機(jī)場(chǎng)智能鳥防系統(tǒng)研究

袁 紅，王羽玥，郭愛強(qiáng)，杜城威，陸 珂，吳然然，陳帷瀅

（1.天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)管理部，天津 300300；2.北京黑森智能科技有限公司，北京 101399）

鳥擊是指航空器起降或飛行過(guò)程中與鳥類、蝙蝠等動(dòng)物相撞的事件，或者是因?yàn)閯?dòng)物活動(dòng)影響到正常飛行活動(dòng)的事件。隨著航班量的持續(xù)增長(zhǎng)和生態(tài)環(huán)境的不斷好轉(zhuǎn)，中國(guó)機(jī)場(chǎng)的鳥擊防范工作壓力越來(lái)越大。傳統(tǒng)的驅(qū)鳥手段主要為人為巡視驅(qū)趕和設(shè)備固定式部署、隨機(jī)式開啟的單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，此種方法已經(jīng)逐漸不太適應(yīng)新時(shí)期鳥防業(yè)務(wù)工作要求[1]。近年來(lái)，探測(cè)設(shè)備的快速發(fā)展給鳥防工作帶來(lái)了一定的便利，但探測(cè)設(shè)備種類繁多，同時(shí)存在行業(yè)遷移的匹配適應(yīng)性問題，增加機(jī)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的試錯(cuò)成本。本研究對(duì)探鳥雷達(dá)、探鳥光電及機(jī)場(chǎng)鳥擊防范業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)進(jìn)行綜述分析，在天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)實(shí)踐融合應(yīng)用此類設(shè)備，形成了一套完整的探、驅(qū)、識(shí)、治一體化的機(jī)場(chǎng)智能鳥防系統(tǒng)，為全國(guó)機(jī)場(chǎng)驅(qū)鳥工作的開展提供參考[2]。

1 鳥防科技產(chǎn)品

1.1 探鳥雷達(dá)

雷達(dá)發(fā)明于20世紀(jì)40年代，初期主要用于防空預(yù)警。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各式體制的雷達(dá)已在多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。雷達(dá)鳥情探測(cè)技術(shù)的難點(diǎn)在于對(duì)“低、慢、小”目標(biāo)的探測(cè)，同時(shí)由于鳥類種類繁多、飛行活動(dòng)的多樣性與不確定性，與傳統(tǒng)對(duì)空探測(cè)雷達(dá)不同，鳥類探測(cè)雷達(dá)的技術(shù)核心在于對(duì)飛鳥的特殊信號(hào)處理與目標(biāo)跟蹤算法。鳥情探測(cè)雷達(dá)可以提供鳥類活動(dòng)位置、高度、速度等基本信息，常見掃描范圍水平約5 km，高度約1 km。

經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，國(guó)際上已經(jīng)研制出了相對(duì)成熟的“雷達(dá)探鳥系統(tǒng)”，最具代表性的是美國(guó)的Merlin雷達(dá)、加拿大的Accipiter雷達(dá)、荷蘭的Robin雷達(dá)等，上述3個(gè)廠家均有成熟的機(jī)場(chǎng)鳥類探測(cè)雷達(dá)產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)方面，部分廠家也相繼開展了探鳥雷達(dá)技術(shù)研究與產(chǎn)品開發(fā)，相關(guān)產(chǎn)品在中國(guó)多個(gè)機(jī)場(chǎng)進(jìn)行了大量測(cè)試[3]。

探鳥雷達(dá)在機(jī)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用仍需要解決無(wú)線電頻率和產(chǎn)品應(yīng)用形式2個(gè)問題。首先，機(jī)場(chǎng)無(wú)線電設(shè)備眾多，探鳥雷達(dá)也屬于無(wú)線電設(shè)備，因此，探鳥雷達(dá)進(jìn)入機(jī)場(chǎng)應(yīng)用前，確保不與機(jī)場(chǎng)現(xiàn)有無(wú)線電設(shè)備相互干擾影響成為首要考慮問題。其次，探鳥雷達(dá)僅為探測(cè)設(shè)備，而機(jī)場(chǎng)驅(qū)鳥目前已經(jīng)有初步的管理形態(tài)，探鳥雷達(dá)的引進(jìn)必將對(duì)驅(qū)鳥工作的管理帶來(lái)新的模式。因此，探鳥雷達(dá)的產(chǎn)品應(yīng)用形式需要針對(duì)國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)管理工作進(jìn)行深度定制。探鳥雷達(dá)如圖1所示。

圖1 探鳥雷達(dá)

