基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的民航空管自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)的研究

王佳茂

（民航中南空管設(shè)備工程〈廣州〉有限公司 廣東 廣州 510403）

0 引言

民航航行過(guò)程的安全性受氣象因素的影響越來(lái)越顯著，飛機(jī)航行的不同階段均會(huì)受到風(fēng)速、溫度與濕度等氣象因素影響，準(zhǔn)確把控區(qū)域范圍內(nèi)的氣象環(huán)境，既能夠?qū)崿F(xiàn)民航航空飛行管制，同時(shí)還對(duì)民航航空相關(guān)管理部門的管理多度工作產(chǎn)生積極影響。 因此本文研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的民航空管自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的民航空管自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

作為計(jì)算機(jī)技術(shù)的拓展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)利用信息感知技術(shù)與無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同物體間的連接［1］，并將物體間的網(wǎng)絡(luò)連接到既有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，最大限度發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)功能。 圖1 所示為基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的民航空管自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的民航空管自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

由圖1 可知，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的民航空管自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)整體包含3 個(gè)主要層次［2］，分別是由傳感器終端采集設(shè)備與網(wǎng)關(guān)設(shè)備組成的感知層、以氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)中心為核心的數(shù)據(jù)處理層、以顯示器與巡查工作站為核心的應(yīng)用層。

（1）感知層內(nèi)包含不同的氣象監(jiān)測(cè)區(qū)域，達(dá)到跨區(qū)域氣象監(jiān)測(cè)的目的。 通過(guò)風(fēng)速傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器與氣壓傳感器采集區(qū)域范圍內(nèi)的氣象信息，并將所采集的氣象信息經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳輸至網(wǎng)絡(luò)層內(nèi)。

（2）數(shù)據(jù)處理層的核心為氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)中心，其獲取感知層所采集的氣象信息后，對(duì)氣象信息實(shí)施預(yù)處理，針對(duì)預(yù)處理后的氣象信息數(shù)據(jù)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的民航航行風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到報(bào)警閾值后，提示報(bào)警信息。

（3）應(yīng)用層中主要包含顯示器與查詢工作站，通過(guò)兩者顯示氣象數(shù)據(jù)與氣象報(bào)警信息，供管理人員查詢民航空管氣象信息。

2 系統(tǒng)感知層設(shè)計(jì)

系統(tǒng)感知層主要包含終端采集設(shè)備與網(wǎng)關(guān)設(shè)備兩部分，其主要目的是采集氣象信息。

2.1 終端采集設(shè)備內(nèi)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局優(yōu)化

終端采集設(shè)備即無(wú)線傳感器中采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)［3］，通過(guò)風(fēng)速傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器與氣壓傳感器等采集氣象信息。

考慮虛擬力算法與節(jié)點(diǎn)覆蓋方法間存在顯著相似性［4］，在對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的終端采集設(shè)備進(jìn)行布局的過(guò)程中選用虛擬力算法。

設(shè)定無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)2 個(gè)任意不同的設(shè)備節(jié)點(diǎn)分別為si和sj，且設(shè)備節(jié)點(diǎn)sj對(duì)設(shè)備節(jié)點(diǎn)si產(chǎn)生一定影響，這種影響可通過(guò)式（1）描述：

式（1）內(nèi)，dij表示設(shè)備節(jié)點(diǎn)si與設(shè)備節(jié)點(diǎn)sj的距離，rs表示設(shè)備節(jié)點(diǎn)間最佳距離，k表示增益系數(shù)，dth表示設(shè)備節(jié)點(diǎn)間距離閾值。

傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各終端采集設(shè)備節(jié)點(diǎn)在實(shí)際位置更新過(guò)程中以整體合力為基礎(chǔ)［5］，更新過(guò)程公式描述為式（2）、式（3）：

式（2）與式（3）內(nèi)，F(xiàn)xy表示終端采集設(shè)備節(jié)點(diǎn)所承擔(dān)的虛擬力合力，F(xiàn)x和Fy分別表示Fxy在x 軸和y 軸上的分量，dm表示終端采集設(shè)備節(jié)點(diǎn)移動(dòng)距離上限值。

標(biāo)準(zhǔn)的虛擬力算法應(yīng)用過(guò)程中只分析無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)終端采集設(shè)備節(jié)點(diǎn)的作用力，但在終端采集設(shè)備節(jié)點(diǎn)位置更新過(guò)程中將耗費(fèi)大量時(shí)間，針對(duì)這一問(wèn)題，可將網(wǎng)格格點(diǎn)對(duì)終端采集設(shè)備節(jié)點(diǎn)的作用力Fgrid帶入其中，以w表示增益系數(shù)，r表示終端采集設(shè)備節(jié)點(diǎn)感知半徑，由此得到式（4）：

式（4）中，dig表示終端采集設(shè)備節(jié)點(diǎn)與格點(diǎn)間的距離，R表示終端采集設(shè)備節(jié)點(diǎn)通信半徑。

