機場助航燈信息管理系統及故障預警機制研究

白璐 解增武 雷寧 蔡巍 呂海波

摘 ?要：機場助航燈系統是確保飛機飛行安全的重要視覺導航系統，在飛機行進和著陸過程中起到至關重要的作用，直接影響飛機正常起降的安全性。民航行業飛速發展，助航燈系統的數量和系統復雜度急劇上升，人工檢查方式已經不再滿足要求。助航燈系統需要自動監控功能，以提高助航燈系統的可靠性。該文通過調研機場運維管理的實際需求，研究機場助航燈信息管理系統及故障預警機制，為機場助航燈的日常運維管理及設備的故障預警提供有效合理的維護依據和管理手段。

關鍵詞：助航燈;信息管理系統;故障預警機制;維護管理

中圖分類號：V351.32;TM923.57 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）04-0065-03

Abstract：The Nav-Aid lighting system is important to ensure the flight safety，which plays a key role in the process of aircraft approaching and landing. The operation of the Nav-Aid lighting system is directly related to the safety of the aircraft take-off and landing. The manual inspection method of aviation lighting can not meet the requirements of the rapid development of civil aviation industry and the number and complexity of Nav-Aid system has increased dramatically. Automatically monitoring is necessary for Nav-Aid lighting system to improve reliability. In this paper，based on investigation of airport operation and maintenance，the information management system and fault early warning mechanism for airport Nav-Aid lights system are proposed，so as to provide efficient and reasonable methods for daily maintenance and management of airport Nav-Aid lights and fault early warning of equipment.

Keywords：Nav-Aid lights;information management system;fault early warning mechanism;maintenance management

0 ?引 ?言

機場助航燈系統是一種視覺輔助，是飛機在夜間或其他惡劣條件下能夠平穩起飛、降落和滑行的重要保證。它不僅為夜間飛行的飛機提供視覺指示和引導信號，而且還與無線電進場著陸系統相結合，確保飛機在多種環境下都能正常運行[1]。

滑行道照明系統，跑道照明系統和進近照明系統作為機場導航照明系統的主要組成部分，在飛機起降的不同階段均起著重要作用[2]。夜間飛行必須依靠機場助航燈系統的正常運行，使飛行員能獲得當前地面跑道的信息，以確保飛機的正常運行[3]。

目前，助航燈的故障概率比較高，由于機場的面積很大，設備的覆蓋范圍廣，采用人工檢查，將耗費大量人力資源，而且一旦系統出現故障，排查故障點并及時可靠維修也是一個重大難點。一旦助航燈系統發生故障不能運行，將導致飛機場運行癱瘓。因此，檢測維修部門必須迅速且準確地對助航燈系統進行維護[4]。機場助航燈維護管理系統對于維護機場的航行燈，并確保整個機場的正常運行具有重要的價值。機場助航燈設備的運維管理方法要與信息管理時代緊密結合，提高運維效率，降低人工成本和維護失敗率，必將朝著自動化、網絡化和智能化的方向發展[5]。

1 ?國內外研究現狀

助航燈光監測和設備維護管理系統是機場助航燈光維護管理的主要部分，主要任務包括監測設備工作狀態、提供設備運行信息、提供故障告警和預警信息、對人員和設備資產等信息管理與維護等。

自1990年以來，在北京首都機場率先引進由美國CLOUSE-HINDS生產的助航燈光計算機檢測系統后，國內的其他十余家機場也相繼安裝了這個系統。除了美國CLOUSE-HINDS生產的助航燈光計算機檢測系統外，我國還引進了德國ADB公司生產的助航燈光監控系統。這兩套系統都是當時較為先進的系統，都有著不同的特點，且是不同的設計架構的典型代表[5]。

美國CLOUSE-HINDS的助航燈光計算機監控系統采用的是并行控制法，這種方式是一種集中式網絡，其構成模式是：以塔臺的計算機為系統的中心，與燈光站和維修站進行通信，具有通信速度快的優點，但對塔臺計算機的可靠性的要求極高，一旦塔臺計算機崩潰，將會影響整個系統的通信，監控系統就不會正常工作，以至于后續的維修及檢查修復工作也就不能及時進行。另外，在系統實施過程中需要鋪陳大量的通信電纜，會帶來通信系統的接線、安裝、維護和維修難度較大等問題，增加系統成本。

