在多種制式機(jī)場(chǎng)跑道異物探測(cè)系統(tǒng)中告警準(zhǔn)確率的研究

王嘯 馬向勇 章林 張佳靜

摘要：隨著對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道外來物的重視程度越來越高和航班量的大幅增加，傳統(tǒng)的人工巡查的方式已經(jīng)不能完全滿足機(jī)場(chǎng)高效運(yùn)行的要求。目前，國(guó)內(nèi)已有多個(gè)機(jī)場(chǎng)安裝了機(jī)場(chǎng)跑道異物探測(cè)管理系統(tǒng)，其部署方式可分為邊燈式、塔架式、邊燈和塔架混合式等，但當(dāng)前對(duì)系統(tǒng)和各個(gè)探測(cè)設(shè)備的準(zhǔn)確率缺少有效的統(tǒng)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上，文章提出了一種在多種制式機(jī)場(chǎng)跑道異物探測(cè)管理系統(tǒng)中的告警準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法。實(shí)踐表明，該方法可以有效、準(zhǔn)確、多維度地計(jì)算統(tǒng)計(jì)出各個(gè)探測(cè)設(shè)備、系統(tǒng)的告警準(zhǔn)確率情況。

關(guān)鍵詞：FOD；邊燈式；塔架式；混合式；告警準(zhǔn)確率

中圖分類號(hào)：V19

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

外來物（Foreign Object Debris，F(xiàn)OD）即可能損傷航空器或系統(tǒng)的某種外來的物質(zhì)、碎屑或物體^［1］。隨著現(xiàn)在民用機(jī)場(chǎng)航班客運(yùn)量的大幅增加，外來物掉落在機(jī)場(chǎng)的情況時(shí)有發(fā)生，任何在機(jī)場(chǎng)跑道飛行區(qū)內(nèi)，可能會(huì)危及航空器地面安全運(yùn)行的物體都屬于外來物。典型的外來物有：混凝土、瀝青碎塊、金屬零件、碎石子、橡膠輪子、塑料制品和動(dòng)植物等。外來物對(duì)航空器的影響是巨大的，跑道上的外來物可能很容易被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)失效，或者被吸入一些別的機(jī)械裝置，影響航空器的正常運(yùn)行，導(dǎo)致航班延誤、中斷起飛、關(guān)閉機(jī)場(chǎng)跑道、人員傷亡。因此，跑道上的外來物不僅會(huì)損害航空器，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)奪去寶貴的生命。

為了減少FOD的影響，提高機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行效率，國(guó)內(nèi)已有多個(gè)機(jī)場(chǎng)安裝了機(jī)場(chǎng)跑道異物探測(cè)管理系統(tǒng)，其部署方式可分為邊燈式、塔架式、邊燈和塔架混合式、車載移動(dòng)式等。

1 現(xiàn)狀及存在的問題

目前，北京大興機(jī)場(chǎng)3條跑道部署了邊燈式探測(cè)器，一條跑道部署的塔架式探測(cè)器，成都天府機(jī)場(chǎng)、鄂州花湖機(jī)場(chǎng)都是部署的邊燈式探測(cè)器。從設(shè)備的部署方式和業(yè)務(wù)處理流程的維度分析，可以把邊燈式、塔架式、邊燈和塔架混合式這3種制式的異物探測(cè)系統(tǒng)歸入一個(gè)通用的系統(tǒng)組成架構(gòu)和業(yè)務(wù)處理流程。

2 主流的異物探測(cè)系統(tǒng)

