，本文提出基于飛行程序保護(hù)區(qū)指定高度任意點(diǎn)燈光組總和照度值的數(shù)值計(jì)算方法，評估、分析燈光組對民用航空器飛行員視覺影響。

1 研究方法

本文主要研究亞運(yùn)奧體演繹燈光組的強(qiáng)光束對空中航行民用航空器飛行員視覺影響的數(shù)值評估方法，技術(shù)路線如圖1所示。首先，對民航領(lǐng)域相關(guān)法律法規(guī)與飛行程序規(guī)章制度進(jìn)行調(diào)研。其次，根據(jù)燈光物理參數(shù)與光束照度理論，對單個(gè)光束燈的照度值進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。再次，構(gòu)建飛行程序保護(hù)區(qū)指定高度任意點(diǎn)處燈光組的總和照度值計(jì)算模型。最后，對亞運(yùn)奧體演繹燈光項(xiàng)目擬建設(shè)的389個(gè)850W防水光束燈及其光束是否會對杭州/蕭山機(jī)場飛行產(chǎn)生影響進(jìn)行安全評估。對儀表離場程序、精密進(jìn)近程序、非精密進(jìn)近程序、PBN飛行程序和飛機(jī)性能等的影響進(jìn)行評估，得出結(jié)論和相關(guān)建議。

1.1 光束照度值

光照強(qiáng)度[1-2]是一種物理術(shù)語，指單位面積上所接受可見光的光通量，簡稱照度，單位為勒克斯（lux或lx），主要用于指示光照的強(qiáng)弱和物體表面積被照明程度的量。照度值通常被用來評價(jià)光束的亮度和對人眼視覺的影響[3-4]。例如，根據(jù)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50034—2013），辦公建筑照明標(biāo)準(zhǔn)值一般為200lux～750lux，住宅建筑照明標(biāo)準(zhǔn)值一般為100lux～500lux，影院觀影廳照明標(biāo)準(zhǔn)值一般為100lux～200lux。因此，本文重點(diǎn)對亞運(yùn)奧體演繹燈光光束照度值進(jìn)行建模。

1.2 單個(gè)光束燈的照度值建模

亞運(yùn)奧體演繹燈光使用的是850W防水光束燈，其照度值隨距離的變化如圖2所示。

本文基于曲線擬合算法，得到850W防水光束燈單個(gè)光束燈的照度值隨距離變化的計(jì)算曲線，即光照度（lux）與測距（m）的平方間的關(guān)系如公式（1）所示。

L=le8/D " （1）

式中：L為照度；D為光束邊緣與光源的測距的平方；le8為108。

1.3 光束燈組總和照度值建模

燈光組擬建設(shè)389組光束燈，分別建設(shè)在江邊和多個(gè)地標(biāo)性建筑屋頂?？紤]最差情況，這些光束燈在某一時(shí)刻同時(shí)照射到空中的同一個(gè)點(diǎn)，該點(diǎn)的光束總和照度值如公式（2）所示。

（2）

式中：i表示第i個(gè)光束燈，i=1，2，……，389；Li為第i個(gè)光束燈的照度值；Di為第i個(gè)光束燈與空中指定點(diǎn)的直線距離的平方。

本文項(xiàng)目的光束對航行影響的評估方法如下所示。首先，假設(shè)飛行方向與飛行員水平最大視線角為120°（左右各60°），計(jì)算所有光束燈與各航段飛行程序的水平最近點(diǎn)位置、距離以及該最近點(diǎn)處的程序高度或最低限制高度。其次，計(jì)算所有光束燈與該最近點(diǎn)的斜向測距。再次，計(jì)算該斜向測距下所有光束燈的照度值與總和照度值。最后，根據(jù)總和照度值對應(yīng)的等同環(huán)境照度，得出對人眼是否存在影響的結(jié)論。

1.4 技術(shù)評估方法和參數(shù)

1.4.1 保護(hù)區(qū)

