基于物聯(lián)網(wǎng)的跑道防侵入監(jiān)控平臺的研究與設(shè)計(jì)

趙棟 奉澤昊

摘 要 針對國內(nèi)絕大多數(shù)機(jī)場普遍缺乏先進(jìn)的場道監(jiān)視設(shè)備狀況，本文研發(fā)一種能提供地面保護(hù)區(qū)實(shí)時(shí)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(wǎng)平臺建立基于感知數(shù)據(jù)可視化的跑道侵入預(yù)測及預(yù)警模型，采用物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵傳感器技術(shù)對跑道區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)整合地面多種監(jiān)視數(shù)據(jù)于一體，根據(jù)相應(yīng)的沖突預(yù)警算法實(shí)現(xiàn)場道內(nèi)的沖突告警提示，給出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞 物聯(lián)網(wǎng) 跑道入侵 Zigbee 傳感器

中圖分類號：TP272 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

近年來，隨著航空自由化趨勢的加強(qiáng)和飛行流量的增加，跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)不斷增加。根據(jù)加拿大運(yùn)輸部的一項(xiàng)研究表明：一個機(jī)場交通量增加20%，將使跑道侵入可能性增加140%。如何有效地提高民航運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性已經(jīng)成為當(dāng)前國際民航組織和各國民航機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)問題。

一、研發(fā)背景

物聯(lián)網(wǎng)被認(rèn)為是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)第三次革命，它通過射頻識別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的提出與研究的深入開展，物聯(lián)網(wǎng)在民航領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣，結(jié)合跑道侵入這一典型問題，研究物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動模式下的跑道防侵入方法及應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，更具有長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

目前除北京、上海、廣州三地使用場監(jiān)雷達(dá)地面活動進(jìn)行監(jiān)視和預(yù)警外，國內(nèi)大多數(shù)中小型機(jī)場缺乏先進(jìn)地面監(jiān)視設(shè)備，跑道防侵入工作主要依賴于空管管制員借助視頻監(jiān)控、人員巡查、對講機(jī)通訊等傳統(tǒng)方式進(jìn)行目視監(jiān)控。這些傳統(tǒng)的方式極易受到天氣、人為因素的影響，另外大流量和高強(qiáng)度的工作環(huán)境下，這種被動式的人為監(jiān)控方式，出錯的概率和監(jiān)視效果差是顯而易見的。本文結(jié)合中小型機(jī)場航班量、運(yùn)營成本及設(shè)備維護(hù)等特點(diǎn)，研究一套能提供地面保護(hù)區(qū)實(shí)時(shí)狀態(tài)和主動告警功能的跑道防入侵系統(tǒng)，能有效地彌補(bǔ)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(yùn)行。

二、系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，共包括四層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、控制層和決策層。

1、感知層采用激光探測器、紅外傳感器和射頻傳感器等感知設(shè)備實(shí)時(shí)采集機(jī)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(zhǔn)確及時(shí)的數(shù)據(jù)。

2、網(wǎng)絡(luò)層采用光纖通訊和Zigbee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，把感知層的數(shù)據(jù)安全可靠地傳輸?shù)娇刂茖?，形成一套適用于機(jī)場多傳感集成情況下的可靠性網(wǎng)絡(luò)傳輸媒介，實(shí)現(xiàn)光纖和無線的雙路由保障傳輸。

3、控制層采用路由器、轉(zhuǎn)換器和其它控制設(shè)備把采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，利用TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議把種異構(gòu)的感知數(shù)據(jù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，以防止第三方非法用戶竊取采集的數(shù)據(jù)，采用通用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表示如XML語言對統(tǒng)一的數(shù)據(jù)進(jìn)行表征，以實(shí)現(xiàn)在決策層數(shù)據(jù)運(yùn)用及共享的兼容性。

4、決策層利用SOA體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一套基于Internet/Intranet的決策系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過權(quán)限設(shè)計(jì)和模塊配置化設(shè)計(jì)，即經(jīng)過配置后，部分公共信息資源可以被Internet用戶訪問，涉及保密及重要的信息則通過Intranet在本機(jī)場及管理局機(jī)構(gòu)共享，配合硬件感知設(shè)備的運(yùn)作，為塔臺管制員、調(diào)度員、機(jī)場巡查員等用戶提供多種監(jiān)控方法。

三、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要如圖2所示，包括地面沖突數(shù)據(jù)的探測、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器和實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示告警終端等三個模塊。地面監(jiān)視數(shù)據(jù)的獲取主要是利用激光探測器、紅外探測器和Zigbee節(jié)點(diǎn)的無線定位技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對航空器、車輛和跑道人員活動的探測，采集到監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過光纖網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳至數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，由數(shù)據(jù)處理服務(wù)器對監(jiān)視數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和加工，并存儲在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，結(jié)合GPS與雷達(dá)數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的沖突預(yù)警算法，在塔臺監(jiān)控終端實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前跑道內(nèi)的航空器、車輛位置信息和人員活動情況，并提供相應(yīng)的告警提示。系統(tǒng)提供多種信號的接口，如雷達(dá)信號和ADS-B等，通過融合多方面的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)對場道的監(jiān)控。采用雙冗余結(jié)構(gòu)，在其中一網(wǎng)失效時(shí)，能自動無縫切換到另一網(wǎng)。