在實(shí)際的系統(tǒng)中，各個(gè)探測(cè)器探測(cè)能力的一致性、設(shè)備的校準(zhǔn)、參數(shù)設(shè)置和設(shè)備本身等問題都可能會(huì)影響探測(cè)異物的能力，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)誤警和漏警，其中漏警的影響是非常嚴(yán)重的。漏警會(huì)導(dǎo)致異物沒有得到及時(shí)處理，影響航空器、人員的安全。由于FOD探測(cè)設(shè)備和探測(cè)系統(tǒng)剛在國(guó)內(nèi)建設(shè)和使用，當(dāng)前還沒有對(duì)FOD探測(cè)設(shè)備和系統(tǒng)的漏警情況進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析的高效手段。因此，本文提出一種在邊燈式、塔架式、邊燈和塔架混合式、移動(dòng)式這4種制式機(jī)場(chǎng)跑道異物探測(cè)系統(tǒng)中各個(gè)探測(cè)設(shè)備準(zhǔn)確率的方法，能夠自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出各個(gè)探測(cè)設(shè)備、整個(gè)系統(tǒng)的漏警情況，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理有問題的探測(cè)設(shè)備。

2.1 邊燈式異物探測(cè)系統(tǒng)

邊燈式異物探測(cè)系統(tǒng)主要是把探測(cè)器安裝在跑道的兩邊，依托毫米波雷達(dá)傳感器和光學(xué)傳感器對(duì)相應(yīng)的跑道區(qū)域進(jìn)行掃描探測(cè)，一般邊燈式探測(cè)設(shè)備部署間隔為60～120 m。在邊燈式探測(cè)系統(tǒng)中，一般先由雷達(dá)探測(cè)到目標(biāo)，然后再進(jìn)行取證拍照，在進(jìn)行拍照取證的過程中，邊燈式探測(cè)設(shè)備是不進(jìn)行雷達(dá)探測(cè)工作的。

2.2 塔架式異物探測(cè)系統(tǒng)

塔架式異物探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)設(shè)備一般安裝在離跑道150 m～200 m之外。正常的塔架式設(shè)備一般由塔架式雷達(dá)探測(cè)器和塔架式光電探測(cè)器兩個(gè)設(shè)備組成。若在純光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)中，僅部署塔架式光電探測(cè)器。純光學(xué)的探測(cè)系統(tǒng)僅依靠光學(xué)傳感器對(duì)跑道區(qū)域進(jìn)行周期性拍照掃描，然后對(duì)所有拍照的圖像進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)、識(shí)別工作。

2.3 邊燈和塔架混合式探測(cè)系統(tǒng)

邊燈式和塔機(jī)式探測(cè)設(shè)備大多是通過雷達(dá)探測(cè)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，然后光學(xué)確認(rèn)復(fù)核，或者通過純光學(xué)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)。為了降低邊燈的安裝造價(jià)成本和維護(hù)時(shí)間成本，可以考慮在航空器起降的接地帶等重點(diǎn)區(qū)域安裝邊燈式設(shè)備，以近距離地檢測(cè)異物，同時(shí)保存相應(yīng)的視頻信息；在非重點(diǎn)區(qū)域按照600 m～1 000 m的間隔安裝塔機(jī)式探測(cè)設(shè)備。

2.4 移動(dòng)式異物探測(cè)系統(tǒng)

移動(dòng)式異物探測(cè)系統(tǒng)就是把探測(cè)設(shè)備安裝在車輛上面，在跑道停航階段，可以把車輛開到跑道上進(jìn)行工作。移動(dòng)式異物探測(cè)系統(tǒng)在工作的過程中是一邊開車移動(dòng)，一邊驅(qū)動(dòng)探測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，若檢測(cè)到異物會(huì)立即通知工作人員現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)處理^［2］。

綜上所述，上面4類機(jī)場(chǎng)跑道異物探測(cè)系統(tǒng)各有特點(diǎn)。其中，移動(dòng)式異物探測(cè)系統(tǒng)的價(jià)格最低，但是其工作的過程中，需要關(guān)閉跑道，不能對(duì)做跑道進(jìn)行全天時(shí)、全天候的檢測(cè)。其他3類探測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)對(duì)跑道進(jìn)行監(jiān)控檢測(cè)，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)異物。邊燈式的設(shè)備需要安裝在跑道邊，其造價(jià)高，且每次維護(hù)都需要進(jìn)入跑道，維護(hù)比較困難；塔架式設(shè)備造價(jià)稍低，但其受制于安裝位置和高度限制。邊燈和塔架混合式探測(cè)系統(tǒng)綜合了邊燈式和塔架式設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，一般可以在接地帶等重點(diǎn)區(qū)域部署邊燈設(shè)備，在其他區(qū)域部署塔架式設(shè)備。

