一種混合制式機場跑道異物探測系統(tǒng)

王 瑾

（中國民用航空局第二研究所，四川 成都610041）

0 引言

跑道異物（FOD）指的是任何不屬于機場但出現(xiàn)在機場運作區(qū)域并可能對機場造成損失或者飛機造成損害的外來物品[1]。 跑道異物直接影響著飛機的運行安全，一小塊塑料布被吸入發(fā)動機會引起空中停車， 一個小螺釘或金屬片甚至尖銳石子將會扎上輪胎引起爆胎[2]。

為解決人工道面巡查對跑道道面占用，影響航班通行能力的問題，國內(nèi)外均已開展自動化的機場跑道異物探測系統(tǒng)的研究，現(xiàn)有系統(tǒng)均為單一的塔架式探測系統(tǒng)或邊燈式探測系統(tǒng)，邊燈式探測系統(tǒng)檢測率高，實時性好，但造價貴，維護困難；塔架式探測系統(tǒng)的位置和高度受制于機場保護區(qū)域相關(guān)規(guī)定， 不能很好發(fā)揮性能，但部署成本相對較低且維護相對容易。

本文中所提出的混合制式機場跑道異物探測系統(tǒng)綜合了塔架式探測系統(tǒng)和邊燈式探測系統(tǒng)的優(yōu)點，將跑道道面按照重要程度進行劃分，分別部署塔架式FOD 傳感器或邊燈式FOD 傳感器， 使得系統(tǒng)探測性能滿足機場實際需求的同時造價更低， 解決了單一制式FOD 探測系統(tǒng)對于機場安全保障需求和成本預算之間的矛盾。

1 現(xiàn)有主流FOD 探測系統(tǒng)

從現(xiàn)有主流FOD 探測系統(tǒng)采用的技術(shù)手段和部署方式來看，F(xiàn)OD 探測系統(tǒng)可分為以下四類： 塔架式光學FOD 探測系統(tǒng)、塔架式光電混合FOD 探測系統(tǒng)、邊燈式光電混合FOD 探測系統(tǒng)以及車載式FOD 探測系統(tǒng)。

1.1 塔架式FOD 探測系統(tǒng)

該類系統(tǒng)傳感器安裝在塔架上面，塔架部署在距跑道中線上百米以外。 按傳感器技術(shù)類型，又可細分為純光學式FOD 探測系統(tǒng)和光電混合式FOD 探測系統(tǒng)兩大類。

純光學式FOD 探測系統(tǒng)依靠光學傳感器實現(xiàn)對機場跑道區(qū)域的遠距離監(jiān)測， 通過圖像處理技術(shù)發(fā)現(xiàn)和識別異物。 典型的代表為新加坡Stratech 公司的iFerret 系統(tǒng)。

光電混合式FOD 探測系統(tǒng)依靠毫米波雷達傳感器實現(xiàn)對機場跑道區(qū)域的遠距離監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)和識別異物；通過光學傳感器對發(fā)現(xiàn)的異物進行確認。 典型的代表為英國Qinetiq 公司的Tarsier 系統(tǒng)。

1.2 邊燈式FOD 探測系統(tǒng)

該類系統(tǒng)傳感器安裝于跑道邊燈旁邊，依靠毫米波雷達傳感器和光學傳感器實現(xiàn)對機場跑道區(qū)域的近距離監(jiān)測。 典型代表為以色列Xsight 公司的FODetect 系統(tǒng)。

1.3 車載式FOD 探測系統(tǒng)

該類系統(tǒng)傳感器安裝在可移動的車輛上面，在工作過程中，邊移動，邊掃描，邊檢測，邊清理，通過毫米波雷達進行檢測，光學相機用于拍照確認。 典型代表為美國Trex 公司的FODFinder 系列。變得簡單容易。

相比于單一的塔架式或邊燈式FOD 探測系統(tǒng)，混合制式FOD 探測系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

（1）采用邊燈式雷達光學復合傳感器監(jiān)視跑道兩端接地帶，探測性能好，受天氣影響小，可有力保障跑道關(guān)鍵區(qū)域的運行安全；

（2）采用塔架式傳感器監(jiān)視跑道中部滑跑區(qū)域，以此降低設(shè)備數(shù)量和維護難度，使系統(tǒng)整體做到性能和造價綜合性最優(yōu)；

表1 四種典型FOD 探測系統(tǒng)技術(shù)體制對比

2 混合制式機場跑道異物探測系統(tǒng)

