物聯(lián)網驅動模式下的跑道防侵入方法及應用研究

趙堅　奉澤昊

摘要：針對目前國內絕大多數(shù)機場普遍缺乏先進的場道監(jiān)視設備的現(xiàn)狀，研發(fā)一種能提供地面保護區(qū)實時狀態(tài)和主動告警功能的跑道防入侵系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網平臺建立基于感知數(shù)據(jù)可視化的跑道侵入預測及預警模型，采用物聯(lián)網關鍵傳感器技術對跑道區(qū)域進行實時監(jiān)測，同時整合地面多種監(jiān)視數(shù)據(jù)于一體，根據(jù)相應的沖突預警算法實現(xiàn)場道內的沖突告警提示。文中介紹了系統(tǒng)的研發(fā)背景和關鍵技術，給出了系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)方法。

關鍵詞：物聯(lián)網；跑道入侵；無線傳感器網絡

近年來，隨著經濟全球化，航空自由化趨勢的加強，民用航空運輸業(yè)取得了前所未有的繁榮態(tài)勢，用戶對航空安全的期望越來越高，社會媒體也更加關注航空安全。根據(jù)加拿大運輸部的一項研究表明：一個機場交通量增加20%，將使跑道侵人可能性增加140%。

跑道入侵在航空案例問題中已經成為一個典型問題，如何有效地提高民航運行的安全性、穩(wěn)定性已經成為各航空機構研究的熱點問題。物聯(lián)網（The Internet of things）技術被認為是繼計算機、互聯(lián)網與移動通信網之后的世界信息產業(yè)第三次浪潮，它通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。隨著物聯(lián)網技術的提出與研究的深入開展，特別是李家祥局長在2010年的全國民航工作會議上作了《中國民航人要為建設民航強國而努力奮斗》的重要講話，首次全面闡述了民航強國建設的意義、作用、目標、戰(zhàn)略、途徑和保障措施。他提出“我們民航要抓住當前國家有利的產業(yè)政策機遇，加快物聯(lián)網在民航領域中的應用研究，促進物聯(lián)網在民航業(yè)的快速發(fā)展，真正利用物聯(lián)網帶來的科技創(chuàng)新為民航強國建設提供強有力的支撐。本文結合中小型機場航班量、運營成本及設備維護等特點，采用基于物聯(lián)網關鍵傳感器技術用于跑道保護區(qū)域航空器和人員活動的監(jiān)測，研究一套能提供地面保護區(qū)實時狀態(tài)和告警功能的跑道防入侵系統(tǒng)，能有效地彌補管制員在極端的天氣條件下，對場道的監(jiān)控的缺失，從而保障跑道的安全運行。

1.國內外跑道防侵入方法

據(jù)統(tǒng)計，空中交通管理中68%的事故發(fā)生在地面階段，2003至2006年度美國NAS內的500多家機場共計發(fā)生了1306次跑道侵入事件，其中有4次導致了相撞事故，雖然沒有造成人員傷亡，但極大影響了機場的正常運行，造成了巨大的經濟損失，據(jù)ICAD針對跑道侵入的統(tǒng)計顯示，截止到2008年，全球航空業(yè)由于跑道侵入而造成的損失平均每年超過1億美元。針對跑道防侵入的方法，國內外對其進行了深人的研究，并提出了幾種方法來防止跑道侵入事件的發(fā)生。

在國外，尤其是美國在這方面投入大量的科研經費，其主要的研究成果包括：Steven Young等結合NASA和其他的合作伙伴開發(fā)一款高級平面器件運動指引和監(jiān)控系統(tǒng)（ASMGCS），用來解決跑道侵入和提高操作的可能性；Rick cassell等提出跑道侵入勸告及預警系統(tǒng)（RIAAs），該系統(tǒng)利用航天器的位置進行監(jiān)控，RIAAS原型系統(tǒng)采用ADS-B和TIS的數(shù)據(jù)來分析跑道侵入的可能性，基于一些既定的規(guī)則進行判斷，從而做出預警；Denise Jones針對防跑道侵入系統(tǒng)的評估，采用NASA研究中心的數(shù)據(jù)采用模擬仿真的方法對跑道侵入事件進行防范，以提高操作性和避免跑道侵入事件的發(fā)生；Sharma等通過探測物體的位置采用一系列的控制器，如導航控制器、交通信息控制器等收集到的信息集成到一個監(jiān)控系統(tǒng)，對跑道侵入可能性進行分析，從而為塔臺工作人員提供有用的決策信息及支持。