3 探測(cè)管理系統(tǒng)組成和處理流程

3.1 系統(tǒng)組成

機(jī)場(chǎng)跑道探測(cè)管理系統(tǒng)一般由毫米波雷達(dá)、可見光攝像設(shè)備、交換機(jī)（包括匯聚交換機(jī)和核心交換機(jī)）、數(shù)據(jù)接入服務(wù)器、數(shù)據(jù)融合服務(wù)器、視頻管理服務(wù)器、檢測(cè)識(shí)別服務(wù)器、數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)器、監(jiān)控終端和移動(dòng)終端等設(shè)備組成。毫米波雷達(dá)具備較高的距離、方位分辨率，同時(shí)穿透霧、煙、灰塵的能力較強(qiáng)，能夠全天時(shí)、全天候地監(jiān)測(cè)機(jī)場(chǎng)跑道，精確地探測(cè)到跑道上的微小異物^［3］。機(jī)場(chǎng)跑道探測(cè)管理系統(tǒng)的組成如圖 1所示。

其中，數(shù)據(jù)接入服務(wù)器具有連接雷達(dá)設(shè)備和可見光攝像設(shè)備、并管理連接設(shè)備的狀態(tài)和接收連接設(shè)備的上報(bào)數(shù)據(jù)功能，其主要功能是接收并轉(zhuǎn)發(fā)雷達(dá)（邊燈式和塔架式）上報(bào)的檢測(cè)異物目標(biāo)信息。

數(shù)據(jù)融合服務(wù)器主要把數(shù)據(jù)接入服務(wù)器上報(bào)的檢測(cè)目標(biāo)信息進(jìn)行融合處理，并驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)接入服務(wù)器調(diào)動(dòng)相應(yīng)的可見光攝像設(shè)備去拍照。在實(shí)際探測(cè)設(shè)備的部署環(huán)境中，可能會(huì)進(jìn)行冗余安裝部署，同一個(gè)檢測(cè)區(qū)域可能會(huì)被兩個(gè)或者兩個(gè)以上探測(cè)設(shè)備探測(cè)，即一個(gè)異物目標(biāo)會(huì)被多個(gè)探測(cè)設(shè)備檢測(cè)到，數(shù)據(jù)中心接收到各個(gè)探測(cè)設(shè)備上報(bào)的異物目標(biāo)數(shù)據(jù)后，結(jié)合目標(biāo)尺寸和空間距離的屬性信息進(jìn)行匹配、融合處理，形成融合告警，便于用戶查看和分析。

3.2 主要業(yè)務(wù)流程

機(jī)場(chǎng)跑道異物探測(cè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程主要包括異物探測(cè)、異物融合識(shí)別、異物報(bào)警、異物清理和數(shù)據(jù)管理。

3.2.1 異物探測(cè)

異物探測(cè)就是探測(cè)系統(tǒng)會(huì)全天時(shí)、全天候地對(duì)跑道的異物進(jìn)行探測(cè)，包括使用雷達(dá)、光學(xué)等技術(shù)進(jìn)行探測(cè)，并將探測(cè)結(jié)果傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心進(jìn)行探測(cè)目標(biāo)信息處理。

3.2.2 異物融合識(shí)別

異物融合識(shí)別就是將各個(gè)探測(cè)設(shè)備上報(bào)的異物目標(biāo)信息進(jìn)行融合，由于對(duì)同一個(gè)異物被多個(gè)探測(cè)設(shè)備探測(cè)到的目標(biāo)信息進(jìn)行融合，同時(shí)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的可見光設(shè)備進(jìn)行取證拍照，并通過圖像處理技術(shù)進(jìn)行類別自動(dòng)識(shí)別、計(jì)算異物的尺寸信息等，以便確定異物的告警等級(jí)、位置（一般會(huì)定位到道面的板塊編號(hào)）等屬性。

