基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的導(dǎo)航設(shè)備監(jiān)控研究

陳 媛

(上海寶信軟件股份有限公司 上海：201900)

目前導(dǎo)航設(shè)備監(jiān)控主要對航向、下滑、指點(diǎn)標(biāo)、測距儀、全向信標(biāo)等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，這些設(shè)備一般需要7×24小時(shí)不間斷監(jiān)控，且每種設(shè)備都會(huì)有一到多個(gè)終端，工作人員負(fù)責(zé)監(jiān)控每個(gè)終端提供的設(shè)備參數(shù)信息，一旦發(fā)現(xiàn)問題或者接到用戶故障報(bào)修后會(huì)立即進(jìn)行處理。這是一種各自獨(dú)立的“多終端”監(jiān)控方式，在設(shè)備數(shù)量較少或者位置較為集中的環(huán)境中可以很好地發(fā)揮作用。但是，隨著空管業(yè)務(wù)的發(fā)展，空管設(shè)備數(shù)量不斷增加和位置日趨分散，各自獨(dú)立的“多終端”方式所固有的維護(hù)成本高、信息不全面、效率低下、安全隱患較大等局限性就凸現(xiàn)出來。

針對上述設(shè)備管理的“多終端”現(xiàn)狀，為了達(dá)到提高空管設(shè)備維護(hù)質(zhì)量、保證空管安全、降低維護(hù)成本的目的，提出設(shè)備集中監(jiān)控的構(gòu)想，即對所有空管導(dǎo)航設(shè)備和系統(tǒng)實(shí)施統(tǒng)一監(jiān)視與必要控制、管理，將“多終端”集成為“單終端”。導(dǎo)航設(shè)備集中監(jiān)控系統(tǒng)旨在不影響各設(shè)備正常運(yùn)行和現(xiàn)行終端監(jiān)控的前提下，采用目前國內(nèi)先進(jìn)、成熟的數(shù)據(jù)采集、智能通信等技術(shù)，把被監(jiān)控設(shè)備的主要運(yùn)行參數(shù)采集解析并傳輸至監(jiān)控中心。通過數(shù)據(jù)比對完成對設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)以及設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控，實(shí)時(shí)掌控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航設(shè)備的集中化、可視化、智能化監(jiān)控與管理。

通過集中監(jiān)控，運(yùn)行維護(hù)人員可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的集中管理；管理部門可以實(shí)現(xiàn)日常管理的規(guī)范化、計(jì)算機(jī)管理的科學(xué)化。管理人員能夠?qū)崟r(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行狀況，部分站點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)無人或少人值守；當(dāng)發(fā)生緊急事件時(shí)，管理人員能夠通過系統(tǒng)所提供的全面信息，迅速做出合理的決策；隨著集中監(jiān)控系統(tǒng)的建立，維護(hù)機(jī)制和管理方法將由原來分散的、人工看守式的維護(hù)方式，逐步向集中監(jiān)控、集中維護(hù)和集中管理的維護(hù)模式過渡。

1 AR技術(shù)簡介

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)受到大眾的關(guān)注，但我們生活的社會(huì)畢竟是真實(shí)社會(huì)，虛擬現(xiàn)實(shí)畢竟是不存在的，而實(shí)現(xiàn)真實(shí)與虛擬相結(jié)合的社會(huì)，那才是完美的統(tǒng)一。而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，簡稱AR)，通過電腦技術(shù)，將虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，使真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體實(shí)時(shí)地疊加到了同一個(gè)畫面或空間且同時(shí)存在，從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)世界信息和虛擬世界信息的“無縫”集成。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，也稱為擴(kuò)增現(xiàn)實(shí)，它把原本在現(xiàn)實(shí)世界的一定時(shí)間空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)體信息(視覺信息,聲音,味道,觸覺等),通過電腦等科學(xué)技術(shù)，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，被人類感官所感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)包含了多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)視頻顯示及控制、多傳感器融合、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊、場景融合等新技術(shù)與新手段，通過這些技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合與實(shí)時(shí)交互。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