1.2 探鳥光電

探鳥光電主要為自搜索光電和雷達(dá)引導(dǎo)光電2種類型。其中，自搜索光電可以依據(jù)高速視頻對(duì)比及邊緣計(jì)算核心算法，自動(dòng)識(shí)別搜索范圍內(nèi)晝夜區(qū)域內(nèi)的鳥情信息，不需要鳥情探測(cè)雷達(dá)引導(dǎo)即可自主工作。同時(shí)，自搜索光電后期可升級(jí)識(shí)別算法，滿足鳥種辨認(rèn)、行為判別等工作，亦可通過(guò)坐標(biāo)系設(shè)定計(jì)算出目標(biāo)鳥類的位置、高度、速度等信息。雷達(dá)引導(dǎo)類光電需要依靠鳥情探測(cè)雷達(dá)提供鳥類的位置、高度信息完成視野追蹤。目前，鳥情探測(cè)光電技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)主要集中在自動(dòng)搜索光電，其核心技術(shù)特點(diǎn)為造價(jià)低、算法可升級(jí)。但因光電設(shè)備受雨、雪、霧天氣影響嚴(yán)重，且探測(cè)距離短，因此未來(lái)適用場(chǎng)景主要集中于小范圍區(qū)域（場(chǎng)區(qū)內(nèi)或起飛降落航徑）的鳥情探測(cè)。

探鳥光電的主要作用為完成鳥類圖像信息的拍攝，為機(jī)場(chǎng)管理人員提供本場(chǎng)鳥情信息數(shù)據(jù)庫(kù)。傳統(tǒng)的管理模式下，驅(qū)鳥人員僅憑肉眼觀察對(duì)本場(chǎng)的鳥情信息進(jìn)行觀察和統(tǒng)計(jì)。光電的引入將極大提高一線人員的工作效率和鳥情觀測(cè)的準(zhǔn)確性。探鳥光電如圖2所示。

圖2 探鳥光電

1.3 機(jī)場(chǎng)智能鳥防系統(tǒng)

科技的進(jìn)步必然會(huì)帶來(lái)業(yè)務(wù)方式的改變，機(jī)場(chǎng)驅(qū)鳥工作同樣如此。在傳統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)驅(qū)鳥工作模式下，各個(gè)模塊獨(dú)立運(yùn)行，驅(qū)鳥人員負(fù)責(zé)日常巡視和設(shè)備維護(hù)，驅(qū)鳥設(shè)備根據(jù)設(shè)定的時(shí)間隨機(jī)進(jìn)行驅(qū)鳥工作，生態(tài)管理部門則負(fù)責(zé)生態(tài)的調(diào)研、割草、打藥工作。同時(shí)，市場(chǎng)上的探測(cè)設(shè)備、驅(qū)鳥設(shè)備的供應(yīng)商又僅提供設(shè)備本身的技術(shù)指導(dǎo)，使得新的科技產(chǎn)品短期內(nèi)無(wú)法匹配現(xiàn)有的驅(qū)鳥業(yè)務(wù)工作模式。因此，基于新一代的探測(cè)技術(shù)和驅(qū)鳥業(yè)務(wù)邏輯逐漸衍生了機(jī)場(chǎng)智能鳥防系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 機(jī)場(chǎng)智能鳥防系統(tǒng)

機(jī)場(chǎng)智能鳥防系統(tǒng)是機(jī)場(chǎng)鳥擊防范業(yè)務(wù)的核心中樞系統(tǒng)，系統(tǒng)的優(yōu)劣關(guān)系“探、驅(qū)、識(shí)、治”一體聯(lián)動(dòng)的效能，及業(yè)務(wù)開展的智能化程度，對(duì)于整體機(jī)場(chǎng)驅(qū)鳥體系建設(shè)十分關(guān)鍵。機(jī)場(chǎng)鳥擊防范管理系統(tǒng)由感知單元、判斷單元、執(zhí)行單元、評(píng)估單元組成，形成了完整統(tǒng)一、不斷迭代的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)建精良，動(dòng)態(tài)的機(jī)場(chǎng)鳥情分區(qū)圖，采用先進(jìn)的GIS地理信息單元及數(shù)字孿生技術(shù)，將鳥擊防范業(yè)務(wù)所涉及的鳥情、設(shè)備、人員、生態(tài)等多要素進(jìn)行疊加，經(jīng)業(yè)務(wù)智能分析后，可實(shí)現(xiàn)多種分析與呈現(xiàn)。此外，系統(tǒng)可結(jié)合國(guó)內(nèi)科研領(lǐng)域?qū)ｍ?xiàng)庫(kù)，為各機(jī)場(chǎng)個(gè)性化創(chuàng)建鳥類分析與識(shí)別庫(kù)，其內(nèi)容涵蓋了鳥類圖鑒、生境、質(zhì)量、速度、習(xí)性、食性、規(guī)律等多種內(nèi)容，同時(shí)將各種鳥類的防范技巧與手段進(jìn)行動(dòng)態(tài)融合，依托智能業(yè)務(wù)系統(tǒng)，提供內(nèi)容強(qiáng)大詳實(shí)的專業(yè)性參考。系統(tǒng)融合多種自動(dòng)化探測(cè)領(lǐng)域雷達(dá)、光電技術(shù)，打通與驅(qū)鳥設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制接口，為數(shù)據(jù)的交互提供兼容性極高的通信、數(shù)據(jù)格式，確保各類選型設(shè)備均能與驅(qū)鳥業(yè)務(wù)適配，實(shí)現(xiàn)新時(shí)期機(jī)場(chǎng)智能鳥防業(yè)務(wù)的開展。