綜合以上各型機場跑道FOD 探測系統(tǒng)的特點，不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有FOD 探測系統(tǒng)解決方案中，移動式系統(tǒng)造價最低，但工作時需要關(guān)閉跑道，不能實時監(jiān)控相關(guān)區(qū)域，影響機場運行效率；邊燈式系統(tǒng)檢測率高，實時性好，但造價貴，維護困難；塔架式系統(tǒng)的位置和高度受制于機場保護區(qū)域相關(guān)規(guī)定， 不能很好發(fā)揮性能，但部署成本相對較低且維護相對容易。

以上方案均未根據(jù)跑道監(jiān)視熱點區(qū)域和系統(tǒng)冗余度設(shè)計部署方案，導致系統(tǒng)性能不是最優(yōu)，且造成資源浪費。 有必要綜合塔架式和邊燈式系統(tǒng)優(yōu)點， 研制一款符合機場運行特點的FOD 探測系統(tǒng)。

2.1 混合制式機場跑道異物探測系統(tǒng)設(shè)計思想

混合制式機場跑道異物探測系統(tǒng)，按照重要程度和運行特點對機場跑道的不同區(qū)域進行層次劃分，在接地帶等重要區(qū)域布置檢測率高，實時性好但造價昂貴，維護困難的邊燈式光電復合FOD 傳感器， 在其它區(qū)域布置性能一般但成本較低維護簡單的塔架式光學FOD 傳感器。 這樣就解決了單一制式FOD 探測系統(tǒng)對于機場安全保障需求和成本預算之間的矛盾，并且系統(tǒng)部署與傳感器部署設(shè)計獨立區(qū)分，減少了施工部署方面的要求，模塊化結(jié)構(gòu)使得維護

（3） 充分利用塔架式傳感器的高分辨成像能力，提供厘米分辨率級跑道全景成像的附加功能，為飛行區(qū)道面管理提供全新的視角。

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖1 混合制式機場跑道異物探測系統(tǒng)總體架構(gòu)圖■

如圖1 所示， 混合制式FOD 探測系統(tǒng)由FOD 探測傳感器 （邊燈式光電復合FOD 傳感器或塔架式光學FOD 傳感器）、FOD 信息系統(tǒng)（FOD 探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心和FOD 探測系統(tǒng)管理軟件） 以及配套供電及數(shù)據(jù)傳輸設(shè)施等共同組成。 其中FOD 傳感器安裝于跑道側(cè)方，對跑道道面進行實時監(jiān)測，得到道面的視頻圖像數(shù)據(jù)或雷達反射數(shù)據(jù)；后臺FOD 信息系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)庫服務器、應用服務器、視頻管理服務器以及移動終端等對數(shù)據(jù)進行分析處理得到FOD 信息， 并為機場用戶提供FOD 報警，遠程視頻確認，F(xiàn)OD 詳細信息等；之后將FOD 信息下發(fā)至FOD 清理作業(yè)人員的手持終端上， 引導其迅速到達現(xiàn)場進行清理；同時所有的FOD 數(shù)據(jù)都將被存儲，以便機場用戶隨時回溯， 并將定時對FOD 進行分析與統(tǒng)計，以圖表的方式提供給機場用戶。

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 邊燈式光電復合FOD 傳感器

邊燈式光電復合FOD 傳感器具有探測性能好、響應速度快的特點。 邊燈式光電復合FOD 傳感器單元部署一般遵循助航燈具相關(guān)技術(shù)要求，并且支持與跑道邊燈集成安裝以降低部署成本。 傳感器沿跑道兩側(cè)按60米等間隔對稱安裝，其作用半徑正常模式下可達45 米，增強模式下可達60 米。 整條跑道實現(xiàn)全覆蓋需要部署上百個節(jié)點。 邊燈式光電復合FOD 傳感器單元及覆蓋部署示意如圖2 所示。

圖2 邊燈式光電復合FOD 傳感器單元及覆蓋部署

圖3 邊燈式光電復合FOD 傳感器組成示意圖

邊燈式光電復合FOD 傳感器采用集成化設(shè)計，主要由FOD 探測雷達、FOD 光學探測模塊、小型轉(zhuǎn)臺、易折件、電源模塊、通信模塊等共同構(gòu)成。傳感器組成示意圖如圖3 所示。 FOD 探測雷達和FOD 光學探測模塊分別獨立執(zhí)行FOD 探測功能。 FOD 探測雷達通過發(fā)射電磁波并對回波信號進行接收處理得到機場跑道異物的相關(guān)信息，F(xiàn)OD 光學探測模塊則對跑道進行高清晰度光學成像，F(xiàn)OD 探測雷達和FOD 光學探測模塊均通過光纖將各自所探測到的相關(guān)信息傳輸給后臺FOD 信息系統(tǒng)，F(xiàn)OD 信息系統(tǒng)對相關(guān)數(shù)據(jù)進行運算處理和數(shù)據(jù)融合，最終實現(xiàn)光電復合的FOD 探測，跟蹤和識別功能。