(1)虛實(shí)結(jié)合：可以將顯示器屏幕擴(kuò)展到真實(shí)環(huán)境,使計(jì)算機(jī)窗口與圖標(biāo)疊映于現(xiàn)實(shí)對象,然后由用戶用眼睛凝視或手勢指點(diǎn)進(jìn)行操作,讓三維物體在用戶的全景視野中根據(jù)當(dāng)前任務(wù)或需要,交互改變其形狀和外觀,將虛擬場景疊加到真實(shí)場景中。

(2)實(shí)時(shí)交互：可以使交互從精確的位置擴(kuò)展到整個(gè)環(huán)境,從簡單的面對屏幕交流發(fā)展到將自己融合于周圍的空間與對象中。這個(gè)時(shí)候,運(yùn)用信息系統(tǒng)將不再是自覺而有意識的獨(dú)立行動(dòng),而是和人們的當(dāng)前活動(dòng)自然而然地融為一體,交互性系統(tǒng)也不再是具備明確的位置,而是擴(kuò)展到整個(gè)環(huán)境。

2 分析和設(shè)計(jì)

2.1 架構(gòu)分析

系統(tǒng)采用經(jīng)典的分層架構(gòu)，由設(shè)備層、接口層、數(shù)據(jù)預(yù)處理層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、業(yè)務(wù)邏輯層、應(yīng)用表示層組成。圖1為系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)。

圖1 平臺(tái)架構(gòu)圖

設(shè)備層：本系統(tǒng)監(jiān)控的所有設(shè)備，包括語言設(shè)備、轉(zhuǎn)報(bào)機(jī)、甚高頻對空電臺(tái)等設(shè)備。

接口層：集中和統(tǒng)一管理與設(shè)備的集成，完成與設(shè)備層之間的數(shù)據(jù)交換。

數(shù)據(jù)預(yù)處理層：通過數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊對接口層收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分發(fā)、報(bào)警以及存儲(chǔ)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層：專用于數(shù)據(jù)管理和高級應(yīng)用功能，采用實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫技術(shù)。

業(yè)務(wù)邏輯層：負(fù)責(zé)導(dǎo)航設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)業(yè)務(wù)的處理，負(fù)責(zé)邏輯性數(shù)據(jù)的生成、處理及轉(zhuǎn)換。

應(yīng)用展示層：主要用于頁面展示功能，將統(tǒng)計(jì)報(bào)表、故障報(bào)告、歷史趨勢等功能應(yīng)用通過終端展現(xiàn)出來。數(shù)據(jù)源于本地采集或中心服務(wù)器，在操作員工作站上實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)通過多層體系架構(gòu)，將數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)邏輯、展現(xiàn)在邏輯層面隔離，不僅滿足現(xiàn)階段建設(shè)需求，也為未來持續(xù)化建設(shè)和擴(kuò)展提供支持。

2.2 系統(tǒng)功能與邏輯設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要為多終端設(shè)備監(jiān)控提供集中化管理監(jiān)控，構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)化、信息共享的智能化協(xié)同價(jià)值鏈，通過優(yōu)化技術(shù)在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能分析、統(tǒng)計(jì)分析、系統(tǒng)管理等功能應(yīng)用。

(1)實(shí)時(shí)監(jiān)控

對各監(jiān)控系統(tǒng)中相互獨(dú)立的多個(gè)終端集中監(jiān)控，包括導(dǎo)航設(shè)備、氣象數(shù)據(jù)、通訊數(shù)據(jù)等多個(gè)系統(tǒng)中的監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備集中化管理，完善系統(tǒng)的信息交互能力，提高工作效率，降低運(yùn)維成本。主要監(jiān)控內(nèi)容包括：