在進(jìn)離場飛行過程中，飛機(jī)可能因?qū)Ш秸`差、飛行技術(shù)誤差等原因此偏離航路中心線。保護(hù)區(qū)即為根據(jù)一定規(guī)范繪制的飛機(jī)在進(jìn)離場階段可能的位置區(qū)域，用于評估飛機(jī)在低空飛行過程中是否會進(jìn)入煙氣飄散的水平影響區(qū)域。每個(gè)航段都有相應(yīng)的保護(hù)區(qū)，通常保護(hù)區(qū)對稱于預(yù)定航跡兩側(cè)，并且該保護(hù)區(qū)分為主區(qū)和副區(qū)，有時(shí)只有主區(qū)。當(dāng)允許有副區(qū)時(shí)，每邊外側(cè)一半寬度的保護(hù)區(qū)為副區(qū)（通常為總寬度的25%）。在2個(gè)定位點(diǎn)間，可以根據(jù)這2個(gè)定位點(diǎn)處的保護(hù)區(qū)寬度，使用公式（3）進(jìn)行線性插值，求得任意一點(diǎn)（P）的副區(qū)寬度。

（3）

式中：WS1為第一個(gè)定位點(diǎn)的副區(qū)寬度；WS2為第二個(gè)定位點(diǎn)的副區(qū)寬度；WSP為P點(diǎn)的副區(qū)寬度；DP為從第一個(gè)定位點(diǎn)沿標(biāo)稱航跡至P點(diǎn)的距離；L為2個(gè)定位點(diǎn)間沿標(biāo)稱航跡的距離。

1.4.2 程序高度

程序高度是指飛機(jī)在特定區(qū)域的飛行高度。航空業(yè)界已確認(rèn)，大多數(shù)大型航空器的飛行事故發(fā)生在距著陸機(jī)場19km（10n mile）的范圍內(nèi)[4]。為支持防止可控飛行撞地的倡議，儀表進(jìn)近圖不僅要提供保證超障余度所需的高度/高，還應(yīng)提供程序高度/高。程序高度/高是為了確保飛機(jī)位于具有相應(yīng)超障余度的任何最低高度之上，并支持在最后進(jìn)近航段上根據(jù)指定梯度/角度穩(wěn)定下降。設(shè)計(jì)所有的非精密進(jìn)近程序時(shí)，不僅應(yīng)該包括保證超障余度的最低高度，還應(yīng)包括程序高度/高。在任何情況下，程序高度/高都不得低于任何OCA/H。

1.4.3 轉(zhuǎn)彎區(qū)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)彎區(qū)設(shè)計(jì)具體如下。

第一，儀表飛行程序中不同航段轉(zhuǎn)彎保護(hù)區(qū)設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則。本文介紹的方法——風(fēng)螺旋線和邊界圓可以用于下列飛行階段，即離場、復(fù)飛、最后進(jìn)近定位點(diǎn)（轉(zhuǎn)彎＞10°）和RNAV程序在IAF和IF轉(zhuǎn)彎（轉(zhuǎn)彎＞30°）。其他轉(zhuǎn)彎的保護(hù)區(qū)用平均圓弧設(shè)計(jì)。

第二，在一個(gè)指定高度/高轉(zhuǎn)彎。轉(zhuǎn)彎內(nèi)邊界通常起始于轉(zhuǎn)彎起始區(qū)開始處，在可以提供最好側(cè)向保護(hù)的那一側(cè)邊界（如果轉(zhuǎn)彎角度＜75°，為內(nèi)側(cè)邊界；如果轉(zhuǎn)彎角度≥75°，為外側(cè)邊界）。再與轉(zhuǎn)彎后標(biāo)稱航跡成15°向外擴(kuò)張。

第三，在一個(gè)指定轉(zhuǎn)彎點(diǎn)轉(zhuǎn)彎。在轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)，主區(qū)邊界起始于K-K線。主區(qū)和副區(qū)邊界分別與下一航段對應(yīng)的邊界線相連。如果連接點(diǎn)在下一航段相應(yīng)保護(hù)區(qū)之外，邊界就按照與轉(zhuǎn)彎后的標(biāo)稱航跡成轉(zhuǎn)彎角度一半的夾角（A/2）向標(biāo)稱航跡收斂；如果連接點(diǎn)在下一航段相應(yīng)保護(hù)區(qū)之內(nèi)，邊界就按照與轉(zhuǎn)彎后標(biāo)稱航跡成15°的夾角向外擴(kuò)張。