德國ADB公司的助航燈光監控系統采用的是串行控制法，這樣的優勢是控制單元之間可以共享數據，通信系統安裝過程中需要較少的通信電纜，使成本大大節約，也使安裝、維護和維修難度變小，但是與采用并行控制方案比較，其缺點是通信速度較慢[6]。

經過了幾代的更迭與進步，我國的監控系統的發展水平逐步增長，監控系統的功能也越來越完善，但是仍然存在一些不成熟的地方。比較突出的問題是通過人力資源來管理機場的設備缺乏針對性，管理效率低，不適合助航燈光的維護管理。因此，本文基于機場助航燈光維護管理的特有性質，提出針對助航燈設備的資產管理、生命體征管理及全生命周期的管理方法，可以提高助航系統的管理效率。

2 ?助航燈信息管理系統

機場助航燈光是機場的重要保障設施，保證飛機在夜間和復雜氣象條件下飛行，飛機的安全直接受燈光系統運行的可靠性影響。首都機場40 km范圍內的3.4萬套燈具，分布距離約0.1～5 m不等，共有約40種左右不同燈具，每種燈具至少20種備件，燈具品牌復雜，類型繁多。由于機場助航燈數量多、分布范圍廣，巡查全場需要投入的人力、物力巨大，并且純人工巡查容易造成漏查、誤查、統計錯誤等問題，將直接影響整個機場的安全運行。

本文提出的助航燈信息管理系統利用物聯網技術、大數據技術、人機交互技術將機場助航燈的身份信息、生命體征信息、相干關系人（企業）信息、設備周轉信息等一系列數據進行統一管理、集中分析，在極大簡化管理流程、降低施工及維護等作業難度的同時，可以提高助航燈運維管理的效率和精準性。助航燈信息管理系統主要包括：

（1）系統主頁：顯示燈具區域分布、實時狀態、燈具總量及故障燈數量等;

（2）燈具管理：工作區管理、庫房管理、維護管理、燈具分布設置等;

（3）報警信息：顯示及查詢燈具報警、期限報警、庫存報警、設備故障及生命周期預警等告警及預警信息;

（4）燈具維護：日常巡檢管理、維護管理等;

（5）用戶管理：用戶信息管理、角色管理等;

（6）數據統計：歷史監測數據、維修及保養記錄、故障告警信息等數據的統計分析;

（7）系統管理：系統配置后臺，負責用戶賬號、權限管理。

鑒于助航燈設備數量較多，原始設備信息不完善等客觀原因，本系統采用人工錄入與圖像錄入等多種錄入方式，利用圖像識別技術，簡化批量設備信息錄入的流程，減少信息錄入的工作量，并降低了錄入信息的錯誤概率。

3 ?助航燈故障預警機制

傳統的助航燈運維管理方法存在耗時耗力、問題發現不及時、故障只能事后處置無法提前預警等痛點。本文提出的故障預警機制，可以在助航燈設備出現異常時，第一時間發出告警，使運維人員可以及時處理。同時，系統利用大數據挖掘與分析技術，可以對助航燈設備可能發生的故障提前預警，降低助航燈設備發生故障的概率。

本文設計的助航燈管理系統在助航燈設備內增加了實時監測設備，該設備主要監測溫度、振動和工作電流三個物理量。其中，溫度變量與時間變量相結合，作為助航燈設備故障發生的背景條件。振動監測量用于診斷助航燈設備是否出現碎裂或安裝部件松動等故障，工作電流監測量用于診斷助航燈設備是否出現斷路或短路故障。

振動監測類相關故障預警策略關系式如下所示：

其中，Vi為第i次振動檢測值;Vmean為統計周期內的所有振動檢測值的平均值;f為根據統計結果人為確定的振動故障預警累計次數;α為判定振動故障的比例系數。

在上式中，當左側的統計次數大于右側的振動故障超限次數時，系統將自動發出振動異常預警，相關工作人員則根據此預警信息排查助航燈設備可能存在的碎裂或安裝部件松動等故障。為了避免飛機起降過程中強沖擊引起振動監測設備頻繁出現誤報情況，在系統運行過程中，系統管理人員在保障系統漏報概率達標的情況下，根據故障預警與現場診斷反饋情況的匹配程度，人為調整故障預警累計次數f和比例系數α的大小，則可以降低系統的誤報概率。飛機起降引起的振動超限報警是瞬時的，而助航燈故障引起的報警持續時間要長一些。因此，通過合理調整α和f的大小，可以在滿足一定誤報率的情況下，初步判定是否為助航燈故障報警。此方法計算簡單，便于提升系統的響應時間。