2 機(jī)場(chǎng)智能鳥防系統(tǒng)的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)驅(qū)鳥工作中，發(fā)現(xiàn)手段和巡查的方法是采用視頻監(jiān)控設(shè)備及結(jié)合人工駕駛車輛巡防的方式，沿著巡視路線按照有關(guān)要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡查。主要存在以下缺點(diǎn)：①雖投入相當(dāng)多的人力物力，但效率極低，效果不明顯，巡視比較盲目，針對(duì)性不強(qiáng)；②受巡查時(shí)間、范圍、道路等因素的影響，對(duì)大范圍的圍界、場(chǎng)區(qū)面積，靠人工手段巡查困難；③驅(qū)鳥設(shè)備都是相對(duì)獨(dú)立工作，設(shè)備監(jiān)控狀態(tài)不能實(shí)時(shí)掌握，缺乏統(tǒng)一管理調(diào)度等功能；④以往統(tǒng)計(jì)的鳥情數(shù)據(jù)缺乏科學(xué)性和全天候數(shù)據(jù)，不利于指導(dǎo)鳥擊防范工作；⑤傳統(tǒng)的觀測(cè)手段受氣候等惡劣條件的影響，存在看不遠(yuǎn)、看不清等不足。

為保障機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全，提高鳥害入侵預(yù)警及防范效率，節(jié)省人力物力，實(shí)現(xiàn)探鳥、識(shí)鳥、驅(qū)鳥、治理一體化的管理體系，天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)自2017年起開始研究利用探鳥雷達(dá)等新技術(shù)，探索了一套高效可行的方法。

在實(shí)際探索應(yīng)用中，天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)采用了探鳥雷達(dá)、現(xiàn)有驅(qū)鳥設(shè)備并結(jié)合光電目標(biāo)識(shí)別技術(shù)，針對(duì)機(jī)場(chǎng)研究開發(fā)了一套智能管理系統(tǒng)，建立科學(xué)的鳥情預(yù)警、探驅(qū)聯(lián)動(dòng)、鳥類識(shí)別為一體的體系，對(duì)機(jī)場(chǎng)及周邊的空域鳥情進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及防范管理，給國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)驅(qū)鳥工作的開展提供技術(shù)路線實(shí)踐參考。

2.1 探驅(qū)一體化

探驅(qū)一體化將探鳥雷達(dá)與定向聲波驅(qū)鳥器、全向聲波驅(qū)鳥器及煤氣炮驅(qū)鳥器等各類驅(qū)鳥設(shè)備組網(wǎng)聯(lián)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)全天候、全自動(dòng)24 h不間斷驅(qū)鳥，使探測(cè)、預(yù)警、避讓、驅(qū)趕、監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)成為有機(jī)的整體，全自動(dòng)聯(lián)合工作。讓鳥防人員、飛行區(qū)運(yùn)行指揮人員及時(shí)得到鳥情信息并及時(shí)采取相應(yīng)措施，保證飛行安全，實(shí)現(xiàn)信息、設(shè)備及人員的集中統(tǒng)一管理，可最大化發(fā)揮系統(tǒng)的工作效益。

由于各驅(qū)鳥器的布防距離雷達(dá)和智能驅(qū)鳥管理系統(tǒng)較遠(yuǎn)，分布較分散，機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)跑道兩側(cè)缺乏有線通訊網(wǎng)絡(luò)接口，不便于各設(shè)備之間的通訊，為了使各設(shè)備之間能夠暢通的通訊及達(dá)到綜合管理控制的目的，本項(xiàng)目實(shí)施時(shí)采用4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊方式完成各設(shè)備之間的通訊及聯(lián)動(dòng)控制，通過(guò)采購(gòu)4G通訊模塊進(jìn)行系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)。