我國相關的研究及技術還處在起步發(fā)展階段，王宇等基于計算機視覺原理，針對機場跑道異物檢測和識別系統(tǒng)，提出一種基于邊緣特征的異物檢測方法，采用Gabor紋理的異物特征提取方法，通過模擬實驗表明該方法的可行性，但這方面的研究還處于實驗室階段，沒有真正應用于實際，而且該方法沒有考慮實際機場環(huán)境下天氣、塵粒等干擾因素的影響；目前的主要措施包括采用先進的機場地面檢測設備和機場活動區(qū)域案例系統(tǒng)等高度自動化的計算機系統(tǒng)，防范跑道侵入，一旦發(fā)生，立即做出響應和警報，以此給管制員以足夠的時間和空間來避免和解決跑道侵入；機場跑道區(qū)域，以及機場航空器、車輛等運行區(qū)域，尤其在跑道入侵發(fā)生概率高的區(qū)域，將所有的標記、信號燈等進行規(guī)范化便與飛行員與管制員之間的協(xié)調；并在此區(qū)域建設隔離欄，防止車輛和行人在未經許可下，進行到此區(qū)域，而影響到管制員的控制與管理；跑道入侵中30%的原因來源于管制員的失誤與偏差，而管制員的失誤與偏差主要來源于管制員的責任意識不強相關安全意識不夠，管制員使用的機場用語不標準，因此要不斷加強管制員的專業(yè)知識和職業(yè)責任意識的培訓。管制員是保障跑道安全的最重要因素，羅定宇從塔臺工作人手，參考FAA的先進經驗，提出全面掃視的工作模式，幫助塔臺管制員更好地了解運行錯誤產生的原因，建立良好情景意識，建立正確的工作模式，緩解工作壓力，從而減少錯誤的產生。但是目前大多數(shù)的中小型機場主要采用視頻監(jiān)控、人員巡查、對講機通訊等傳統(tǒng)的“目視化”管理模式對跑道侵入問題進行管理，這些傳統(tǒng)的方式極易受到天氣、人為因素的影響，從而造成大量人力、物力、財力的資源開銷，但是投入與產出卻遠遠達不到預期值，表現(xiàn)為監(jiān)視效率低、結果不明顯、容易出錯等。

2.系統(tǒng)總體架構設計

針對中小型機場跑道侵入問題，遵循“加強資源整合、完善功能定位、擴大服務范圍、優(yōu)化體系結構、最小化投入成本”的原則，利用物聯(lián)網技術研發(fā)一套物聯(lián)網驅動模式下的跑道防侵入實時監(jiān)控系統(tǒng)。其系統(tǒng)架構如圖1所示，系統(tǒng)共包括四層：感知層、網絡層、控制層和決策層。感知層采用光纖傳感器、紅外傳感器、微波和激光探測器、射頻傳感器等感知設備實時采集機場跑道及周圍環(huán)境的多維數(shù)據(jù)，通過傳感器的主動式采集傳輸，為決策層提供準確及時的數(shù)據(jù)；網絡層采用光纖網絡和無線傳感網絡（如zigbee等）把感知設備采集到的數(shù)據(jù)傳送到控制層；控制層采用路由器、數(shù)據(jù)信號轉換設備和其他控制器，把收集到的數(shù)據(jù)信號進行過濾、清洗、分類、加密、傳輸?shù)炔僮?，把完整、實時、準確的數(shù)據(jù)傳輸?shù)經Q策層系統(tǒng)，用于輔助決策的制定；決策層包括一個集實時監(jiān)控模塊、可視化管理模塊、調度輔助模塊等主要功能于一體的軟件系統(tǒng)，配合硬件感知設備的運作，為塔臺管制員、調度員、機場巡查員等用戶提供多種監(jiān)控方法。

3.系統(tǒng)實現(xiàn)

本文圍繞“物聯(lián)網驅動模式下的跑道防侵入實時監(jiān)控系統(tǒng)”的框架設計、主要功能模塊開發(fā)和集成，完成一套適應于中小型機場的跑道侵入事件的防范系統(tǒng)，該系統(tǒng)集傳感技術、網絡技術、控制技術和決策支持模型于一身，系統(tǒng)總體設計如圖2所示，各個數(shù)據(jù)接口將數(shù)據(jù)通過交換機傳輸至綜合數(shù)據(jù)處理器中進行系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)的提取和加工，并存儲在服務器數(shù)據(jù)庫中等待用戶終端調用。為了保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽亢蛯崟r性，在對單網通信進行可靠性設計的基礎上，采用了雙冗余結構，在其中一網失效時，能自動無縫切換到另一網，不影響管制員的正常工作。

4.關鍵技術分析

4.1跑道沖突區(qū)域的探測模型

針對跑道侵入主要因素（人、車輛和航空器等）實時監(jiān)控的需求，采用多傳感器結合的多維數(shù)據(jù)采集策略，對跑道分為三級區(qū)域進行集中監(jiān)控，如圖3所示。在跑道保護區(qū)域和跑道樞紐區(qū)直線上按一定的間隔連續(xù)架設激光探測頭和zigbee人體紅外探測器，通過激光束形成的閉環(huán)路激光探測網，對進入?yún)^(qū)域內的航空器和車輛進行監(jiān)測，同時利用zigbee探測器組成的無線傳感器網絡對跑到內人員活動進行監(jiān)控。在滑行道鋪設zigbee無線傳感網絡，利用zigbee節(jié)點的身份標識，為載有zigbee設備的車輛和航空器實現(xiàn)在滑行道內精確的位置定位，從而避免滑行道內的車輛和航空器的沖突。