第三，轉(zhuǎn)彎參數(shù)設(shè)置。該設(shè)置包括高度、指示空速（IAS）、風(fēng)、坡度角和飛行技術(shù)容差。

第四，其他轉(zhuǎn)彎因素和轉(zhuǎn)彎設(shè)計(jì)中的計(jì)算。1）定位容差。2）以度為單位的轉(zhuǎn)彎率（R）。計(jì)算公式為R=（6355tana）/πv（v表示真空速（TAS），km/h）和R=（3431tana）/πv（v表示真空速（TAS），kn；R的最大值為3°/s）。3）無風(fēng)條件下，按照指定坡度轉(zhuǎn)彎的轉(zhuǎn)彎半徑（r），km或n mile。給定轉(zhuǎn)彎率（R）時(shí)，轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算公式為r=v/（20πR）（v為TAS）。4）改變航向θ度所用時(shí)間的風(fēng)的影響（E），km或n mile（視情況而定）。5）重力加速度。在公式中使用的默認(rèn)值為9.80665m/s2（68625n mile/h2）。6）c為飛行員反應(yīng)時(shí)間。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文旨在對亞運(yùn)奧體演繹燈光項(xiàng)目擬建設(shè)的389個(gè)850W防水光束燈及其光束是否會對杭州蕭山機(jī)場空中航行民用航空器飛行員的視覺影響進(jìn)行安全評估，包括對儀表離場程序、精密進(jìn)近程序、非精密進(jìn)近程序、PBN飛行程序、飛機(jī)性能等的影響進(jìn)行評估。

評估步驟如下所示。1）計(jì)算各飛行程序保護(hù)區(qū)與燈光組的相對位置關(guān)系（即最近點(diǎn)）。如果位于保護(hù)區(qū)外的光束燈，取燈光組與保護(hù)區(qū)的最近點(diǎn)；如果位于保護(hù)區(qū)內(nèi)，將海拔高度最高的光束燈位置作為最近點(diǎn)。2）計(jì)算各飛行程序保護(hù)區(qū)與燈光組最近點(diǎn)的障礙物最低超障高度或程序限制飛行高度。3）計(jì)算各飛行程序保護(hù)區(qū)與燈光組最近點(diǎn)的光束總和照度值，并根據(jù)照度值與光照強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系得出對人眼影響的評估結(jié)論。

杭州蕭山機(jī)場某跑道在400m（1300ft）高度轉(zhuǎn)彎的儀表進(jìn)近、復(fù)飛程序保護(hù)區(qū)如圖3所示，蕭山機(jī)場目視盤旋程序保護(hù)區(qū)如圖4所示。根據(jù)燈光組與儀表進(jìn)近、復(fù)飛保護(hù)區(qū)及目視盤旋保護(hù)區(qū)邊緣的空間位置關(guān)系，可計(jì)算出該邊緣點(diǎn)處的燈光組總和照度值。

燈光組對杭州蕭山機(jī)場空中航行的航空器飛行員視覺影響評估結(jié)果見表1。結(jié)果顯示，燈光組對杭州蕭山機(jī)場的基本ILS面、OAS面、APV-OAS面、VSS面、傳統(tǒng)/RNP儀表離場、進(jìn)場、等待程序、ILS/DME、GP不工作、VOR/DME、LNAV/VNAV、LNAV、RNPILS/DME儀表進(jìn)近、復(fù)飛程序、目視盤旋程序、起飛航徑區(qū)和起飛一發(fā)失效程序無影響。

3 結(jié)論

本文研究了亞運(yùn)奧體演繹燈光組的強(qiáng)光束對空中航行民用航空器飛行員的視覺影響的數(shù)值評估方法，構(gòu)建了飛行程序保護(hù)區(qū)指定高度任意點(diǎn)光束燈組總和照度值計(jì)算模型，并通過杭州蕭山機(jī)場飛行程序進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果證明本文所提方法的正確性和有效性。

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