通過(guò)上述過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中終端采集設(shè)備節(jié)點(diǎn)的布局優(yōu)化，通過(guò)布局好的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集氣象信息，所采集的氣象信息通過(guò)CC2530 協(xié)議傳輸至網(wǎng)關(guān)設(shè)備內(nèi)。

2.2 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

作為接入設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與公共通信網(wǎng)絡(luò)相連接，通過(guò)CC2530 通信以及WiFi 通信等不同的通信方法保障終端采集設(shè)備所采集的氣象信息能夠傳輸至數(shù)據(jù)處理層中。

網(wǎng)關(guān)內(nèi)包含白名單，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中存儲(chǔ)著系統(tǒng)安全需求，為保障系統(tǒng)安全性，終端采集設(shè)備在將所采集的氣象數(shù)據(jù)信息傳輸至網(wǎng)關(guān)前需先在白名單內(nèi)注冊(cè)傳感器設(shè)備的MAC 地址。 通過(guò)網(wǎng)關(guān)確定終端采集設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)，若終端采集設(shè)備當(dāng)前處于離線狀態(tài)，則需要重新構(gòu)建終端采集設(shè)備與網(wǎng)關(guān)間的連接，保障全部終端采集設(shè)備均處于在線狀態(tài)，能夠正常運(yùn)行。 網(wǎng)關(guān)在獲取終端采集設(shè)備傳輸?shù)臍庀髷?shù)后，需對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行幀頭與幀尾增加處理，由此確定網(wǎng)關(guān)獲取的氣象數(shù)據(jù)的真假，保障氣象數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。 表1 所示為終端采集設(shè)備與網(wǎng)關(guān)間的數(shù)據(jù)格式。

表1 終端采集設(shè)備與網(wǎng)關(guān)間的數(shù)據(jù)格式

通過(guò)改進(jìn)虛擬力方法對(duì)民航空管氣象采集無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行布局優(yōu)化后，令全部終端采集設(shè)備均處于在線狀態(tài)，并對(duì)其進(jìn)行初始化。 在此基礎(chǔ)上構(gòu)建路徑，所有終端采集設(shè)備對(duì)各自的路由信息進(jìn)行循環(huán)廣播，不同終端采集設(shè)備節(jié)點(diǎn)根據(jù)ECCTP 路由算法對(duì)所得到廣播信息進(jìn)行分析，得到父節(jié)點(diǎn)，至無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有終端采集設(shè)備節(jié)點(diǎn)都加入網(wǎng)絡(luò)后結(jié)束。 在所構(gòu)建路由基礎(chǔ)上，進(jìn)行民航空管氣象數(shù)據(jù)采集與傳輸，構(gòu)建氣象數(shù)據(jù)采集路徑規(guī)劃模型，利用該模型采集氣象數(shù)據(jù)，不僅能夠節(jié)約氣象數(shù)據(jù)采集消耗時(shí)間，還能夠約束氣象監(jiān)測(cè)能量，同時(shí)采用去噪方法針對(duì)所采集的氣象數(shù)據(jù)實(shí)施去噪處理。所有節(jié)點(diǎn)（除匯聚節(jié)點(diǎn)外）在同一時(shí)刻周期性采集氣象數(shù)據(jù)，并利用父節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)上。 在傳輸氣象數(shù)據(jù)的同時(shí)對(duì)路由進(jìn)行更新處理，其與節(jié)點(diǎn)在獲取廣播信息后基于ECCTP 路由算法重新確定了節(jié)點(diǎn)，由此確保無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體性。

3 數(shù)據(jù)處理層設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理層在獲取感知層所采集的氣象信息后，對(duì)氣象信息實(shí)施預(yù)處理，針對(duì)預(yù)處理后的氣象信息數(shù)據(jù)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的民航航行風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到報(bào)警閾值后，提示報(bào)警信息。 具體過(guò)程描述如下。

3.1 輸入與輸出層的確定

選取風(fēng)速、溫度、濕度、光照與氣壓數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入量。 為準(zhǔn)確描述民航航空實(shí)時(shí)安全狀態(tài)，設(shè)定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)量為5，具體設(shè)定如下：

（1）高度安全狀態(tài)；

（2）中度安全狀態(tài)；

（3）臨界安全狀態(tài)；

（4）中度危險(xiǎn)狀態(tài)；

（5）高度危險(xiǎn)狀態(tài)。

3.2 隱含層與隱含層節(jié)點(diǎn)的確定

一般情況下，通過(guò)三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就能夠達(dá)到逼近任意連續(xù)函數(shù)的目的。 通過(guò)增加隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)量可降低神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算誤差，但也會(huì)增加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型運(yùn)算過(guò)程的復(fù)雜度與消耗時(shí)間。 因此預(yù)測(cè)民航航空安全性時(shí)采用三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)精度受隱含層內(nèi)神經(jīng)元數(shù)量的影響，以n表示神經(jīng)元數(shù)量，m表示輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)量，描述如式（5）所示：

式（5）內(nèi)，l表示輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)量，a為一常數(shù)。

