基于物聯網的跑道防侵入監控平臺的研究與設計

趙棟 奉澤昊

摘 要 針對國內絕大多數機場普遍缺乏先進的場道監視設備狀況，本文研發一種能提供地面保護區實時狀態和主動告警功能的跑道防入侵系統。該系統利用物聯網平臺建立基于感知數據可視化的跑道侵入預測及預警模型，采用物聯網關鍵傳感器技術對跑道區域進行實時監測，同時整合地面多種監視數據于一體，根據相應的沖突預警算法實現場道內的沖突告警提示，給出了系統的設計和實現方法。

關鍵詞 物聯網 跑道入侵 Zigbee 傳感器

中圖分類號：TP272 文獻標識碼：A

近年來，隨著航空自由化趨勢的加強和飛行流量的增加，跑道侵入風險不斷增加。根據加拿大運輸部的一項研究表明：一個機場交通量增加20%，將使跑道侵入可能性增加140%。如何有效地提高民航運行的安全性、穩定性已經成為當前國際民航組織和各國民航機構研究的熱點問題。

一、研發背景

物聯網被認為是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的世界信息產業第三次革命，它通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。隨著物聯網技術的提出與研究的深入開展，物聯網在民航領域的應用也越來越廣，結合跑道侵入這一典型問題，研究物聯網驅動模式下的跑道防侵入方法及應用具有重要的現實意義，更具有長遠的戰略意義。

目前除北京、上海、廣州三地使用場監雷達地面活動進行監視和預警外，國內大多數中小型機場缺乏先進地面監視設備，跑道防侵入工作主要依賴于空管管制員借助視頻監控、人員巡查、對講機通訊等傳統方式進行目視監控。這些傳統的方式極易受到天氣、人為因素的影響，另外大流量和高強度的工作環境下，這種被動式的人為監控方式，出錯的概率和監視效果差是顯而易見的。本文結合中小型機場航班量、運營成本及設備維護等特點，研究一套能提供地面保護區實時狀態和主動告警功能的跑道防入侵系統，能有效地彌補管制員在極端的天氣條件下，對場道的監控的缺失，從而保障跑道的安全運行。

二、系統總體架構設計

系統總體架構設計如圖1所示，共包括四層：感知層、網絡層、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備實時采集機場跑道及周圍環境的多維數據，通過傳感器的主動式采集傳輸，為決策層提供準確及時的數據。

2、網絡層采用光纖通訊和Zigbee無線傳輸網絡技術，把感知層的數據安全可靠地傳輸到控制層，形成一套適用于機場多傳感集成情況下的可靠性網絡傳輸媒介，實現光纖和無線的雙路由保障傳輸。

3、控制層采用路由器、轉換器和其它控制設備把采集到的數據進行統一管理，利用TCP/IP標準協議把種異構的感知數據統一標準化，然后對數據進行加密，以防止第三方非法用戶竊取采集的數據，采用通用統一的數據表示如XML語言對統一的數據進行表征，以實現在決策層數據運用及共享的兼容性。

4、決策層利用SOA體系結構設計一套基于Internet/Intranet的決策系統，該系統通過權限設計和模塊配置化設計，即經過配置后，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在本機場及管理局機構共享，配合硬件感知設備的運作，為塔臺管制員、調度員、機場巡查員等用戶提供多種監控方法。

三、系統實現

系統的實現主要如圖2所示，包括地面沖突數據的探測、數據處理服務器和實時監控顯示告警終端等三個模塊。地面監視數據的獲取主要是利用激光探測器、紅外探測器和Zigbee節點的無線定位技術來實現對航空器、車輛和跑道人員活動的探測，采集到監控數據通過光纖網絡和無線傳感器網絡傳至數據處理服務器，由數據處理服務器對監視數據進行提取和加工，并存儲在服務器數據庫中，結合GPS與雷達數據，進行相應的沖突預警算法，在塔臺監控終端實時顯示當前跑道內的航空器、車輛位置信息和人員活動情況，并提供相應的告警提示。系統提供多種信號的接口，如雷達信號和ADS-B等，通過融合多方面的數據來實現對場道的監控。采用雙冗余結構，在其中一網失效時，能自動無縫切換到另一網。

四、關鍵技術分析

（一）跑道沖突區域的探測。

針對跑道侵入主要因素（人、車輛和航空器等）實時監控的需求，采用多傳感器結合的多維數據采集策略，對跑道分為三級區域進行集中監控，如圖3所示。在跑道保護區域和跑道樞紐區直線上按一定的間隔連續架設激光探測頭和Zigbee人體紅外探測器，通過激光束形成的閉環路激光探測網，對進入區域內的航空器和車輛進行監測，同時利用Zigbee探測器組成的無線傳感器網絡對跑到內人員活動進行監控。在滑行道鋪設Zigbee無線傳感網絡，利用Zigbee節點的身份標識，為載有Zigbee設備的車輛和航空器實現在滑行道內精確的位置定位，從而避免滑行道內的車輛和航空器的沖突。

圖3 跑道區域防侵入探測設計模型

（二）動態環境下感知數據網絡傳輸機制。

采用光纖及無線傳感網絡的雙路由傳輸機制，以實現傳探測數據的穩定與可靠傳輸。 在跑道兩側鋪設光纖，激光探測數據通過光纖網絡傳至實時監控模塊。如圖3所示，傳感節點數據利用 Zigbee強大的自組網能力和動態路由方式，以接力的方式將數據從一個網絡節點傳到另一個節點，直至數據處理服務器。

（三）多數據的融合處理。

數據融合是一個多級、多層面的數據處理過程， 主要完成對來自多個信息源的數據進行自動檢測、關聯、相關、估計及組合等的處理，實現目標識別（特征提取、規則庫改造、基于規則的推理或神經網絡） 和動態目標航跡融合（包括時空配準、航跡關聯）。 融合過程分為3個層次，如圖4所示。首先對感知數據的信息表達、資源描述、信息處理及加密方法，采用統一的數據表征格式，獲取位置和身份信息。其次進行態勢評估，然后根據告警策略進行預警。

圖4 數據融合處理過程

（四）跑道監控顯示。

軟件模塊包括實時監控和可視化管理兩個部分。

1、實時監控模塊：該模塊針對機場異常物體探測的實時性要求，通過實時控制技術實現感知設備、傳輸網絡及控制層設備的管理，如系統參數配置、設備注冊及工作狀態監控，該模塊采用Socket技術對設備端口進行實時管理，以保證設備的正常運行。

2、可視化管理模塊：針對感知數據抽象、離散等特點，利用可視化技術把感知數據還原成現實數據，通過三維模型表達的方面呈現給用戶，從而把傳統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行實時監控，通過調控機制杜絕此類事故的發生，同時，如果系統檢測可能發生航天器異常事件，系統將自動發送預警信號給塔臺管制員及駕駛員，以避免事故的發生。

五、 結束語

跑道入侵是影響民航安全運行日益嚴重的問題，在目前國內機場普遍缺乏場監雷達監控的情況下，跑道防侵入工作主要依賴于塔臺管制員的目視監控。本文從塔臺管制員的工作角度出發，利用物聯網平臺，通過激光探測頭、紅外傳感器和Zigbee節點鋪設的監控探測網對跑道內的航空器、車輛和人員進行實時的監控，通過對多個數據的融合處理獲得更加精確的場面監視數據。圖形化的顯示界面，內容直觀易操作，同時系統還提供多種數據接口，如場監雷達、GPS和ADS-B等，易于擴展，能有效彌補場監雷達的缺失，保障民航機場的安全運行。□

（作者單位：民航湖南空管分局）

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