無人機對機場道面與周邊區(qū)域監(jiān)視的研究

文/薛睿，楊家忠

隨著民航事業(yè)的快速發(fā)展，各地新修、擴建機場的工程逐漸增多，全國機場數(shù)量與面積明顯增加。但現(xiàn)階段，機場跑道與周邊區(qū)域的日常巡查仍主要依靠人工來完成。傳統(tǒng)的人工巡道車等方式不僅耗時耗力，還有可能對機場的整體運行效率造成不同程度的影響。近年來，無人機技術(shù)與計算機視覺技術(shù)結(jié)合而成的監(jiān)視技術(shù)促使無人機在超低空高效巡視道面障礙物與檢查機場邊界完整性等方面發(fā)揮出積極作用，有望取代傳統(tǒng)的人工巡查方式對整個機場進行監(jiān)視。更重要的是，該技術(shù)不僅能保證巡查安全、提高監(jiān)視效率，還有利于機場降低成本。未來，無人機還可以借助場面對比模型，對不同道面的圖像特征進行分析，以更精準地識別人工難以識別的極小或低色差障礙物。

近年來，國民經(jīng)濟的增長帶動了客運量的攀升，不少城市增建或者擴建機場以滿足客運需求。由于總機場面積逐漸增加，機場整體構(gòu)造更為復(fù)雜，單純依靠傳統(tǒng)的人工道面巡查已經(jīng)難以滿足機場對巡查效率等的要求。隨著國內(nèi)低空空域的逐步開放，我國通用航空事業(yè)獲得進一步發(fā)展，并一躍成為國民經(jīng)濟發(fā)展的新增長點，進而促進低空飛行器在國民經(jīng)濟建設(shè)、工業(yè)發(fā)展中的廣泛應(yīng)用。實踐證明，無人機在監(jiān)視識別、遙感測繪、節(jié)日表演等領(lǐng)域均表現(xiàn)出巨大的潛力。近年來，中國的無人機技術(shù)實現(xiàn)了層層突破，其制造成本明顯下降且智能化水平顯著提升，而將無人機引入機場管理體系已是大勢所趨。

一、無人機技術(shù)概述

20世紀20年代，無人機被作為軍事訓(xùn)練的靶機首次投入使用。由于其具備制作成本較低、易部署、機動性強、適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點，很快被多個領(lǐng)域引入使用，協(xié)助完成一些原本難以完成的任務(wù)。如今，無人機的功能進一步完善，并在航拍測繪等領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。得益于相對成熟的電子成像技術(shù)和圖像識別技術(shù)的支持，無人機開始被應(yīng)用于機場道面與周邊區(qū)域的監(jiān)視。在該領(lǐng)域，無人機的優(yōu)勢在于便捷、高效，不受地形限制，成本遠低于傳統(tǒng)人工巡道模式，并且能24小時全天候待命作業(yè)。機場可借助無人機對機場道面與周邊區(qū)域進行監(jiān)視，并在標記可疑點后，派遣人工進行針對性處理。此舉降低了作業(yè)成本，提高了機場巡查效率，有效實現(xiàn)了智能機場維護道面與監(jiān)視機場環(huán)境的目的。

二、無人機機場作業(yè)難點

在傳統(tǒng)理念下，為了避免無人機發(fā)生失控并與航空器產(chǎn)生碰撞，在機場管制區(qū)域內(nèi)是嚴禁無人機飛行的。目前，應(yīng)對此類影響飛行安全的問題時，機場通常會選擇對無人機采取管理措施，如設(shè)置無人機圍欄或者對無人機云管理系統(tǒng)進行線上監(jiān)控等，以此避免無人機與航空器異常接近。此外，由于無人機具備造價相對較低、作業(yè)效率高等優(yōu)勢，其被廣泛應(yīng)用于機場道面與環(huán)境監(jiān)視等方面，有效提高了機場運行與監(jiān)管效率。但在具體應(yīng)用過程中，機場需要注意以下幾點。首先，機場應(yīng)嚴格管控無人機在機場及周邊的飛行時間，以免其與正常飛行的航空器發(fā)生碰撞，進而威脅航空器的正常運行。另外，無人機本質(zhì)上依舊是由人工操控的，所以由無人機造成的不安全事件大多受人為因素的影響?，F(xiàn)階段，無人機因體積小、重量輕，動力水平有限，因而并不能搭載過多設(shè)備，這就要求無人機機載電腦必須具備較高的集成水平，并且能夠滿足識別道面與周邊環(huán)境、獲取完整的道面圖像信息等要求。

基于此，本文提出用無人機巡查代替人工巡查具有重要作用：首先，無人機能夠提高機場的自動化水平，對于未來智能機場的建設(shè)意義深遠；其次，無人機巡查的工作效率和準確度較高，并且能夠監(jiān)視到機場周圍以及人工巡查難以覆蓋的復(fù)雜地區(qū)；最后，科學(xué)使用無人機設(shè)備能夠有效增強機場的安全性和可靠性，避免道面出現(xiàn)異物。