3.2 塔架式光學FOD 傳感器

塔架式光學FOD 傳感器具有探測距離遠， 維護簡單，價格較低等優(yōu)點。 塔架式光學FOD 傳感器部署一般距離跑道中線超過150 米，沿跑道一側(cè)按300 米等間隔安裝，其作用半徑可達350 米，增強模式下作用半徑可達400 米，整條跑道僅需十幾個節(jié)點即實現(xiàn)全覆蓋。 塔架式FOD 傳感器單元及覆蓋部署示意如圖4 所示。

圖4 塔架式光學FOD 傳感器單元及覆蓋部署

塔架式光學FOD 傳感器主要由高清光學鏡頭、數(shù)字攝像機、對焦模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、補光模塊和精密伺服轉(zhuǎn)臺組成。 傳感器組成示意圖如圖5 所示。 高清光學鏡頭與數(shù)字攝像機構(gòu)成成像單元， 對跑道道面進行高清晰度成像； 對焦模塊用于控制成像單元的自動變倍變焦；網(wǎng)絡(luò)通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；精密伺服轉(zhuǎn)臺用于承載各模塊并提供方位控制； 補光模塊用于夜晚低能見度情況下對道面成像區(qū)域的補光。

圖5 塔架式光學FOD 傳感器組成示意圖

3.3 FOD 信息系統(tǒng)

FOD 信息系統(tǒng)負責系統(tǒng)中各FOD 傳感器數(shù)據(jù)的分析處理與融合，并實現(xiàn)對整個FOD 探測系統(tǒng)的控制和管理。

FOD 信息系統(tǒng)支持不同技術(shù)制式的FOD 傳感器數(shù)據(jù)接入，并采用高性能服務器陣列對傳感器數(shù)據(jù)進行處理、分析和融合。 當辨識出跑道上的異常FOD 目標時，系統(tǒng)對FOD 目標自動取證并通過控制中心的控制臺向管理人員報警。 管理人員可以在控制臺對疑似FOD 進行遠程視頻鑒定以完成FOD 確認。

被確認的FOD 信息，包括精確跑道位置、異物圖像、 威脅等級等被系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到值班清理人員的手持終端上。 值班人員通過手持終端引導到達FOD 現(xiàn)場，完成現(xiàn)場拍照取證和異物清理。 最后取證和清理信息通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)中心完成FOD 數(shù)據(jù)分析和解除FOD 告警。

系統(tǒng)在提供FOD 監(jiān)視、 清理和取證等服務的同時，還提供完善的FOD 業(yè)務管理流程，包括業(yè)務管理、人員管理、FOD 業(yè)務分析等。

4 系統(tǒng)測試

為了驗證混合制式機場跑道異物探測系統(tǒng)的實際性能，在機場跑道道面進行了大量的實際現(xiàn)場測試。 將邊燈式光電復合FOD 傳感器和塔架式光學FOD 傳感器安裝于相應位置，在檢測區(qū)域內(nèi)任意放置異物，并多次重復試驗，以獲取足夠的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。其中，在異物集的選取中，在民航局機場司咨詢通告的基礎(chǔ)上，結(jié)合機場實際情況，對異物集進行了適當擴展。

經(jīng)大量實際現(xiàn)場測試，混合制式機場跑道異物探測系統(tǒng)在白天天氣晴朗的情況下，對標準樣件的檢測率可以達到100%，對非標準異物（含實物樣件和擴展異物）的檢測率可以達到96.4%。 同時，在黑夜，雨天，霧天等環(huán)境下，混合制式機場跑道異物探測系統(tǒng)的探測性能也滿足民航局機場司咨詢通告中的相關(guān)要求。

5 結(jié)束語

目前，該混合制式機場跑道異物探測系統(tǒng)已在國內(nèi)多個機場開始試運行，機場實際測試表明，系統(tǒng)采用的塔架式FOD 光學傳感器與邊燈式FOD 光電復合傳感器結(jié)合的方式能夠滿足機場實際需求， 實現(xiàn)對跑道異物的準確檢測，定位及管理。