在通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時(shí)，需進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)、器件選型等工作，在雷達(dá)站、驅(qū)鳥設(shè)備和探驅(qū)一體管理系統(tǒng)上分別加裝4G通訊硬件，通過(guò)軟、硬件調(diào)試，完成探驅(qū)一體化的系統(tǒng)搭建。探驅(qū)一體示意圖如圖4所示。

圖4 探驅(qū)一體示意圖

2.2 探、識(shí)、治一體化

探鳥雷達(dá)和探鳥光電的引入可實(shí)現(xiàn)探、識(shí)、治一體化管理。天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)在實(shí)際探索中利用探鳥雷達(dá)及探鳥光電對(duì)整個(gè)空域進(jìn)行搜索，確定目標(biāo)的威脅等級(jí)，通過(guò)光電探測(cè)設(shè)備對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤及識(shí)別，獲取空中鳥類目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)，并將圖像、位置數(shù)據(jù)通過(guò)4G傳輸至驅(qū)鳥工作人員客戶端。驅(qū)鳥工作人員可實(shí)時(shí)查看人員、鳥類位置關(guān)系，通過(guò)辨別圖像數(shù)據(jù)可對(duì)鳥情信息有初步的判斷，從而及時(shí)采取針對(duì)性的驅(qū)趕、治理措施。多種探測(cè)手段的聯(lián)合應(yīng)用可指導(dǎo)決策管理人員對(duì)本場(chǎng)鳥情信息進(jìn)行全方位的了解，為驅(qū)鳥工作的開展提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

本次天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)應(yīng)用目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)隨動(dòng)系統(tǒng)采用高精度云臺(tái)進(jìn)行響應(yīng)捕獲，云臺(tái)具有大角度旋轉(zhuǎn)及上下90°的俯仰動(dòng)作能力，跟蹤鏡頭可采用廣角鏡頭和變焦距硬件，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的遠(yuǎn)距離識(shí)別能力，為了保證目標(biāo)識(shí)別設(shè)備白天和黑夜的工作能力，光電識(shí)別設(shè)備研發(fā)時(shí)可設(shè)計(jì)紅外探測(cè)器等硬件。

探鳥光電探測(cè)輸出的數(shù)據(jù)中包含鳥類圖像信息、目標(biāo)的位置信息、目標(biāo)的高度信息及其種類信息。此類目標(biāo)數(shù)據(jù)可做2方面的應(yīng)用：①數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至驅(qū)鳥人員端口，為驅(qū)鳥工作提供實(shí)時(shí)探測(cè)數(shù)據(jù)支撐；②數(shù)據(jù)在后臺(tái)分析模塊中進(jìn)行存儲(chǔ)，在后臺(tái)分析人員分析數(shù)據(jù)時(shí)，將圖像數(shù)據(jù)融合雷達(dá)數(shù)據(jù)、人工巡視數(shù)據(jù)、生態(tài)數(shù)據(jù)等多數(shù)據(jù)源，綜合呈現(xiàn)鳥、生態(tài)、設(shè)備之間的潛在關(guān)聯(lián)，為生態(tài)治理提供科學(xué)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)鳥工作探、識(shí)、驅(qū)、治一體化管理。

3 結(jié)論

隨著科技的進(jìn)步，機(jī)場(chǎng)驅(qū)鳥工作的業(yè)務(wù)形態(tài)也會(huì)產(chǎn)生變化。新技術(shù)的應(yīng)用需要適應(yīng)機(jī)場(chǎng)業(yè)務(wù)開展的實(shí)際需求，不能簡(jiǎn)單地分項(xiàng)引進(jìn)、簡(jiǎn)單拼湊，機(jī)場(chǎng)管理部門需要的是一套貼近實(shí)際的完整解決方案。本研究實(shí)際應(yīng)用了探鳥雷達(dá)、探鳥光電、智能驅(qū)鳥系統(tǒng)等先進(jìn)設(shè)備，同時(shí)針對(duì)各個(gè)設(shè)備的特性和設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)，定制了機(jī)場(chǎng)智能鳥防系統(tǒng)。機(jī)場(chǎng)智能鳥防系統(tǒng)的應(yīng)用可將單一的探測(cè)設(shè)備、驅(qū)鳥設(shè)備及業(yè)務(wù)流程完全整合在一起，形成一套適應(yīng)中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)的鳥防業(yè)務(wù)模式，為國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)管理方提供參考依據(jù)。