3.2.3 異物報(bào)警

異物報(bào)警就是當(dāng)發(fā)現(xiàn)新的異物目標(biāo)時(shí)，機(jī)場(chǎng)跑道異物探測(cè)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)聲光報(bào)警，并在系統(tǒng)的地圖頁面中顯示異物所在的位置，通過多種方式提示用戶及時(shí)確認(rèn)和處理。

3.2.4 異物清理

異物清理就是用戶根據(jù)探測(cè)管理系統(tǒng)的提示信息，把指定的異物信息通過移動(dòng)終端下發(fā)給相應(yīng)的清理工作人員。清理工作人員根據(jù)移動(dòng)終端導(dǎo)航到異物所在的具體位置，進(jìn)行異物清理工作。其中，一般移動(dòng)終端是支持現(xiàn)場(chǎng)拍照取證的操作，系統(tǒng)可以對(duì)整個(gè)異物的處理流程進(jìn)行全程記錄^［4］。

3.2.5 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理就是整個(gè)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄所有的探測(cè)結(jié)果和清理記錄信息，可隨時(shí)查詢、分析數(shù)據(jù)，以便于用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和工作的改進(jìn)，并為日后的管理效率提升和決策提供數(shù)據(jù)支持。

4 異物告警準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)計(jì)算

4.1 部署模型構(gòu)建

邊燈式、塔架式、邊燈和塔架混合式的探測(cè)管理系統(tǒng)都是基于實(shí)際的機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)來建立機(jī)場(chǎng)跑道數(shù)據(jù)模型，可以通過專業(yè)的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行測(cè)繪，形成自己的GIS服務(wù)，或者根據(jù)公開的地圖數(shù)據(jù)（比如：百度地圖、谷歌地圖等）和機(jī)場(chǎng)的CAD數(shù)據(jù)文件生成平面二維地圖。

在部署現(xiàn)場(chǎng)采集邊燈式、塔架式探測(cè)設(shè)備的實(shí)際經(jīng)緯度坐標(biāo)信息，構(gòu)建探測(cè)設(shè)備部署數(shù)據(jù)模型，其坐標(biāo)信息一般是基于世界大地測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系（World Geodetic System-1984 Coordinate System，WGS84）。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，各個(gè)探測(cè)設(shè)備定時(shí)周期性掃描，并上報(bào)異物目標(biāo)數(shù)據(jù)，異物目標(biāo)數(shù)據(jù)主要包括：目標(biāo)尺寸、目標(biāo)發(fā)現(xiàn)時(shí)間、距離、角度、探測(cè)設(shè)備ID等信息。系統(tǒng)通過異物目標(biāo)相對(duì)于探測(cè)設(shè)備的距離和角度等信息，并結(jié)合探測(cè)設(shè)備當(dāng)前的經(jīng)緯度信息，就可以計(jì)算出異物目標(biāo)的經(jīng)緯度坐標(biāo)信息，同時(shí)會(huì)把異物目標(biāo)直觀地顯示在跑道的地圖中。

4.2 準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)計(jì)算流程

4.2.1 確認(rèn)異物告警

在系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過程中，有兩個(gè)途徑可以確認(rèn)FOD信息，分別為：探測(cè)管理系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，且人工確認(rèn)為真實(shí)的FOD；探測(cè)管理系統(tǒng)未發(fā)現(xiàn)，通過人工巡查或者其他方式發(fā)現(xiàn)的FOD信息。在本文中需要把所有確認(rèn)FOD的經(jīng)緯度和發(fā)現(xiàn)時(shí)間信息錄入系統(tǒng)。