四、關(guān)鍵技術(shù)分析

（一）跑道沖突區(qū)域的探測。

針對跑道侵入主要因素（人、車輛和航空器等）實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求，采用多傳感器結(jié)合的多維數(shù)據(jù)采集策略，對跑道分為三級區(qū)域進(jìn)行集中監(jiān)控，如圖3所示。在跑道保護(hù)區(qū)域和跑道樞紐區(qū)直線上按一定的間隔連續(xù)架設(shè)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(wǎng)，對進(jìn)入?yún)^(qū)域內(nèi)的航空器和車輛進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)利用Zigbee探測器組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對跑到內(nèi)人員活動進(jìn)行監(jiān)控。在滑行道鋪設(shè)Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，利用Zigbee節(jié)點(diǎn)的身份標(biāo)識，為載有Zigbee設(shè)備的車輛和航空器實(shí)現(xiàn)在滑行道內(nèi)精確的位置定位，從而避免滑行道內(nèi)的車輛和航空器的沖突。

圖3 跑道區(qū)域防侵入探測設(shè)計(jì)模型

（二）動態(tài)環(huán)境下感知數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)制。

采用光纖及無線傳感網(wǎng)絡(luò)的雙路由傳輸機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)傳探測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定與可靠傳輸。 在跑道兩側(cè)鋪設(shè)光纖，激光探測數(shù)據(jù)通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳至實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊。如圖3所示，傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)利用 Zigbee強(qiáng)大的自組網(wǎng)能力和動態(tài)路由方式，以接力的方式將數(shù)據(jù)從一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳到另一個節(jié)點(diǎn)，直至數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。

（三）多數(shù)據(jù)的融合處理。

數(shù)據(jù)融合是一個多級、多層面的數(shù)據(jù)處理過程， 主要完成對來自多個信息源的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動檢測、關(guān)聯(lián)、相關(guān)、估計(jì)及組合等的處理，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識別（特征提取、規(guī)則庫改造、基于規(guī)則的推理或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)） 和動態(tài)目標(biāo)航跡融合（包括時(shí)空配準(zhǔn)、航跡關(guān)聯(lián)）。 融合過程分為3個層次，如圖4所示。首先對感知數(shù)據(jù)的信息表達(dá)、資源描述、信息處理及加密方法，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表征格式，獲取位置和身份信息。其次進(jìn)行態(tài)勢評估，然后根據(jù)告警策略進(jìn)行預(yù)警。

圖4 數(shù)據(jù)融合處理過程

（四）跑道監(jiān)控顯示。

軟件模塊包括實(shí)時(shí)監(jiān)控和可視化管理兩個部分。

1、實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊：該模塊針對機(jī)場異常物體探測的實(shí)時(shí)性要求，通過實(shí)時(shí)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)感知設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)及控制層設(shè)備的管理，如系統(tǒng)參數(shù)配置、設(shè)備注冊及工作狀態(tài)監(jiān)控，該模塊采用Socket技術(shù)對設(shè)備端口進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，以保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

2、可視化管理模塊：針對感知數(shù)據(jù)抽象、離散等特點(diǎn)，利用可視化技術(shù)把感知數(shù)據(jù)還原成現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)，通過三維模型表達(dá)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(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過調(diào)控機(jī)制杜絕此類事故的發(fā)生，同時(shí)，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(yù)警信號給塔臺管制員及駕駛員，以避免事故的發(fā)生。

五、 結(jié)束語

跑道入侵是影響民航安全運(yùn)行日益嚴(yán)重的問題，在目前國內(nèi)機(jī)場普遍缺乏場監(jiān)雷達(dá)監(jiān)控的情況下，跑道防侵入工作主要依賴于塔臺管制員的目視監(jiān)控。本文從塔臺管制員的工作角度出發(fā)，利用物聯(lián)網(wǎng)平臺，通過激光探測頭、紅外傳感器和Zigbee節(jié)點(diǎn)鋪設(shè)的監(jiān)控探測網(wǎng)對跑道內(nèi)的航空器、車輛和人員進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，通過對多個數(shù)據(jù)的融合處理獲得更加精確的場面監(jiān)視數(shù)據(jù)。圖形化的顯示界面，內(nèi)容直觀易操作，同時(shí)系統(tǒng)還提供多種數(shù)據(jù)接口，如場監(jiān)雷達(dá)、GPS和ADS-B等，易于擴(kuò)展，能有效彌補(bǔ)場監(jiān)雷達(dá)的缺失，保障民航機(jī)場的安全運(yùn)行?！?/p>

（作者單位：民航湖南空管分局）

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