導(dǎo)航實(shí)時(shí)監(jiān)控：對跑道的運(yùn)行方向及狀態(tài)、開啟關(guān)閉、方向切換、臺(tái)站設(shè)備狀態(tài)以及語音報(bào)警實(shí)時(shí)監(jiān)控，并提供數(shù)據(jù)追溯功能。

氣象實(shí)時(shí)監(jiān)控：對本場氣象信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括溫度、濕度、煙霧以及水浸等信息。

通信數(shù)據(jù)監(jiān)控：對通信相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，包括鏈路狀態(tài)、方位信息、跑道視程以及著陸雷達(dá)監(jiān)控。

(2)智能分析

通過AR技術(shù)，使虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，將智能化融入本系統(tǒng)，為設(shè)備提供智能巡檢、智能分析和預(yù)測性維護(hù)等功能。同時(shí)，系統(tǒng)為每個(gè)設(shè)備建立唯一的設(shè)備檔案(見圖2)，記錄設(shè)備到貨、上架使用、維修記錄、維護(hù)記錄，直至設(shè)備老化被替換的整個(gè)生命周期，從而便于設(shè)備的管理。

智能巡檢：通過AR方式，生成的虛擬物體或信息和真實(shí)環(huán)境實(shí)時(shí)疊加在一起，便于設(shè)備維護(hù)者進(jìn)行日常巡檢。設(shè)備信息展示包括設(shè)備基本信息管理，比如設(shè)備編號、名稱、設(shè)備日常維護(hù)記錄、設(shè)備的故障等。

圖2 VR設(shè)備參數(shù)

智能分析：對采集的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以及智能巡檢中獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括報(bào)警時(shí)段分析、報(bào)警趨勢分析、設(shè)備異常類型分析、巡檢數(shù)據(jù)分析。

預(yù)測性維護(hù)：對集中監(jiān)控的設(shè)備提供預(yù)測性維護(hù)功能，分別從人工和系統(tǒng)兩個(gè)維度設(shè)定維護(hù)策略，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的預(yù)測性維護(hù)，維護(hù)策略主要包括系統(tǒng)自評策略和人工設(shè)定策略。

(3)統(tǒng)計(jì)查詢

對所有監(jiān)控設(shè)備的參數(shù)信息、報(bào)警信息、巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)查詢，并提供數(shù)據(jù)分析功能，生成統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表。

(4)系統(tǒng)管理

對本系統(tǒng)進(jìn)行管理與配置，從數(shù)據(jù)、安全管理、權(quán)限等方面進(jìn)行管理，主要實(shí)現(xiàn)用戶管理、權(quán)限管理、操作日志查詢等功能。

2.2.2 邏輯設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過對設(shè)備建立唯一標(biāo)識碼，全面管控設(shè)備的采購、出廠、使用、維修、維護(hù)、報(bào)廢等信息，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航設(shè)備資產(chǎn)數(shù)據(jù)的全生命周期管理，同時(shí)采用VR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化管理，見圖3。

圖3 VR/AR 設(shè)備傳導(dǎo)

設(shè)備虛擬現(xiàn)實(shí)指在設(shè)備上安裝傳感器后，VR虛擬場景感應(yīng)真實(shí)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀況，并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控平臺(tái)設(shè)備的仿生監(jiān)管。系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)設(shè)備三維立體數(shù)據(jù)展示

通過加裝傳感器，在后臺(tái)顯示為大屏幕上的平面數(shù)據(jù)，通過VR仿生監(jiān)管技術(shù)將傳感器數(shù)據(jù)疊加在設(shè)備上，通過查看監(jiān)控平臺(tái)中某一導(dǎo)航設(shè)備獲取對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，三維數(shù)據(jù)顯示相對更直觀，做人工智能分析的能力更強(qiáng)。

(2)同步設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)

VR場景監(jiān)控平臺(tái)實(shí)時(shí)收集真實(shí)場景中設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，和真實(shí)場站實(shí)時(shí)鏈接，達(dá)到雙生的效果，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生。