為了滿足系統(tǒng)中各部門的主要功能，系統(tǒng)關鍵實現(xiàn)技術主要包括以下幾個部分：

1）充分利用地面（特別是跑道及其周圍環(huán)境）多維數(shù)據(jù)，采用物聯(lián)網關鍵傳感技術對多維數(shù)據(jù)進行采集

針對跑道侵入主要因素（人、車輛等）實時監(jiān)控的需求，在復雜天氣，如濃霧，雷暴等情況下異常物體的檢測變得十分困難，采用傳統(tǒng)的手段，如視頻、現(xiàn)場人員安排等無法實現(xiàn)安全、可靠、準確、實時的現(xiàn)成跑道及周邊環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，因此，本文提出一種多傳感器結合的多維數(shù)據(jù)采集策略，分別采用光纖傳感器、微波和激光探測器、紅外傳感器等物聯(lián)網感知設備，對侵入跑道的異常物體進行實時感知，把溫度等數(shù)據(jù)對應于異常物體探測的種類，實現(xiàn)實時異常情況的監(jiān)控。

2）利用機場動態(tài)環(huán)境下集成光纖及無線傳感網絡的網絡傳輸機制及集成技術，實現(xiàn)多場數(shù)據(jù)的穩(wěn)定與可靠傳輸

研究機場動態(tài)環(huán)境下感知數(shù)據(jù)的網絡傳輸機制，以實現(xiàn)傳感器節(jié)點感知數(shù)據(jù)在光纖及無線傳感網絡的傳輸、交互等互操作方法，建立動態(tài)環(huán)境下的網絡集成模型，以實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)、光纖探測數(shù)據(jù)的可靠傳輸，提出異構網絡集成機制，以實現(xiàn)多場數(shù)據(jù)穩(wěn)定性傳輸。

3）采用異構數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理、表征、加密和管理方法，綜合考慮涉及跑道侵入的各種數(shù)據(jù)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式

研究動態(tài)環(huán)境下的感知數(shù)據(jù)控制及管理方法，提出感知數(shù)據(jù)的信息表達、資源描述、信息處理及加密方法，以適應機場背景下的感知數(shù)據(jù)應用，提出數(shù)據(jù)統(tǒng)一標準模型，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表征格式，為支持決策提供準確無誤的數(shù)據(jù)支撐。

4）針對不同用戶群體開發(fā)適用的模塊，以協(xié)助其日常工作

該研究內容主要包括以下三個主要功能模塊：

實時監(jiān)控模塊：該模塊針對機場異常物體探測的實時眭要求，通過實時控制技術實現(xiàn)感知設備、傳輸網絡及控制層設備的管理，如系統(tǒng)參數(shù)配置、設備注冊及工作狀態(tài)監(jiān)控，該模塊采用socket技術對設備端口進行實時管理，以保證設備的正常運行。

可視化管理模塊：針對感知數(shù)據(jù)抽象、離散等特點，利用可視化技術把感知數(shù)據(jù)還原成現(xiàn)實數(shù)據(jù)，通過三維模型表達的方面呈現(xiàn)給用戶，從而把傳統(tǒng)的目視化管理變成可視化管理，用戶可以通過該模塊對跑道侵入進行實時監(jiān)控，通過調控機制杜絕此類事故的發(fā)生，同時，如果系統(tǒng)檢測可能發(fā)生航天器異常事件，系統(tǒng)將自動發(fā)送預警信號給塔臺管制員及駕駛員，以避免事故的發(fā)生。

調度輔助模塊：該模塊把感知設備采集的數(shù)據(jù)進行清洗、分類、挖掘，得到有意義的數(shù)據(jù)用來分析航天器的調度，通過異常數(shù)據(jù)實時對調度結果進行修正，實現(xiàn)基于可靠性感知數(shù)據(jù)的調度決策，把機場跑道資源、航天器資源等有限資源進行統(tǒng)一整合，通過最優(yōu)化算法實現(xiàn)資源利用率最大化。

5.實驗結果

為測試系統(tǒng)的實際效果，模擬在某機場搭建一個基于激光探測器簡易測試平臺，其監(jiān)控席位的軟件界面如圖4所示。激光探測器被成對的放置于跑道和滑行道入口的兩側形成一個閉環(huán)，只要跑道被指定為起飛或降落狀態(tài)，任何飛行器、車輛企圖進入滑行道都將觸發(fā)告警，同時提供聲光告警提示。只要管制員不手動解除告警，系統(tǒng)將以3秒的周期持續(xù)告警。實驗證明該系統(tǒng)能提供跑道保護區(qū)實時狀態(tài)和告警預測，能有效地彌補管制員對場道監(jiān)控的缺失，從而保障跑道的安全運行。

6.結束語

本文對跑道防侵入的國內外研究現(xiàn)狀進行了相應的分析，并從中提煉出針對中小型機場的防入侵的實際運行需求的技術解決方案，從經濟、實用和可靠性的角度出發(fā)，利用物聯(lián)網技術將多種傳感器、激光探測器，以及相關的監(jiān)視數(shù)據(jù)進行整合，來實現(xiàn)對場面的飛行器、車輛和人員的實時監(jiān)控預警。該系統(tǒng)對于中小型機場的安全運行具有重要的借鑒和應用價值。