3.3 各函數(shù)確定

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中需分別設(shè)定激活函數(shù)、訓(xùn)練函數(shù)以及學(xué)習(xí)函數(shù)等［10］。 為使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂速度與收斂精度均達(dá)到最優(yōu)，設(shè)定以上函數(shù)分別采用losing 函數(shù)、Mainline 函數(shù)以及l(fā)earnable 函數(shù)。 表2 所示為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定結(jié)果。

表2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定結(jié)果

3.4 樣本訓(xùn)練

利用多組氣象數(shù)據(jù)樣本對(duì)民航航空安全狀態(tài)進(jìn)行訓(xùn)練，在此過(guò)程中，針對(duì)相應(yīng)的高度安全狀態(tài)，設(shè)定輸入向量和輸出向量分別為X ＝（X1，X2，X3，X4，X5） 和Y1＝（1.000，0.000，0.000，0.000，0.000） ，其中X1～X5分別表示風(fēng)速、溫度、濕度、光照和氣壓樣本數(shù)據(jù)，訓(xùn)練步數(shù)為1000 步，訓(xùn)練目標(biāo)為0.001；在相應(yīng)的中度安全狀態(tài)下，設(shè)定輸出向量為Y2＝（0.000，1.000，0.000，0.000，0.000） ；其他安全狀態(tài)以此類推。

完成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后，即可利用其對(duì)民航航空氣象監(jiān)測(cè)過(guò)程中各類終端采集設(shè)備所獲取的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行民航航行實(shí)時(shí)安全狀態(tài)分析。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的民航空管自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)，為驗(yàn)證本文系統(tǒng)在實(shí)際民航空管自動(dòng)氣象觀測(cè)中的應(yīng)用性能，在Matlab 軟件內(nèi)進(jìn)行本文系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本文系統(tǒng)中采用5 種無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采集氣象特征信息，設(shè)定風(fēng)速傳感器采集周期為20 min，溫度傳感器與濕度傳感器采集周期為30 min，光照傳感器與氣壓傳感器的采集周期為15 min。

表3 所示為實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置情況。

表3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置情況

4.1 系統(tǒng)功能測(cè)試結(jié)果

為測(cè)試本文系統(tǒng)的應(yīng)用功能，以登錄界面功能為例，進(jìn)行功能測(cè)試，表4 為本文系統(tǒng)相應(yīng)功能測(cè)試結(jié)果。

表4 登錄界面功能測(cè)試結(jié)果

分析表4 可知，當(dāng)輸入正確的賬號(hào)信息與錯(cuò)誤的密碼時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)顯示密碼錯(cuò)誤，與預(yù)期結(jié)果一致；當(dāng)輸入正確的賬號(hào)信息與正確的密碼時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)顯示登錄成功，與預(yù)期結(jié)果一致；當(dāng)輸入錯(cuò)誤的賬號(hào)信息與正確的密碼時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)顯示賬號(hào)不存在，與預(yù)期結(jié)果一致。 以上結(jié)果說(shuō)明本文系統(tǒng)的應(yīng)用測(cè)試結(jié)果能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求。 同時(shí)本文系統(tǒng)的各項(xiàng)登錄測(cè)試響應(yīng)時(shí)間均控制在1 s 以內(nèi)，由此說(shuō)明本文系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)效率。

4.2 氣象數(shù)據(jù)采集結(jié)果

采用本文系統(tǒng)采集氣象數(shù)據(jù)，所采集結(jié)果如表5所示。

表5 氣象數(shù)據(jù)采集結(jié)果

由表5 可知，采用本文系統(tǒng)能夠有效采集氣象數(shù)據(jù)。 為分析本文系統(tǒng)所采集氣象數(shù)據(jù)的精度，分析本文系統(tǒng)不同數(shù)據(jù)量條件下的氣象數(shù)據(jù)含噪率，結(jié)果如表6所示。

表6 所采集氣象數(shù)據(jù)含噪率測(cè)試

由表6 得到，采用本文系統(tǒng)采集氣象數(shù)據(jù)時(shí)，所采集數(shù)據(jù)內(nèi)的含噪率較低，在不同數(shù)據(jù)量條件下，本文系統(tǒng)所采集氣象數(shù)據(jù)的含噪率均控制在0.2%以內(nèi)，有利于后續(xù)民航飛行危險(xiǎn)預(yù)測(cè)的精度提升。

4.3 航行安全性預(yù)測(cè)結(jié)果

表7 所示為本文系統(tǒng)針對(duì)2023 年4 月10 日不同時(shí)刻的民航航行實(shí)時(shí)安全性預(yù)測(cè)結(jié)果。

表7 民航航行實(shí)時(shí)安全性預(yù)測(cè)結(jié)果

分析表7 得到，本文系統(tǒng)所得民航航行實(shí)時(shí)安全性預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際安全情況基本一致，由此說(shuō)明本文系統(tǒng)具有較高的預(yù)測(cè)精度，完全滿足民航航行實(shí)時(shí)安全性預(yù)測(cè)需求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的民航空管自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的采集、氣象數(shù)據(jù)分析、氣象預(yù)警等目的。 希望通過(guò)本文系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠提升民航空管自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)操作與維護(hù)的簡(jiǎn)便性，提升民航航班正常率，保障民航航班飛行安全。