三、無人機機場作業(yè)的解決對策

（1）現(xiàn)有航空器均配置有無線電收發(fā)器，如ADS-B、TCAS等。其中，TCAS的機載設(shè)備主要包括：一個詢問機，用于發(fā)射1030MHz詢問信號，接收1090MHz 信號；一個應(yīng)答機，用于接收1030MHz信號，發(fā)射1090MHz 信號。而ADS-B OUT主要包括一個GPS接收機和一個發(fā)射機，用于發(fā)射1090MHz ADS-B信號。ADS-B IN則主要包括一個接收機，用于接收1090MHz ADS-B 信號。因此，機場可以基于信號特點，在無人機巡航設(shè)計環(huán)節(jié)設(shè)置強制性命令，以確保無人機在作業(yè)過程中遠離1030MHz與1090MHz信號。但考慮到遠離該信號的無人機同樣需要加裝無線電接收機，并且其頻率與控制無人機的無線電信號的頻率差異較大，加之無人機受到體積和重量的限制，對無人機加裝1030MHz與1090MHz接收機的處理方式在現(xiàn)階段仍然面臨技術(shù)瓶頸。未來，無人機技術(shù)將趨于成熟，電子集成技術(shù)有望取得進一步突破，屆時，無人機加裝對應(yīng)頻率的無線電接收機后，必然將具備更多功能。

（2）由于航空器機載設(shè)備豐富、無線電收發(fā)機齊全，并且具備自主發(fā)送特定頻率信號的功能，理論上，機場可以創(chuàng)建無人機圍欄。無人機圍欄是指在無人機系統(tǒng)或者其加入的云系統(tǒng)中，以民航局規(guī)定的特定地理范圍邊界為依據(jù)，使航空器在地面運行過程中自主建立無人機禁區(qū)范圍，即通過技術(shù)手段來維持無人機與航空器的安全距離。

（3）無人機在運行過程中主要依靠高清攝像機實現(xiàn)對道面與機場周邊環(huán)境的監(jiān)視。機場工作人員獲取無人機傳輸回來的高清圖片后，還需要借助機場內(nèi)部的局域網(wǎng)對其進行計算處理。此外，由于航空器體積大、目標明顯，高清攝像機可以對航空器進行智能識別，從而有效避免額外占用無人機處理資源，實現(xiàn)更為嚴謹?shù)穆肪€規(guī)劃。

四、無人機道面與周邊區(qū)域監(jiān)視要點

考慮到無人機作業(yè)環(huán)境的特殊性，在規(guī)劃更高精度的無人機飛行路徑時，技術(shù)人員可利用機場道面標示牌、道面滑行線等較為明顯的參照物，對無人機內(nèi)部計算機系統(tǒng)進行調(diào)整。例如，在無人機執(zhí)行路面檢查任務(wù)期間，借助車輛自動駕駛技術(shù)中的路線識別功能，以及無人機自帶的衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，技術(shù)人員可以取得更高精度的檢查結(jié)果，同時快速規(guī)劃切實可行的飛行路線來指引飛行。技術(shù)人員也可以提前為無人機設(shè)置默認路線，無人機只需要執(zhí)行該預(yù)設(shè)路線進行場面監(jiān)控巡邏即可。在巡邏過程中，無人機將智能識別并避開航空器的默認路線，并對機場道面清潔情況與異物進行識別。在執(zhí)行機場周邊區(qū)域的監(jiān)視巡查任務(wù)時，無人機內(nèi)置的衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)將圈定巡查路線和巡查范圍，并嚴格控制其飛行軌跡處在機場圍欄控制區(qū)域內(nèi)。

除此之外，技術(shù)人員還可以使用背景差分法來進一步增強無人機的機場跑道異物檢測功能。簡單來說，該方法綜合利用了無人機機載式監(jiān)視設(shè)備，在機載高清攝像頭采集道面圖像信息的基礎(chǔ)上，配合跑道異物監(jiān)測系統(tǒng)，以快速獲取同一區(qū)域內(nèi)的跑道背景，進而構(gòu)建出完整的跑道背景圖。由于傳統(tǒng)的跑道檢測方法具有局限性，如果技術(shù)人員能夠基于跑道邊緣、形狀、色差、紋理等多個特征，以及跑面滑行線與邊線的色彩，對跑道道面及異物進行多特征融合的特點分析，就可以在充分發(fā)揮無人機機載高清攝像頭快速、連續(xù)采集圖像優(yōu)勢的同時，有效提高無人機的平面跑道檢測水平、道面污染物及跑道道面受損辨識度。跑道異物特征分析的主要目的是快速、精準地檢測跑道污染物。在日常工作中，為了提高機場運行效率，保證航班任務(wù)的正常推進，機場通常會盡量減少對跑道不必要的占用。在傳統(tǒng)作業(yè)模式下，工作人員監(jiān)測跑道異物的效率相對較低，跑道維修時間較長，長時間封閉跑道必然會降低機場的運行效率。而搭載了道面異物監(jiān)測系統(tǒng)后，無人機能夠在檢測道面異物的基礎(chǔ)上，進一步研判危險等級，并根據(jù)對應(yīng)等級提醒工作人員攜帶適合的維護設(shè)備快速對現(xiàn)場異物進行處理。

五、結(jié)語

綜上所述，本文就如何在機場運行的復(fù)雜環(huán)境中安全使用無人機準確識別地面目標展開分析，旨在不影響航空器和機場安全的前提下，快速對指定位置進行檢測，從而實現(xiàn)日常巡查效率與質(zhì)量提升的目的。分析結(jié)果表明，機場區(qū)域內(nèi)并不排斥無人機飛行，但其前提是機場能夠合理使用無人機。為此，機場應(yīng)配合道面異物檢測系統(tǒng)，并對各類危險因素進行分級，以實現(xiàn)快速檢查機場道面和周邊環(huán)境安全的目的，有序處理無人機巡查發(fā)現(xiàn)的各種問題，進而推動智能機場的建設(shè)。