(3)避免數(shù)據(jù)的誤讀

設(shè)備自身的運(yùn)行數(shù)據(jù)僅顯示在自身設(shè)備的上方，避免集中監(jiān)控大屏中眾多設(shè)備信息數(shù)據(jù)云集，造成設(shè)備信息的誤讀誤判。

2.3 實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

(1)設(shè)備集中化

設(shè)備集中化就是將多個(gè)監(jiān)控設(shè)備集中到單個(gè)終端進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)所有導(dǎo)航設(shè)備和系統(tǒng)統(tǒng)一監(jiān)管，以支撐導(dǎo)航設(shè)備監(jiān)控業(yè)務(wù)構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)化、信息共享的智能化協(xié)同價(jià)值鏈。

集中化管理的第一步就是數(shù)據(jù)解析。通過對導(dǎo)航NORMARC設(shè)備和THALES設(shè)備的通訊協(xié)議進(jìn)行解析處理，分析出各個(gè)設(shè)備的通訊協(xié)議與規(guī)格，并開發(fā)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序。

集中化管理的第二步滿足集中化需求，將原有“多終端”監(jiān)控模式轉(zhuǎn)變?yōu)樵凇皢谓K端”模式下，實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備的可視化監(jiān)控。

集中化管理的第三步實(shí)現(xiàn)智能分析。通過對采集的數(shù)據(jù)記錄智能分析，完成設(shè)備的自動(dòng)化智能巡檢。對異常情況進(jìn)行記錄并報(bào)警，讓值班人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，同時(shí)為未來設(shè)備維護(hù)提供便利。

(2)數(shù)據(jù)可視化

數(shù)據(jù)可視化不僅包括跑道位置可視化、現(xiàn)場臺(tái)站可視化、臺(tái)站狀態(tài)可視化，還包括基于AR技術(shù)，將虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，使生成的虛擬物體或信息和真實(shí)環(huán)境實(shí)時(shí)疊加在一起，實(shí)現(xiàn)物理設(shè)備與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的可視化展示，提高管理人員對整體環(huán)境、事態(tài)的統(tǒng)籌以及工作效率。

(3)報(bào)警智能化

導(dǎo)航設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)對設(shè)備故障或其他警告等事件報(bào)警提供終端報(bào)警消息推送的同時(shí)，提供智能語音報(bào)警，且報(bào)警聲音可定制，以滿足現(xiàn)場值班人員的工作需求。包括以下功能：

報(bào)警語音提醒功能：設(shè)備異常系統(tǒng)自動(dòng)語音報(bào)警，告知值班人員設(shè)備報(bào)警，為方便值班人員處理相關(guān)報(bào)警；

系統(tǒng)提供自定義語音提醒：可以直接語音告知值班人員報(bào)警的設(shè)備。

當(dāng)某設(shè)備發(fā)生故障，系統(tǒng)發(fā)出語音報(bào)警，并為對此次報(bào)警事件提供設(shè)備運(yùn)行參數(shù)變化分析、智能環(huán)境分析，為用戶處理報(bào)警事件提供有效支持。

3 總結(jié)

導(dǎo)航設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)采用目前國內(nèi)先進(jìn)成熟的設(shè)備接入、數(shù)據(jù)采集、智能通信等監(jiān)控技術(shù)，把監(jiān)控設(shè)備的主要運(yùn)行參數(shù)解析采集并傳輸至監(jiān)控中心，在導(dǎo)航監(jiān)控方面形成以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合AR技術(shù)的集中化、可視化、智能化監(jiān)控平臺(tái)，協(xié)助用戶對設(shè)備的高效監(jiān)控，滿足用戶高附加值的個(gè)性化需求，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性變化和應(yīng)對異常狀況的柔韌性。本文中提到的功能和技術(shù)在上海民航華東空管工程技術(shù)有限公司的設(shè)備集中監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)過程中得到了初步應(yīng)用，且取得良好的效果，可以為國內(nèi)其它機(jī)場建設(shè)導(dǎo)航設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)提供借鑒。