電流監測類相關故障預警策略關系式如下所示：

Ireal-Imean≥αImean，即Ireal≥（1+α）Imean

其中，α為判定短路故障的比例系數;Imean為統計周期內的所有電流檢測值的平均值;Ireal為最新一次的電流檢測值。

Imean-Ireal≥βImean，即（1-β）Imean≥Ireal

其中，β為判定斷路故障的比例系數;Imean為統計周期內的所有電流檢測值的平均值;Ireal為最新一次的電流檢測值。

在上式中，助航燈系統管理人員需根據設備的工作時長、工作環境溫度、維修保養記錄等信息設定合理的短路、斷路比例系數，助航燈管理系統便可準確判定設備的電氣類故障，在助航燈設備發生斷路或短路故障前，給出故障預警。

4 ?實驗結論

4.1 ?振動監測類相關故障預警策略分析

通過平臺獲取多組振動監測數據，并對多組數據進行統計分析，初步確定故障預警的累計次數f為40，比例系數α為0.45，則αf=18。獲取助航燈在飛機起降和故障條件下的振動監測數據，其故障預警分析如圖1所示。

通過圖1可以看出，報警次數門限設定在18時，飛機起降引起的振動超限可以被濾除，而助航燈故障引起的振動超限則可以被有效地檢測出來，因此利用本文提出的振動監測故障預警策略，可以在降低系統誤報率的同時，準確判定助航燈設備自身故障。此外，通過觀察此圖可以發現，助航燈振動異常時，存在監測值陡降的過程，這也可以幫助管理者分析故障原因。

4.2 ?電流監測類相關故障預警策略分析

通過平臺獲取多組電流監測數據，并對多組數據進行統計分析，初步確定短路故障比例系數α為1.1，斷路故障比例系數β為0.9。獲取助航燈在故障條件下的電流監測數據，其故障預警分析如圖2和圖3所示。

5 ?結 ?論

綜合分析以上實驗結果可以看出，通過助航燈振動監測及歷史數據的統計分析可以對助航地燈的裝配牢固性進行有效檢測，實現助航燈工作可靠性、平穩性的準確判定;通過電流監測及歷史數據分析，可以判斷助航燈是否存在斷路或短路故障，并可通過長期的數據統計分析，判定助航燈是否存在短暫的閃爍現象。

參考文獻：

[1] 王會林，楊圣云，余曉春，等.機場助航燈光故障定位計算機檢測系統的研發 [J].韓山師范學院學報，2007（3）：23-28.

[2] 劉增禹，王立文，王強，等.機場助航燈光光強動態檢測系統 [J].中國民航學院學報，2006，24（3）：20-23+31.

[3] 王立文，李春，王丙元.助航燈光故障檢測與診斷系統的研究與實現 [J].電氣應用，2007（26）：106-110.

[4] 曲娜.機場助航燈光監控系統設計 [J].可編程控制器與工廠自動化，2007（7）：77-80.

[5] 王丙元，倪善慶，李寶勝，等.機場助航燈光遠程監控系統研究與實現 [J].計算機工程與設計，2010，31（8）：1878-1881.

[6] 張偉東，沈佳冰.助航燈光的預防性維護方法的實踐與探討 [J].機場建設，2003（3）：19-22.

作者簡介：白璐（1968-），男，漢族，天津人，燈光管理主管，本科，研究方向：機場助航燈光運行維護;解增武（1971-），男，漢族，山西運城人，就職于飛行區管理部，副總經理，工程師，碩士研究生，研究方向：機場飛行區安全管理及運行維護;雷寧（1982-），女，漢族，四川內江人，業務經理，工程師，碩士研究生，研究方向：機場運行與安全業務信息化;蔡巍（1981-），男，漢族，湖南益陽人，總經理，中級職稱，本科，研究方向：物聯網及信息系統;呂海波（1976-），男，漢族，山東禹城人，教師，高級工程師，碩士研究生，研究方向：物聯網通信與應用技術。