4.2.2 查找關(guān)聯(lián)設(shè)備

系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)錄入的確認(rèn)FOD的經(jīng)緯度和時(shí)間信息，并結(jié)合各個(gè)探測(cè)設(shè)備的探測(cè)能力等數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，計(jì)算出每個(gè)FOD應(yīng)歸屬的探測(cè)設(shè)備。計(jì)算確認(rèn)的FOD同各個(gè)探測(cè)設(shè)備的距離d（單位為m）的計(jì)算公式如下：

d=111.12cos{1/［sin? Asin? B+cos? Acos? Bcos（λB-λA）］}

其中，λA和? A分別為FOD的經(jīng)度、緯度；λB和? B分別為探測(cè)設(shè)備的經(jīng)度、緯度；然后同系統(tǒng)部署中的探測(cè)設(shè)備探測(cè)能力半徑進(jìn)行比較，如果FOD同探測(cè)設(shè)備的距離小于探測(cè)設(shè)備的探測(cè)能力半徑，就判定所述FOD的位置應(yīng)歸屬的探測(cè)設(shè)備，否則就不歸屬。

在實(shí)際安裝部署環(huán)境中，可能會(huì)進(jìn)行冗余安裝部署，所以可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)確認(rèn)的FOD會(huì)在多個(gè)探測(cè)設(shè)備的探測(cè)能力范圍內(nèi)，即應(yīng)該被多個(gè)探測(cè)設(shè)備探測(cè)到。系統(tǒng)會(huì)對(duì)確認(rèn)的FOD在其探測(cè)能力范圍內(nèi)，但未發(fā)現(xiàn)該FOD的探測(cè)設(shè)備的漏警次數(shù)加1。另外，若一個(gè)確認(rèn)的FOD沒有被任何一個(gè)探測(cè)設(shè)備檢測(cè)到，則認(rèn)為系統(tǒng)出現(xiàn)一次漏警。

4.2.3 準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)分析

機(jī)場(chǎng)跑道探測(cè)管理系統(tǒng)可以根據(jù)相應(yīng)周期的策略（可以按日、周、月、半年、年、跑道和整個(gè)系統(tǒng)）進(jìn)行多維度的統(tǒng)計(jì)分析，形成相應(yīng)的探測(cè)設(shè)備、跑道和系統(tǒng)的漏警數(shù)據(jù)報(bào)表，可以支持用戶通過餅圖、柱狀圖或者曲線圖等多種方式查看和分析。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)出一種能夠同時(shí)滿足邊燈式、塔架式、邊燈和塔架混合式多種制式機(jī)場(chǎng)跑道異物探測(cè)管理系統(tǒng)架構(gòu)和業(yè)務(wù)流程，并提出了一種在這3類制式機(jī)場(chǎng)跑道異物探測(cè)系統(tǒng)中的告警準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法。該系統(tǒng)架構(gòu)和告警準(zhǔn)確率的計(jì)算方法已經(jīng)在淮安機(jī)場(chǎng)運(yùn)行近兩年，實(shí)踐表明該方法可以有效、準(zhǔn)確、多維度地計(jì)算出各個(gè)探測(cè)設(shè)備、系統(tǒng)的告警準(zhǔn)確率情況。該方法可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)有問題的設(shè)備，便于及時(shí)處理，降低系統(tǒng)的漏檢率，提高系統(tǒng)維護(hù)人員的工作效率，為提高機(jī)場(chǎng)跑道運(yùn)行效率提供有效的保證。

參考文獻(xiàn)

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（編輯 王雪芬）

Research on alarm accuracy in multiple standard airport runway foreign object detection systemWang Xiao¹， Ma Xiangyong¹， Zhang Lin¹， Zhang Jiajing²

（1.Nanjing LES Electronic Equipment Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China;

2.Nanjing LES Information Technology Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China）

Abstract： With more and more attention to foreign object debris and a large increase in the number of flights， the traditional manual inspection has been unable to fully meet the requirements of efficient operation of the airport. At present， many domestic airports have installed detection management system， which can be divided into edge-light type， tower type， hybrid detection. But at present， there is a lack of effective statistical methods for the accuracy of the system and each detection device. On this basis， this paper presents a statistical calculation method of alarm accuracy in multiple standard airport runway foreign object detection management system. Finally， the actual results show that this method can calculate and calculate the alarm accuracy of each detection device and system effectively， accurately and multidimensional.

Key words： FOD; edge-light type detection system; tower type detection system; hybrid detection system; alarm accuracy